電力監控系統智能測控儀表的研究與設計

摘要：在分析電力監控系統的層次結構和各層特點的基礎上，結合智能測控儀表的功能特點，提出了一種基于ARM微處理器MB9BF618的智能測控儀表設計方法，介紹了智能測控儀表的基本結構、硬件配置和接線方法。經測試，該智能測控儀表的電壓、電流、頻率和功率因數的測量誤差為0.2%，有功功率和無功功率的測量誤差為0.5%，較好地滿足了電力監控系統對測量儀表的性能要求。該智能測控儀表具有功能完善、運行可靠、維護方便、可擴充性好等特點，具有一定的應用價值。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/256092.htm

關鍵詞：電力監控系統；智能測控儀表；數據采集；數據通信；遠程控制DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.008

引言

電力監控系統是電力系統數字化和信息化的產物，是智能電網的基本組成部分，建設安全可靠的電力監控系統對智能電網的發展有重要的作用。電力監控系統主要用于電力系統、工礦企業、科研設施、醫院、智能建筑等諸多領域的供配電系統中[1]，以實現對電壓、電流、功率、功率因數、頻率和電能等電力參數的實時監測和顯示，并能根據監測結果對相關設備進行控制，提高供配電系統的可靠性和安全性。智能測控儀表是電力監控系統的前端元件，其主要作用是高精度的測量所有常用電力參數，并具有數據通信和遠程控制功能，以實現與電力監控系統之間的信息交換[2]。

1 電力監控系統的結構

電力監控系統是以現代電子技術、計算機技術、網絡通信技術和測控技術為基礎，通過對供配電系統中的高壓開關柜、低壓開關柜、電力變壓器、測控儀表等設備的工作狀態進行監控，實現供配電系統的集中監控管理和分散數據采集。電力監控系統主要由現場監控層、網絡通信層和系統管理層構成[3]，其系統結構如圖1所示。

1.1 現場監控層

現場監控層是電力監控系統中的最底層，位于變配電系統現場，主要包括各種測控儀表、智能斷路器、微機保護裝置、溫濕度控制器和現場監控裝置等。現場監控層的主要作用是采集變配電系統現場的電壓、電流、功率、功率因數、開關狀態等信息，并將采集到的信息通過網絡通信層傳遞給系統管理層。同時，現場監控層也可以作為執行單元，通過網絡通信層接收系統管理層發出的各類指令。現場監控層中的設備或裝置應相對獨立，可以不依賴于監控網絡而獨立運行。

1.2 網絡通信層

網絡通信層是電力監控系統中的中間層，負責與現場監控層中的設備或裝置進行數據通信，收集各類設備或裝置的數據或狀態信息，進行處理后集中打包傳送給系統管理層，同時負責接收系統管理層發送的各類指令，并轉發給現場監控層。網絡通信層通常由現場總線通信網絡和以太網通信網絡構成。

1.3 系統管理層

系統管理層是電力監控系統中的最高層，位于監控室內，主要由電力監控管理計算機及其外圍設備、網絡設備等構成。系統管理層負責對整個變配電系統進行監控，其主要作用是解析網絡通信層上傳的數據包，對數據進行管理和分析，并根據系統運行的狀態，向現場監控層中的設備或裝置發送指令，執行相關操作。

2 智能測控儀表的設計方案

智能測控儀表位于電力監控系統中的現場監控層，用于完成電力參數的數據采集與傳輸，并執行由監控主機下發的操作指令。智能測控儀表不依賴于監控網絡而獨立運行，其最基本的功能是電力參數的采集與顯示、數據傳輸和遠程控制[4]。此外，根據不同的需求，智能測控儀表還可以具備電能質量分析、費率計量、故障信息和事件記錄等功能[5]。

2.1 智能測控儀表的基本結構

智能測控儀表的基本結構由輸入模塊、數據處理模塊和輸出模塊三部分構成，其結構框圖如圖2所示[6]。輸入模塊主要包括互感器接口電路、開關量輸入接口電路，主要用于采集交流電壓信號、交流電流信號、頻率信號以及負荷開關位置、低壓斷路器位置、熔斷器熔斷狀態等狀態信號。數據處理模塊主要由微處理器、測量芯片、數據存儲器、晶振電路和復位電路等構成，主要起輸入信號采集、電氣量計算、邏輯控制、故障信息處理等作用。輸出模塊主要由通信接口、開關量輸出接口和顯示接口等構成，主要起數據通信、輸出控制、數據和

