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。
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
  J, I" ?7 ^4 E& l( Q: l' w, t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
基于无线通信的电力线路数据采集系统的研究
; c  I0 R' u. r& y0 h( c6 V1 b汤文王毅谢将剑
(北京交通大学电气工程学院北京1 00044)
! r) t+ v# ~8 E8 a8 j' r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。
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
" r' T3 _2 P$ c# 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。
# z8 o9 |- O2 ^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
系统或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接
7 X5 F( k+ w4 j7 }) R. [. L1 W5 e地系统。单相接地是电力系统最常见的故障，由于
/ |) h: o( j  A- u9 U! X1 C接地电流小等原因检测起来困难很多。该类型故障
: L0 _, E  ]) M' r6 b! D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
* Z2 y) y5 u  P, m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
& ~. O5 V/ T) {) |指示器内部CPU对信号进行分析比较运算后，进
' r! S8 u$ ]. N  G! X0 F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
0 j! N0 _/ R1 [' h# d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
9 r3 H* q$ {( }! I% C2 N指示器动作值整定不合理，整定值太高，发生故障
' x% m* G2 ?: A+ i6 N* F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
. ?% B8 X) I* E& t* v8 D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
+ {1 m! T* X, ~6 a* l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
! H! H7 e2 ^! p2 |7 e: ]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
2 |4 X( C; s6 j4 J6 q3 j2 G) c装在电力线路上的电量采集发射单元，包含电压、
1 B0 T5 B: ^/ Y0 V) `9 z2 {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。

! X. H% B# u. s* N9 H3 G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
的电量采集单元通过无线通信接口与监测计算机进
$ Z" \# R: x% Q, \行数据通信(见图1)。

: y# S; E7 g( T* {3 Q1．1主要器件
微处理器选用Microchip公司的PICl6LF818
# n! m4 y! c: i& b2 N7 F单片机，是一种带1．75K字节闪存(FLASH)的低
' u7 V4 q' \0 E& s4 }* w! c) {电压、高性能的8位单片机。PICl6LF818自带
6 W3 x: ^2 \4 r: v2 K128KB RAM、8位可编程I／O线、两个8位，一个
; w7 N0 l' Q# U0 u16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
! `1 I5 s- w: F% k. k对波形信号进行采样、转换、处理、存储，并通过
4 r! v" P- w: [* l; Y3 ~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
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
1 @* A" B! ^0 M+ M" w7 G6 j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
5 _6 F4 f5 J- r! j信模块实现数据接收模块与上位机的同步通信，将
实时信息传送至上位机进行处理【2】。
6 j. z! p; ^/ E9 t) H" Q无线射频芯片选用挪威Nordic公司推出的单
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
  I! K* T# M! b! ]频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等
+ b. O6 u& e2 K功能模块，具有GFSK调制和解调能力，工作电
& C5 J) S/ M# o0 _* D+ A, f压1．9～3．6V，低功耗，抗干扰能力强¨j。
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2 c! y4 Z$ E! ~5 y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
2 i+ q, J2 V9 p3 s. o( W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。
6 ]' f% O9 w+ `7 G: @, ?& @1．2硬件结构
  O  v0 m$ ]% L7 z. n9 M  G! y3 v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，
使输入的波形抬升到零值以上，以便单片机中进行
9 ]$ e/ X9 ]; c/ E: IAD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
2 O8 d4 q/ y5 F4 B' V6 v( ORA0和RAl口输入。
4 Z' b/ p1 X' ?单片机SPI串行接口与无线射频芯片的接口连
$ }! n! g+ z6 `& Q" c接，SDI和SDO口接DATA端，完成单片机与无
. U. l1 |5 w  J1 j8 d- D: p; d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
6 k' Q7 ?( N' ~9 [! B5 T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