智能电能表现场校验仪的开发与设计

随着电网建设的逐步完善, 相应的电力配电装置得到了迅猛的发展，电能表的准确度等级越来越高,对电能表现场校验仪的要求也随之提高,电能表现场校验仪电能指标一般要求达到0.05 级,功能上要有谐波分析、错误接线判断、向量图显示、更正系数计算等,另外所测数据要求被保存并能上传到PC机供管理应用,还要求携带方便,体积小、功耗低,因此采用ARM和CP2102技术就能很好的满足设计要求。

一、硬件原理

硬件由模拟输入通道、采样保持电路、A/D转换器、CP2102数字信号处理器、ARM及其外围器件组成,参1。

输入通道中,三相电压直接接入,经过精密电阻分压取样到A/D转换器。电流采样分为经内附精密互感器、5A钳型互感器、500A钳型互感器三种方式获得以适应现场校验的不同需求。

采集到的信号经16位串行A/D转换将模拟信号变换为数字信号。参2由采样保持器保证采样的同步性,使每相电压、电流同时采样,最后以串行方式输入给数字信号处理器CP2102。CP2102是数字信号处理器(Digital Singnal Processor)的简称,它对采样信号进行高速运算、加工处理并将处理结果经总线传送给中央处理器ARM。中央处理器ARM对CP2102处理结果进行后期处理,实现人机对话、数据存储、功能切换等功能。显示器采用640×480分辨率的26k真彩色大屏幕,背景色可调以适应不同环境。

二、ARM和CP2102技术原理

中央处理器ARM是该仪器的核心部件,采用三星公司设计开发的基于精简指令集的ARM9核的S3C2410,该器件为低价格、低功耗、高性能小型微控制器,适合应用到各种便携设备,能够降低整个系统成本。它具有丰富的内部设备,其中主要包括:存储器管理单元 MMU,16KB的指令缓冲器和16KB数据缓冲器,存储器控制器(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请求控制,3个串行口,SD存储卡读取口,2个USB接口(1个USB主机接口和1个USB设备接口),5个脉宽调制定时器,看门狗定器,117个通用I/O端口(其中24可用于中断请求)。在本仪器中主要完成系统控制和通讯协议的转换。ARM的外围器件包括32M的8位FLASH存储器K9F5608,它不仅保存着本仪器的应用程序,同时现场校验的数据和抄表数据都可以存储。 FLASH存储器在系统中主要用于存放引导程bootloader、操作系统内核镜像和应用程序代码等,系统上电或者复位后从FLASH中运行 bootloader,由bootloader初始化硬件并将操作系统拷贝到SDRAM中去执行。SDRAM存储芯片采用57V641620,它共有 4M×16位字节宽度,采用3.3V供电。

CP2102采用TI公司生产的第三代数字信号处理器TMS320VC33,该芯片是一种32bit的浮点CP2102,其程序、数据和外设地址都映射在同一存储空间,并有丰富的寻址方式和较大的寻址空间,因此对外设的访问非常灵活方便。CP2102以处理速度见长,它将处理信号的典型算法,如快速傅立叶变换(FFT)以硬件形式加以支持,提高了处理速度,特别适合要求运算速度高的场合。在本仪器中,各种电测量如电压、电流、功率、频率、相位、功率因数、谐波等都是由它完成计算处理的,同时,它还产生电能脉冲,包括有功电能的高频脉冲、低频脉冲和无功电能的高频脉冲。

三、功能实现

仪器的设计指标为0.05级,主要由采样电路和A/D来保证,算法也有很大的影响。该仪器采用非同步采样,采样频率与被测信号不同步,会带来附加误差,利用软件方法可以修正残余误差。参3经测试,基本电能误差能够满足设计要求。由于ARM的高性能,结合电能表现场校验的各种情况,仪器提供了丰富的扩展功能,主要有以下几个方面。

1.仪器可以从上位机接收待校表信息,包括相线、常数、类型、互感器倍率、编号、变压器容量等,校表时只用输入编号即可调入全部信息进行校验。校验结果存储时也可以包含以上信息并且具有校验时间、误差、测量时的电测量信息。可以手动或通过485得到被校表的峰谷平电量信息,包括正反向有功和正反向无功。存储数量1000块。

2.大屏幕液晶可以在校验界面显示三相电压、电流、功率、频率、功率因数,显示电流档位(基表、5A钳表、500A钳表)信息。可以显示两个误差,如果是主表副表则显示两块表的误差,如果是多功能电能表则表可以同时显示有功、无功误差。

