10 kV 配網遠程用電采集終端的設計與測試分析

楊小芳

（深圳新能電力開發設計院有限公司，廣東深圳 518000）

在10 kV 配網的用電管理中，存在電費收繳難度大、竊電行為時有發生、故障檢修不及時等諸多問題，嚴重影響了供電質量并損害了電力公司的經濟利益。面向10 kV 配網的遠程用電采集終端系統，在實時采集配網用電信息的基礎上，通過智能分析和遠程控制，可以實現遠程抄表、負荷監測、防竊電管理和遠程欠費管理，進一步提高了電網公司的配網管理水平，在大力推廣智能電網建設背景下有良好的應用前景。

1 遠程用電采集終端的整體架構

本文設計的適用于10 kV 配網的遠程用電采集終端系統由真空斷路器、組合式互感器、智能采集終端、智能電表及通信網絡組成，整體架構如圖1 所示。該系統可利用智能電表實時采集用電數據，并利用RS485線路將采集到的數據發送給智能采集終端，完成對數據的計算、分析。在此基礎上，監控中心借助于GPRS實現遠程管理，包括負荷控制、欠費管理、故障隔離等，進一步提高了10 kV 配網用電管理水平。

圖1 10 kV 配網遠程用電采集終端架構

2 遠程用電采集終端的硬件設計

2.1 主控芯片（CPU）的設計

CPU 是遠程用電采集終端的核心部分，本文選用了PHILIPS 公司生產的ARM-7-LPC2368 芯片作為系統CPU，該芯片有2 個CAN 通道、1 個USB 接口和8個通用I/O 串口，內置32 MB 的RAM 和512 MB 的FLASH，以及3 個64 位的CPU 定時器和2 個8 通道的外部中斷。該CPU 可支持對電壓、電流等電氣量的采樣計算，以及完成配網主站與采集終端之間的遠程數據傳輸，不需要配置通信插件，簡化了系統結構，降低了系統使用成本。該芯片的結構組成如圖2 所示。

圖2 CPU 模塊原理結構圖

CPU 與開關量輸入和輸出回路之間設置了光電隔離，提高了系統的抗干擾能力，保證了控制精度；通信插件與CPU 之間通過CAN 總線完成數據交互，智能電表與CPU 之間通過RS485 總線完成數據傳遞，這種雙通道通信方式極大地避免了通信堵塞情況，提高了系統的響應速率。

2.2 輸入模塊設計

本系統的輸入模塊由2 部分組成，分別是模擬量輸入和開關量輸入。其中，模擬量輸入模塊共有6 路模擬量輸入變換器，具體又分為3 路電壓變換器（VA、VB、VC）和3 路電流變換器（IA、IB、IC）。用隔離變換器處理采集到的模擬量信號，目的是濾除尖脈沖和高頻干擾，保證信號質量。然后將處理后的模擬量信號依次通過濾波電路和運算放大電路，濾除高次諧波并進行信號放大。最后再通過A/D 轉換器將模擬量信號轉變為數字量信號，經過8 號I/O 口進入CPU，利用CPU 對數字量信號進行識別、計算、分析。A/D 轉換器是決定輸入信號質量的關鍵儀器，本文選用了AD7606 芯片，可支持8 通道同步模數轉換，內置采樣保持放大器、二階抗混疊濾波器等元件，有效解決了A/D 轉換后數據失真的問題[1]。

開關量輸入模塊的電路圖如圖3 所示。電阻R61 既可以發揮限流作用，防止電流過大燒壞元器件，同時還能與電容C41 組成濾波回路，濾除耦合在信號回路中的交流成分，避免系統出現誤動作。為防止低壓信號干擾、誤報等情況，在開關量輸入信號處理電路中還加入了12 V 穩壓管，若電壓低于12 V則回路無法導通；只有當電壓大于12 V 時回路才能閉合。R45 和R69 均為限流電阻，起到保護作用。DI00 為一路開關量的輸入，當有信號輸入時，光耦導通，此時CPU 的1 號I/O 口呈低電平，CPU 會判斷“開關變位”。

圖3 開關輸入量信號處理電路

2.3 輸出模塊設計

該模塊的主要功能是接收CPU 發送的指令，并利用前端的執行器件（如繼電器）執行指令。系統上電并啟動初始化程度后，CPU 上相應的I/O 串口自動設定為輸出口，用于開關量的輸出。假設CPU 的4 號I/O 串口為輸出口，在接收到一個輸出指令后，該串口會發出一個3.3 V 的低電平信號，該信號進入到光耦隔離器中，激活繼電器線圈并產生一個24 V 的驅動電壓。在信號為低電平時，光耦導通，此時執行器件順利執行CPU 發出的指令；反之，在信號為高電平時，光耦截止，執行器件恢復為初始狀態。本文在設計系統輸出模塊時，選用了TLP127 型光耦隔離器，將2 個三極管串聯成1 個三極管，使得放大倍數變為原來2 倍，最大驅動電流可以達到200 mA。

2.4 通信模塊設計

在設計系統的通信模塊時，有光纖通信和GPRS無線通向2 種方式可供選擇。對比來看，光纖通信的優勢在于抗干擾能力強、通信效率高，但是由于10 kV 配網用戶分布比較零散，選用該通信方式會導致成本明顯升高[2]。綜合實用性和性價比兩方面考慮，最終選擇了GPRS 無線通信，其結構原理如圖4 所示。

