10 kV 配網(wǎng)遠(yuǎn)程用電采集終端的設(shè)計(jì)與測(cè)試分析

楊小芳

（深圳新能電力開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳 518000）

在10 kV 配網(wǎng)的用電管理中，存在電費(fèi)收繳難度大、竊電行為時(shí)有發(fā)生、故障檢修不及時(shí)等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量并損害了電力公司的經(jīng)濟(jì)利益。面向10 kV 配網(wǎng)的遠(yuǎn)程用電采集終端系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)采集配網(wǎng)用電信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能分析和遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、負(fù)荷監(jiān)測(cè)、防竊電管理和遠(yuǎn)程欠費(fèi)管理，進(jìn)一步提高了電網(wǎng)公司的配網(wǎng)管理水平，在大力推廣智能電網(wǎng)建設(shè)背景下有良好的應(yīng)用前景。

1 遠(yuǎn)程用電采集終端的整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的適用于10 kV 配網(wǎng)的遠(yuǎn)程用電采集終端系統(tǒng)由真空斷路器、組合式互感器、智能采集終端、智能電表及通信網(wǎng)絡(luò)組成，整體架構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)可利用智能電表實(shí)時(shí)采集用電數(shù)據(jù)，并利用RS485線路將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給智能采集終端，完成對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析。在此基礎(chǔ)上，監(jiān)控中心借助于GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，包括負(fù)荷控制、欠費(fèi)管理、故障隔離等，進(jìn)一步提高了10 kV 配網(wǎng)用電管理水平。

圖1 10 kV 配網(wǎng)遠(yuǎn)程用電采集終端架構(gòu)

2 遠(yuǎn)程用電采集終端的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片（CPU）的設(shè)計(jì)

CPU 是遠(yuǎn)程用電采集終端的核心部分，本文選用了PHILIPS 公司生產(chǎn)的ARM-7-LPC2368 芯片作為系統(tǒng)CPU，該芯片有2 個(gè)CAN 通道、1 個(gè)USB 接口和8個(gè)通用I/O 串口，內(nèi)置32 MB 的RAM 和512 MB 的FLASH，以及3 個(gè)64 位的CPU 定時(shí)器和2 個(gè)8 通道的外部中斷。該CPU 可支持對(duì)電壓、電流等電氣量的采樣計(jì)算，以及完成配網(wǎng)主站與采集終端之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，不需要配置通信插件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)使用成本。該芯片的結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 CPU 模塊原理結(jié)構(gòu)圖

CPU 與開(kāi)關(guān)量輸入和輸出回路之間設(shè)置了光電隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了控制精度；通信插件與CPU 之間通過(guò)CAN 總線完成數(shù)據(jù)交互，智能電表與CPU 之間通過(guò)RS485 總線完成數(shù)據(jù)傳遞，這種雙通道通信方式極大地避免了通信堵塞情況，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速率。

2.2 輸入模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的輸入模塊由2 部分組成，分別是模擬量輸入和開(kāi)關(guān)量輸入。其中，模擬量輸入模塊共有6 路模擬量輸入變換器，具體又分為3 路電壓變換器（VA、VB、VC）和3 路電流變換器（IA、IB、IC）。用隔離變換器處理采集到的模擬量信號(hào)，目的是濾除尖脈沖和高頻干擾，保證信號(hào)質(zhì)量。然后將處理后的模擬量信號(hào)依次通過(guò)濾波電路和運(yùn)算放大電路，濾除高次諧波并進(jìn)行信號(hào)放大。最后再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)，經(jīng)過(guò)8 號(hào)I/O 口進(jìn)入CPU，利用CPU 對(duì)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算、分析。A/D 轉(zhuǎn)換器是決定輸入信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵儀器，本文選用了AD7606 芯片，可支持8 通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換，內(nèi)置采樣保持放大器、二階抗混疊濾波器等元件，有效解決了A/D 轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)失真的問(wèn)題[1]。

開(kāi)關(guān)量輸入模塊的電路圖如圖3 所示。電阻R61 既可以發(fā)揮限流作用，防止電流過(guò)大燒壞元器件，同時(shí)還能與電容C41 組成濾波回路，濾除耦合在信號(hào)回路中的交流成分，避免系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)作。為防止低壓信號(hào)干擾、誤報(bào)等情況，在開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)處理電路中還加入了12 V 穩(wěn)壓管，若電壓低于12 V則回路無(wú)法導(dǎo)通；只有當(dāng)電壓大于12 V 時(shí)回路才能閉合。R45 和R69 均為限流電阻，起到保護(hù)作用。DI00 為一路開(kāi)關(guān)量的輸入，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，光耦導(dǎo)通，此時(shí)CPU 的1 號(hào)I/O 口呈低電平，CPU 會(huì)判斷“開(kāi)關(guān)變位”。