狀態顯示等作用[7]。

2.2 智能測控儀表的硬件電路設計

在設計電路時，微處理器選用富士通微電子（編者注：相關業務部門在2013年8月已被Spansion收購）Cortex-M3家族的32位處理器MB9BF618；三相電壓、三相電流、頻率、功率因數等電力參數的測量使用測量芯片ATT7022D；數據通信可采用RS485總線通信方式或者以太網通信方式，其中RS485總線接口使用RSM485D芯片實現，以太網通信接口使用以太網控制器ENC28J60和RJ45插座HR911102A實現；輸出控制電路采用啟動繼電器閉鎖形式；顯示電路使用液晶顯示屏實現[8]。

在設計測量電路時，假定輸入電壓的額定值為220V，輸入電流的額定值是5A，輸入電壓信號先經過一個110kΩ電阻，將其變換為-2mA～2mA的電流信號，然后使用2mA/2mA電流互感器進行采樣，輸入電流直接使用5A/5mA的電流互感器進行采樣，采樣后的信號經過調理電路后，送給ATT7022D的差分信號輸入端，所設計的測量電路如圖3所示。圖3中的UAP、UAN為輸入電壓UA經采樣和信號調理后的差分輸出端子，同理輸入電壓UB的差分輸出端為UBP和UBN，輸入電壓UC的差分輸出端為UCP和UCN；IAP、IAN為輸入電流IA經采樣和信號調理后的差分輸出端子，同理輸入電流IB的差分輸出端為IBP和IBN，輸入電流IC的差分輸出端為ICP和ICN。

2.2.2 通信接口電路設計

RS485總線接口電路如圖4所示，圖中RSM485D是集成雙路電源隔離、電氣隔離、RS485接口芯片和總線保護器于一身的雙路隔離收發器模塊，具有很好的隔離特性，隔離電壓高達2500VDC。圖4中的TXD1和TXD2是RSM485D發送端，RXD1和RXD2是RSM485D接收端，它們分別與微控制器的發送端和接收端相連；SCK1和SCK2為分別為兩路RS485總線的控制信號，當它們為高電平時RSM485D的接收使能，當其為低電平時RSM485D的發送使能。

以太網接口如圖5所示，圖中的ENC28J60是美國微芯科技公司推出的以太網控制器，內置以太網媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY），可按以太網協議可靠地收發信息包數據，采用標準的SPI串行接口與微處理器相連，LEDA和LEDB用于網絡活動狀態指示。

2.3 智能測控儀表的硬件配置圖

該智能測控儀表具有10路無源開入接口、2路繼電器開出接口和2路4～20mA電流輸出接口，其硬件配置圖如圖6所示[9]。圖中端子1～4為4～20mA電流輸出端子，也可以根據需要設定為脈沖輸出端子；端子13為RJ45通信接口；端子14、15為RS48總線接口；端子16、17為儀表固定開入接口，端子5～12為擴展開入接口，端子18為儀表自產+24V電源接口；端子19～22為繼電器開出接口，且均為常開觸點，分斷電流能力為5A；端子23、24為儀表的電源輸入端，當電源為直流時，23端子接電源正極，24端子接電源負極；端子25～30分別為三相電流輸入端；端子31～34為三相電壓和中線電壓輸入端。

3 智能測控儀表的應用及測試 3.1 智能測控儀表的接線方法

當使用該智能測控儀表測量三相四線系統中的電壓和電流時，如果待測量線路的相電壓大于375V或線電壓大于650V，則使用三個電壓互感器和三個電流互感器接成四線星形結構，并設置合適的電壓變比和電流變比，其接線方式如圖7所示。如果待測量線路的相電壓小于375V或線電壓小于650V，可將圖7中的三個電壓互感器去掉，或是將電壓互感器的電壓變比設為1。

4 結論

智能測控儀表可以作為儀表單獨使用，以取代大量傳統的模擬儀表，也可以作為電力監控系統的前端設備，完成數據的采集與顯示、數據通信和遠程控制。智能測控儀表具有較強的靈活性和可定制性，且投資小、免維護、抗干擾能力強，便于構成電力監控系統，應用前景廣泛。

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