低壓無功補償型電力載波智能抄表系統(tǒng)研究

羅書克 張元敏

(許昌學院電氣信息工程學院，河南 許昌 461000)

0 引言

目前，遠程自動抄表通信方法較多，主要有RS-485總線方式、GSM方式以及基于PDA的抄表方式［1－3］，最近又出現了紅外、藍牙方式［4－5］。但無論上述哪種方式，都存在初期建設投資大或抄表過程占用大量人力物力的不足。隨著人民生活水平的提高，家用感性電器越來越多，消耗無功電能也越來越多［6］。由家用無功電能產生的線路損耗不可忽視，而目前對家用無功補償的研究基本處于空白狀態(tài)。

本文所述的基于電力輸電線路集中抄表系統(tǒng)是利用現有中低壓輸電線路進行電能、電壓、電流、功率因數和頻率等數據信息傳輸并進行智能監(jiān)控管理的一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)集微電子技術、通信技術和計算機技術于一體，具有可靠性高、安裝簡單的特點，廣泛適用于城市、農村特別是偏遠山區(qū)電表的抄讀，具有對用戶消耗的無功電能進行實時補償［7］、超時限欠費自動遠程斷電以及監(jiān)測、診斷等功能，可實現信號遠距離、不同電壓等級間的傳輸［8］，不需專門的無功補償裝置，成本低，建設周期短，優(yōu)勢明顯。

1 系統(tǒng)組成

本文所設計的電力載波智能抄表系統(tǒng)主要由上位計算機、信號轉換器、信號耦合器、采集器和智能電表組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構框圖Fig.1 The overall structure

本系統(tǒng)可以對一個城市的所有用電用戶進行智能抄表。每個用戶的電表把計量本用戶所用電能通過RS-485總線上傳至小區(qū)采集器，采集器接收每個用戶上傳的電能信息并對整個小區(qū)所用電能進行總的計量，然后把電能信號通過擴頻技術上傳至輸電線路。由于輸電線路存在配電變壓器，電能計量信號不能通過配電變壓器，為了實現電能信號的遠距離傳輸，研制了電能信號耦合器。當電能信號需要經過變壓器時，電能信號就通過信號耦合器把變壓器旁路掉，實現電能信號的遠距離傳輸。信號轉換器是為了把電能信號和市電電力信號分離開而設置的。通過信號轉換器，被分離出來的電能信號通過RS-485總線上傳至集中抄表計算機。

2 用戶電表

用戶電表是計量本用戶所用電能多少的計量工具。為了提高用電的智能性，本電表在設計過程中充分考慮了這方面的功能。電表內部具有電能計量、電壓電流瞬時值和有效值以及頻率和功率因數等的檢測，另外設置有無功補償單元和用戶出線控制單元。這些信息均可通過RS-485通信口上傳至數據采集器并最終送給上位機管理系統(tǒng)，且上位機管理系統(tǒng)也可以控制電表運行狀況。此外，利用編碼技術編制電表地址，保證電表地址的唯一性。

上傳數據信息包括地址、電能信息。為了提高上傳數據的準確性，在上傳數據過程中采用了CRC校驗。在上傳的用戶電能信息中，包括有功電能和無功電能兩部分。采集無功電能主要是為了實現無功補償，減少無功電能的損耗，提高電力線路的輸電效率。有功、無功電能的采集主要是通過電能計量芯片CS5460來實現。通過CS5460不但能采集到電能信息，還能采集到瞬時電壓、電流，電壓電流的有效值，以及功率因數、頻率等信息。這些信息的采集，為智能電網在用戶級的實現提供了實時信息。電能信息采集電路如圖2所示。

圖2 電能信息采集電路Fig.2 Acquisition circuit of power energy information

地址分為多層地址，共占用3個字節(jié)，可以實現對多達224只電表的管理，基本可以滿足一個城市聯(lián)網的需要。

采集到的各種信息可以通過液晶顯示部分顯示出來。此外，為了實現無功電能的實時補償，在電表內部集成了無功補償單元。該補償單元可使外部輸入無功最小甚至為零，使用戶的用電功率因數大于0.98。無功補償電路如圖3所示。

圖3 電表內部無功補償電路Fig.3 Reactive power compensation circuit inside the meter

系統(tǒng)通過采集到的無功和功率因數信息來調節(jié)并入電容的數值。該無功補償為有級補償，這種補償方式可使用戶終端的功率因數和入戶無功保持在某一范圍之內。系統(tǒng)中的各種信息采集到之后，通過RS-485通信接口上傳至采集器，采集器也可通過RS-485來控制電表實現所要求的功能。

