手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置的研制

范曉丹　　付煒平　　張磊　　岳帥

【摘 要】在對數(shù)字化電能表和傳統(tǒng)電能表工作方式比較的基礎上，分析了數(shù)字化電能表在檢修維護過程中存在的問題。本文介紹了手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置的實現(xiàn)原理、系統(tǒng)結(jié)構框架、各裝置模塊功能和軟、硬件設計。測試結(jié)果表明該裝置夠直觀觀測線路相關參數(shù)，便于現(xiàn)場查找數(shù)字化電能表問題原因。

【關鍵詞】數(shù)字化電能表 電能 網(wǎng)絡監(jiān)測 智能變電站

隨著數(shù)字化變電站的大規(guī)模建設，數(shù)字化計量系統(tǒng)的調(diào)試以及運行過程中設備的檢修維護問題凸顯。區(qū)別于傳統(tǒng)的可視接線，智能變電站采用IEC61850模型虛連線，問題很難排查。對于數(shù)字化電能表，需要一種可以直觀觀測線路相關參數(shù)的設備，了解合并單元輸出的IEC61850-9-1/2/2LE報文及相關計量量，避免出現(xiàn)電量丟失、參數(shù)配置不準確、表計計量不準等問題，便于現(xiàn)場查找發(fā)生錯誤數(shù)據(jù)的原因。

一、實現(xiàn)原理

合并單元發(fā)出的IEC61850-9-1/2/2LE是含有保護、測量、計量多種電能瞬時值的報文，手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置接收的是合并單元輸出的計量相關量。手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置監(jiān)測顯示的計量量（電壓、電流、相序、脈沖量、波特率、CT/PT變比等）與數(shù)字電能表顯示值實際比對，測試誤差應不超過0.02%。

系統(tǒng)包括數(shù)字量采樣模塊、電能計算模塊、報文解析模塊、通訊模塊和顯示模塊。其中數(shù)字量采集模塊接收合并單元輸出的數(shù)據(jù)；報文解析模塊對sv報文進行解析，提取出當前光纖內(nèi)所有報文信息及各報文的具體參數(shù)；電量計算模塊根據(jù)采集到的電壓電流計算出有功電能和無功電能。

二、硬件設計及軟件設計

（一）硬件設計

手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置采用ARM Cortex-A8+FPGA為核心的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，整個監(jiān)測裝置設計為兩個硬件板卡：第一層為主控板，以ARM Cortex-A8為核心，主要負責觸摸屏、人機交互、及任務調(diào)度等。液晶顯示通過800x600TFT彩色液晶屏實現(xiàn)，觸摸芯片是eGalax的XPT2046；含有2個USB接口及SD卡接口，USB接口可以連接鼠標或鍵盤等外設，方便更加精準的輸入，SD卡用于存儲程序和數(shù)據(jù)，給程序升級和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存帶來方便；供電電源為輸出為5V/2A的便攜移動電源，可以避免運維電源接線的麻煩。

第二層為核心數(shù)據(jù)處理板，以xilinx公司的Spartan6系列FPGA為核心主要負責，該芯片是一款低成本、低功耗的FPGA芯片，集成最多150000個邏輯單元、集成式PCI Express模塊、高級儲存器支持、250Mhz DSP Slice和3.125Gbps低功耗收發(fā)器，高速的指令速度可以支持系統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理板負責接收IEC61850-9-1/2/2LE報文并進行解析處理，基于硬件邏輯編寫的FFT算法具備強大的數(shù)據(jù)處理能力；系統(tǒng)工作時鐘采用美信公司的高精度RTC芯片DS3221，輸出精度可達2ppm；IEC61850-9-1/2/2LE采樣報文接口采用以太網(wǎng)接口PHY芯片LXT971和HFBR5961的實現(xiàn)方法。

（二）軟件設計

監(jiān)測裝置主控板采用linux+Qt系統(tǒng)，具有良好的移植性液晶界面會根據(jù)觸摸屏的控制顯示出相應的任務畫面，實現(xiàn)了系統(tǒng)的可視化和交互功能。數(shù)據(jù)處理板采用VHDL開發(fā)的高性能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

數(shù)字化電能表校驗儀系統(tǒng)的工作流程：系統(tǒng)上電啟動后，首先進行初始化，即配置寄存器、初始化內(nèi)存設備以及啟動系統(tǒng)任務等；初始化完成后，系統(tǒng)基于linux+Qt系統(tǒng)的機制實現(xiàn)MMI任務，控制數(shù)據(jù)處理板接收IEC61850-9-1/2/2LE報文，根據(jù)用戶的設置對合并單元發(fā)送的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，與數(shù)字化電能表進行比對。

系統(tǒng)的電能計量以IEC61850的數(shù)字化信號為基礎，即將電能計算進行離散化，得到數(shù)字信號的電能計算公式；根據(jù)IEC61850協(xié)議，采樣一般按照每周波80/200點進行，因此由采樣報文中得到的電壓、電流值相乘得到瞬時功率，根據(jù)采樣的時間間隔進行相乘、累加從而得到相應的電能值。

當系統(tǒng)上電啟動并接通合并單元的光纖輸出，界面顯示一個或多個目的地址不同的IEC61850-9-1/2/2LE報文，選擇數(shù)字化電能表IED對應的目的地址的報文。主控板通知數(shù)據(jù)處理板進行IEC61850-9-1/2/2LE過濾，并對各個通道的瞬時值進行計算，在顯示界面中顯示所有通道的有效值及波形。設置完全后，主控板通過通信模塊通知數(shù)據(jù)處理板進行電能相關計算，并把相關計算的電流電壓幅值、角度、功率及諧波含量通知給主控板顯示在界面上，這時就可以對比數(shù)字化電能表中的相關值與監(jiān)測裝置中值，據(jù)此對問題進行初步診斷。

在采集數(shù)據(jù)后，還可以在界面中選擇存儲數(shù)據(jù)，把接收到的IEC61850-9-1/2/2LE進行存儲，方便問題分析及問題環(huán)境重現(xiàn)。

三、測試結(jié)果

故障處理中，應用手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，在工作現(xiàn)場準確定位，快速查找問題原因，具有方便、的工作性能。

四、結(jié)束語

文中介紹了手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置采集異常數(shù)據(jù)分析方法，通過實例數(shù)據(jù)分析，說明如何查找異常數(shù)據(jù)源頭。憑借對日常系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，既能夠減少了計量管理人員在處理電量故障時的盲目性，又能夠幫助計量人員在第一時間發(fā)現(xiàn)電量異常并趕赴現(xiàn)場處理。通過用手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置的實用化，可以大幅度提高計量人員的工作效率和電量稽查水平。手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡監(jiān)測裝置投入使用后，它發(fā)揮著強大的計量統(tǒng)計管理和計量參數(shù)監(jiān)測及稽查等應用功能。

參考文獻：

[1]Q/GDW 383—2009智能變電站技術導則，家國電網(wǎng)公司.

[2]林國營，周尚禮，孫衛(wèi)明等.數(shù)字化變電站電能計量裝置的量值溯源研究.塞爾電力自動化，2010（87）.

作者簡介：

范曉丹（1982-）女，工程師，主要從事電能質(zhì)量、計量等方面工作。

付煒平（1975-）男，高級工程師，主要從事變電檢修、技術監(jiān)督等方面工作。

張磊（1983-）男，助理工程師，主要變電檢修公司。

岳帥（1982-）男，主要從事計量、熱工等方面工作。