基于智能物聯(lián)電能表的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)適用于智能物聯(lián)電能表的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組，組成電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，計(jì)算穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)等指標(biāo)，同時(shí)生成事件數(shù)據(jù)。將電能質(zhì)量模組分析的結(jié)果存儲(chǔ)至模組，經(jīng)集中器召測(cè)可反饋至物聯(lián)表的管理模組；然后通過(guò)HPLC的方式傳給集中器，集中器通過(guò)遠(yuǎn)程通信方式（4G或以太網(wǎng)等）傳給主站，從而完成電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性，基于物聯(lián)表的電能質(zhì)量模組具有優(yōu)良的實(shí)時(shí)性和兼容性，可在多種應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能物聯(lián)電能表；電能質(zhì)量；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；電能數(shù)據(jù)；集中器；計(jì)量產(chǎn)品

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27；TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）05-00-06

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，清潔能源并網(wǎng)、非線性負(fù)荷用電在產(chǎn)生大量諧波的同時(shí)，也可能引起電壓暫降、暫升、閃變或頻率的變化，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成較大影響，直接影響電網(wǎng)運(yùn)行安全、企業(yè)的正常生產(chǎn)，造成大量經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析可以使得電力部門(mén)全面、準(zhǔn)確地掌握電能質(zhì)量狀況，對(duì)電能質(zhì)量水平做出綜合評(píng)價(jià)，進(jìn)而找出擾動(dòng)原因并減輕干擾的影響，幫助供電公司在規(guī)劃中正確地改善供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[6-8]。因此對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析是電能質(zhì)量管理的必要工作。

近年來(lái)，計(jì)量產(chǎn)品的功能日益強(qiáng)大，除了基礎(chǔ)的計(jì)量功能外，還有針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的多種功能。智能物聯(lián)電能表（以下稱(chēng)為“物聯(lián)表”）與智能電能表相比，在滿(mǎn)足準(zhǔn)確計(jì)量的基礎(chǔ)上，還可以增加諧波計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、無(wú)功計(jì)量（單相）、光伏監(jiān)測(cè)、負(fù)荷辨識(shí)、狀態(tài)感知等擴(kuò)展功能，能夠滿(mǎn)足新型電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)下不同典型場(chǎng)景的應(yīng)用需求[9-10]。

基于物聯(lián)表研制的電能質(zhì)量模組，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)電能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，從而實(shí)現(xiàn)就地參與用戶(hù)負(fù)荷的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化接口，可與現(xiàn)有用采系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，配合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析及管理功能，具有良好的應(yīng)用前景。

1 總體設(shè)計(jì)

本文的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由計(jì)量模組、管理模組、上行模組及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組組成。計(jì)量模組和管理模組采用物理分離原則，計(jì)量模組是實(shí)現(xiàn)高可靠性、長(zhǎng)壽命的必要部分，不允許進(jìn)行軟件升級(jí)。管理模組承擔(dān)整表的管理任務(wù)，主要包括費(fèi)控、顯示、需量、對(duì)外通信、事件記錄、數(shù)據(jù)凍結(jié)、負(fù)荷控制等任務(wù)，支持軟件升級(jí)。上行模組具備強(qiáng)電接口，主要用于與集中器的上行載波通信，傳送電能質(zhì)量分析結(jié)果。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組作為物聯(lián)表的功能擴(kuò)展模組與物聯(lián)表連接，采集物聯(lián)表計(jì)量模組輸出的原始采樣周波信號(hào)，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和分析，得到電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至模組存儲(chǔ)單元，等待上級(jí)集中器的召測(cè)。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊的尺寸和硬件接口采用統(tǒng)一參數(shù)，可與其他功能擴(kuò)展模塊互換安裝。

針對(duì)用電端用戶(hù)，集中器可每日采集電能質(zhì)量模組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和事件，上報(bào)主站，繪制電能質(zhì)量情況曲線圖，周期性展示電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)概覽和事件概覽，結(jié)合用戶(hù)檔案信息生成不同類(lèi)型用戶(hù)電能質(zhì)量特征庫(kù)。通過(guò)主站側(cè)展示及存儲(chǔ)的電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)用戶(hù)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)，還可以為用電端電能質(zhì)量的優(yōu)化提升提供有力技術(shù)支撐，向用戶(hù)提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析、改造等更精準(zhǔn)的服務(wù)，并可為計(jì)量點(diǎn)異常分析提供更為詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)量模組設(shè)計(jì)

按照上述總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步設(shè)計(jì)物聯(lián)表計(jì)量模組硬件系統(tǒng)。采用模組化思路設(shè)計(jì)，模組之間采用接插件方式直連，便于生產(chǎn)和維護(hù)。硬件上計(jì)量模組與管理模組通過(guò)SPI和UART接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，同時(shí)計(jì)量模組還支持?jǐn)U展模組SPI接口，電能質(zhì)量模組與計(jì)量模組采用SPI單向通信，計(jì)量模組為主，電能質(zhì)量模組為從，計(jì)量模組向電能質(zhì)量模組實(shí)時(shí)發(fā)送原始數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行電能質(zhì)量分析。物聯(lián)表計(jì)量模組的原理框圖如圖2所示。

2.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)電能質(zhì)量模組，作為物聯(lián)表的功能擴(kuò)展模組與物聯(lián)表連接，通過(guò)采集物聯(lián)表計(jì)量模組輸出的原始采樣周波信號(hào)，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和分析，得到電壓偏差、頻率偏差、電壓合格率統(tǒng)計(jì)、諧波含有率、間諧波含有率等電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并反饋給物聯(lián)表的管理模組；然后通過(guò)HPLC的方式傳給集中器，集中器通過(guò)遠(yuǎn)程通信方式（4G或以太網(wǎng)等）傳給主站，從而完成電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能。同時(shí)可將事件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至本地后等待上級(jí)集中器的召測(cè)分析。

