電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(國(guó)網(wǎng)青島供電公司，山東 青島 266000)

0 引言

電力計(jì)量作為電網(wǎng)電力系統(tǒng)的核心部分,對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行有重要作用[1-3]，電能計(jì)量裝置的運(yùn)行誤差直接對(duì)供用電雙方貿(mào)易結(jié)算的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響,因此對(duì)電能計(jì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)顯得尤為重要[4-5]。在對(duì)電力計(jì)量裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，就需要對(duì)電力計(jì)量裝置的電壓異常狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，因此，所有的電力計(jì)量設(shè)備必須經(jīng)過檢驗(yàn)后才能投入使用[6-8]。在電力系統(tǒng)中，電力計(jì)量中的校驗(yàn)裝置在電網(wǎng)中也具有很重要的作用。近些年，隨著技術(shù)的發(fā)展，電力計(jì)量校驗(yàn)裝置也在更新?lián)Q代，并逐步向高集成度，高速化、自動(dòng)化的方向飛速發(fā)展[9-10]。然而，隨著裝置功能復(fù)雜性提高，裝置內(nèi)部的供電系統(tǒng)也相應(yīng)變得復(fù)雜，要保證裝置運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，首先要保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠[11-12]。

然而，目前電力計(jì)量裝置還在使用傳統(tǒng)的供電線路布局和控制方法，缺乏有效的檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，隨著工業(yè)4.0的來臨，電力計(jì)量校驗(yàn)裝置必然要向智能化、信息化方向發(fā)展[13-15]，因此本文設(shè)計(jì)了一種電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置內(nèi)部所有電壓的工作情況，并能夠在電壓異常時(shí)進(jìn)行提示、診斷，并報(bào)告給上位機(jī)及值班人員進(jìn)行處理。下文將進(jìn)一步詳細(xì)說明。

1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)中，電壓異常狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要由供電模塊、主站、分析軟件控制終端、電壓測(cè)量模塊、顯示模塊、故障報(bào)警模塊等組成，其基本框圖如圖1所示。工作原理為：在電能表檢測(cè)裝置內(nèi)，通過檢測(cè)電壓測(cè)量模塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、功能狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的電壓異常情況，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過LAN上傳主站，在主站對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分析、計(jì)算。在對(duì)數(shù)據(jù)分析、計(jì)算時(shí)間，通過計(jì)算系統(tǒng)中的計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)。在軟件中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)閾值，當(dāng)檢測(cè)到的異常數(shù)據(jù)大于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)閾值，則可檢查異常狀況。

圖1 電壓異常狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，供電模塊采用UPS供電，UPS 也稱為不間斷電源，當(dāng)市電停電后，其仍舊持續(xù)為系統(tǒng)持續(xù)供電，使得檢定裝置的異常檢定工作不中斷。在現(xiàn)場(chǎng)主電力線中斷的情況下，能夠及時(shí)檢測(cè)并上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信息。在本設(shè)計(jì)中，主站是系統(tǒng)核心處理單元，用于收集電壓數(shù)據(jù)，并通過分析軟件辨別故障，診斷故障點(diǎn)，記錄異常，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，并可通過基站通知值班人員。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，顯示模塊通常是滾動(dòng)式液晶顯示屏，能夠以滾動(dòng)的方式實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢定的情況，并及時(shí)顯示當(dāng)前電壓所有數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，使得用戶靈活、即時(shí)把握現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信息。故障報(bào)警模塊是電壓異常時(shí)進(jìn)行的故障指示，通過單片機(jī)控制聲光電芯片，能夠及時(shí)、快速指示現(xiàn)場(chǎng)異常情況，通過聲光報(bào)警的方式，指示用戶故障信息。電壓測(cè)量模塊是系統(tǒng)核心硬件部分，可以進(jìn)行各裝置和總線路中各個(gè)電壓點(diǎn)的檢測(cè)。

目前的電力計(jì)量校驗(yàn)裝置構(gòu)成較復(fù)雜，以目前計(jì)量中心大規(guī)模應(yīng)用的流水線檢測(cè)裝置為例，在裝置內(nèi)部包含有長(zhǎng)供電電源模塊、受控電源模塊、運(yùn)動(dòng)控制單元、檢測(cè)功能模塊、通信模塊等[16-18]，包含的電壓類別涉及三相交流220 V電壓、直流5 V、12 V、24 V、36 V等，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該全部檢測(cè)。在本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用中，電壓測(cè)量模量根據(jù)需要檢測(cè)電力計(jì)量裝置中不同工作狀態(tài)下的工作電壓。所有電壓測(cè)量模塊將檢測(cè)到的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)輸出至現(xiàn)場(chǎng)主站?，F(xiàn)場(chǎng)主站將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)，并進(jìn)行顯示。同時(shí)主站的故障分析軟件實(shí)時(shí)分析電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電壓信息，并同預(yù)先設(shè)置的規(guī)則進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)電壓測(cè)量模塊檢測(cè)到的電壓同規(guī)則庫中不同時(shí)，發(fā)出故障報(bào)警。通過報(bào)警模塊預(yù)警提示，工作人員可根據(jù)預(yù)警情況進(jìn)行故障排查，從而保證電力計(jì)量裝置的良性、健康運(yùn)行。

