CMP300智能電力監(jiān)控儀

（廣西廣播電視技術(shù)中心南寧分中心）

1 引言

供配電系統(tǒng)正常是廣播電視臺(tái)站安全播出的重要保障。針對市面上同類電力監(jiān)控儀都只能通過檢測電壓值來判斷缺相故障，這在一般系統(tǒng)內(nèi)是可以的，但在一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境中，由于電力系統(tǒng)的感抗、容抗和變壓器的互感等的作用，在低壓端檢測到的三相空載電壓數(shù)值有時(shí)變化不大，若通過電壓值或電壓不平衡度手段是無法正確判斷系統(tǒng)缺相故障的。我們利用高壓缺相時(shí)變壓器低壓側(cè)電壓相位會(huì)發(fā)生改變這一現(xiàn)象研制了一款既能準(zhǔn)確檢測供配電系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)參數(shù)，又能正確作出判斷并控制相關(guān)保護(hù)裝置的CMP300智能電力監(jiān)控儀，有效的解決了配電系統(tǒng)上述保護(hù)死角。CMP300智能電力監(jiān)控儀融電參量檢測、計(jì)量、分析、診斷、控制、保護(hù)于一體，并通過標(biāo)準(zhǔn)通訊接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，簡化了系統(tǒng)布局，降低了故障率，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。本儀表同時(shí)支持三相四線、三相三線等多種不同的接線方式，可適應(yīng)各種高壓、中、低壓環(huán)境，適用廣泛。

2 內(nèi)容概述

2.1 設(shè)計(jì)總體框架

CMP300 智能電力監(jiān)控儀具有大屏幕、背光 LCD 液晶顯示屏，顯示清晰明了；通過4個(gè)雙向功能鍵來切換參數(shù)測量界面和參數(shù)設(shè)置界面，操作方便簡潔。我們將四個(gè)按鍵分為“I”鍵，“U”鍵，“P”鍵和“E”鍵，按“I”鍵可在查看電流參數(shù)，按鍵“U”鍵可查看電壓相關(guān)的測量參數(shù)如相電壓、線電壓、電壓頻率等，按“P”鍵可查看功率相關(guān)的參數(shù)如有功功率、無功功率等，按“E”鍵可查看電能相關(guān)參數(shù)及系統(tǒng)輔助信息。示例一見圖1 ：

圖1 示例一

示例二見圖2：

圖2 示例二

CMP300智能電力監(jiān)控儀采用高性能的微處理器作為硬件核心進(jìn)行對各個(gè)功能模塊的操作。其余的各個(gè)功能模塊包括：采樣模塊、按鍵模塊、顯示模塊、通訊模塊、開關(guān)量輸入模塊、繼電器輸出模塊。采樣模塊中采用優(yōu)化后的差分采樣電路，搭配高精度的計(jì)量芯片，實(shí)現(xiàn)了對信號全波形的高速采樣，總體硬件框架如下圖3：

圖3 總體硬件框架

按鍵模塊中采用4個(gè)功能按鍵分別在測量參數(shù)顯示狀態(tài)和設(shè)置狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)不同的功能，既能夠在參數(shù)顯示過程時(shí)實(shí)現(xiàn)快速操作，也能在設(shè)置操作時(shí)精簡按鍵的操作流程；顯示模塊采用定制的高亮度段碼液晶屏，顯示的信息詳細(xì)直觀，一目了然。

通訊模塊部分采用集成信號隔離的通訊芯片，實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備進(jìn)行485通訊，并且避免了由不隔離造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定情況。

開關(guān)量輸入模塊提供4路位置信號輸入通道，能夠及時(shí)對線上的位置信號進(jìn)行反饋；繼電器輸出提供2路開關(guān)信號輸出，可用于報(bào)警、控制等方面。

