表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

姚旭東，張鵬飛

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

隨著智能時(shí)代的不斷發(fā)展，為了增強(qiáng)表箱的實(shí)際應(yīng)用效果，智能表箱的開發(fā)和研究已成為時(shí)代的熱點(diǎn)之一[1-2]。傳統(tǒng)的表箱需要人工進(jìn)行定期檢測(cè)，這種方式并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)表箱存在的問題，而且對(duì)表箱的誤差進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要將表箱的接線盒拆開，其操作麻煩，可能還會(huì)引起其他問題[3-4]?？傊褂萌斯?duì)表箱進(jìn)行檢測(cè)將會(huì)耗時(shí)、耗力、耗財(cái)，但是隨著智能表箱中使用監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠提高表箱的誤差性，增強(qiáng)其穩(wěn)定運(yùn)行性，還能夠通過監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)表箱中的各種數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)表箱可能存在的問題[5-6]。于是文章將對(duì)表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，通過相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)的使用，設(shè)計(jì)一種環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而能夠保障表箱的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

1.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備功能分析

表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)表箱的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而能夠保證表箱的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。對(duì)表箱的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，涉及的方面比較多，比如電流、電壓、功率等電能參數(shù)，所以監(jiān)測(cè)設(shè)備需要能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)[7]。而且，監(jiān)測(cè)設(shè)備還需要能夠?qū)@些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)存在異常時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)。另外，監(jiān)測(cè)設(shè)備要能夠?qū)崿F(xiàn)表箱誤差監(jiān)測(cè)，能夠計(jì)算出表箱的誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，當(dāng)誤差超過設(shè)定的值之后，系統(tǒng)能夠發(fā)出相關(guān)的警報(bào)信息，并且將所計(jì)算的誤差進(jìn)行保存，方便后期查看和分析。最后，監(jiān)測(cè)設(shè)備還要能夠與后臺(tái)管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信功能。

1.2 后臺(tái)管理中心功能分析

在表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，后臺(tái)管理中心作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，不僅要求其具有比較好的人機(jī)交互操作界面，而且還具有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理功能，能夠操作相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備。所以在設(shè)計(jì)后臺(tái)管理中心時(shí)，其主要功能涉及到設(shè)置、修改監(jiān)測(cè)設(shè)備相關(guān)參數(shù)，對(duì)獲取的信息數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)下載功能和存儲(chǔ)功能，最后還需要能夠能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)、分析功能，能夠?qū)v史的數(shù)據(jù)進(jìn)行下載和查詢，并以電子表格的形式顯示。最后后臺(tái)管理中心還需要能夠與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信功能。

2 表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架

通過上文分析，表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)有利于對(duì)表箱的各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)表箱可能存在的各種風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)一個(gè)表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)表箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且自動(dòng)對(duì)表箱環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，更有助于對(duì)表箱的管理。

本文所設(shè)計(jì)的表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的不同類型表箱進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)獲得監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，從而判斷表箱的運(yùn)行狀態(tài)。一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要以不同的技術(shù)作支持。表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中不僅需要使用到表箱現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，還需要使用到數(shù)據(jù)處理技術(shù)、B/S 結(jié)構(gòu)技術(shù)、遠(yuǎn)程通信和控制技術(shù)等，通過對(duì)這些技術(shù)的綜合利用，能夠?qū)Ρ硐浼捌涠位芈愤M(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[8-9]。在表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用常用的通信技術(shù)，目的在于能夠兼容不同的通信方式，在日后的使用過程中將會(huì)更加方便。于是通過綜合分析設(shè)計(jì)之后，表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含4個(gè)不同部分，分別為監(jiān)測(cè)設(shè)備、狀態(tài)分析部分、通信網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)管理，系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。下面將對(duì)這4個(gè)模塊分別進(jìn)行分析：

圖1 表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall framework diagram of the environmental condition monitoring system for meter boxes

1）監(jiān)測(cè)設(shè)備：監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝到表箱二次回路中，使用脈沖線進(jìn)行連接，從而可是對(duì)每個(gè)接入的表箱相關(guān)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比如表箱的電量使用、誤差測(cè)試等，還可以通過監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程通信，在后臺(tái)管理中心中通過使用計(jì)算機(jī)即可對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和參數(shù)修改等。