圖3 開(kāi)關(guān)輸入量信號(hào)處理電路

2.3 輸出模塊設(shè)計(jì)

該模塊的主要功能是接收CPU 發(fā)送的指令，并利用前端的執(zhí)行器件（如繼電器）執(zhí)行指令。系統(tǒng)上電并啟動(dòng)初始化程度后，CPU 上相應(yīng)的I/O 串口自動(dòng)設(shè)定為輸出口，用于開(kāi)關(guān)量的輸出。假設(shè)CPU 的4 號(hào)I/O 串口為輸出口，在接收到一個(gè)輸出指令后，該串口會(huì)發(fā)出一個(gè)3.3 V 的低電平信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入到光耦隔離器中，激活繼電器線圈并產(chǎn)生一個(gè)24 V 的驅(qū)動(dòng)電壓。在信號(hào)為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，此時(shí)執(zhí)行器件順利執(zhí)行CPU 發(fā)出的指令；反之，在信號(hào)為高電平時(shí)，光耦截止，執(zhí)行器件恢復(fù)為初始狀態(tài)。本文在設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出模塊時(shí)，選用了TLP127 型光耦隔離器，將2 個(gè)三極管串聯(lián)成1 個(gè)三極管，使得放大倍數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)2 倍，最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到200 mA。

2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通信模塊時(shí)，有光纖通信和GPRS無(wú)線通向2 種方式可供選擇。對(duì)比來(lái)看，光纖通信的優(yōu)勢(shì)在于抗干擾能力強(qiáng)、通信效率高，但是由于10 kV 配網(wǎng)用戶分布比較零散，選用該通信方式會(huì)導(dǎo)致成本明顯升高[2]。綜合實(shí)用性和性價(jià)比兩方面考慮，最終選擇了GPRS 無(wú)線通信，其結(jié)構(gòu)原理如圖4 所示。

圖4 GPRS 無(wú)線通信模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4中通信模塊處理器（CPU）選用STM32F107V CT6 芯片，最高頻率60 Hz，內(nèi)置高速閃存，支持睡眠、待機(jī)、停機(jī)3 種工作模式，最大程度上降低了運(yùn)行能耗。該芯片與GPRS 通信模塊之間使用CAN 通信總線實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信息傳遞。GPRS 模塊在正常接收CPU 發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)后，立刻向配網(wǎng)主站發(fā)出無(wú)線信號(hào)，并等待接收配網(wǎng)主站的反饋指令。在GPRS 的電源回路設(shè)計(jì)方面，使用普通干電池作為GPRS 通信模塊的備用電源，同時(shí)加入了ISL 電源管理芯片，可以對(duì)電池起到過(guò)電保護(hù)作用，保證通信模塊的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。

3 遠(yuǎn)程用電采集終端的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本文使用Keil MDK 軟件設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程用電采集終端的軟件部分。主程序方面主要由初始化及自檢程序和采樣中斷服務(wù)程度2 部分組成，具體設(shè)計(jì)如下。

1）初始化及自檢程序。根據(jù)遠(yuǎn)程用電采集終端的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行特點(diǎn)，需要初始化的部分有計(jì)數(shù)器、CPU 寄存器、A/D 轉(zhuǎn)換器、I/O 接口及SPI 串行通信接口等。需要自檢的部分有RAM 自檢、配置參數(shù)自檢、補(bǔ)償系數(shù)自檢等[3]。這里以隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM 檢測(cè)為例，按照“一寫(xiě)、二讀、三比較”的順序，將寫(xiě)入值（Z1）與讀出值（Z2）作對(duì)比，判斷兩者是否一致。如果存在“Z1＝Z2”，則RAM 區(qū)能夠正常讀寫(xiě)；反之，則不支持讀寫(xiě)。

2）中斷服務(wù)程序。該部分具體又包含了數(shù)據(jù)采集計(jì)算中斷服務(wù)程序、CAN 總線收發(fā)中斷服務(wù)程度及電網(wǎng)頻率捕捉與計(jì)算中斷服務(wù)程序等多項(xiàng)內(nèi)容，這里以數(shù)據(jù)采集為例，選擇差分傅里葉算法，將采樣頻率設(shè)定為1 250 Hz。系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行并完成主程序的初始化后，設(shè)定電網(wǎng)頻率和采樣間隔。系統(tǒng)默認(rèn)的電網(wǎng)頻率為50 Hz，采樣間隔為500 μs。開(kāi)始采樣后，A/D 采樣器每500 μs 中斷一次，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否存在過(guò)流、速斷等故障。如果經(jīng)判斷不存在上述問(wèn)題，則自動(dòng)將采樣數(shù)據(jù)傳送給智能采集終端，同時(shí)A/D 采樣器進(jìn)入下一個(gè)中斷繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。A/D 采樣中斷服務(wù)程序如圖5 所示。

