STM32的自动电压测控单元设计

1万 · 2019-11-14 13:45

自动电压控制系统(AVC)是保证电网电压质量和无功潮流合理分布的重要
手段，对于整个电网的稳定性和电力设备的经济安全运行意义重大。自动电压
控制系统包括AVC主站和AVC子站两层结构，其中AVC子站主要作用为上传
现场信息和执行主站的无功分配命令，保证电网稳定、有效的运转。

1万 · 2019-11-14 13:45

本文主要针对AVC子站下位机展开研究，制定了下位机的硬件和软件设计
方案。在硬件设计方面，采用模块化的设计方案，主要硬件电路包括主控模块、
交流量采集模块、4-20mA直流量输入输出模块和开关量输入输出模块等7个模
块，其中重点分析了主控模块电路和基于专用电能测量芯片CS5484的交流量采
集模块;在软件设计方面，基于程序功能设计要求，分为LwIP模块、GPS模块、
CS5484模块、4-20mA模块和开关量模块等5个模块进行编程，其中重点分析
了LwIP网络编程、GPS对时编程和CS5484模块编程。
根据以上软硬件设计方案开发出了自动电压测控单元，采用误差为0.05%的
标准交流信号源和误差为1%的直流信号源对测控单元进行了测量。测量结果表
明，该测控单元测量精度较高，电压和电流的测量误差小于0.2%，功率的测量
误差小于0.4% } 4-20mA直流量的测量误差小于0.4%，较好地满足了测量精度
的需要。并且测控单元成本较低，功能丰富，配置灵活，可以满足多个场合的
功能需求。

1万 · 2019-11-14 13:46

随着我国电力系统建设的逐渐完善，大容量机组的使用逐渐增多，超高压
电网分布越来越广泛，电力系统无功补偿的能力相比之前已有显著的增加，当
前无功补偿不足的问题已经得到有效的改善。电力系统中无功功率分配不合理
问题和无功潮流的不合理分布的问题逐渐变为主要问题。所以，如何有效地调
节无功功率的分配是当今需要重点解决的问题[[5, 6]。特别是目前发电厂建设较为
密集，并且并入电网的大容量机组越来越多，这使得调节其中单个的机组无功
出力的效果逐渐减小。在这种情况下，需要在地区调度中心的统一调度下，合
理分配各个电厂无功出力，才能保证地区的电压和无功潮流维持在一个良好的
水平。基于此，采用自动电压控制系统(Automatic Voltage Control System，以下
简称AVC)来实现电压和无功的有效调节便显得十分有必要。
AVC是调节电压和无功分配的重要手段，该系统通过网络等对电网无功潮
流的平衡和电厂无功进行实时的检测，利用当前电网的实时无功分布状况，以
优化电网整体无功潮流平衡为目标，通过提前制定的优化策略，结合当前的约
束条件，做出系统整体最优的无功潮流调控的分配方案f}_lol。然后，根据这个方
案将各个发电厂和变电站的电压目标下发，调整发电厂和变电站的无功出力，
进而有效的保持电网的稳定运行和电压无功的合理分配。

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AVC主站为省调控制系统，AVC子站一般为发电厂或变电站电压控制系统，
AVC主站与多个AVC子站构成星型网络，AVC主站和AVC子站之间通过远动
通道(RTU)或直接连接实现数据交换。
在AVC运行过程中，AVC主站采集各个子站的母线电压、机组无功等电力
参数，以电网无功潮流平衡为目的，调节系统无功分布，计算出各个发电厂的
电压目标，将电压目标下发到位于各个发电厂的AVC子站。AVC子站在接到
AVC主站的电压目标之后，结合约束条件，计算出电厂各个机组无功目标，通
过下位机调节配置分布式控制系统(DCS)，调节各个机组励磁，使其达到无功
目标[}ss}。与此同时，AVC子站将通过远动终端(RTU)或与AVC主站直接相连
实时上传AVC子站信息，如母线电压、机组无功等电力参数。通过和远动终端
( RTU)的配合可实现遥控、遥测、遥信和遥调的“四遥”功能。

1万 · 2019-11-14 13:50

本文研发的基于STM32的自动电压测控单元属于AVC子站下位机，下位
机通过通过采集机组的电压、电流、无功功率、4-20mA信号等电力参数之后通
过以太网上传至上位机。同时，下位机可接受上位机下发的指令，输出4-20mA
信号、脉冲信号等直接调节自动励磁调节器AVR或通过配置分布式控制系统
(DCS)调节机组无功出力。此外，下位机还可以监控现场开关量状态，实时上
传给上位机。

1万 · 2019-11-14 13:52

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测控单元需通过以太网与上位机进行通讯，以太网的硬件方案有两种:一
种是用SPI或RS232转以太网控制芯片;另一种是主控芯片自带硬件以太网控
制器。采用SPI或RS232转以太网的芯片优点是软硬件较为简单，缺点是扩展
性和自由度差，适合开发时间紧且较为简单的以太网应用。采用主控芯片自带
硬件以太网控制器的方案，需外加物理层芯片和网络变压器，缺点是硬件较为
复杂，优点是扩展性和自由度高，适合于较为复杂的应用场合。由于该测控单
元与上位机通讯内容较多，需要在应用层专门制定相应的规约来保证通信的正
确率，所以采取后一种方案更加合适。

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