電量在線測(cè)控新技術(shù)和新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)用趨勢(shì)

楊紅本，唐國(guó)民

（1.云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228；2.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

當(dāng)前，我國(guó)的節(jié)能減排工作正深入推進(jìn)，智能電網(wǎng)建設(shè)正加快實(shí)施，為電量測(cè)控技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)、應(yīng)用注入了新動(dòng)力，拓展了新空間。綜合應(yīng)用新技術(shù)研制開(kāi)發(fā)高準(zhǔn)確等級(jí)、高可靠性、高穩(wěn)定性且智能化、模塊化、低成本的電量在線測(cè)控核心產(chǎn)品，滿足智能電網(wǎng)安全運(yùn)行、電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控、用電過(guò)程實(shí)時(shí)測(cè)控、清潔能源入網(wǎng)安全等方面的需求，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外電量在線測(cè)控技術(shù)和產(chǎn)品研究發(fā)展的方向[1]。

1 國(guó)外電量在線測(cè)控最新技術(shù)狀況

1.1 電量在線測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)狀況

為適應(yīng)電量在線測(cè)控系統(tǒng)高準(zhǔn)確、高可靠、多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化的發(fā)展趨勢(shì)，一方面需要利用最新的電子、測(cè)控技術(shù)，對(duì)電量在線測(cè)控系統(tǒng)的前端測(cè)量核心單元按智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化要求升級(jí)設(shè)計(jì)，徹底改變傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模式；另一方面，要利用當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)及信息管理等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的電量在線測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)鍵點(diǎn)電參量的實(shí)時(shí)測(cè)控、采集、分析、統(tǒng)計(jì)、管理。

1.1.1 電量測(cè)量專用集成芯片

近年來(lái)，國(guó)外各種高集成、高性能、多功能、嵌入式的電量測(cè)量專用芯片不斷涌現(xiàn)，如ADE7878、AT73C500/501、TDK71M6513H 等。

在國(guó)外諸多電量測(cè)量專用芯片中，ADI公司的ADE7878[2]是最具代表性的國(guó)外最新專用芯片。該芯片主要功能和特性為：支持三相三線（Δ型）、三相四線（Y型）及其他三相測(cè)量方式；超高測(cè)量準(zhǔn)確等級(jí),在1000:1的動(dòng)態(tài)范圍，45～65Hz頻率范圍內(nèi)各相電流、電壓及有功、無(wú)功功率（電能）測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1%；完整的電參數(shù)測(cè)量功能，可同時(shí)測(cè)量各相電流、電壓及零線電流有效值，同時(shí)測(cè)量各相（三相）的有功、無(wú)功、視在功率和電能，包括各相（三相）的瞬時(shí)有功、無(wú)功、視在功率，各相（三相）的有功、無(wú)功基波電能，各相（三相）的有功、無(wú)功總電能（基波電能+諧波電能）；可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量參數(shù)，包括電壓跌落、過(guò)壓、過(guò)流事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，電壓峰值、電流峰值、周期頻率、各相位角等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量輸出，各相電流、電壓波形采樣數(shù)據(jù)的高速測(cè)量輸出；內(nèi)置1.2V電壓基準(zhǔn)（典型漂移10×10-6/℃），3.3V單電源供電；獨(dú)特的防竊電、防潛動(dòng)、防更改、相序判定、CRC校驗(yàn)設(shè)計(jì)，確保非正常情況下監(jiān)測(cè)功能仍然有效；可編程的獨(dú)立增益控制、獨(dú)立相位補(bǔ)償、整周期校準(zhǔn)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了后期的精度調(diào)校工作；具有可配置的I2C，SPI或HSDC數(shù)據(jù)傳輸接口；靈活的低功耗設(shè)計(jì)，具備正常、省電、低功耗、睡眠4種電源工作模式，2.4～3.7V寬電壓工作范圍，滿足電池供電應(yīng)用。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及支撐芯片