模組選用HC32T460芯片，通過(guò)SPI接口和UART接口與物聯(lián)表連接，讀取計(jì)量數(shù)據(jù)及指令；通過(guò)I2C接口和SPI接口與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模組連接；通過(guò)UART接口與485通信模組連接。模組硬件原理如圖3所示。

模組存儲(chǔ)單元采用FRAM、E2PROM和Nor FLASH結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。選用長(zhǎng)壽命的FRAM可以緩解軟件的存儲(chǔ)壓力，防止數(shù)據(jù)丟失。模組存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上行主要通過(guò)物聯(lián)表的上行模組與上級(jí)集中器通信，通信方式為HPLC，用于向集中器傳送電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，或接收主站召測(cè)指令。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組與物聯(lián)表的通信采用SPI和UART接口。模組具有與標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)表兼容的接口，其接口定義見(jiàn)表 1所列。

基于上述標(biāo)準(zhǔn)接口，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組通信電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組另擴(kuò)展設(shè)計(jì)一路RS 485通信，用于模組的維護(hù)調(diào)試或其他擴(kuò)展應(yīng)用。RS 485通信基于HM3085EESA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，其硬件電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組與計(jì)量模組采用 SPI 單向通信，計(jì)量模組為主，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組為從，計(jì)量模組向電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組實(shí)時(shí)發(fā)送原始數(shù)據(jù)。

物聯(lián)表管理模組檢測(cè)到電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組插入之后，管理模組將讀取電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組信息，并完成信息注冊(cè)的過(guò)程。

物聯(lián)表管理模組與電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組注冊(cè)成功后，請(qǐng)求計(jì)量模組啟動(dòng)采樣數(shù)據(jù)輸出；計(jì)量模組收到管理模組啟動(dòng)采樣數(shù)據(jù)輸出命令后，應(yīng)按照配置周波點(diǎn)數(shù)向電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組實(shí)時(shí)發(fā)送原始數(shù)據(jù)；管理模組一旦檢測(cè)到電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組被拔出，便停止與電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組的通信，并通知計(jì)量模組停止采樣數(shù)據(jù)輸出。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組與計(jì)量模組原始數(shù)據(jù)輸出采用特定的計(jì)量模組采樣輸出擴(kuò)展協(xié)議，為保證通信可靠性，協(xié)議設(shè)計(jì)有幀序號(hào)、校驗(yàn)碼等進(jìn)行判斷。當(dāng)發(fā)生校驗(yàn)錯(cuò)誤或者丟幀等異常，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組會(huì)記錄SPI通信異常事件。

3.2 電能質(zhì)量分析功能

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組在獲取電能數(shù)據(jù)后，可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能，該功能滿(mǎn)足表2、表3、表4所列的要求。

本系統(tǒng)的電能質(zhì)量計(jì)算流程如圖7所示。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組通過(guò)物聯(lián)表計(jì)量芯片獲取電能數(shù)據(jù)，并按照上述要求完成暫態(tài)指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)及事件的計(jì)算和存儲(chǔ)。

本系統(tǒng)電能質(zhì)量召測(cè)流程如圖8所示。當(dāng)集中器下發(fā)召測(cè)指令后，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組對(duì)指令進(jìn)行解析，并讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行規(guī)約組包，上傳至集中器，完成數(shù)據(jù)召測(cè)功能。

4 案例分析

為驗(yàn)證本文中電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否滿(mǎn)足要求，采用以下硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：CPU采用性能不低于Cortex-M4的架構(gòu)，主頻不低于60 MHz；內(nèi)存不應(yīng)低于512 KB；FLASH容量不低于1 MB。本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖9所示。

首先通過(guò)PTC-8320M型三相臺(tái)體給三相智能物聯(lián)電能表加量。集中器通過(guò)DL/T 698 協(xié)議獲取電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組的對(duì)應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)與理論值比較判斷計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足指標(biāo)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、表6、表7所列。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠完成對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算和召測(cè)，計(jì)算結(jié)果符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外，為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的兼容性，在不同配置的硬件平臺(tái)上應(yīng)用本系統(tǒng)。使用結(jié)果表明，在安裝、使用、卸載應(yīng)用軟件方面，本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都可以正常操作。在所述硬件平臺(tái)上運(yùn)行應(yīng)用軟件，可執(zhí)行正常業(yè)務(wù)，不影響其他功能的正常運(yùn)行。在安裝、使用、卸載過(guò)程中，不影響電能表上其他功能的正常運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于智能物聯(lián)電能表的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)物聯(lián)表及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模組進(jìn)行了硬件及軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于智能物聯(lián)電能表的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，滿(mǎn)足智能物聯(lián)電能表對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求。基于物聯(lián)表的電能質(zhì)量模組，具有優(yōu)良的實(shí)時(shí)性和兼容性，可在多種應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，具有良好的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：王 杰（1983—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)槲锫?lián)表技術(shù)。

張 贏（1987—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

張 孟（1983—），男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)椴杉K端技術(shù)。

甘季偉（1996—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及自動(dòng)化。

收稿日期：2023-03-14 修回日期：2023-04-12

基金項(xiàng)目：南瑞集團(tuán)科技項(xiàng)目：智能物聯(lián)三相表研發(fā)（524636 220013）