基于ICl6LF818单片机无线通信的电力线路数据采集系统的研究

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摘要本文介绍一种电力线路数据采集系统的设计方案，该方案中采用无线通信技术。
- H4 \* w; W7 T' d6 g  ?7 }系统采用模块化设计，电量采集发射单元对线路电量参数进行采集，单片机和高速射频
芯片保证数据采集传输的高速、高效和高可靠性；用户界面单元通过数据接收模块与计
算机之间串行通信，实现实时监测，有着广泛的应用前景。

引言
! F  k% V7 R2 j- w" Q0 x基于无线通信的电力线路数据采集系统的研究
汤文王毅谢将剑
(北京交通大学电气工程学院北京1 00044)
摘要本文介绍一种电力线路数据采集系统的设计方案，该方案中采用无线通信技术。
, s3 h3 I8 p5 M  }+ G系统采用模块化设计，电量采集发射单元对线路电量参数进行采集，单片机和高速射频
. W& z( e7 a/ K6 a" ~芯片保证数据采集传输的高速、高效和高可靠性；用户界面单元通过数据接收模块与计
* `3 G" {4 q3 F( A# ]6 ?; y$ u6 E算机之间串行通信，实现实时监测，有着广泛的应用前景。
关键词无线通信数据采集单片机mRF2401
% c& ^; C; _, `我国10kV的电力系统大多采用中性点不接地
+ O" _% ], F8 Q+ ^: j+ O系统或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接
' ^4 {9 |0 F# b地系统。单相接地是电力系统最常见的故障，由于
: V4 x& I4 g& \& ?接地电流小等原因检测起来困难很多。该类型故障
的定位一直是困扰电力部门线路维护人员的难题。
故障指示器是目前应用较多的一种产品，当供电线
路有短路或接地故障发生时，安装在架空线上的故
障指示器的传感器检测出电流电压突变信号。故障
指示器内部CPU对信号进行分析比较运算后，进
7 h3 v9 E  K; v( Y4 y+ ]! Z% s( j* Z行翻牌显示(转红)，达到设定时间能自动复位，
9 ^$ V3 l. m5 {5 ?( g' S恢复初始指示状态。工作人员通过报警指示信号，
. g. ~0 ]5 Q" \1 w. u% P能够迅速准确地找到电力线路故障位置而及时排
除。然而，在应用过程中，发现部分故障指示器不
, u/ ~; A: q- t1 s) c2 Q9 G) q能正确动作，甚至误动作。究其原因，是由于故障
- P4 z! q- p9 R  N- a) ^  p& E: a指示器动作值整定不合理，整定值太高，发生故障
时指示器不动作；整定值太低，指示器误动作。因
此，为研究发生故障时电力线路中的故障参数，更
- C) [5 d- p  ?% v, [. o" y加准确地设定故障指示器的整定值，需要研制一套
3 L0 }6 x1 }! ]3 l7 T1 S电力线路数据采集系统，收集输电线路正常工作时
和发生故障时的参数。本系统的应用，将有助于了
" M6 t3 z- L# x$ P, M, ]解线路的实际运行情况，提高故障指示器的动作准
确性，便于分析故障时的参数。
本文设计一种电力线路数据采集系统，运用无
* D2 h+ H2 ^& u7 j线射频芯片将电力线路参数值传输给计算机终端处
理，实现对电力线路电参数的数据采集。
1 电力线路数据采集系统组成
电力线路数据采集系统分为两个部分：(1)安
装在电力线路上的电量采集发射单元，包含电压、
; M0 U0 u; M$ Z" D. e4 Y+ k电流互感器、单片机和无线通信接口。(2)放置在
% w$ y1 Z9 s5 \0 r  X电力线路附近的监测计算机、无线通信单元。
* I: P) L# o3 ^5 Z
$ K6 A; J* ?7 ^' T2 _1 \在电力线路上需要监测的点安装电量采集发射
1 n! j3 e! a/ D5 @8 v$ |单元，通过其中的电压电流互感器采集波形，所有
. U6 ^" q1 q" H5 E的电量采集单元通过无线通信接口与监测计算机进
行数据通信(见图1)。
; M) ~1 G1 {: x+ ^1 \+ r/ U
9 P* W5 N: B4 e- b6 j' Z7 y4 s1．1主要器件
微处理器选用Microchip公司的PICl6LF818
单片机，是一种带1．75K字节闪存(FLASH)的低
电压、高性能的8位单片机。PICl6LF818自带
128KB RAM、8位可编程I／O线、两个8位，一个
+ _7 Y" s9 w. F# A% s/ j/ H* Q5 V) t8 B16位定时器／计数器、可编程串行通道、低功耗
闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。它能
# j1 }' J6 ^& v* }: M对波形信号进行采样、转换、处理、存储，并通过
SPI串行通信模块响应来自PC机的命令及向PC
机传输数据。PICl6F818单片机的指令处理速度能
' \7 b+ Z, n8 M. B/ E够达到8MHz，内部集成5通道的lo位A／D采样
转换模块，此A／D转换模块属于逐次逼近式A／D
2 ~3 e5 k. S) R7 o2 d转换，具有转换速度快、精度高等特点，非常适用
于实时数据采集。另外，单片机内部的SPI串行通
+ c4 N- t6 U1 ]! y) t* C3 D8 D信模块实现数据接收模块与上位机的同步通信，将
  T2 r* L4 p+ S; q) a实时信息传送至上位机进行处理【2】。
% }* |3 c1 N# V" u无线射频芯片选用挪威Nordic公司推出的单
0 g7 X9 u" k5 }( B. O; l, l4 M- D2 e片无线收发一体芯片nRF2401，芯片工作于2．4～2．5
GHz的ISM(工业、科学和医疗)频段，芯片内置
频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等
' [" q! }" f& t; D% u6 F( P功能模块，具有GFSK调制和解调能力，工作电
6 ]! x1 m' c( m) y  f& P压1．9～3．6V，低功耗，抗干扰能力强¨j。

  e. ~2 E# O' W& h# W" `单片机内部A／D转换只能接受正电平，所以
5 ]) t5 C  E  ^- \8 m需使用运算放大器抬升电平。所选用的MC33202
是双通道运放，工作电压低，输入和输出满幅值，
具有噪声低、失真低、转换速度(压摆率)高及驱
动能力大的性能。
9 e0 ]* q8 x/ f. {/ P5 I: `  p1．2硬件结构
0 S+ B+ q4 c! F- f电力线路上悬挂的电压、电流互感器分别与双
通道运算放大器MC33202的两个输入端口连接，
  R$ A9 P6 {8 H+ ?8 x8 W  P使输入的波形抬升到零值以上，以便单片机中进行
, a+ O% `8 }. Z+ UAD转换。波形抬升的幅度可由输入端连接的电位
器调节。波形在运算放大器的抬升后，从单片机的
) }0 x9 p# ^: r: v3 ^; fRA0和RAl口输入。
! j! `) ~8 L  Y# {' S7 @单片机SPI串行接口与无线射频芯片的接口连
% W% F/ D" |( T# ?接，SDI和SDO口接DATA端，完成单片机与无
线射频芯片的数据交换；CE、CS、PWR口完成射
频芯片的模式控制，CLKl口作为时钟信号的输入
口，DRl口传输的信号表示接收信号已准备。单
, o; S$ q7 w4 R0 g( x片机与射频芯片连接原理图(见图2)。

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PICl6F818单片机的指令处理速度能
够达到8MHz