智能電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

陳 興，符富強(qiáng)，陳勇章，羅志榕，周 琨，劉應(yīng)增，賴(lài)振學(xué)

(1.福建省常山供電有限公司;2福建省上杭縣電力公司3.福州億森電力設(shè)備有限公司)

智能電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

陳 興1，符富強(qiáng)1，陳勇章1，羅志榕1，周 琨1，劉應(yīng)增2，賴(lài)振學(xué)3

(1.福建省常山供電有限公司;2福建省上杭縣電力公司3.福州億森電力設(shè)備有限公司)

本文介紹了基于 (CP2102)接口技術(shù)和智能電能表現(xiàn)儀的開(kāi)發(fā)，結(jié)合了PDA、計(jì)算機(jī)及無(wú)線通信技術(shù)，使用Delphi、EVC開(kāi)發(fā)工具，在Oracle 8i開(kāi)發(fā)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)與管理智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電力校表的無(wú)紙化工作和智能化管理。

(CP2102)電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀;測(cè)試智能系統(tǒng)

1 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的逐步完善，相應(yīng)的電力配電裝置得到了迅猛的發(fā)展，電能表的準(zhǔn)確度等級(jí)越來(lái)越高，對(duì)電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的要求也隨之提高。電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀電能指標(biāo)一般要求達(dá)到0.05級(jí)，功能上要有諧波分析、錯(cuò)誤接線判斷、向量圖顯示、更正系數(shù)計(jì)算等。另外，所測(cè)數(shù)據(jù)要求被保存并能上傳到PC機(jī)供管理應(yīng)用，還要求攜帶方便，體積小、功耗低。因此，采用ARM和CP2102技術(shù)就能很好的滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 硬件原理

硬件由模擬輸入通道、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器、CP2102數(shù)字信號(hào)處理器、ARM及其外圍器件組成1。

輸入通道中，三相電壓直接接入，經(jīng)過(guò)精密電阻分壓取樣到A/D轉(zhuǎn)換器。電流采樣分為經(jīng)內(nèi)附精密互感器、5A鉗型互感器、500A鉗型互感器三種方式獲得以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的不同需求。

采集到的信號(hào)經(jīng)16位串行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)2。由采樣保持器保證采樣的同步性，使每相電壓、電流同時(shí)采樣，最后以串行方式輸入給數(shù)字信號(hào)處理器CP2102。CP2102是數(shù)字信號(hào)處理器 (Digital Signal Processor)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行高速運(yùn)算、加工處理并將處理結(jié)果經(jīng)總線傳送給中央處理器ARM。中央處理器ARM對(duì)CP2102處理結(jié)果進(jìn)行后期處理，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功能切換等功能。顯示器采用640×480分辨率的26k真彩色大屏幕，背景色可調(diào)以適應(yīng)不同環(huán)境。

3 ARM和CP2102技術(shù)原理

中央處理器ARM是該儀器的核心部件，采用三星公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于精簡(jiǎn)指令集的ARM9核的S3C2410。該器件是價(jià)格低、功耗低、性能高的小型微控制器，適用于各種便攜設(shè)備，能夠降低整個(gè)系統(tǒng)成本。它配有眾多內(nèi)部設(shè)備，其中主要包括存儲(chǔ)器管理單元 MMU、16KB的指令緩沖器、16KB數(shù)據(jù)緩沖器、存儲(chǔ)器控制器 (SDRAM控制器)、NAND Flash和NOR Flash控制器，LCD控制器(支持STN和TFT)、4通道的外部DMA請(qǐng)求控制器、3個(gè)串行口、SD存儲(chǔ)卡讀取接口、2個(gè)USB接口 (1個(gè)USB主機(jī)接口、1個(gè)USB設(shè)備接口)、5個(gè)脈寬調(diào)制定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、117個(gè)通用I/O端口 (其中，24可用于中斷請(qǐng)求)。在本儀器中，主要完成系統(tǒng)控制和通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。ARM的外圍器件包括32M的8位FLASH存儲(chǔ)器K9F5608。它不僅保存著本儀器的應(yīng)用程序，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)和抄表數(shù)據(jù)都可以存儲(chǔ)。FLASH存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中主要用于存放引導(dǎo)程序Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像和應(yīng)用程序代碼等，系統(tǒng)上電或者復(fù)位后從FLASH中運(yùn)行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并將操作系統(tǒng)拷貝到SDRAM中去執(zhí)行。SDRAM存儲(chǔ)芯片采用57V641620，它共有4M×16位字節(jié)寬度，采用3.3V供電。

