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电力监控系统智能测控仪表的研究与设计
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摘要：在分析电力监控系统的层次结构和各层特点的基础上，结合智能测控仪表的功能特点，提出了一种基于ARM微处理器MB9BF618的智能测控仪表设计方法，介绍了智能测控仪表的基本结构、硬件配置和接线方法。经测试，该智能测控仪表的电压、电流、频率和功率因数的测量误差为0.2%，有功功率和无功功率的测量误差为0.5%，较好地满足了电力监控系统对测量仪表的性能要求。该智能测控仪表具有功能完善、运行可靠、维护方便、可扩充性好等特点，具有一定的应用价值。
引言
电力监控系统是电力系统数字化和信息化的产物，是智能电网的基本组成部分，建设安全可靠的电力监控系统对智能电网的发展有重要的作用。电力监控系统主要用于电力系统、工矿企业、科研设施、医院、智能建筑等诸多领域的供配电系统中[1]，以实现对电压、电流、功率、功率因数、频率和电能等电力参数的实时监测和显示，并能根据监测结果对相关设备进行控制，提高供配电系统的可靠性和安全性。智能测控仪表是电力监控系统的前端元件，其主要作用是高精度的测量所有常用电力参数，并具有数据通信和远程控制功能，以实现与电力监控系统之间的信息交换[2]。
1 电力监控系统的结构
电力监控系统是以现代电子技术、计算机技术、网络通信技术和测控技术为基础，通过对供配电系统中的高压开关柜、低压开关柜、电力变压器、测控仪表等设备的工作状态进行监控，实现供配电系统的集中监控管理和分散数据采集。电力监控系统主要由现场监控层、网络通信层和系统管理层构成[3]，其系统结构如图1所示。
1.1 现场监控层
现场监控层是电力监控系统中的最底层，位于变配电系统现场，主要包括各种测控仪表、智能断路器、微机保护装置、温湿度控制器和现场监控装置等。现场监控层的主要作用是采集变配电系统现场的电压、电流、功率、功率因数、开关状态等信息，并将采集到的信息通过网络通信层传递给系统管理层。同时，现场监控层也可以作为执行单元，通过网络通信层接收系统管理层发出的各类指令。现场监控层中的设备或装置应相对独立，可以不依赖于监控网络而独立运行。
1.2 网络通信层
网络通信层是电力监控系统中的中间层，负责与现场监控层中的设备或装置进行数据通信，收集各类设备或装置的数据或状态信息，进行处理后集中打包传送给系统管理层，同时负责接收系统管理层发送的各类指令，并转发给现场监控层。网络通信层通常由现场总线通信网络和以太网通信网络构成。
1.3 系统管理层
系统管理层是电力监控系统中的最高层，位于监控室内，主要由电力监控管理计算机及其外围设备、网络设备等构成。系统管理层负责对整个变配电系统进行监控，其主要作用是解析网络通信层上传的数据包，对数据进行管理和分析，并根据系统运行的状态，向现场监控层中的设备或装置发送指令，执行相关操作。
2 智能测控仪表的设计方案
智能测控仪表位于电力监控系统中的现场监控层，用于完成电力参数的数据采集与传输，并执行由监控主机下发的操作指令。智能测控仪表不依赖于监控网络而独立运行，其最基本的功能是电力参数的采集与显示、数据传输和远程控制[4]。此外，根据不同的需求，智能测控仪表还可以具备电能质量分析、费率计量、故障信息和事件记录等功能[5]。
[p]2.1 智能测控仪表的基本结构
智能测控仪表的基本结构由输入模块、数据处理模块和输出模块三部分构成，其结构框图如图2所示[6]。输入模块主要包括互感器接口电路、开关量输入接口电路，主要用于采集交流电压信号、交流电流信号、频率信号以及负荷开关位置、低压断路器位置、熔断器熔断状态等状态信号。数据处理模块主要由微处理器、测量芯片、数据存储器、晶振电路和复位电路等构成，主要起输入信号采集、电气量计算、逻辑控制、故障信息处理等作用。输出模块主要由通信接口、开关量输出接口和显示接口等构成，主要起数据通信、输出控制、数据和状态显示等作用[7]。
2.2 智能测控仪表的硬件电路设计