2）狀態(tài)分析部分：屬于表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理中心，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)，狀態(tài)分析部分會(huì)對(duì)這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，從而得到表箱的的環(huán)境狀態(tài)情況，并對(duì)環(huán)境狀態(tài)情況進(jìn)行綜合分析，從而更加了解表箱的運(yùn)行狀態(tài)，能夠根據(jù)分析結(jié)果制定合理的檢測(cè)方案。

3）通信網(wǎng)絡(luò)：在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，其中的通信網(wǎng)絡(luò)必不可少，主要起到指令下發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?，相?dāng)于一個(gè)橋梁的作用。在設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要保證數(shù)據(jù)傳輸過程中具有比較強(qiáng)的穩(wěn)定性，并且能夠支持本地串行網(wǎng)絡(luò)，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)多種通信方式，比如以太網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)等。

4）后臺(tái)管理中心：該部分主要對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行管理，所發(fā)放的控制指令都是管理中心下發(fā)，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改也是通過后臺(tái)管理中心，后臺(tái)中心還會(huì)生成各種數(shù)據(jù)信息，總之，后臺(tái)管理中心操縱著整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需要能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，能夠?qū)﹄娤涞母鞣N信息數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過綜合分析之后，設(shè)計(jì)如圖2所示的硬件結(jié)構(gòu)圖，其中主要包含電壓通道、脈沖通道和電流通道，然后還包含微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊和顯示模塊等。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要能夠完成電箱電壓值的監(jiān)測(cè)。電箱工作過程中，產(chǎn)生的電壓信號(hào)會(huì)被電阻進(jìn)行采樣，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過CPU之后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)繼電器開關(guān)進(jìn)行控制，然后進(jìn)行切換測(cè)量通道，從而得到電壓值，電壓值會(huì)被傳送到微處理器進(jìn)行計(jì)算分析。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要能夠完成電流值和脈沖信號(hào)的監(jiān)測(cè)。電箱工作過程中，經(jīng)過的電流和脈沖信號(hào)被采樣，然后模擬相關(guān)的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整驅(qū)動(dòng)，然后同樣經(jīng)過CPU，系統(tǒng)會(huì)對(duì)繼電器開關(guān)進(jìn)行控制，然后切換測(cè)量通道，將信號(hào)傳到標(biāo)準(zhǔn)電路對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。

在硬件設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)器和LCD顯示器模塊具有不可忽視的作用，不僅方面工作人員對(duì)出現(xiàn)問題的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)、維修，而且還方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure diagram

表箱在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)誤差，所以在一定使用時(shí)間之后，會(huì)定期對(duì)電箱進(jìn)行輪換，從而保證電箱測(cè)量的準(zhǔn)確值。但是這種做法往往會(huì)存在浪費(fèi)，而且有些電箱在還沒有達(dá)到使用期限時(shí)也可能出現(xiàn)問題，所以通過環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電箱的各種指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的作用，可以解決上述問題，而且還可以減少工作人員的現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間。

2.3 系統(tǒng)的主機(jī)外形設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，還需要對(duì)其主機(jī)外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)不同的要求，設(shè)計(jì)合適的外形。在設(shè)計(jì)過程中需要考慮3個(gè)方面，①系統(tǒng)會(huì)長期進(jìn)行運(yùn)行，需要保證硬件的穩(wěn)定運(yùn)行；②需要考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素；③考慮安裝問題，需要能夠在有限的空間內(nèi)進(jìn)行安裝。通過綜合分析之后，最后設(shè)計(jì)的主機(jī)外形方案為：

1）為了保證硬件的穩(wěn)定性，對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析的通道進(jìn)行單獨(dú)設(shè)立，所以每個(gè)通道和監(jiān)測(cè)的指標(biāo)互不干擾。

2）硬件會(huì)長期受到溫度、濕度等影響，為了降低影響，需要在主機(jī)兩側(cè)安裝散熱裝置，然后選擇帶有密封條的鋁合金材質(zhì)，作用在于防潮，還需要保證設(shè)備的良好通風(fēng)。

3）為了使得主機(jī)能夠方面安裝，將其大小設(shè)置為與電能表一樣即可，而且一臺(tái)主機(jī)可以對(duì)八臺(tái)電箱進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.4 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)

在表箱環(huán)境狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)表箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)之后的信息數(shù)據(jù)需要能夠傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的管理和分析，其中必然需要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。于是在監(jiān)測(cè)設(shè)備有相關(guān)的以太網(wǎng)通信接口和本地串行通信接口，這兩個(gè)接口就可以連接到通信網(wǎng)絡(luò)中，從而完成多種通信方式，比如本地串行、GSM、PSTN等。于是就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的下載和分析等功能，并對(duì)根據(jù)這些信息數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體管理[10-11]。