CP2102采用TI公司生產(chǎn)的第三代數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC33。該芯片是一種32bit的浮點(diǎn)CP2102，其程序、數(shù)據(jù)和外設(shè)地址都映射在同一存儲(chǔ)空間，并有豐富的尋址方式和較大的尋址空間，因此對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)非常靈活方便。CP2102以處理速度見(jiàn)長(zhǎng)，它將處理信號(hào)的典型算法，如快速傅立葉變換 (FFT)以硬件形式加以支持，提高了處理速度，特別適合要求運(yùn)算速度高的場(chǎng)合。在本儀器中，各種電測(cè)量如電壓、電流、功率、頻率、相位、功率因數(shù)、諧波等都是由它完成計(jì)算處理的，同時(shí)，它還產(chǎn)生電能脈沖，包括有功電能的高頻脈沖、低頻脈沖和無(wú)功電能的高頻脈沖。

4 功能實(shí)現(xiàn)

儀器的設(shè)計(jì)指標(biāo)為0.05級(jí)，主要由采樣電路和A/D來(lái)保證，算法也有很大的影響。該儀器采用非同步采樣，采樣頻率與被測(cè)信號(hào)不同步，會(huì)帶來(lái)附加誤差，利用軟件方法可以修正殘余誤差3。經(jīng)測(cè)試，基本電能誤差能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由于ARM的高性能，結(jié)合電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的各種情況，儀器提供了豐富的擴(kuò)展功能，主要有以下幾個(gè)方面。

1.儀器可以從上位機(jī)接收待校表信息，包括相線、常數(shù)、類(lèi)型、互感器倍率、編號(hào)、變壓器容量等，校表時(shí)只用輸入編號(hào)即可調(diào)入全部信息進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)時(shí)也可以包含以上信息并且具有校驗(yàn)時(shí)間、誤差、測(cè)量時(shí)的電測(cè)量信息。可以手動(dòng)或通過(guò)485得到被校表的峰谷平電量信息，包括正反向有功和正反向無(wú)功。存儲(chǔ)數(shù)量達(dá)1000塊。

2.大屏幕液晶可以在校驗(yàn)界面顯示三相電壓、電流、功率、頻率和功率因數(shù)，顯示電流檔位(基表、5A鉗表、500A鉗表)信息，可以顯示兩個(gè)誤差。如果是主表、副表，則顯示兩塊表的誤差;如果是多功能電能表，則表可以同時(shí)顯示有功、無(wú)功誤差。

3.能進(jìn)行走字試驗(yàn)，可進(jìn)行電能累計(jì)，檢查電能表字輪的工作狀態(tài)。

4.能顯示相量圖和相位值，具備查接線功能(錯(cuò)誤或正確的接線)，直接計(jì)算錯(cuò)誤接線情況下的更正系數(shù)，可及時(shí)追補(bǔ)損失的電量。

5.能夠測(cè)試計(jì)量裝置中低壓電流互感器CT的角差、比差和誤差。

6.具有諧波分析功能，顯示線路失真度、各次諧波含量和波形，還可以校驗(yàn)基波表。

7.正是采用了ARM技術(shù)，才能使具有強(qiáng)大功能的電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀體積小、功耗 (現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的重要指標(biāo))小，便于攜帶，它必將成為電能計(jì)量工作人員的有效設(shè)備。

5 電能表現(xiàn)儀與智能系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由3部分組成:主站管理軟件模塊、主站數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和PDA現(xiàn)場(chǎng)校表模塊，

整個(gè)校表的工作流程可以分為:

