智能電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀的開發(fā)與設(shè)計(jì)

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)確度等級越來越高,對電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀的要求也隨之提高,電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀電能指標(biāo)一般要求達(dá)到0.05 級,功能上要有諧波分析、錯誤接線判斷、向量圖顯示、更正系數(shù)計(jì)算等,另外所測數(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)就能很好的滿足設(shè)計(jì)要求。

一、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)字信號處理器、ARM及其外圍器件組成,參1。

輸入通道中,三相電壓直接接入,經(jīng)過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)場校驗(yàn)的不同需求。

采集到的信號經(jīng)16位串行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號變換為數(shù)字信號。參2由采樣保持器保證采樣的同步性,使每相電壓、電流同時采樣,最后以串行方式輸入給數(shù)字信號處理器CP2102。CP2102是數(shù)字信號處理器(Digital Singnal Processor)的簡稱,它對采樣信號進(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CP2102處理結(jié)果進(jìn)行后期處理,實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、數(shù)據(jù)存儲、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。

二、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)開發(fā)的基于精簡指令集的ARM9核的S3C2410,該器件為低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器,適合應(yīng)用到各種便攜設(shè)備,能夠降低整個系統(tǒng)成本。它具有豐富的內(nèi)部設(shè)備,其中主要包括:存儲器管理單元 MMU,16KB的指令緩沖器和16KB數(shù)據(jù)緩沖器,存儲器控制器(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請求控制,3個串行口,SD存儲卡讀取口,2個USB接口(1個USB主機(jī)接口和1個USB設(shè)備接口),5個脈寬調(diào)制定時器,看門狗定器,117個通用I/O端口(其中24可用于中斷請求)。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存儲器K9F5608,它不僅保存著本儀器的應(yīng)用程序,同時現(xiàn)場校驗(yàn)的數(shù)據(jù)和抄表數(shù)據(jù)都可以存儲。 FLASH存儲器在系統(tǒng)中主要用于存放引導(dǎo)程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空間,并有豐富的尋址方式和較大的尋址空間,因此對外設(shè)的訪問非常靈活方便。CP2102以處理速度見長,它將處理信號的典型算法,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)算速度高的場合。在本儀器中,各種電測量如電壓、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,它還產(chǎn)生電能脈沖,包括有功電能的高頻脈沖、低頻脈沖和無功電能的高頻脈沖。

三、功能實(shí)現(xiàn)

儀器的設(shè)計(jì)指標(biāo)為0.05級,主要由采樣電路和A/D來保證,算法也有很大的影響。該儀器采用非同步采樣,采樣頻率與被測信號不同步,會帶來附加誤差,利用軟件方法可以修正殘余誤差。參3經(jīng)測試,基本電能誤差能夠滿足設(shè)計(jì)要求。由于ARM的高性能,結(jié)合電能表現(xiàn)場校驗(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)、類型、互感器倍率、編號、變壓器容量等,校表時只用輸入編號即可調(diào)入全部信息進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)結(jié)果存儲時也可以包含以上信息并且具有校驗(yàn)時間、誤差、測量時的電測量信息?？梢允謩踊蛲ㄟ^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功。存儲數(shù)量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、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顯示有功、無功誤差。

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(錯誤或正確的接線),直接計(jì)算錯誤接線情況下的更正系數(shù),可及時追補(bǔ)損失的電量。

5.能夠測試計(jì)量裝置中低壓電流互感器CT的角差、比差、誤差。

6.具有諧波分析功能,顯示線路失真度、各次諧波含量、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)場校驗(yàn)儀體積小、功耗(現(xiàn)場校驗(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。

四、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)庫模塊和PDA現(xiàn)場校表模塊，

整個校表的工作流程可以分為：

①·計(jì)劃制定。主站軟件生成計(jì)劃，經(jīng)過計(jì)量專職的審核后生效。

·②工作派工。由各外交班班長將計(jì)劃分配到每個組。

·③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。

④·現(xiàn)場校表。校表人員帶著PDA和校驗(yàn)儀來到校表現(xiàn)場進(jìn)行校表工作，如果現(xiàn)場出現(xiàn)異常，則通過PDA的無線通信功能連接主站的專家診斷系統(tǒng)，處理各種接線錯誤。