電量在線測(cè)控系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的強(qiáng)力推動(dòng)下，功能不斷增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)大，正朝著網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、開(kāi)放化、集散化、智能化的方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)通信接口芯片的多功能微型化發(fā)展，為基于TCP/IP協(xié)議的電量在線測(cè)控核心測(cè)量單元向網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)設(shè)計(jì)鋪平了道路。

應(yīng)用最新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和支撐芯片，徹底升級(jí)設(shè)計(jì)電量在線測(cè)控核心測(cè)量單元，重點(diǎn)要把握遠(yuǎn)程組網(wǎng)應(yīng)用和在線集中測(cè)控2個(gè)關(guān)鍵。核心測(cè)量單元作為未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)在線測(cè)控的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，須引入與因特網(wǎng)相似的體系結(jié)構(gòu)和通信模型，使各測(cè)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息能以TCP/IP方式傳輸；利用網(wǎng)絡(luò)通信前沿技術(shù)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的電參量在線測(cè)控系統(tǒng)，可保證測(cè)控網(wǎng)絡(luò)（或Internet）所及區(qū)域的各類電參量測(cè)控信息能靈活傳輸至測(cè)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)電參量的遠(yuǎn)程、在線、集中測(cè)控，節(jié)省長(zhǎng)期運(yùn)行成本。

國(guó)外嵌入式以太網(wǎng)控制芯片新品迭出，如美國(guó) Micrel公司的KSZ8851[3]系列、Microchip公司的ENC624J600、Silabs公司的CP220X系列、Cirrus Logic公司的 CS8900A、Realtek 公司的 RTL8211、ASIX Electronics公司的AX88796等。美國(guó)Micrel公司最新開(kāi)發(fā)的KSZ8851單端口嵌入式系列芯片，整合了一個(gè)10/100Mb/s以太網(wǎng)物理層（PHY）收發(fā)組件及媒體存取控制器（MAC），是微型化、低成本、低功耗嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。KSZ8851符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持10 Base-T和100Base-TX網(wǎng)絡(luò)接口；配備SPI接口，18KB內(nèi)部緩沖存儲(chǔ)器；自適應(yīng)的10/100Mb/s全雙工和半雙工性能；支持大端（bigendian）和小端（little-endian）處理器；支持 IPv4/IPv6 checksum生成與校驗(yàn)；獨(dú)有專利的電纜故障診斷功能（LinkMD）；局域網(wǎng)喚醒功能（Wake-on-LAN）等。

1.1.3 嵌入式單片微處理器芯片

嵌入式系統(tǒng)常用的單片微處理器技術(shù)成熟，功能齊全。許多芯片已達(dá)到片上系統(tǒng)級(jí)水平，一個(gè)芯片內(nèi)集成了中央處理器（CPU）內(nèi)核、Flash存儲(chǔ)器、片內(nèi) RAM、多路 ADC、多路 DAC、SPI（I2C、RS232、RS485）接口、多路通用定時(shí)器、看門狗定時(shí)器等；支持閃存在系統(tǒng)編程 ISP（in-system programming）、在電路編程 ICP（in-circuit programming）、在應(yīng)用編程IAP（in-application programming）功能。如 NXP公司最新的P89LPC98X系列微處理器[4]，片內(nèi)集成了高性能的80C51內(nèi)核，高精度內(nèi)部時(shí)鐘，F(xiàn)lash、RAM，UART、I2C、SPI數(shù)據(jù)傳輸接口，多通道 ADC，7路定時(shí)器等資源，指令執(zhí)行2～4個(gè)時(shí)鐘周期，2.4～5.5V寬工作電壓范圍，支持ISP、ICP、IAP在線編程功能，較適合低成本、高可靠性的電量測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用。

1.2 國(guó)外電量在線測(cè)控的領(lǐng)先產(chǎn)品

國(guó)外電量在線測(cè)控技術(shù)和產(chǎn)品研究領(lǐng)域，施耐德電氣集團(tuán)、以色列Elspec公司目前處于領(lǐng)先地位，代表著國(guó)外此類技術(shù)和產(chǎn)品的領(lǐng)先水平和發(fā)展方向。

