電力計量裝置電壓異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計

(國網(wǎng)青島供電公司，山東 青島 266000)

0 引言

電力計量作為電網(wǎng)電力系統(tǒng)的核心部分,對電力系統(tǒng)運行有重要作用[1-3]，電能計量裝置的運行誤差直接對供用電雙方貿(mào)易結(jié)算的準確性產(chǎn)生很大的影響,因此對電能計量裝置的運行狀態(tài)評價顯得尤為重要[4-5]。在對電力計量裝置進行評價時，就需要對電力計量裝置的電壓異常狀態(tài)進行檢測，因此，所有的電力計量設(shè)備必須經(jīng)過檢驗后才能投入使用[6-8]。在電力系統(tǒng)中，電力計量中的校驗裝置在電網(wǎng)中也具有很重要的作用。近些年，隨著技術(shù)的發(fā)展，電力計量校驗裝置也在更新?lián)Q代，并逐步向高集成度，高速化、自動化的方向飛速發(fā)展[9-10]。然而，隨著裝置功能復(fù)雜性提高，裝置內(nèi)部的供電系統(tǒng)也相應(yīng)變得復(fù)雜，要保證裝置運行穩(wěn)定、可靠，首先要保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠[11-12]。

然而，目前電力計量裝置還在使用傳統(tǒng)的供電線路布局和控制方法，缺乏有效的檢測系統(tǒng)。同時，隨著工業(yè)4.0的來臨，電力計量校驗裝置必然要向智能化、信息化方向發(fā)展[13-15]，因此本文設(shè)計了一種電力計量裝置電壓異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)，可以實時檢測裝置內(nèi)部所有電壓的工作情況，并能夠在電壓異常時進行提示、診斷，并報告給上位機及值班人員進行處理。下文將進一步詳細說明。

1 檢測系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

在本文設(shè)計中，電壓異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)主要由供電模塊、主站、分析軟件控制終端、電壓測量模塊、顯示模塊、故障報警模塊等組成，其基本框圖如圖1所示。工作原理為：在電能表檢測裝置內(nèi)，通過檢測電壓測量模塊的運動狀態(tài)、功能狀態(tài)來實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的電壓異常情況，檢測數(shù)據(jù)通過LAN上傳主站，在主站對檢測的數(shù)據(jù)情況進行分析、計算。在對數(shù)據(jù)分析、計算時間，通過計算系統(tǒng)中的計算軟件實現(xiàn)。在軟件中設(shè)置標準閾值，當檢測到的異常數(shù)據(jù)大于設(shè)置的標準閾值，則可檢查異常狀況。

圖1 電壓異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

在本系統(tǒng)設(shè)計中，供電模塊采用UPS供電，UPS 也稱為不間斷電源，當市電停電后，其仍舊持續(xù)為系統(tǒng)持續(xù)供電，使得檢定裝置的異常檢定工作不中斷。在現(xiàn)場主電力線中斷的情況下，能夠及時檢測并上報現(xiàn)場檢測信息。在本設(shè)計中，主站是系統(tǒng)核心處理單元，用于收集電壓數(shù)據(jù)，并通過分析軟件辨別故障，診斷故障點，記錄異常，現(xiàn)場報警，并可通過基站通知值班人員。在本系統(tǒng)設(shè)計中，顯示模塊通常是滾動式液晶顯示屏，能夠以滾動的方式實時顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢定的情況，并及時顯示當前電壓所有數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，使得用戶靈活、即時把握現(xiàn)場檢測信息。故障報警模塊是電壓異常時進行的故障指示，通過單片機控制聲光電芯片，能夠及時、快速指示現(xiàn)場異常情況，通過聲光報警的方式，指示用戶故障信息。電壓測量模塊是系統(tǒng)核心硬件部分，可以進行各裝置和總線路中各個電壓點的檢測。

目前的電力計量校驗裝置構(gòu)成較復(fù)雜，以目前計量中心大規(guī)模應(yīng)用的流水線檢測裝置為例，在裝置內(nèi)部包含有長供電電源模塊、受控電源模塊、運動控制單元、檢測功能模塊、通信模塊等[16-18]，包含的電壓類別涉及三相交流220 V電壓、直流5 V、12 V、24 V、36 V等，在實際應(yīng)用中應(yīng)該全部檢測。在本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)應(yīng)用中，電壓測量模量根據(jù)需要檢測電力計量裝置中不同工作狀態(tài)下的工作電壓。所有電壓測量模塊將檢測到的電壓信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過現(xiàn)場局域網(wǎng)輸出至現(xiàn)場主站。現(xiàn)場主站將檢測到的數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)中心存儲，并進行顯示。同時主站的故障分析軟件實時分析電壓檢測模塊檢測到的電壓信息，并同預(yù)先設(shè)置的規(guī)則進行比對。當電壓測量模塊檢測到的電壓同規(guī)則庫中不同時，發(fā)出故障報警。通過報警模塊預(yù)警提示，工作人員可根據(jù)預(yù)警情況進行故障排查，從而保證電力計量裝置的良性、健康運行。