在上文設(shè)計(jì)中，電壓測(cè)量模塊可以提供電壓、電流、功率、相位等信息。分析軟件掃描所有端口信息，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷出過壓、欠壓、過載等異常情況，也可以通過電壓系統(tǒng)中負(fù)載分配情況，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)供電線路，如通過分析A相負(fù)載過重，B、C相負(fù)載輕載，可以將部分負(fù)載調(diào)整至B、C相；又如通過檢測(cè)某一段時(shí)間某個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)較大，供電存在風(fēng)險(xiǎn)，可以給出提示，使得工作人員執(zhí)行提前干預(yù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 電壓測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

電壓測(cè)量模塊設(shè)計(jì)是本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)采集終端，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在本文方案設(shè)計(jì)中，電壓測(cè)量模塊包括220 V電壓采樣單元、220 V電流采樣單元、低壓采樣單元、放大單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、計(jì)算單元以及通信單元[19]。220 V電壓采樣單元和電流采樣單元將采集到的電壓信號(hào)輸送至放大單元進(jìn)行信息放大，所采集的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過放大單元進(jìn)行信息放大后輸出至A/D轉(zhuǎn)換單元，A/D轉(zhuǎn)換單元將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算單元對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、處理。通信單元將計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)，并接受主站的命令進(jìn)行終端的遠(yuǎn)程控制。

圖2 電壓測(cè)量模塊架構(gòu)示意圖

在設(shè)計(jì)電壓測(cè)量模塊時(shí)，采樣的電源的輸入電壓為5 V或12 V，輸入功率不超過100 W。A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)包括靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，在具體設(shè)計(jì)中，采用16路并行讀通道，3路串行寫通道，具有10位分辨率的ADC能夠分辨出1/1024的滿量程，對(duì)于10 V的滿量程可以分辨輸入模擬電壓變化的最小值位10 mV。其相對(duì)精度為-0.05%～+0.05%的范圍。

2.2 計(jì)算單元設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的計(jì)算單元中，采用STM公司的STM32F407VGT6芯片來計(jì)算采集的電壓、電流信號(hào)。其設(shè)計(jì)參數(shù)為32位Flash MCU、USB、CAN、11個(gè)計(jì)時(shí)器、3個(gè)ADC和13個(gè)通信接口，其采用的核心為ARM Cortex M4，接口類型：CAN, I2C, I2S, SPI, UART，該芯片能夠?qū)涣?20 V的電壓電流采集，并對(duì)功率、功率因數(shù)等進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)包含多路直流電壓測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)通信能力。在本文設(shè)計(jì)中，電壓采樣電路如圖3所示，對(duì)于220 V電壓的測(cè)量，采用高精度互感器T1進(jìn)行隔離式采集，安全性較高，同時(shí)保持較高測(cè)量精度。在圖3電壓采樣放大電路中，母線電壓經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)過隔離變壓器輸出電流，經(jīng)過次級(jí)運(yùn)放再轉(zhuǎn)換為電壓值。然后輸送給A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。其采樣電阻的阻值大小為360k，該阻值能夠支持0～380 V的測(cè)量范圍。

圖3 電壓測(cè)量電路示意圖

在本文設(shè)計(jì)中，電流采樣電路如圖4所示。220 V電流的采集前級(jí)采樣使用高精度電流互感器進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。220 V母線中的電流經(jīng)過隔離互感器轉(zhuǎn)換為小電流輸出，經(jīng)過運(yùn)放電流轉(zhuǎn)電壓電路，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸送給A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。

為了獲得較大的測(cè)量范圍，通過采用變比為1 000:1 的高精度電流互感器，其初始端電流為5 A，在二次端被轉(zhuǎn)換為5 mA, 能夠?qū)㈦娏骺s小到1 000倍，然后通過調(diào)整運(yùn)放電路的放大倍數(shù)為合適范圍，進(jìn)而能夠得到0-3 V的電壓信號(hào)，滿足A/D轉(zhuǎn)換單元的量程。對(duì)于直流電壓的采集，由于要采集路數(shù)較多，而A/D轉(zhuǎn)換單元的資源有限。

圖4 電流測(cè)量模塊架構(gòu)示意圖

同時(shí)，由于電壓采樣的實(shí)時(shí)性要求并不高，為此使用多路復(fù)用采集的方式，使用模擬開關(guān)進(jìn)行切換，如圖5所示。在本文設(shè)計(jì)中使用的模擬開關(guān)為74HC4051，為8通道模擬多路復(fù)用選擇器，帶有3個(gè)數(shù)字選擇端(S0-S2)，1個(gè)使能端(E)，8個(gè)獨(dú)立輸入端和1個(gè)公共輸出端。在采集時(shí)，依次操作HC4051的S0,S1,S2管腳選擇A0-A7中的一個(gè)通道輸入，通過A管腳輸出，送到A/D轉(zhuǎn)換單元。采集結(jié)束后，再切換至下一通道。本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換單元采用STM32F407VGT6自身的ADC，為12位SAR型ADC，使用3.3V參考基準(zhǔn)，最小分辨率為1mV。該ADC可測(cè)量16個(gè)外部輸入信號(hào)，支持DMA方式進(jìn)行連續(xù)采集。通信部分采用LAN8720進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，通信芯片應(yīng)用電路如圖6所示。