通過連接通信設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)多種通信方式，比如其中的本地串行，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行合理的安裝調(diào)試，通過數(shù)據(jù)傳輸，還能夠?qū)?shù)據(jù)下載到電腦中；其中PSTN 作為一種電話數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵谀承┣闆r會(huì)存在數(shù)據(jù)傳輸速度非常慢，此時(shí)為了提高傳輸速度，可以通過電力系統(tǒng)預(yù)留的通信線路加入MODEM，于是可以通過其電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；其中GSM/GPRS作為一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，這種方式的數(shù)據(jù)傳輸安裝非常簡單，但是需要使用數(shù)據(jù)流量，會(huì)增加通信成本。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

通過相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)表箱電量信息的監(jiān)測(cè)和表箱誤差在線監(jiān)測(cè)。需要對(duì)這兩個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)相關(guān)方案。

3.1 表箱電量信息監(jiān)測(cè)

表箱電量信息監(jiān)測(cè)原理如圖3所示。當(dāng)表箱中的電流和電壓經(jīng)過相應(yīng)的輸入通道之后會(huì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備所獲取，并將電流和電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)被系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行傳輸?shù)組CU 中進(jìn)行處理，其中會(huì)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算完成之后會(huì)通過串口通信將結(jié)果顯示在液晶顯示器上。在后臺(tái)管理中心中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的下載，還能夠修改相關(guān)參數(shù)。

圖3 表箱電量信息監(jiān)測(cè)原理圖Fig.3 Schematic diagram of meter box power information monitoring

在表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中電量信息監(jiān)測(cè)的流程如圖4所示，首先監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行初始化，讀取表箱中涉及的各種參數(shù)，比如回路參數(shù)、切換開關(guān)設(shè)置等，獲取到相關(guān)參數(shù)之后就可以對(duì)表箱進(jìn)行測(cè)量，其中會(huì)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、3種數(shù)據(jù)信息的采樣和數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等，最后通過計(jì)算公式對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果顯示到屏幕上。從圖4中還可以看出監(jiān)測(cè)流程還存在一個(gè)判斷過程，如果顯示的結(jié)果有遙控指令，只需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，并重新切換開關(guān)，重新從頭開始進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖4 電量信息監(jiān)測(cè)流程圖Fig.4 Flow chart of power information monitoring

3.2 表箱誤差在線監(jiān)測(cè)

表箱在長期使用過程中會(huì)存在一定的誤差，需要對(duì)其進(jìn)行人工校驗(yàn)，但是通過使用表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)表箱進(jìn)行在線測(cè)試。系統(tǒng)的后臺(tái)管理中心會(huì)對(duì)誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。然后以圖形的方式分析，能夠更加直觀的發(fā)現(xiàn)表箱誤差變化狀況。實(shí)現(xiàn)表箱誤差在線監(jiān)測(cè)，其中使用的方式為標(biāo)準(zhǔn)表比較法，即首先將被監(jiān)測(cè)的表箱獲得的電流電壓值和標(biāo)準(zhǔn)表箱設(shè)置為一致，通過一段時(shí)間的運(yùn)行之后，通過比較被監(jiān)測(cè)表箱數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)表箱數(shù)據(jù)，從而能夠反映出表箱的誤差。被監(jiān)測(cè)的表箱誤差γ算法公式如下：

其中W′和Wo分別表示被監(jiān)測(cè)表箱電能量和標(biāo)準(zhǔn)表箱在時(shí)間t的累積電能量，兩者的公式如下：

其中，C 表示的是被監(jiān)測(cè)表箱的脈沖常數(shù)，n 表示的是被監(jiān)測(cè)表箱在時(shí)間t 內(nèi)的脈沖數(shù)，P 表示的是標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)算的功率。

4 結(jié)語

文章通過監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能表箱。通過對(duì)表箱進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在一定程度上增加了表箱運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少了工作人員的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)難度和時(shí)間，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)表箱存在問題，并通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，能夠?qū)Ρ硐渥鞒黾皶r(shí)的維修處理。所以通過監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，表箱在長期的運(yùn)行過程中將會(huì)變得更加安全和穩(wěn)定。