施耐德電氣集團(tuán)公司的PM800系列電力參數(shù)測(cè)量?jī)x[5]、ION7650電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置[6]等高端電量在線測(cè)控產(chǎn)品，具有測(cè)量準(zhǔn)確等級(jí)高、測(cè)量功能完善、通信技術(shù)先進(jìn)、組網(wǎng)應(yīng)用靈活等特點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 PM800、ION7650主要技術(shù)指標(biāo)

以色列Elspec公司的EG4430[7]型電能質(zhì)量在線測(cè)控高端產(chǎn)品，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)理念超前、測(cè)控功能強(qiáng)大，幾乎可監(jiān)測(cè)三相交流系統(tǒng)的全部電參量，堪稱電量測(cè)控黑匣子，主要功能指標(biāo)如表2所示。其主要功能特點(diǎn)為：

（1）可以獨(dú)立配置在用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試、分析、記錄，解決了大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問(wèn)題。

（2）全部測(cè)控?cái)?shù)據(jù)可通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心，綜合分析、報(bào)告電量數(shù)據(jù)。

（3）模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用以太網(wǎng)通信，允許測(cè)量模塊和顯示模塊間長(zhǎng)距離連接，一個(gè)測(cè)量模塊能連接多個(gè)顯示。

（4）多輸入/輸出擴(kuò)展模塊，便于擴(kuò)展監(jiān)控能力。

表2 EG4430的主要功能指標(biāo)

2 電量在線測(cè)控新產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

2.1 國(guó)內(nèi)電量在線測(cè)控產(chǎn)品的狀況

國(guó)內(nèi)目前的電量在線測(cè)控產(chǎn)品，在測(cè)量準(zhǔn)確等級(jí)、智能測(cè)控、功能組合、開(kāi)放性等方面須升級(jí)完善。主要存在以下不足：

（1）測(cè)量準(zhǔn)確等級(jí)不高。電流、電壓最高測(cè)量準(zhǔn)確等級(jí)0.2級(jí)，其他電量測(cè)量準(zhǔn)確等級(jí)大多低于0.5級(jí)。

（2）通信技術(shù)落后。通信接口多為RS485總線或RS-232接口，不具備TCP/IP以太網(wǎng)通信協(xié)議，組網(wǎng)靈活性差，難于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；南到y(tǒng)組網(wǎng)集成。

（3）功能單元的設(shè)計(jì)沿用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式，不能實(shí)現(xiàn)前端測(cè)量單元的獨(dú)立就近安裝，不利于按需組合、優(yōu)化配置、節(jié)約資源。

2.2 國(guó)內(nèi)在線測(cè)控產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路

借鑒國(guó)外新型電量在線測(cè)控產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念，綜合應(yīng)用國(guó)內(nèi)外最新技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)我國(guó)高準(zhǔn)確等級(jí)、高可靠性、高穩(wěn)定性，且智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、低成本的電量在線測(cè)控核心產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)電測(cè)技術(shù)必須突破的關(guān)鍵。

未來(lái)的電網(wǎng)將是智能電網(wǎng)，各種新的在線測(cè)控技術(shù)將不斷地應(yīng)用在智能電網(wǎng)中。當(dāng)前和今后相當(dāng)一段時(shí)期，國(guó)內(nèi)對(duì)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的電量在線測(cè)控技術(shù)和產(chǎn)品需求旺盛，圖1給出一種綜合應(yīng)用新技術(shù)解決電力系統(tǒng)在線智能測(cè)控的示例。圖中實(shí)線框構(gòu)成的部分為擬開(kāi)發(fā)的新型在線測(cè)控產(chǎn)品，虛線框部分給出了測(cè)控新產(chǎn)品獲得信息途徑及發(fā)出信息的去向。

圖1 在線測(cè)控新產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用示例

應(yīng)用新技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)電量在線測(cè)控核心產(chǎn)品，應(yīng)綜合考慮：標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，包括接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，測(cè)控單元模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等；準(zhǔn)確等級(jí)問(wèn)題，采用目前電量測(cè)控最新專用測(cè)量芯片（如ADE7878），各類電量在線測(cè)量準(zhǔn)確等級(jí)可達(dá)0.2級(jí)以上；單元結(jié)構(gòu)問(wèn)題，可借鑒上述黑匣子的思路，合理劃分基本功能模塊和擴(kuò)展模塊，便于按需靈活組合、優(yōu)化配置；通信接口問(wèn)題，應(yīng)將嵌入式以太網(wǎng)接口、USB接口作為基本模塊的必備功能，滿足開(kāi)放要求；針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可靠性問(wèn)題，須采取軟硬件冗余設(shè)計(jì)、隔離屏蔽等措施。