圖5 模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 通信單元電路結(jié)構(gòu)示意圖

LAN8720是低功耗的10/100 M以太網(wǎng)PHY層芯片，支持RMII與以太網(wǎng)MAC層通訊。支持自動(dòng)協(xié)商機(jī)制與目的主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，支持HP Auto-MDIX自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能。該芯片具有性價(jià)比高、引腳數(shù)量少、應(yīng)用簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。使用LAN8720搭配STM32F407VGT6的MAC功能，可以實(shí)現(xiàn)低成本的網(wǎng)絡(luò)通信方案。在本文設(shè)計(jì)中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧為L(zhǎng)WIP，能夠保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，只需要幾百字節(jié)的RAM和40 k的ROM即可運(yùn)行。所以使用LWIP協(xié)議棧非常適合在本文設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.3 電壓測(cè)量模塊性能指標(biāo)

1)在本設(shè)計(jì)中包含的220 V采樣中，能夠支持的電壓測(cè)量范圍為0～380 V，能夠支持三相相電壓和線電壓的采集，采集精度優(yōu)于0.1 V。能夠支持的電流測(cè)量范圍為0～20 A，采集精度優(yōu)于0.1 A。

2)在本文設(shè)計(jì)的的直流電壓采樣，能夠支持的直流電壓采樣范圍0～50 V，采樣精度優(yōu)于0.1 V 。能夠同時(shí)支持20路電壓的采集。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

下面對(duì)本文設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行試驗(yàn)與驗(yàn)證。在本文驗(yàn)證中，在電能表自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)一個(gè)功能檢測(cè)單元安裝了電壓測(cè)量模塊。本試驗(yàn)是針對(duì)三相電能表檢定裝置進(jìn)行的檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目分別包括有功能檢測(cè)模塊A相220V、功能檢測(cè)模塊B相220 V、功能檢測(cè)模塊C相220 V、功能檢測(cè)模塊1～24 V、功能檢測(cè)模塊2～24 V、運(yùn)動(dòng)控制模塊1～24 V、運(yùn)動(dòng)控制模塊2～24 V等。

為了驗(yàn)證電壓采樣模塊的性能，在裝置中，將功能檢測(cè)模塊A相220 V、功能檢測(cè)模塊1～24 V和運(yùn)動(dòng)控制模塊1～24 V的輸入采用正常電壓進(jìn)行測(cè)試，將功能檢測(cè)模塊2～24 V和運(yùn)動(dòng)控制模塊2～24 V輸入采用人工故障模塊來進(jìn)行試驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)中，電壓異常檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能檢測(cè)到A相220 V電壓、電流、相位，并能測(cè)量功能檢測(cè)模塊1～24 V和運(yùn)動(dòng)控制模塊1～24 V的電壓，并給出工作正常指示。而對(duì)于功能檢測(cè)模塊2～24 V和運(yùn)動(dòng)控制模塊2～24 V應(yīng)能檢測(cè)到異常電壓，并給出異常提示。

在測(cè)試過程中，在主站客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄。然后根據(jù)上述情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)電壓采樣模塊的性能，以及采用本技術(shù)方案得到的故障的正確率，試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過上述試驗(yàn)可以看到，A相220 V電壓、電流、量功能檢測(cè)模塊1～24 V和運(yùn)動(dòng)控制模塊1～24 V的電壓測(cè)量準(zhǔn)確，工作狀態(tài)正常。而功能檢測(cè)模塊2～24 V的電壓偏低，運(yùn)動(dòng)控制模塊2～24 V的電壓為錯(cuò)誤接線，均能給出異常提示。以上得出的檢測(cè)信息與試驗(yàn)?zāi)K故障情況相匹配，檢測(cè)得到正確率為100%。由此可見，本文設(shè)計(jì)的方案成功率為100%。檢測(cè)到的異常信息報(bào)告通過服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的處理程序，并能夠?qū)⒐收闲畔⑸蟼魃蠈訑?shù)據(jù)管理系統(tǒng)，供管理人員參考使用。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)出的電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)﹄妷汉碗娏鬟M(jìn)行采樣，然后對(duì)采集的電壓和電流信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過數(shù)據(jù)計(jì)算，有助于用戶獲取電力計(jì)量裝置工作狀態(tài)，便于對(duì)電壓異常狀態(tài)的故障情況進(jìn)行整體把握，大大減少電力計(jì)量裝置的故障率，提高了裝置工作的穩(wěn)定性和可靠性。本文設(shè)計(jì)的技術(shù)方案還能夠?qū)崿F(xiàn)異常數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)數(shù)據(jù)的交互和傳輸，便于更高層的管理人員管理現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，更廣泛地把握電力計(jì)量裝置的故障情況，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。