·計(jì)劃制定。主站軟件生成計(jì)劃，經(jīng)過(guò)計(jì)量專(zhuān)職的審核后生效。

·工作派工。由各外交班班長(zhǎng)將計(jì)劃分配到每個(gè)組。

·任務(wù)下載。校表人員將要執(zhí)行的校表任務(wù)下載到PDA中。

·現(xiàn)場(chǎng)校表。校表人員帶著PDA和校驗(yàn)儀來(lái)到校表現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校表工作。如果現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常，則通過(guò)PDA的無(wú)線通信功能連接主站的專(zhuān)家診斷系統(tǒng)，處理各種接線錯(cuò)誤。

·上傳校驗(yàn)結(jié)果。校表完成后，校表人員可以通過(guò)無(wú)線方式或串口通信方式上傳校驗(yàn)結(jié)果到主站。

·統(tǒng)計(jì)各種報(bào)表。

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

6.1 主站管理軟件模塊的設(shè)計(jì)

主站管理軟件模塊采用具有高安全性和穩(wěn)定性的C/S(Client/Server)模式，讀寫(xiě)主站數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)電表等信息的管理、校表工作的安排、對(duì)校表數(shù)據(jù)的處理、現(xiàn)場(chǎng)接線錯(cuò)誤的診斷、各類(lèi)報(bào)表的統(tǒng)計(jì)等功能。主站管理軟件的開(kāi)發(fā)使用了Borland公司的delphi 6開(kāi)發(fā)工具，它具有可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、編譯器速度快、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)支持功能、靈活的VCL組件、跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，備受應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者的青睞。

通信模塊:在主站和PDA的通信中使用GPRS前置機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，大大減少外網(wǎng)對(duì)主站服務(wù)器的攻擊。同時(shí)，提供了和營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)、專(zhuān)家診斷系統(tǒng)的接口。

系統(tǒng)管理:可以在系統(tǒng)中設(shè)置部門(mén)及各部門(mén)下的工作人員，根據(jù)人員的級(jí)別分配相應(yīng)的菜單權(quán)限。

檔案管理:操作人員可以對(duì)部門(mén)、電表、變電所、用戶(hù)、區(qū)域等信息進(jìn)行管理，同時(shí)提供操作日志查詢(xún)。

任務(wù)管理:它包括計(jì)劃任務(wù)的生成、校表任務(wù)的下載、校表結(jié)果的上傳。

報(bào)表管理:針對(duì)計(jì)量所的實(shí)際需要，提供了各類(lèi)報(bào)表和直觀的統(tǒng)計(jì)圖。

6.2 主站數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

主站服務(wù)器安裝Oracle 8i數(shù)據(jù)庫(kù)。Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)具有安全性強(qiáng)、兼容性好、高可用性、高生產(chǎn)率、多線程處理能力等特點(diǎn)，是世界上使用最廣泛的關(guān)系數(shù)據(jù)系統(tǒng)之一［3］。數(shù)據(jù)庫(kù)在整個(gè)系統(tǒng)中屬于底層共享的數(shù)據(jù)資源支持層，對(duì)上層應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和查詢(xún)等功能的支持。數(shù)據(jù)庫(kù)包括客戶(hù)表、變電所表、線路表、電表表、測(cè)量點(diǎn)表、任務(wù)表、計(jì)劃表和校驗(yàn)結(jié)果表等。

6.3 PDA校表模塊的軟硬件設(shè)計(jì)

PDA校表模塊包括校驗(yàn)儀和帶GPRS上網(wǎng)卡的PDA。其中，校驗(yàn)儀用于對(duì)電表進(jìn)行校驗(yàn)檢測(cè)，PDA用于保存校驗(yàn)儀數(shù)據(jù)及和主站的數(shù)據(jù)通訊。

PDA校表軟件參照標(biāo)準(zhǔn)［4］及實(shí)際校驗(yàn)流程設(shè)計(jì)。軟件模塊提供界面手工輸入直觀檢查信息，比如電表外殼是否完好、電流量程是否正常、是否失流、是否失壓、是否超載等信息;通過(guò)串口轉(zhuǎn)紅外通訊方式接收電表數(shù)據(jù);通過(guò)串口接收校驗(yàn)儀(PWS)的數(shù)據(jù)。如果是帶紅外的PWS，則可以通過(guò)前面的紅外端口接收PWS數(shù)據(jù)。

