李佳俊，皮大能，代灿威
(湖北师范大学 电气工程与自动化学院，湖北 黄石 435002)
我国地缘辽阔，部分偏远地区由于地理位置的限制，造成了当地电网建设十分落后并且电能的质量得不到保证[1，2]。同时这些偏远地区电网的基础建设也存在着许多问题。例如，电源点不足，线路由于地理因素过于迂回等。此外，偏远地区电网管理薄弱，从而造成了供电不稳定经常停电的现象。所以文章针对偏远农村地区用电高峰期时常常断电的情况，提出了一种基于AVR处理器和SIM900A模块通过控制继电器来投切电容器接入电网系统进行供电补偿的方法。这种方法不仅避免了电能的浪费，且电网工作人员可以通过设置定时补偿方式或短信补偿方式，从而使偏远地区用电高峰期电能得到充足的保证。
供电补偿系统的硬件结构由7大模块组成：微处理器模块、实时时钟模块、供电模块、数据信号提示模块、控制信号模块、串口通信模块、SIM900A模块。这些模块共同组成了供电补偿系统，并且通过相互之间的协调工作来实现复杂的功能从而满足用户的需求。供电补偿系统硬件的框图如图1所示[3]。
微处理模块采用的是8位AVR微控制器ATmega168来作为整个供电补偿系统的核心控制处理单元对整个系统的数据进行处理，并控制各模块完成对应的指令。供电模块通过外接USB给3.3V电源电路提供输入，得到3.3V的输出给8位AVR微控制器ATmega168，使其正常工作。DS3231是一个带有温度补偿功能的高精度时钟元器件，它能够提供秒、分、小时、日、月、年等信息。SIM900A模块与串口通信模块连接，当接收到串口发过来的数据时，就通过编写的AT指令给用户发送短信，当SIM900A模块接受到用户发送的短信时，就会给串口通信模块发送数据。数据信号提示模块是根据串口通信模块的不同状态显示不同颜色的LED，从而有利于检测故障。控制信号模块，AVR微控制器ATmega168接收到多功能电力仪表发送的实时数据并从中取出功率因数。用取出的功率因数与设定的目标功率因数计算出补偿的电容器容量，并根据电容器容量计算出投切电容组的个数，然后转化成控制几组继电器的控制信号[4～6]。
图1 供电补偿系统硬件的框图
1.1 处理器模块
ATmega168具有高性能、低功率、数据处理能力强等特点，如图2所示。此外，还具有充足的程序存储空间以及一整套的编程与开发环境，大大方便了我们编程与调试从而缩短了开发周期。所以8位AVR微控制器ATmega168是一款足够满足本控制系统功能需求的核心处理器。
图2 处理器模块
1.2 实时时钟模块
DS3231模块如图3所示，它设计有备用电源。此外，它还可以通过编写程序来调整自己的时间，同时也可以根据需要，通过AM/PM来设置是24小时格式还是12小时格式。DS3231实时时钟模块是针对定时供电补偿方式设计的，当可以确定某一段时间为用电高峰期时，就可以通过设置定时时间，使在这一段时间里将供电补偿装置接入供电系统，从而使供电电能得到保证。
图3 DS3231模块
1.3 SIM900A模块
SIM900A模块如图4所示，它是一款支持2G/3G/4G所有移动以及联通SIM卡的高性能GSM/GPRS.模块上设计有可以兼容各种单片机的电平接口，通过这些设计，该模块可以和许多单片机连接。SIM900A模块识别的指令为 AT 指令，可以通过电脑或者通过单片机发送AT指令来控制模块，只要将 AT指令通过串口发给模块，就可以执行相对应的功能。
图4 SIM900A模块
1.4 串口通信模块
该模块是利用ATmega168控制器的串口中断与SIM900A模块串口进行数据传输，从而实现两模块之间的通信，如图5所示。当采用短信补偿时，用户通过手机发送短信给SIM900A模块，当SIM900A模块接收到与之匹配的信息时就会给串口通信模块发送数据，ATmega168控制器就会根据接收的数据控制继电器动作使得电容器接入电网系统。
图5 串口通信模块
1.5 数据信号提示模块
根据串口是接收还是发送状态显示对应颜色的LED，如图6所示，从而达到提示的目的，通过这样的设计在系统出现故障的时候，能够快速检测出故障原因，大大节省开发者的时间与精力。
图6 数据信号提示模块
1.6 控制信号模块
该模块主要通过控制继电器通断状态的个数来控制投切到电网系统中电容组的个数。本文中电网系统补偿采用的是并联电容器进行无功补偿，同时与用户侧的多功能电力仪表配合使用。
1.6.1 功率因数 在电力系统中功率因数一般用cosφ表示，在对电网系统进行补偿时，常常根据所需的cosφ来计算补偿的电容容量。
1.6.2 计算补偿电容的容量和电容器组数 假设在补偿线路中的有功功率为P1，电网补偿前的功率因数为cosφ1，电网补偿后的功率因数为cosφ2，补偿电容容量计算公式如下[5]：
(1)
式中，QC表示需要补偿的电容容量。
假设一组电容器的容量为Q，补偿电容容量为QC,电容器组数计算公式如下：
(2)
式中，N表示需要投切的电容器组数。
根据计算出的数据控制继电器动作来控制投切到电网系统中电容器的组数。