圖5 A/D 采樣的中斷服務(wù)程序流程圖

3.2 通信程序設(shè)計(jì)

智能采集終端的多個(gè)模塊之間采用CAN總線完成信息傳遞。CAN總線的標(biāo)識(shí)符為4字節(jié)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用8字節(jié)的短幀結(jié)構(gòu)，如果CPU接收的報(bào)文中含有較多內(nèi)容，會(huì)將其拆分成若干個(gè)短幀信息并排隊(duì)發(fā)送，從而解決了系統(tǒng)響應(yīng)延遲的問(wèn)題。在短幀信息排隊(duì)發(fā)送時(shí)，需要優(yōu)先發(fā)送“優(yōu)先級(jí)”更高的報(bào)文。本文在設(shè)計(jì)智能采集終端的通信程序時(shí)，結(jié)合電力系統(tǒng)的相關(guān)要求將“變位”信息的優(yōu)先級(jí)設(shè)定為最高，這里的變位信息包括真空斷路器的分、合位置變化，以及過(guò)流、速斷等保護(hù)信息[4]。

3.3 核心功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能采集終端系統(tǒng)可支持遠(yuǎn)程欠費(fèi)管理功能、防竊電功能、保護(hù)功能及GPRS 通信功能等。這里以遠(yuǎn)程欠費(fèi)管理功能為例，介紹其設(shè)計(jì)方案。當(dāng)電力用戶出現(xiàn)欠費(fèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)拉閘停電，并每隔一段時(shí)間檢查一次用戶是否補(bǔ)繳電費(fèi)；在補(bǔ)繳電費(fèi)后自動(dòng)恢復(fù)供電；同時(shí)，還能支持預(yù)存電費(fèi)，并且在預(yù)存電量低于設(shè)定值（支持自定義）時(shí)進(jìn)行告警。遠(yuǎn)程欠費(fèi)管理功能流程如圖6 所示。

圖6 欠費(fèi)管理功能流程圖

4 遠(yuǎn)程用電采集終端的測(cè)試分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，本文使用Code Composer 集成開(kāi)發(fā)軟件對(duì)遠(yuǎn)程用電采集終端系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測(cè)試。這里以遠(yuǎn)程欠費(fèi)管理功能為例，測(cè)試方法如下：

首先，設(shè)置“購(gòu)電量”參數(shù)，系統(tǒng)讀取電力用戶的預(yù)存電量，如果“預(yù)存電量低于購(gòu)電量”，則判斷該用戶已經(jīng)欠費(fèi)，并跳閘斷電。設(shè)置“告警值”參數(shù)，如果“預(yù)存電量低于1.2 倍購(gòu)電量”，則向用戶發(fā)送購(gòu)電量即將不足的告警信息[5]。

其次，將遠(yuǎn)程用電采集終端與智能電表連接后，用測(cè)試儀為電表提供電流和電壓。正常通電后，遠(yuǎn)程用電采集終端會(huì)讀取智能電表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)存電量低于1.2 倍購(gòu)電量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成“您的預(yù)存電量即將不足，請(qǐng)及時(shí)充值”的告警信息；當(dāng)預(yù)存電量低于購(gòu)電量時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成“欠費(fèi)跳閘”指令，此時(shí)真空斷路器從閉合狀態(tài)切換為斷開(kāi)狀態(tài)，用戶端停電。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程用電采集終端系統(tǒng)的欠費(fèi)管理功能順利實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)束語(yǔ)

在智慧電網(wǎng)覆蓋范圍不斷擴(kuò)大的背景下，用電管理智能化成為必然趨勢(shì)。10 kV 配網(wǎng)智能采集終端系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、精確地采集用戶的用電信息，并利用GPRS 通信模塊將信息同步反饋給智能采集終端，完成信息的處理、分析后，終端CPU 自動(dòng)生成控制指令，再通過(guò)CAN 總線將指令發(fā)送至前端執(zhí)行器件，作出相應(yīng)動(dòng)作完成遠(yuǎn)程管理。該系統(tǒng)在防竊電管理、欠費(fèi)管理、隔離保護(hù)等方面均表現(xiàn)出良好應(yīng)用效果，對(duì)提升電力公司的配網(wǎng)管理水平有積極幫助。