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。
' A5 f8 C/ P- ~. ~; i# }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
; C" J' h6 b- d0 u: |# I: p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。
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引言
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。
6 F2 N9 S% M) ^$ r8 N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。
3 L; T, V9 j, a关键词无线通信数据采集单片机mRF2401
我国10kV的电力系统大多采用中性点不接地
! J9 E3 D! R% a3 P系统或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接
地系统。单相接地是电力系统最常见的故障，由于
接地电流小等原因检测起来困难很多。该类型故障
+ o% {+ M4 x8 p# |0 T的定位一直是困扰电力部门线路维护人员的难题。
+ q: A( H2 q; m& k0 V故障指示器是目前应用较多的一种产品，当供电线
9 K* O/ s1 {0 X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
- K2 F/ u2 D. q' p  W+ G指示器内部CPU对信号进行分析比较运算后，进
行翻牌显示(转红)，达到设定时间能自动复位，
恢复初始指示状态。工作人员通过报警指示信号，
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
能正确动作，甚至误动作。究其原因，是由于故障
0 A! a7 h0 G+ j) j, M% q" U6 T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
加准确地设定故障指示器的整定值，需要研制一套
, r4 o+ r  R1 V! A+ C& H* u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
2 m! a# W& v5 e/ p( k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
6 {; X6 M$ S5 _- ^线射频芯片将电力线路参数值传输给计算机终端处
' i  {/ B' ^' ^, r0 P' a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
1 }6 q: a- @( h: d/ ?电力线路数据采集系统分为两个部分：(1)安
- D$ P2 {+ ?  @装在电力线路上的电量采集发射单元，包含电压、
电流互感器、单片机和无线通信接口。(2)放置在
电力线路附近的监测计算机、无线通信单元。

7 O8 f+ U! x. P在电力线路上需要监测的点安装电量采集发射
单元，通过其中的电压电流互感器采集波形，所有
3 N2 t: L4 s' E8 u4 T% ]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)。
+ k4 O7 k. S0 D) o: s0 w8 i
' g3 l( g+ _1 W; _1．1主要器件
" Y9 L$ Y! }& H  A微处理器选用Microchip公司的PICl6LF818
  k# n/ n. Y1 r8 `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
2 Y* r1 v2 ]3 `* s" y- g128KB RAM、8位可编程I／O线、两个8位，一个
- `& ~/ S) o0 f4 k8 m7 @" g16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
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
# H2 ]: B: k: @: z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
转换，具有转换速度快、精度高等特点，非常适用
( u, j# R3 m: @- z% j7 X' Y: `于实时数据采集。另外，单片机内部的SPI串行通
信模块实现数据接收模块与上位机的同步通信，将
: [5 F& c" K& b7 Q* [实时信息传送至上位机进行处理【2】。
无线射频芯片选用挪威Nordic公司推出的单
& V, b, O: y$ U5 B# X. ?片无线收发一体芯片nRF2401，芯片工作于2．4～2．5
0 j- |0 e- O% y% M& o9 k4 fGHz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
7 W  V: K" t0 Z4 |+ h# e功能模块，具有GFSK调制和解调能力，工作电
; {  C7 q0 U' P. a' X压1．9～3．6V，低功耗，抗干扰能力强¨j。

单片机内部A／D转换只能接受正电平，所以
需使用运算放大器抬升电平。所选用的MC33202
1 y4 e: s7 F0 Y- O7 B是双通道运放，工作电压低，输入和输出满幅值，
$ H& D5 G5 ^0 n- t4 I5 Y% R6 a+ P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。
3 z5 h2 d$ \  y1．2硬件结构
8 \9 T) C2 }; [5 y: H' Z) R5 Y电力线路上悬挂的电压、电流互感器分别与双
$ [1 }' ], V" X2 r: g; M通道运算放大器MC33202的两个输入端口连接，
使输入的波形抬升到零值以上，以便单片机中进行
AD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
RA0和RAl口输入。
单片机SPI串行接口与无线射频芯片的接口连
接，SDI和SDO口接DATA端，完成单片机与无
) s: P: N: i' X1 ?: O! ~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
4 {. E" s1 F  {  c片机与射频芯片连接原理图(见图2)。
- q$ }5 z: e' {8 {2 i- i
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PICl6F818单片机的指令处理速度能
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