基于供电补偿系统的硬件结构，设计了供电补偿系统的软件系统以便能够很好地依托硬件达到用户的需求。以ATmega168控制器为核心处理器，当供电补偿系统的工作方式为定时补偿时，需要提前设置好定时时间段。当实时时钟模块到达设置的投入时间段时，ATmega168控制器根据接收到多功能电力仪表的功率因数以及设置的目标功率因数，进行计算接入电容器组的个数。计算出数据后控制继电器闭合使电容器接入电网系统。当实时时钟的时间超过切除时间段时，ATmega168控制器就会控制继电器断开，从而使电容器与电网系统断开连接，补偿线路恢复到平常状态。
当补偿系统的工作方式为短信补偿时，用户通过手机给SIM900A模块发送短信，当SIM900A模块接收到信息后就进行解析，通过解析的数据来判断给ATmega168控制器串口发送什么样的数据命令。当用户发送的是供电补偿系统接入电网系统的信息时，SIM900A模块接收并解析后就通过串口发送，将继电器闭合的数据命令给ATmega168控制器，在该命令下结合功率因数算出的电容器组数，控制继电器把电容器接入电网系统中。当用户发送的是供电补偿系统与电网系统断开的信息时，SIM900A模块接收并解析后就通过串口发送并把继电器断开的数据命令给ATmega168控制器，在该命令下控制继电器将电容器与电网系统断开。
供电补偿系统的软件结构主要由实时时钟、串口通信、SIM900A模块通信继电器控制组成，程序流程图如图7所示。
图7 软件系统流程图
2.1 实时时钟
DS3231模块主要目的是用来进行定时补偿，在进行编程时主要针对投入时间的设置、切除时间的设置以及备份投入时间、切除时间。进行定时时间的设置时，通常会判断补偿器的控制状态，若处于定时补偿的状态，才能进行时间的设置，否则返回一个提示信息。当把定时数据通过串口中断传送给ATmega168控制器，DS3231模块通过数据接收/发送通道与ATmega168进行数据交换。DS3231模块有两种工作模式，一种是12小时计数模式下，另一种则是工作在24小时模式下，所以当DS3231模块获取到定时数据后需要根据在不同的模式下重新计算定时时间。
2.2 串口通信
串口模块的目的主要是实现SIM900A模块与ATmega168控制器之间的通信数据的交换。对串口模块编程时，首先要对串口中断进行配置，配置完成后为了接收与发送数据的准确性，必须编写一套通信协议，在此串口模块中发送一帧数据包含帧头0X40、数据、校验位、帧位0X0D、0X0A.当接收数据时，首先判断接收的一帧数据格式是否正确，如果正确再调用解析数据的函数进行解析得到需要的数据，否则重新等待接收。
2.3 SIM900A模块通信
SIM900A模块主要是用来进行短信补偿，在进行编程时主要考虑如何把收到的用户数据解析并把数据通过串口模块传送给ATmega168控制器。首先SIM900A模块要想接收到用户的短信，需要把用户的手机号通过AT指令设置好。此外，SIM900A模块短信格式设置为UCS2、发送汉字模式以及PDU格式。当用户发送“补偿投入”，SIM900A模块接收到后，进行数据处理。首先判断补偿系统状态若为短信补偿，则发送给串口“补偿器投入”数据指令。否则发送“是定时模式不能执行短信补偿操作”数据指令。
2.4 继电器控制
在两种不同的供电补偿控制方式下，继电器的控制是相同的，都是ATmega168控制器控制连接继电器IO口的高低电平来闭合/断开继电器从而投入/切除补偿器[6]。
实际生活中为了方便工作人员对供电补偿系统操作，常常开发一款与之对应的上位机，工作人员只需在上位机上操作就可以对供电补偿系统进行配置，使其正常工作，同时方便维护[7]。
3.1 基于定时控制的联调
图8中AVR处理器通过串口与图9中上位机连接，通过上位机设置定时方式并设置定时时间。当运行到投入时间点，AVR处理器通过电容器组数数据控制继电器动作，电容器组接入电网系统。当运行到切除时间点AVR处理器控制继电器动作，使电容器组与电网系统断开[8]。
图8 AVR处理器运行图
图9 上位机定时设置界面
3.2 基于短信控制的联调
图8中AVR处理器通过串口与图9中上位机连接，通过上位机设置短信补偿方式并设置电话号码。当用电高峰期来临时工作人员通过图10短信发送界面发送短信指令，图11中的SIM900A模块接收指令并解析出对应的数据，然后通过串口把数据发送给AVR处理器。AVR处理器接收到数据后结合计算出的电容器组个数，控制继电器动作使电容器组接入电网系统。当用电高峰期退去时，工作人员通过手机发送短信指令，SIM900A模块接收指令并解析出对应的数据，然后通过串口把数据发送给 AVR处理器。AVR处理器接收到数据后，控制继电器动作，使电容器组与电网系统断开[9]。
图10 短信发送界面
图11 SIM900A模块运行图
本文主要介绍供电补偿系统的应用背景、供电补偿系统的硬件设计、软件设计以及在进行正常工作前通过与上位机连接进行初始化配置。通过不断的测试根据不同的工作方式，最终实现对偏远地区用电高峰期时电网系统的供电补偿。
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