電量在線測控新技術和新產品的設計應用趨勢

楊紅本，唐國民

（1.云南省計量測試技術研究院，云南 昆明 650228；2.中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

當前，我國的節能減排工作正深入推進，智能電網建設正加快實施，為電量測控技術和產品的研發、應用注入了新動力，拓展了新空間。綜合應用新技術研制開發高準確等級、高可靠性、高穩定性且智能化、模塊化、低成本的電量在線測控核心產品，滿足智能電網安全運行、電能質量實時監控、用電過程實時測控、清潔能源入網安全等方面的需求，已成為當前國內外電量在線測控技術和產品研究發展的方向[1]。

1 國外電量在線測控最新技術狀況

1.1 電量在線測控關鍵技術狀況

為適應電量在線測控系統高準確、高可靠、多功能、智能化、網絡化、模塊化的發展趨勢，一方面需要利用最新的電子、測控技術，對電量在線測控系統的前端測量核心單元按智能化、網絡化、模塊化要求升級設計，徹底改變傳統的結構和模式；另一方面，要利用當今網絡通信、計算機及信息管理等先進技術構建網絡化的電量在線測控系統，實現對各關鍵點電參量的實時測控、采集、分析、統計、管理。

1.1.1 電量測量專用集成芯片

近年來，國外各種高集成、高性能、多功能、嵌入式的電量測量專用芯片不斷涌現，如ADE7878、AT73C500/501、TDK71M6513H 等。

在國外諸多電量測量專用芯片中，ADI公司的ADE7878[2]是最具代表性的國外最新專用芯片。該芯片主要功能和特性為：支持三相三線（Δ型）、三相四線（Y型）及其他三相測量方式；超高測量準確等級,在1000:1的動態范圍，45～65Hz頻率范圍內各相電流、電壓及有功、無功功率（電能）測量準確度優于0.1%；完整的電參數測量功能，可同時測量各相電流、電壓及零線電流有效值，同時測量各相（三相）的有功、無功、視在功率和電能，包括各相（三相）的瞬時有功、無功、視在功率，各相（三相）的有功、無功基波電能，各相（三相）的有功、無功總電能（基波電能+諧波電能）；可實時監測電網電能質量參數，包括電壓跌落、過壓、過流事件的實時監測記錄，電壓峰值、電流峰值、周期頻率、各相位角等參數的實時測量輸出，各相電流、電壓波形采樣數據的高速測量輸出；內置1.2V電壓基準（典型漂移10×10-6/℃），3.3V單電源供電；獨特的防竊電、防潛動、防更改、相序判定、CRC校驗設計，確保非正常情況下監測功能仍然有效；可編程的獨立增益控制、獨立相位補償、整周期校準設計，簡化了后期的精度調校工作；具有可配置的I2C，SPI或HSDC數據傳輸接口；靈活的低功耗設計，具備正常、省電、低功耗、睡眠4種電源工作模式，2.4～3.7V寬電壓工作范圍，滿足電池供電應用。

1.1.2 網絡通信技術及支撐芯片

電量在線測控系統在計算機及網絡信息技術的強力推動下，功能不斷增強，應用領域持續擴大，正朝著網絡化、模塊化、開放化、集散化、智能化的方向發展。網絡通信接口芯片的多功能微型化發展，為基于TCP/IP協議的電量在線測控核心測量單元向網絡化升級設計鋪平了道路。

應用最新的網絡通信技術和支撐芯片，徹底升級設計電量在線測控核心測量單元，重點要把握遠程組網應用和在線集中測控2個關鍵。核心測量單元作為未來現場級在線測控的網絡節點，須引入與因特網相似的體系結構和通信模型，使各測控節點的數據信息能以TCP/IP方式傳輸；利用網絡通信前沿技術，構建網絡化的電參量在線測控系統，可保證測控網絡（或Internet）所及區域的各類電參量測控信息能靈活傳輸至測控中心，實現對電參量的遠程、在線、集中測控，節省長期運行成本。