在设计电路时，微处理器选用富士通微电子(编者注：相关业务部门在2013年8月已被Spansion收购)Cortex-M3家族的32位处理器MB9BF618;三相电压、三相电流、频率、功率因数等电力参数的测量使用测量芯片ATT7022D;数据通信可采用RS485总线通信方式或者以太网通信方式，其中RS485总线接口使用RSM485D芯片实现，以太网通信接口使用以太网控制器ENC28J60和RJ45插座HR911102A实现;输出控制电路采用启动继电器闭锁形式;显示电路使用液晶显示屏实现[8]。
2.2.1 输入信号测量电路设计
在设计测量电路时，假定输入电压的额定值为220V，输入电流的额定值是5A，输入电压信号先经过一个110kΩ电阻，将其变换为-2mA~2mA的电流信号，然后使用2mA/2mA电流互感器进行采样，输入电流直接使用5A/5mA的电流互感器进行采样，采样后的信号经过调理电路后，送给ATT7022D的差分信号输入端，所设计的测量电路如图3所示。图3中的UAP、UAN为输入电压UA经采样和信号调理后的差分输出端子，同理输入电压UB的差分输出端为UBP和UBN，输入电压UC的差分输出端为UCP和UCN;IAP、IAN为输入电流IA经采样和信号调理后的差分输出端子，同理输入电流IB的差分输出端为IBP和IBN，输入电流IC的差分输出端为ICP和ICN。
2.2.2 通信接口电路设计
RS485总线接口电路如图4所示，图中RSM485D是集成双路电源隔离、电气隔离、RS485接口芯片和总线保护器于一身的双路隔离收发器模块，具有很好的隔离特性，隔离电压高达2500VDC。图4中的TXD1和TXD2是RSM485D发送端，RXD1和RXD2是RSM485D接收端，它们分别与微控制器的发送端和接收端相连;SCK1和SCK2为分别为两路RS485总线的控制信号，当它们为高电平时RSM485D的接收使能，当其为低电平时RSM485D的发送使能。
以太网接口如图5所示，图中的ENC28J60是美国微芯科技公司推出的以太网控制器，内置以太网媒介访问层(MAC)和物理层(PHY)，可按以太网协议可靠地收发信息包数据，采用标准的SPI串行接口与微处理器相连，LEDA和LEDB用于网络活动状态指示。
2.3 智能测控仪表的硬件配置图
该智能测控仪表具有10路无源开入接口、2路继电器开出接口和2路4~20mA电流输出接口，其硬件配置图如图6所示[9]。图中端子1~4为4~20mA电流输出端子，也可以根据需要设定为脉冲输出端子;端子13为RJ45通信接口;端子14、15为RS48总线接口;端子16、17为仪表固定开入接口，端子5~12为扩展开入接口，端子18为仪表自产+24V电源接口;端子19~22为继电器开出接口，且均为常开触点，分断电流能力为5A;端子23、24为仪表的电源输入端，当电源为直流时，23端子接电源正极，24端子接电源负极;端子25~30分别为三相电流输入端;端子31~34为三相电压和中线电压输入端。
3 智能测控仪表的应用及测试
3.1 智能测控仪表的接线方法
当使用该智能测控仪表测量三相四线系统中的电压和电流时，如果待测量线路的相电压大于375V或线电压大于650V，则使用三个电压互感器和三个电流互感器接成四线星形结构，并设置合适的电压变比和电流变比，其接线方式如图7所示。如果待测量线路的相电压小于375V或线电压小于650V，可将图7中的三个电压互感器去掉，或是将电压互感器的电压变比设为1。
当使用该智能测控仪表测量三相三线系统中的电压和电流时，则使用两个电压互感器和两个电流互感器接成三角形结构，并设置合适的电压变比和电流变比，其接线方式如图8所示。
3.2 智能测控仪表的测试结果
按照国家相关标准对该智能测控仪表进行了测量检验，其测试结果如表1所示。从测试检验结果可知，该智能测控仪表能够满足电力参数测量的需要。
4 结论
智能测控仪表可以作为仪表单独使用，以取代大量传统的模拟仪表，也可以作为电力监控系统的前端设备，完成数据的采集与显示、数据通信和远程控制。智能测控仪表具有较强的灵活性和可定制性，且投资小、免维护、抗干扰能力强，便于构成电力监控系统，应用前景广泛。
参考文献
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