3 采集器

采集器采用微控制技術和擴頻技術，把電表送上來的電能等信息轉換為可以在電力線路上傳輸的信息，其核心器件為 TMS320LF2407A和SSC P300。其中，SSC P300是美國Intellon公司生產的一種基于電力載波的擴頻收發(fā)通信芯片，其硬件結構如圖4所示。

圖4 擴頻載波通信硬件結構圖Fig.4 Hardware structure of spread spectrum carrier communication

SSC P300 的主要特點有［9］:①雙向收發(fā)，支持EIA-600標準;②基于chirps的擴載技術;③支持標準串行通信的SPI接口;④周邊元器件最小化;⑤20腳SOIC封裝。

TMS320LF2407A通過圖4中所示的5個端口和SSC P300交換數據信息，并把采集到的信息送給擴頻載波通信模塊 SSC P300，SSC P300通過 TS、SI、SO 接功率放大器，把信號放大。

采集器的主要作用就是把電表監(jiān)測到的各種數據采集上來，然后把這些數據轉換為電力線路可以傳輸的信號。采集器的結構框圖如圖5所示。

圖5 采集器整體電路結構Fig.5 The overall structure of the collector

智能電表采集到的各種數據，通過TMS320LF2407A發(fā)送給擴頻載波通信模塊SSC P300，SSC P300通過TS、SI、SO端口把數據送給功率放大器，放大之后的數據信息再通過匹配濾波器加到電力線路上，實現了信息的上傳。同時，上位管理機也可以下發(fā)各種控制信息，通過采集器給智能電表下發(fā)命令。數據傳輸過程如下。

當發(fā)送數據時，從處理器將指令以串行格式發(fā)送給SSC P300，在其內部進行擴載調制，并由SSC P300放大信號后經匹配濾波器耦合到電力線發(fā)送至下層的信號耦合器或信號轉換器CPU。下層CPU接到指令后通過電力載波將相關數據傳遞過來，經匹配濾波器進入SSC P300進行解擴，SSC P300檢測到載波信號后以中斷方式通知處理器，由從處理器接收串行數據，從而完成上下間的載波雙向通信。該方式下載波范圍為50～200 kHz，通信速度為 4000 ～8000 bit/s，信號耦合輸出幅度VPP＜10 V。

4 信號傳輸

由于信號在電力線路傳輸途中需要經過變壓器，而變壓器對傳輸的電能信號是一個很大的阻抗，電能信號一般不能通過變壓器，且變壓器對傳輸信號來說也是一個干擾源，因此，為了提高信號的傳輸能力，增加了耦合器通道。信號耦合器在有變壓器時才需要。

當需要從電力線路上把信號檢出來時，需要信號轉換器。信號轉換器除了檢出信號外還有隔離強電信號的作用，其檢出信號原理和采集器原理一樣，這里不再敘述。

5 上位機管理系統(tǒng)

為了便于系統(tǒng)管理，采用VB制作了上位機管理系統(tǒng)。該上位機管理系統(tǒng)是集系統(tǒng)中央控制、監(jiān)測和管理于一體的綜合系統(tǒng)，負責控制和管理整個用電區(qū)域內各個采集器的運行，并對區(qū)域內的用電狀況進行監(jiān)測和記錄，可以設置采集信息內容及下發(fā)控制命令，使系統(tǒng)的無功電能處于最佳狀態(tài)。

上位機管理系統(tǒng)是一套由計算機系統(tǒng)、系統(tǒng)管理軟件和應用軟件、數據庫等組成的收費管理和控制系統(tǒng)。其中，應用軟件主要包括用戶用電管理系統(tǒng)、用戶收費管理系統(tǒng)和區(qū)域用電監(jiān)測管理系統(tǒng)。

上位機管理系統(tǒng)通過電力線與位于現場的采集器進行通信，具有完善的遠端參數設置和管理功能，可以遠程設置采集器、電表的運行參數;具有良好的數據庫接口設計，便于數據查詢和共享;支持多種計費方式和類型［10］。

系統(tǒng)可以同時采集各個用戶和主變出口送出電能的情況。上位機管理系統(tǒng)可以根據系統(tǒng)參數自動分析日、月、年負荷情況并進行線損分析，控制竊電和不交費行為。

6 結束語

本文介紹了一種低壓無功補償型電力載波集中抄表及控制系統(tǒng)的設計概況和功能。實際運行表明，實時抄表成功率達96%以上，循環(huán)補抄可達100%;用戶端電壓有明顯提高，說明集成在內部的無功補償單元起到了很好的補償作用，對欠費用戶實現了遠程控制。

系統(tǒng)具有監(jiān)測、診斷、修復等功能，實現了低壓電網智能化，且成本低、工程建設周期短，優(yōu)勢明顯;不足之處在于電網諧波對系統(tǒng)存在一定的干擾，須進行進一步的研究。

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