智能化電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張興超，王 陸

（昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院電氣與信息工程學(xué)院，云南昆明 650106）

0 引言

電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高使得“智能電網(wǎng)”被逐漸運(yùn)用于電力系統(tǒng)中解決電能使用的諸多問(wèn)題。作為智能電網(wǎng)末端的監(jiān)測(cè)單元，智能電力儀表主要用于采集電壓、電流、頻率、相位、功率和電能等電力基礎(chǔ)信息，以提高電力資源的利用率。當(dāng)前大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，使得電力儀表已從簡(jiǎn)單的零部件發(fā)展到了集多種功能于一體的集成部件型式。電力行業(yè)對(duì)其豐富的功能性要求也賦予了電力儀表更多的職能。

隨著各種用電設(shè)備的急劇增加，電力系統(tǒng)的整體規(guī)模逐漸變大、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，電力部門及用戶對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)也提出了更為嚴(yán)格的功能要求。比如，電能的均衡有效利用、電量信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表及電費(fèi)自動(dòng)結(jié)算等。而傳統(tǒng)電力儀表大都存在硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能較為單一、測(cè)量精度低以及缺乏遠(yuǎn)程通信功能等問(wèn)題；嚴(yán)重影響了電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果，制約了智能電網(wǎng)的發(fā)展。

鑒于此，提出一種基于嵌入式技術(shù)的智能化電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要由多功能電力儀表、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、以太網(wǎng)控制模塊、自動(dòng)校準(zhǔn)軟件及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等組成。可以滿足智能電力儀表多功能、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的要求，具有一定的可行性，便于工程實(shí)現(xiàn)。

1 電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體概況

分析當(dāng)前多功能電力儀表的發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)需求，結(jié)合其技術(shù)要求與可行性，所設(shè)計(jì)的智能化電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括以下功能：①具備電力儀表的基本功能、可選擇的接線方式，且精度較高；②主機(jī)具備報(bào)警功能、能夠?qū)臋C(jī)進(jìn)行綜合管理，其監(jiān)控設(shè)備配有備用電源；③可實(shí)現(xiàn)主機(jī)分時(shí)段存儲(chǔ)從機(jī)累積電能，也可以用戶單獨(dú)累計(jì)測(cè)量電能；④具有完整的通信功能，能夠滿足遠(yuǎn)程抄表及電費(fèi)自動(dòng)結(jié)算的需要[1]。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)智能化電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體組成概況，結(jié)合其功能需求；該系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)﹄娏υO(shè)備的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，以便系統(tǒng)分析處理后對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合理的判斷和控制。利用模塊化的開發(fā)方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、基站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等3部分[2-3]。

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由多功能電力儀表和微型無(wú)線傳感裝置組成，用于數(shù)據(jù)的采集及校正。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。多功能電力儀表是基于STM32+ATT7022E開發(fā)的智能化三相電力儀表，可實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率、相位、功率和電能等電力基礎(chǔ)信息的采集和處理，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、功耗低的特點(diǎn)。微型無(wú)線傳感裝置包含微型傳感器和無(wú)線信號(hào)收發(fā)模塊，可實(shí)現(xiàn)與基站間的電力參量無(wú)線傳輸。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

基站由無(wú)線傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)、以太網(wǎng)控制模塊和電力儀表自動(dòng)校準(zhǔn)軟件組成。基站接收到無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電力信息后；首先對(duì)采集數(shù)據(jù)初步處理；再利用自動(dòng)校準(zhǔn)軟件進(jìn)行誤差計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效域校正；最后將校正指令自動(dòng)發(fā)回現(xiàn)場(chǎng)多功能電力儀表，達(dá)到消除運(yùn)行誤差的目的；與此同時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行顯示，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心配有專用服務(wù)器，內(nèi)置大型數(shù)據(jù)庫(kù)。具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，電量信息的越限報(bào)警，故障數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，歷史曲線和專家報(bào)表的查詢等功能。既可以人工手動(dòng)遠(yuǎn)程控制，也可以自動(dòng)決策進(jìn)行故障的遠(yuǎn)程處理。

3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件功能

智能化電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)程序、以太網(wǎng)通信程序、儀表自動(dòng)校準(zhǔn)程序及遠(yuǎn)程監(jiān)控程序等若干子程序組成。其中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由多功能電力儀表和微型無(wú)線傳感裝置構(gòu)成，是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。利用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，結(jié)合C語(yǔ)言和循環(huán)體+中斷的軟件結(jié)構(gòu)對(duì)其功能程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件功能如圖3所示。

圖3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件功能

4 結(jié)語(yǔ)

電力工業(yè)的飛速發(fā)展使得各種用電設(shè)備急劇增加，電力系統(tǒng)規(guī)模變大、運(yùn)行更為復(fù)雜，嚴(yán)重影響了電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果，制約了智能電網(wǎng)的發(fā)展。提出一種基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)的智能化電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能的角度詳細(xì)介紹了電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、基站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等組成。能夠完成智能化電力儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)，具有較高的可靠性和實(shí)時(shí)性，可滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。