國外嵌入式以太網控制芯片新品迭出，如美國 Micrel公司的KSZ8851[3]系列、Microchip公司的ENC624J600、Silabs公司的CP220X系列、Cirrus Logic公司的 CS8900A、Realtek 公司的 RTL8211、ASIX Electronics公司的AX88796等。美國Micrel公司最新開發的KSZ8851單端口嵌入式系列芯片，整合了一個10/100Mb/s以太網物理層（PHY）收發組件及媒體存取控制器（MAC），是微型化、低成本、低功耗嵌入式以太網應用的理想選擇。KSZ8851符合IEEE 802.3標準，支持10 Base-T和100Base-TX網絡接口；配備SPI接口，18KB內部緩沖存儲器；自適應的10/100Mb/s全雙工和半雙工性能；支持大端（bigendian）和小端（little-endian）處理器；支持 IPv4/IPv6 checksum生成與校驗；獨有專利的電纜故障診斷功能（LinkMD）；局域網喚醒功能（Wake-on-LAN）等。

1.1.3 嵌入式單片微處理器芯片

嵌入式系統常用的單片微處理器技術成熟，功能齊全。許多芯片已達到片上系統級水平，一個芯片內集成了中央處理器（CPU）內核、Flash存儲器、片內 RAM、多路 ADC、多路 DAC、SPI（I2C、RS232、RS485）接口、多路通用定時器、看門狗定時器等；支持閃存在系統編程 ISP（in-system programming）、在電路編程 ICP（in-circuit programming）、在應用編程IAP（in-application programming）功能。如 NXP公司最新的P89LPC98X系列微處理器[4]，片內集成了高性能的80C51內核，高精度內部時鐘，Flash、RAM，UART、I2C、SPI數據傳輸接口，多通道 ADC，7路定時器等資源，指令執行2～4個時鐘周期，2.4～5.5V寬工作電壓范圍，支持ISP、ICP、IAP在線編程功能，較適合低成本、高可靠性的電量測控系統應用。

1.2 國外電量在線測控的領先產品

國外電量在線測控技術和產品研究領域，施耐德電氣集團、以色列Elspec公司目前處于領先地位，代表著國外此類技術和產品的領先水平和發展方向。

施耐德電氣集團公司的PM800系列電力參數測量儀[5]、ION7650電能質量監測裝置[6]等高端電量在線測控產品，具有測量準確等級高、測量功能完善、通信技術先進、組網應用靈活等特點。其主要技術指標如表1所示。

表1 PM800、ION7650主要技術指標

以色列Elspec公司的EG4430[7]型電能質量在線測控高端產品，采用模塊化結構設計，其設計理念超前、測控功能強大，幾乎可監測三相交流系統的全部電參量，堪稱電量測控黑匣子，主要功能指標如表2所示。其主要功能特點為：

（1）可以獨立配置在用戶現場進行測試、分析、記錄，解決了大量數據傳輸的瓶頸問題。

（2）全部測控數據可通過以太網發送到數據管理中心，綜合分析、報告電量數據。

（3）模塊結構設計，使用以太網通信，允許測量模塊和顯示模塊間長距離連接，一個測量模塊能連接多個顯示。

（4）多輸入/輸出擴展模塊，便于擴展監控能力。

表2 EG4430的主要功能指標

2 電量在線測控新產品設計思路

2.1 國內電量在線測控產品的狀況

國內目前的電量在線測控產品，在測量準確等級、智能測控、功能組合、開放性等方面須升級完善。主要存在以下不足：

（1）測量準確等級不高。電流、電壓最高測量準確等級0.2級，其他電量測量準確等級大多低于0.5級。

（2）通信技術落后。通信接口多為RS485總線或RS-232接口，不具備TCP/IP以太網通信協議，組網靈活性差，難于實現規模化的系統組網集成。

（3）功能單元的設計沿用傳統的結構模式，不能實現前端測量單元的獨立就近安裝，不利于按需組合、優化配置、節約資源。

2.2 國內在線測控產品的設計思路

借鑒國外新型電量在線測控產品的設計理念，綜合應用國內外最新技術，設計開發我國高準確等級、高可靠性、高穩定性，且智能化、網絡化、模塊化、低成本的電量在線測控核心產品，是國內電測技術必須突破的關鍵。

未來的電網將是智能電網，各種新的在線測控技術將不斷地應用在智能電網中。當前和今后相當一段時期，國內對智能化、網絡化的電量在線測控技術和產品需求旺盛，圖1給出一種綜合應用新技術解決電力系統在線智能測控的示例。圖中實線框構成的部分為擬開發的新型在線測控產品，虛線框部分給出了測控新產品獲得信息途徑及發出信息的去向。