圖4 GPRS 無線通信模塊結構圖

圖4中通信模塊處理器（CPU）選用STM32F107V CT6 芯片，最高頻率60 Hz，內置高速閃存，支持睡眠、待機、停機3 種工作模式，最大程度上降低了運行能耗。該芯片與GPRS 通信模塊之間使用CAN 通信總線實現內部信息傳遞。GPRS 模塊在正常接收CPU 發送的指令或數據后，立刻向配網主站發出無線信號，并等待接收配網主站的反饋指令。在GPRS 的電源回路設計方面，使用普通干電池作為GPRS 通信模塊的備用電源，同時加入了ISL 電源管理芯片，可以對電池起到過電保護作用，保證通信模塊的穩定和可靠運行。

3 遠程用電采集終端的軟件設計

3.1 主程序設計

本文使用Keil MDK 軟件設計遠程用電采集終端的軟件部分。主程序方面主要由初始化及自檢程序和采樣中斷服務程度2 部分組成，具體設計如下。

1）初始化及自檢程序。根據遠程用電采集終端的結構組成和運行特點，需要初始化的部分有計數器、CPU 寄存器、A/D 轉換器、I/O 接口及SPI 串行通信接口等。需要自檢的部分有RAM 自檢、配置參數自檢、補償系數自檢等[3]。這里以隨機存儲器RAM 檢測為例，按照“一寫、二讀、三比較”的順序，將寫入值（Z1）與讀出值（Z2）作對比，判斷兩者是否一致。如果存在“Z1＝Z2”，則RAM 區能夠正常讀寫；反之，則不支持讀寫。

2）中斷服務程序。該部分具體又包含了數據采集計算中斷服務程序、CAN 總線收發中斷服務程度及電網頻率捕捉與計算中斷服務程序等多項內容，這里以數據采集為例，選擇差分傅里葉算法，將采樣頻率設定為1 250 Hz。系統啟動運行并完成主程序的初始化后，設定電網頻率和采樣間隔。系統默認的電網頻率為50 Hz，采樣間隔為500 μs。開始采樣后，A/D 采樣器每500 μs 中斷一次，將采集到的數據進行傅里葉計算，根據計算結果判斷是否存在過流、速斷等故障。如果經判斷不存在上述問題，則自動將采樣數據傳送給智能采集終端，同時A/D 采樣器進入下一個中斷繼續采集數據。A/D 采樣中斷服務程序如圖5 所示。

圖5 A/D 采樣的中斷服務程序流程圖

3.2 通信程序設計

智能采集終端的多個模塊之間采用CAN總線完成信息傳遞。CAN總線的標識符為4字節，數據結構采用8字節的短幀結構，如果CPU接收的報文中含有較多內容，會將其拆分成若干個短幀信息并排隊發送，從而解決了系統響應延遲的問題。在短幀信息排隊發送時，需要優先發送“優先級”更高的報文。本文在設計智能采集終端的通信程序時，結合電力系統的相關要求將“變位”信息的優先級設定為最高，這里的變位信息包括真空斷路器的分、合位置變化，以及過流、速斷等保護信息[4]。

3.3 核心功能設計

本文設計的智能采集終端系統可支持遠程欠費管理功能、防竊電功能、保護功能及GPRS 通信功能等。這里以遠程欠費管理功能為例，介紹其設計方案。當電力用戶出現欠費時，系統自動拉閘停電，并每隔一段時間檢查一次用戶是否補繳電費；在補繳電費后自動恢復供電；同時，還能支持預存電費，并且在預存電量低于設定值（支持自定義）時進行告警。遠程欠費管理功能流程如圖6 所示。

圖6 欠費管理功能流程圖

4 遠程用電采集終端的測試分析

根據上述設計方案，本文使用Code Composer 集成開發軟件對遠程用電采集終端系統的功能進行了測試。這里以遠程欠費管理功能為例，測試方法如下：

首先，設置“購電量”參數，系統讀取電力用戶的預存電量，如果“預存電量低于購電量”，則判斷該用戶已經欠費，并跳閘斷電。設置“告警值”參數，如果“預存電量低于1.2 倍購電量”，則向用戶發送購電量即將不足的告警信息[5]。

其次，將遠程用電采集終端與智能電表連接后，用測試儀為電表提供電流和電壓。正常通電后，遠程用電采集終端會讀取智能電表的實時數據，并進行對比分析。

測試結果表明，當預存電量低于1.2 倍購電量時，系統會自動生成“您的預存電量即將不足，請及時充值”的告警信息；當預存電量低于購電量時，系統自動生成“欠費跳閘”指令，此時真空斷路器從閉合狀態切換為斷開狀態，用戶端停電。經過測試，本文設計的遠程用電采集終端系統的欠費管理功能順利實現，達到了設計預期。

5 結束語

在智慧電網覆蓋范圍不斷擴大的背景下，用電管理智能化成為必然趨勢。10 kV 配網智能采集終端系統能夠遠程、實時、精確地采集用戶的用電信息，并利用GPRS 通信模塊將信息同步反饋給智能采集終端，完成信息的處理、分析后，終端CPU 自動生成控制指令，再通過CAN 總線將指令發送至前端執行器件，作出相應動作完成遠程管理。該系統在防竊電管理、欠費管理、隔離保護等方面均表現出良好應用效果，對提升電力公司的配網管理水平有積極幫助。