3.能进行走字试验,可进行电能累计,检查电能表字轮的工作状态。

4.能显示相量图和相位值,具备查接线功能(错误或正确的接线),直接计算错误接线情况下的更正系数,可及时追补损失的电量。

5.能够测试计量装置中低压电流互感器CT的角差、比差、误差。

6.具有谐波分析功能,显示线路失真度、各次谐波含量、波形,还可以校验基波表。

7.正是采用了ARM技术,才能使具有强大功能的电能表现场校验仪体积小、功耗(现场校验仪的重要指标)小、便于携带,它必将成为电能计量工作人员的有效设备。

四、电能表现仪与智能系统

系统主要由3部分组成：主站管理软件模块、主站数据库模块和PDA现场校表模块，

整个校表的工作流程可以分为：

①·计划制定。主站软件生成计划，经过计量专职的审核后生效。

·②工作派工。由各外交班班长将计划分配到每个组。

·③任务下载。校表人员将要执行的校表任务下载到PDA中。

④·现场校表。校表人员带着PDA和校验仪来到校表现场进行校表工作，如果现场出现异常，则通过PDA的无线通信功能连接主站的专家诊断系统，处理各种接线错误。

·⑤上传校验结果。校表完成后，校表人员可以通过无线方式或串口通信方式上传校验结果到主站。

·⑥统计各种报表。

五、系统实现

1.主站管理软件模块的设计

主站管理软件模块采用具有高安全性和稳定性的C/S(Client/Server)模式,读写主站数据库，实现电表等信息的管理、校表工作的安排、对校表数据的处理、现场接线错误的诊断、各类报表的统计等功能。主站管理软件的开发使用了Borland公司的 delphi 6开发工具，它具有可视化开发环境(IDE)、编译器速度快、强大的数据库支持功能、灵活的VCL组件、跨平台开发等特点，备受应用程序开发者的青睐。

①通信模块。在主站和PDA的通信中使用GPRS前置机的数据转发功能，实现无线通讯，大大减少外网对主站服务器的攻击。同时，提供了和营销系统、专家诊断系统的接口。

②系统管理。可以在系统中设置部门及各部门下的工作人员，根据人员的级别分配相应的菜单权限。

③档案管理。操作人员可以对部门、电表、变电所、用户、区域等信息进行管理，同时提供操作日志查询。

④任务管理。它包括计划任务的生成、校表任务的下载、校表结果的上传。

⑥报表管理。针对计量所的实际需要，提供了各类报表和直观的统计图。

2.主站数据库设计

主站服务器安装Oracle 8i数据库。Oracle数据库具有安全性强、兼容性好、高可用性、高生产率、多线程处理能力等特点，是世界上使用最广泛的关系数据系统之一[3]。数据库在整个系统中属于底层共享的数据资源支持层，对上层应用提供了基础数据的存储、管理、查询等功能的支持。数据库包括客户表、变电所表、线路表、电表表、测量点表、任务表、计划表、校验结果表等。

3. PDA校表模块的软硬件设计

PDA校表模块包括校验仪和带GPRS上网卡的PDA。其中校验仪用于对电表进行校验检测，PDA用于保存校验仪数据及和主站的数据通讯。

PDA校表软件参照标准[4]及实际校验流程设计。软件模块提供界面手工输入直观检查信息，比如电表外壳是否完好、电流量程是否正常、是否失流、是否失压、是否超载等信息;通过串口转红外通讯方式接收电表数据;通过串口接收校验仪(PWS)的数据，如果是带红外的 PWS，则可以通过前面的红外端口接收PWS数据。

PDA软件提供两种方式实现与主站的数据通讯：

①GPRS通讯方式。PDA在检表现场与主站的服务器进行无线通讯，实时查询获取信息及上传结果，如果接线有异常的话，通过主站进行实时诊断和处理;

②串口通讯方式。用串口线连接PDA和主站客户端，通过客户端连接服务器数据库取得工作内容，上传校验信息等。

六、系统功能及特点

与传统的电能表现场校验相比，该系统具有以下功能特点：

①校表自动化。采集的数据通过串口或红外通讯方式自动输入到PDA，并且存储在PDA中，再上传到主站数据库，实现了无纸化、自动化作业。

②校表智能化。系统提供的错误接线专家诊断模块能通过GPRS无线网络，辅助校表人员进行接线错误判断，提高工作效率。

③任务安排合理化。通过生成年计划算法，结合考虑用户类型、去年计划完成情况、用户区域等信息，可以将校表地点、时间相近的用户或变电所安排在同一天校表，避免了校表人员劳于奔波。

校验报表、关口电能表运行点非优校验报表、重要电能表运行点二率报表、校验结果统计、校验结果分析等。而且，所有这些统计报表都有相应的统计图，直观方便的把各种信息呈现在操作员面前。

七、结语

结合PDA和GPRS技术的电能表现场校验与管理智能系统，系统维护方便、操作简单、易于扩展，和传统校表方法相比，实现了电力校表无纸化工作和智能化管理，简化校表工作，规范计量单位对信息数据的维护，减少了纠纷和事故发生率。该系统已经在福建省柘荣县供电公司投入使用，获得了关注和好评，相信在未来的应用中，必将带来更大的经济效益和社会效益。

参考文献

参1：赖振文 《低压电器》2009年 第19期《AT89C51单片机在单双电桥检定装置中的应用》

参2：赖振学《工业计量》〈〈新型绝缘电阻测试仪的开发〉〉。 2010年第3期

参 3：章开煊 《电气制造》 2010年第5期〈〈新型光电互感器电路的设计〉〉。