PDA軟件提供兩種方式實(shí)現(xiàn)與主站的數(shù)據(jù)通訊:

·GPRS通訊方式:PDA在檢表現(xiàn)場(chǎng)與主站的服務(wù)器進(jìn)行無(wú)線通訊，實(shí)時(shí)查詢(xún)獲取信息及上傳結(jié)果，如果接線有異常的話(huà)，通過(guò)主站進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和處理;

·串口通訊方式:用串口線連接PDA和主站客戶(hù)端，通過(guò)客戶(hù)端連接服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)取得工作內(nèi)容，上傳校驗(yàn)信息等。

7 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)相比，該系統(tǒng)具有以下功能特點(diǎn):

·校表自動(dòng)化:采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口或紅外通訊方式自動(dòng)輸入到PDA，并且存儲(chǔ)在PDA中，再上傳到主站數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化、自動(dòng)化作業(yè)。

·校表智能化:系統(tǒng)提供的錯(cuò)誤接線專(zhuān)家診斷模塊能通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，輔助校表人員進(jìn)行接線錯(cuò)誤判斷，提高工作效率。

·任務(wù)安排合理化:通過(guò)生成年計(jì)劃算法，結(jié)合考慮用戶(hù)類(lèi)型、去年計(jì)劃完成情況、用戶(hù)區(qū)域等信息，可以將校表地點(diǎn)、時(shí)間相近的用戶(hù)或變電所安排在同一天校表，避免了校表人員勞于奔波。

校驗(yàn)報(bào)表、關(guān)口電能表運(yùn)行點(diǎn)非優(yōu)校驗(yàn)報(bào)表、重要電能表運(yùn)行點(diǎn)二率報(bào)表、校驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)、校驗(yàn)結(jié)果分析等。而且，所有這些統(tǒng)計(jì)報(bào)表都有相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)圖，直觀方便地把各種信息呈現(xiàn)在操作員面前。

8 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合PDA和GPRS技術(shù)的電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)與管理智能系統(tǒng)，系統(tǒng)維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展，與傳統(tǒng)校表方法相比，實(shí)現(xiàn)了電力校表無(wú)紙化工作和智能化管理，簡(jiǎn)化校表工作，規(guī)范計(jì)量單位對(duì)信息數(shù)據(jù)的維護(hù)，減少了糾紛和事故發(fā)生率。該系統(tǒng)已經(jīng)在福建省柘榮縣供電公司投入使用，獲得了關(guān)注和好評(píng)，相信在未來(lái)的應(yīng)用中，必將帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 賴(lài)振文《低壓電器》2009年第19期《AT89C51單片機(jī)在單雙電橋檢定裝置中的應(yīng)用》.

［2］ 賴(lài)振學(xué)《工業(yè)計(jì)量》2010年第3期《新型絕緣電阻測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)》.

［3］ 章開(kāi)煊《電氣制造》2010年第5期《新型光電互感器電路的設(shè)計(jì)》.

The Development and Design of Intelligent Electrical Energy Performance Meter and System Based on CP2102 Technology

(Fuzhou ESEN Electric Equipment Co.，Ltd.Fuzhou 350013，F(xiàn)ujian China)

This article introduced based on(CP2102)the system electrical energy performance school meter＇s development，unified PDA，the computer and the wireless communication technology，uses Delphi，the EVC development kit，in Oracle in the 8i development＇s relations database foundation，the design developed one kind of electrical energy table scene to verify and the management intelligent system，has realized the electric power dial gauge＇s paperless work and the intellectualized management.

(CP2102)electrical energy table scene verification meter;test intelligent system

10.3969/j.issn.1000－6133.2013.02.003

TN784

A

1000－6133(2013)02－0012－04

2013－02－07

研究與設(shè)計(jì)