控制功能在本儀表軟件中體現(xiàn)為繼電器輸出模塊，繼電器輸出模塊可以同時(shí)監(jiān)控本儀表的所有測量參數(shù)。繼電器輸出模塊會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的上、下限閥值來監(jiān)控所測量的參數(shù)，當(dāng)所監(jiān)測的參數(shù)出現(xiàn)越限情況時(shí)，繼電器輸出模塊會(huì)根據(jù)用戶的設(shè)定，使儀表上相應(yīng)的繼電器閉合，這樣用戶外接的報(bào)警或者保護(hù)裝置就會(huì)動(dòng)作，達(dá)到報(bào)警或者保護(hù)的目的。同時(shí)儀表會(huì)在液晶上顯示相應(yīng)的故障信息，以便用戶查看是哪一項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)故障。本儀表還可以通過上位機(jī)查看繼電器狀態(tài)或者控制繼電器的閉合、斷開，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

在本儀表的軟件結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)以搶占式實(shí)時(shí)調(diào)度器為核心，按照各個(gè)硬件模塊，實(shí)現(xiàn)模塊化編程。從第一步采樣開始，系統(tǒng)從計(jì)量芯片讀回全部的AD采樣數(shù)據(jù)，如電壓、電流、功率等，然后將數(shù)據(jù)填充到緩沖中，進(jìn)行濾波處理，如此可以濾除信號毛刺，得到穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。濾波后的采樣數(shù)據(jù)需要計(jì)算模塊，計(jì)算模塊會(huì)將濾波后的采樣結(jié)果進(jìn)行還原，即經(jīng)過計(jì)算后的數(shù)據(jù)就是儀表測量值，計(jì)算模塊會(huì)把計(jì)算結(jié)果發(fā)送到一個(gè)內(nèi)存緩沖中，以便其他模塊獲取計(jì)算結(jié)果，如顯示模塊，顯示模塊的軟件功能除了負(fù)責(zé)將計(jì)算結(jié)果送到液晶上顯示之外，還要對用戶按下的按鍵進(jìn)行顯示處理，如切換電壓頁面，進(jìn)入設(shè)置菜單等等，這些都是由顯示模塊來處理的。需要獲取計(jì)算結(jié)果還有通訊模塊，通訊模塊會(huì)監(jiān)控通訊端口，當(dāng)通訊端口接收到上位機(jī)發(fā)來正確的命令時(shí)，通訊模塊會(huì)立即根據(jù)命令中的參數(shù)，讀取結(jié)算結(jié)果緩沖中的相應(yīng)測量結(jié)果，并發(fā)送給上位機(jī)，這樣就可以利用遠(yuǎn)程主機(jī)監(jiān)控現(xiàn)場的各項(xiàng)參數(shù)。

該監(jiān)控儀的硬件設(shè)計(jì)采用32位高性能嵌入式微控制器STM32F103，利用其高性能的GPIO口、SPI接口、UART接口等豐富的硬件資源搭建系統(tǒng)平臺(tái)，電流和電壓采樣選用專用的三相電能計(jì)量IC-ADE7858，軟件設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的UCOS操作系統(tǒng)為核心，利用微控制器強(qiáng)大的中斷管理進(jìn)行多任務(wù)處理，實(shí)現(xiàn)各功能模塊軟件任務(wù)的有序調(diào)度。系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)按照模塊化進(jìn)行，主要包括信號處理、人機(jī)交互、報(bào)警保護(hù)、通信等模塊。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 監(jiān)測各種電量參數(shù)

CMP300智能電力監(jiān)控儀實(shí)現(xiàn)了三相的電流、電壓、電壓頻率、電壓相位、分相及合相的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、總有電能及總無功電能等參數(shù)的測量，示例三見圖4：

圖4 示例三

（圖4標(biāo)注：顯示三相的有功功率和總有用功率。（3P4L接線方式時(shí)只顯示總有用功率）Pa=0.125Kw；Pb=0.125Kw；Pb=0.125Kw；總有功功率為0.375Kw）