2.3 未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展方向

未來(lái)的多功能電量在線測(cè)控核心產(chǎn)品，實(shí)時(shí)化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化是滿足集中測(cè)控、規(guī)模組網(wǎng)、低碳應(yīng)用的必然要求和發(fā)展方向。

可采用的核心技術(shù)包括電量測(cè)控最新技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信最新技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮存貯技術(shù)、信息管理技術(shù)、隔離屏蔽技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、以太網(wǎng)供電（power over ethernet，POE）技術(shù)、用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接和嵌入（OLE for process control，OPC）技術(shù)等。

3 電量測(cè)控模塊在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用前景

3.1 智能電網(wǎng)測(cè)控應(yīng)用

新一代電量在線測(cè)控核心產(chǎn)品在智能電網(wǎng)測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，對(duì)全面提升供用電運(yùn)行管理水平、保證電網(wǎng)的信息化高效運(yùn)行、推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)意義重大。發(fā)電站、變電站、中控室、電力調(diào)度中心等場(chǎng)所，諸多核心設(shè)備、關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)電力參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、智能測(cè)控有非常嚴(yán)格的要求。應(yīng)用新一代電量在線測(cè)控核心產(chǎn)品，升級(jí)改造傳統(tǒng)電量測(cè)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、智能、在線測(cè)控，可在保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行、負(fù)荷實(shí)時(shí)有效調(diào)控的同時(shí)，完成對(duì)電能的準(zhǔn)確計(jì)量、考核、結(jié)算和電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)警。應(yīng)用范圍包括電力調(diào)度運(yùn)行管理，電能計(jì)量結(jié)算管理，數(shù)字化變電站[8]等。

3.2 工業(yè)企業(yè)應(yīng)用

工業(yè)企業(yè)為實(shí)現(xiàn)均衡、高效、科學(xué)、合理用電，從制定電力消耗考核定額，到查找技術(shù)和管理缺陷，從改進(jìn)用電工藝結(jié)構(gòu)，到保障供用電安全，凡節(jié)能增效、精益生產(chǎn)涉及的供用電關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵設(shè)備，都需要安裝電量在線測(cè)控裝置，對(duì)電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控、對(duì)電能消耗進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，以滿足工業(yè)企業(yè)自身不斷提高的管理考核要求。

3.3 其他方面應(yīng)用

公共機(jī)構(gòu)、公共設(shè)施、智能大廈等供用電系統(tǒng)的電參數(shù)測(cè)控[9-10]，是未來(lái)電量在線測(cè)控產(chǎn)品更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。如應(yīng)用新技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)低成本的單相電量測(cè)量模塊，可普及應(yīng)用到各級(jí)公共機(jī)構(gòu)的每一間辦公室，不間斷監(jiān)測(cè)其用電狀況，實(shí)時(shí)采集后集中顯示、匯總考核，利于加強(qiáng)相互監(jiān)督，促進(jìn)行為節(jié)電。

4 結(jié)束語(yǔ)

新一代的電量在線測(cè)控核心技術(shù)和產(chǎn)品，復(fù)合功能、模塊結(jié)構(gòu)、開(kāi)放互聯(lián)、集散組網(wǎng)是未來(lái)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，將在智能電網(wǎng)測(cè)控、工業(yè)企業(yè)用電測(cè)控、公共機(jī)構(gòu)用電監(jiān)測(cè)，以及公共設(shè)施、智能大廈供用電測(cè)控等方面獲得廣泛應(yīng)用，推動(dòng)電量測(cè)控過(guò)程及測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的分析、管理、應(yīng)用進(jìn)入智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化時(shí)代。

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