·⑤上傳校驗(yàn)結(jié)果。校表完成后，校表人員可以通過無線方式或串口通信方式上傳校驗(yàn)結(jié)果到主站。

·⑥統(tǒng)計(jì)各種報(bào)表。

五、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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,讀寫主站數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)電表等信息的管理、校表工作的安排、對校表數(shù)據(jù)的處理、現(xiàn)場接線錯誤的診斷、各類報(bào)表的統(tǒng)計(jì)等功能。主站管理軟件的開發(fā)使用了Borland公司的 delphi 6開發(fā)工具，它具有可視化開發(fā)環(huán)境(IDE)、編譯器速度快、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支持功能、靈活的VCL組件、跨平臺開發(fā)等特點(diǎn)，備受應(yīng)用程序開發(fā)者的青睞。

①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)無線通訊，大大減少外網(wǎng)對主站服務(wù)器的攻擊。同時，提供了和營銷系統(tǒng)、專家診斷系統(tǒng)的接口。

②系統(tǒng)管理?？梢栽谙到y(tǒng)中設(shè)置部門及各部門下的工作人員，根據(jù)人員的級別分配相應(yīng)的菜單權(quán)限。

③檔案管理。操作人員可以對部門、電表、變電所、用戶、區(qū)域等信息進(jìn)行管理，同時提供操作日志查詢。

④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。

⑥報(bào)表管理。針對計(jì)量所的實(shí)際需要，提供了各類報(bào)表和直觀的統(tǒng)計(jì)圖。

2.主站數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

主站服務(wù)器安裝Oracle 8i數(shù)據(jù)庫。Oracle數(shù)據(jù)庫具有安全性強(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)庫在整個系統(tǒng)中屬于底層共享的數(shù)據(jù)資源支持層，對上層應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲、管理、查詢等功能的支持。數(shù)據(jù)庫包括客戶表、變電所表、線路表、電表表、測量點(diǎn)表、任務(wù)表、計(jì)劃表、校驗(yàn)結(jié)果表等。

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)儀用于對電表進(jìn)行校驗(yàn)檢測，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;通過串口轉(zhuǎn)紅外通訊方式接收電表數(shù)據(jù);通過串口接收校驗(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：

①GPRS通訊方式。PDA在檢表現(xiàn)場與主站的服務(wù)器進(jìn)行無線通訊，實(shí)時查詢獲取信息及上傳結(jié)果，如果接線有異常的話，通過主站進(jìn)行實(shí)時診斷和處理;

②串口通訊方式。用串口線連接PDA和主站客戶端，通過客戶端連接服務(wù)器數(shù)據(jù)庫取得工作內(nèi)容，上傳校驗(yàn)信息等。

六、系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

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

①校表自動化。采集的數(shù)據(jù)通過串口或紅外通訊方式自動輸入到PDA，并且存儲在PDA中，再上傳到主站數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了無紙化、自動化作業(yè)。

②校表智能化。系統(tǒng)提供的錯誤接線專家診斷模塊能通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，輔助校表人員進(jìn)行接線錯誤判斷，提高工作效率。

③任務(wù)安排合理化。通過生成年計(jì)劃算法，結(jié)合考慮用戶類型、去年計(jì)劃完成情況、用戶區(qū)域等信息，可以將校表地點(diǎn)、時間相近的用戶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，直觀方便的把各種信息呈現(xiàn)在操作員面前。

七、結(jié)語

結(jié)合PDA和GPRS技術(shù)的電能表現(xiàn)場校驗(yàn)與管理智能系統(tǒng)，系統(tǒng)維護(hù)方便、操作簡單、易于擴(kuò)展，和傳統(tǒng)校表方法相比，實(shí)現(xiàn)了電力校表無紙化工作和智能化管理，簡化校表工作，規(guī)范計(jì)量單位對信息數(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，相信在未來的應(yīng)用中，必將帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

參1：賴振文 《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》

參2：賴振學(xué)《工業(yè)計(jì)量》〈〈新型絕緣電阻測試儀的開發(fā)〉〉。 2010年第3期

參 3：章開煊 《電氣制造》 2010年第5期〈〈新型光電互感器電路的設(shè)計(jì)〉〉。