還可檢測相角、相位、相序、電壓不平衡度、電流不平衡度等參數(shù)，示例四見圖5：

圖5 示例四

（圖5標(biāo)注：顯示a、b、c三相相位角。PHa =0度；PHb=240度；PHc=120度

有功電度12.34kWh）

2.2.2 檢測線上各個(gè)脫扣或跳閘信號

在智能電力儀表應(yīng)用場景中，用戶除了需要監(jiān)視各相電力參數(shù)外，還需要監(jiān)視各個(gè)脫扣或者跳閘信號，本儀表軟件中的開關(guān)量輸入模塊便是為了實(shí)現(xiàn)此功能而設(shè)計(jì)，開關(guān)量輸入模塊會(huì)監(jiān)測每個(gè)通道是否有信號輸入，若有信號輸入，則會(huì)將信號記錄下來，等待上位機(jī)讀取。

2.2.3 報(bào)警功能

圖6 示例五

CMP300智能電力監(jiān)控儀能夠?qū)﹄妷撼?、相位超限、電壓逆序、電壓不平衡度和高低壓缺相等故障進(jìn)行報(bào)警和保護(hù)。同時(shí)儀表會(huì)在液晶上顯示相應(yīng)的故障信息，示例五見圖6：（圖6標(biāo)注：故障信息顯示頁：第一行“PHAS”表示相位超限，當(dāng)出現(xiàn)相位超限時(shí)該行會(huì)閃爍。第二行“UNBL”表示電壓允許不平衡度，當(dāng)出現(xiàn)電壓不平衡度超出設(shè)定值時(shí)，該行會(huì)閃爍。第三行“SEER”表示電壓逆序，當(dāng)出現(xiàn)電壓逆序的情況時(shí)，該行字符會(huì)閃爍。為防止干擾系統(tǒng)默認(rèn)出現(xiàn)逆序故障1.5s后進(jìn)行報(bào)警。逆序故障消失1s后報(bào)警消除。第四行“LoPE”表示電壓缺相，當(dāng)出現(xiàn)電壓缺相的情況時(shí)該行會(huì)閃爍。系統(tǒng)中將電壓超限的動(dòng)作延時(shí)時(shí)間作為缺相的動(dòng)作延時(shí)時(shí)間。第五行“U OUT LI”表示電壓值超限，即當(dāng)前電壓出現(xiàn)超出設(shè)定的范圍時(shí)，該行會(huì)進(jìn)行閃爍。）

2.2.4 保護(hù)功能和輸出控制信號

CMP300 多功能電力監(jiān)控表配置了2路繼電器輸出端口，D11、D21。CMP300智能電力監(jiān)控儀能夠?qū)﹄妷撼?、相位超限、電壓逆序、電壓不平衡度和高低壓缺相等故障進(jìn)行報(bào)警和保護(hù)。當(dāng)所監(jiān)測的參數(shù)出現(xiàn)越限情況時(shí)，繼電器輸出模塊會(huì)根據(jù)用戶的設(shè)定，使儀表的上相應(yīng)的繼電器閉合，這樣用戶外接的報(bào)警或者保護(hù)裝置就會(huì)動(dòng)作，達(dá)到報(bào)警或者保護(hù)的目的。

例如南寧銀嶺微波臺(tái)因外電線路高壓缺B相，在低壓端檢測的三相電壓數(shù)值相差不大，普通監(jiān)控儀無法正確判斷故障，導(dǎo)致了ATS不能正常判斷和切換，故障數(shù)據(jù)參見如下表1：

表1 南寧銀嶺微波臺(tái)故障情況下，測量空載及帶載線電壓值

后使用了CMP300智能電力監(jiān)控儀，測量數(shù)據(jù)如下表2、表3、表4：

表2 分別拉斷銀嶺10kV線相，電壓，電流情況

CMP300智能電力監(jiān)控儀通過對相位、相角Φ的精確檢測，準(zhǔn)確的判斷出外電線路的高壓缺相，繼電器D11、D12、D21、D22閉合，輸出控制信號，使ATS能夠正常的工作，解決了該臺(tái)的安全播出隱患。

3 應(yīng)用效果和結(jié)論

CMP300智能電力檢測儀在南寧銀嶺微波臺(tái)使用兩年多來，工作正常，效果顯著，具有推廣價(jià)值。

表3 南寧銀嶺微波臺(tái)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)一