在上文設(shè)計中，電壓測量模塊可以提供電壓、電流、功率、相位等信息。分析軟件掃描所有端口信息，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷出過壓、欠壓、過載等異常情況，也可以通過電壓系統(tǒng)中負載分配情況，優(yōu)化現(xiàn)場供電線路，如通過分析A相負載過重，B、C相負載輕載，可以將部分負載調(diào)整至B、C相；又如通過檢測某一段時間某個節(jié)點電壓波動較大，供電存在風(fēng)險，可以給出提示，使得工作人員執(zhí)行提前干預(yù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 電壓測量模塊設(shè)計

電壓測量模塊設(shè)計是本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)采集終端，其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示，在本文方案設(shè)計中，電壓測量模塊包括220 V電壓采樣單元、220 V電流采樣單元、低壓采樣單元、放大單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、計算單元以及通信單元[19]。220 V電壓采樣單元和電流采樣單元將采集到的電壓信號輸送至放大單元進行信息放大，所采集的電壓、電流信號經(jīng)過放大單元進行信息放大后輸出至A/D轉(zhuǎn)換單元，A/D轉(zhuǎn)換單元將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計算單元對接收到的數(shù)字信號進行計算、處理。通信單元將計算后的數(shù)據(jù)進行上報，并接受主站的命令進行終端的遠程控制。

圖2 電壓測量模塊架構(gòu)示意圖

在設(shè)計電壓測量模塊時，采樣的電源的輸入電壓為5 V或12 V，輸入功率不超過100 W。A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)包括靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)，在具體設(shè)計中，采用16路并行讀通道，3路串行寫通道，具有10位分辨率的ADC能夠分辨出1/1024的滿量程，對于10 V的滿量程可以分辨輸入模擬電壓變化的最小值位10 mV。其相對精度為-0.05%～+0.05%的范圍。

2.2 計算單元設(shè)計

在本文設(shè)計的計算單元中，采用STM公司的STM32F407VGT6芯片來計算采集的電壓、電流信號。其設(shè)計參數(shù)為32位Flash MCU、USB、CAN、11個計時器、3個ADC和13個通信接口，其采用的核心為ARM Cortex M4，接口類型：CAN, I2C, I2S, SPI, UART，該芯片能夠?qū)涣?20 V的電壓電流采集，并對功率、功率因數(shù)等進行計算，同時包含多路直流電壓測量和網(wǎng)絡(luò)通信能力。在本文設(shè)計中，電壓采樣電路如圖3所示，對于220 V電壓的測量，采用高精度互感器T1進行隔離式采集，安全性較高，同時保持較高測量精度。在圖3電壓采樣放大電路中，母線電壓經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)過隔離變壓器輸出電流，經(jīng)過次級運放再轉(zhuǎn)換為電壓值。然后輸送給A/D轉(zhuǎn)換單元進行信號轉(zhuǎn)換。其采樣電阻的阻值大小為360k，該阻值能夠支持0～380 V的測量范圍。

圖3 電壓測量電路示意圖

在本文設(shè)計中，電流采樣電路如圖4所示。220 V電流的采集前級采樣使用高精度電流互感器進行采樣，實現(xiàn)電氣隔離。220 V母線中的電流經(jīng)過隔離互感器轉(zhuǎn)換為小電流輸出，經(jīng)過運放電流轉(zhuǎn)電壓電路，轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸送給A/D轉(zhuǎn)換單元進行信號轉(zhuǎn)換。

為了獲得較大的測量范圍，通過采用變比為1 000:1 的高精度電流互感器，其初始端電流為5 A，在二次端被轉(zhuǎn)換為5 mA, 能夠?qū)㈦娏骺s小到1 000倍，然后通過調(diào)整運放電路的放大倍數(shù)為合適范圍，進而能夠得到0-3 V的電壓信號，滿足A/D轉(zhuǎn)換單元的量程。對于直流電壓的采集，由于要采集路數(shù)較多，而A/D轉(zhuǎn)換單元的資源有限。

圖4 電流測量模塊架構(gòu)示意圖

同時，由于電壓采樣的實時性要求并不高，為此使用多路復(fù)用采集的方式，使用模擬開關(guān)進行切換，如圖5所示。在本文設(shè)計中使用的模擬開關(guān)為74HC4051，為8通道模擬多路復(fù)用選擇器，帶有3個數(shù)字選擇端(S0-S2)，1個使能端(E)，8個獨立輸入端和1個公共輸出端。在采集時，依次操作HC4051的S0,S1,S2管腳選擇A0-A7中的一個通道輸入，通過A管腳輸出，送到A/D轉(zhuǎn)換單元。采集結(jié)束后，再切換至下一通道。本設(shè)計中A/D轉(zhuǎn)換單元采用STM32F407VGT6自身的ADC，為12位SAR型ADC，使用3.3V參考基準，最小分辨率為1mV。該ADC可測量16個外部輸入信號，支持DMA方式進行連續(xù)采集。通信部分采用LAN8720進行網(wǎng)絡(luò)通信，通信芯片應(yīng)用電路如圖6所示。