圖1 在線測控新產品在電力系統中的應用示例

應用新技術設計開發國內電量在線測控核心產品，應綜合考慮：標準化問題，包括接口的標準化設計，測控單元模塊標準化設計等；準確等級問題，采用目前電量測控最新專用測量芯片（如ADE7878），各類電量在線測量準確等級可達0.2級以上；單元結構問題，可借鑒上述黑匣子的思路，合理劃分基本功能模塊和擴展模塊，便于按需靈活組合、優化配置；通信接口問題，應將嵌入式以太網接口、USB接口作為基本模塊的必備功能，滿足開放要求；針對現場應用可靠性問題，須采取軟硬件冗余設計、隔離屏蔽等措施。

2.3 未來技術和產品的發展方向

未來的多功能電量在線測控核心產品，實時化、模塊化、智能化、網絡化、標準化是滿足集中測控、規模組網、低碳應用的必然要求和發展方向。

可采用的核心技術包括電量測控最新技術、網絡通信最新技術、數據庫技術、數據壓縮存貯技術、信息管理技術、隔離屏蔽技術、低功耗設計技術、以太網供電（power over ethernet，POE）技術、用于過程控制的對象鏈接和嵌入（OLE for process control，OPC）技術等。

3 電量測控模塊在國內的應用前景

3.1 智能電網測控應用

新一代電量在線測控核心產品在智能電網測控領域應用前景廣闊，對全面提升供用電運行管理水平、保證電網的信息化高效運行、推進智能電網建設意義重大。發電站、變電站、中控室、電力調度中心等場所，諸多核心設備、關鍵環節對電力參數的實時、準確、智能測控有非常嚴格的要求。應用新一代電量在線測控核心產品，升級改造傳統電量測控管理系統，實現對電力參數的實時、準確、智能、在線測控，可在保障電網安全可靠運行、負荷實時有效調控的同時，完成對電能的準確計量、考核、結算和電能質量的實時監測、分析、預警。應用范圍包括電力調度運行管理，電能計量結算管理，數字化變電站[8]等。

3.2 工業企業應用

工業企業為實現均衡、高效、科學、合理用電，從制定電力消耗考核定額，到查找技術和管理缺陷，從改進用電工藝結構，到保障供用電安全，凡節能增效、精益生產涉及的供用電關鍵環節、關鍵設備，都需要安裝電量在線測控裝置，對電參數進行實時測控、對電能消耗進行準確計量，以滿足工業企業自身不斷提高的管理考核要求。

3.3 其他方面應用

公共機構、公共設施、智能大廈等供用電系統的電參數測控[9-10]，是未來電量在線測控產品更廣闊的應用領域。如應用新技術設計開發低成本的單相電量測量模塊，可普及應用到各級公共機構的每一間辦公室，不間斷監測其用電狀況，實時采集后集中顯示、匯總考核，利于加強相互監督，促進行為節電。

4 結束語

新一代的電量在線測控核心技術和產品，復合功能、模塊結構、開放互聯、集散組網是未來設計和應用的發展趨勢，將在智能電網測控、工業企業用電測控、公共機構用電監測，以及公共設施、智能大廈供用電測控等方面獲得廣泛應用，推動電量測控過程及測控數據的分析、管理、應用進入智能化、網絡化、信息化時代。

[1]邵明松.試論智能儀器進步特征及其概念內涵拓展[J].電測與儀表，2009（9）：1-4.

[2]ADE7878 datasheet.Poly phase multifunction energy metering IC with total and fundamental powers[M].Analog Devices，Inc.USA，2009.

[3]KSZ8851 datasheet.Single-port ethernet controller with SPI interface[M].Micrel，Inc.USA，2009.

[4]P89LPC980/982/983/985 datasheet.8-bit microcontroller with accelerated two-clock 80C51 core [M].NXP Semiconductors，2010.

[5]PM870MG datasheet[M].Schneider Electric，2010.

[6]ION7650 datasheet[M].Schneider Electric，2009.

[7]G4000 Blackbox Datasheet.Fixed power quality analyzer[M].Elspec Ltd.，2007.

[8]王婭琦，趙偉.數字化變電站對電測量技術及儀器的新需求[J].電測與儀表，2010（11）：1-6.

[9]全恒立.基于嵌入式平臺的城軌新型供電裝置監控系統研究[J].電測與儀表，2010（6）：52-56.

[10]林利瓦.基于ENC28J60的中央空調節能控制器以太網接口設計[J].儀表技術，2010（7）：54-56.