圖5 模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 通信單元電路結(jié)構(gòu)示意圖

LAN8720是低功耗的10/100 M以太網(wǎng)PHY層芯片，支持RMII與以太網(wǎng)MAC層通訊。支持自動協(xié)商機制與目的主機進行網(wǎng)絡(luò)通信，支持HP Auto-MDIX自動翻轉(zhuǎn)功能。該芯片具有性價比高、引腳數(shù)量少、應(yīng)用簡單的優(yōu)點。使用LAN8720搭配STM32F407VGT6的MAC功能，可以實現(xiàn)低成本的網(wǎng)絡(luò)通信方案。在本文設(shè)計中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧為LWIP，能夠保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，只需要幾百字節(jié)的RAM和40 k的ROM即可運行。所以使用LWIP協(xié)議棧非常適合在本文設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.3 電壓測量模塊性能指標

1)在本設(shè)計中包含的220 V采樣中，能夠支持的電壓測量范圍為0～380 V，能夠支持三相相電壓和線電壓的采集，采集精度優(yōu)于0.1 V。能夠支持的電流測量范圍為0～20 A，采集精度優(yōu)于0.1 A。

2)在本文設(shè)計的的直流電壓采樣，能夠支持的直流電壓采樣范圍0～50 V，采樣精度優(yōu)于0.1 V 。能夠同時支持20路電壓的采集。

3 實驗結(jié)果與分析

下面對本文設(shè)計的方案進行試驗與驗證。在本文驗證中，在電能表自動化檢測系統(tǒng)中對一個功能檢測單元安裝了電壓測量模塊。本試驗是針對三相電能表檢定裝置進行的檢測，測試項目分別包括有功能檢測模塊A相220V、功能檢測模塊B相220 V、功能檢測模塊C相220 V、功能檢測模塊1～24 V、功能檢測模塊2～24 V、運動控制模塊1～24 V、運動控制模塊2～24 V等。

為了驗證電壓采樣模塊的性能，在裝置中，將功能檢測模塊A相220 V、功能檢測模塊1～24 V和運動控制模塊1～24 V的輸入采用正常電壓進行測試，將功能檢測模塊2～24 V和運動控制模塊2～24 V輸入采用人工故障模塊來進行試驗。在本實驗中，電壓異常檢測系統(tǒng)應(yīng)能檢測到A相220 V電壓、電流、相位，并能測量功能檢測模塊1～24 V和運動控制模塊1～24 V的電壓，并給出工作正常指示。而對于功能檢測模塊2～24 V和運動控制模塊2～24 V應(yīng)能檢測到異常電壓，并給出異常提示。

在測試過程中，在主站客戶端進行數(shù)據(jù)采集記錄。然后根據(jù)上述情況下的實驗結(jié)果，評價電壓采樣模塊的性能，以及采用本技術(shù)方案得到的故障的正確率，試驗得出的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

通過上述試驗可以看到，A相220 V電壓、電流、量功能檢測模塊1～24 V和運動控制模塊1～24 V的電壓測量準確，工作狀態(tài)正常。而功能檢測模塊2～24 V的電壓偏低，運動控制模塊2～24 V的電壓為錯誤接線，均能給出異常提示。以上得出的檢測信息與試驗?zāi)K故障情況相匹配，檢測得到正確率為100%。由此可見，本文設(shè)計的方案成功率為100%。檢測到的異常信息報告通過服務(wù)器進行相應(yīng)的處理程序，并能夠?qū)⒐收闲畔⑸蟼魃蠈訑?shù)據(jù)管理系統(tǒng)，供管理人員參考使用。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計出的電力計量裝置電壓異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)能夠?qū)﹄妷汉碗娏鬟M行采樣，然后對采集的電壓和電流信號數(shù)據(jù)進行計算，通過數(shù)據(jù)計算，有助于用戶獲取電力計量裝置工作狀態(tài)，便于對電壓異常狀態(tài)的故障情況進行整體把握，大大減少電力計量裝置的故障率，提高了裝置工作的穩(wěn)定性和可靠性。本文設(shè)計的技術(shù)方案還能夠?qū)崿F(xiàn)異常數(shù)據(jù)的遠距離數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)故障檢測數(shù)據(jù)的交互和傳輸，便于更高層的管理人員管理現(xiàn)場檢測情況，更廣泛地把握電力計量裝置的故障情況，具有較高的應(yīng)用價值。