CN104280715A - 一种关口电能表在线监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关口电能表在线监控系统，涉及电力电网监控和维护领域，包括EM采集系统、电能表和远程后台；EM采集系统包括CPU和计量电路，电能表通过485通信设备连接到CPU，进入电能表的电流、电压信号源分别传给计量电路，计量电路直接连接CPU，CPU通过无线通信设备连接到远程后台；还包括PT采集系统和CT采集系统，PT采集系统通过485通信设备连接EM采集系统，CT采集系统通过433M通信设备连接PT采集系统。本发明实现了关口电能表的在线监测，同时，也对二次侧的压降和负荷进行监控。

Description

一种关口电能表在线监控系统

技术领域

本发明涉及电力电网监控和维护领域，具体涉及一种关口电能表在线监控系统。

背景技术

关口电能表是发电企业和电网企业、电网企业之间、电网企业和用户贸易结算的重要依据，是国家强制检定计量器具，按照行业标准DL/T448--2000《电能计量技术管理规范》的要求，发电上网、跨区域输电、跨省输电、大用户等重要关口计量点安装的贸易结算用电能表至少每3个月现场检测1次。

小水电为计量检测的工作部分，由于大都分布在偏远山区，并且关口电能表人工现场检测只能逐只开展，工作量大，工作流程繁琐、复杂；按照一年四次的现场检测工作，每次检测至少需要2名检测人员、1名司机，往返现场花费大量的时间，电力公司花费大量人力物力。且现场工作必须在带电的情况下进行操作，具备一定安全风险，稍有不慎会给系统带来较大的安全隐患。

以调研的某省电力公司为例，小水电大致为1000个点，关口计量点总共为3000到4000个节点。某省小水电大概为600多个点，关口计量点总共为2000到3000个节点。所以说关口电能表在线监测具有较高的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种关口电能表在线监控系统，实现关口电能表在线监控，同时也对二次侧的负荷进行监控。

本发明的具体方案为：

一种关口电能表在线监控系统，包括EM采集系统、电能表、PT采集系统、CT采集系统和远程后台；所述EM采集系统包括第一CPU、第一计量电路和485通信设备；所述第一计量电路输入端通过电流互感器连接进入电能表的电流信号源，还直接连接进入电能表的电压信号源；第一计量电路输出端接入第一CPU，所述第一CPU通过485通信设备连接电能表，且第一CPU通过无线通信设备连接远程后台；所述PT采集系统通过另一485通信设备连接EM采集系统，所述CT采集系统通过433M通信设备连接PT采集系统。

所述PT采集系统包括第二CPU和第二计量电路；PT二次侧电压A相、B相、C相分别通过一个电压互感器连接第二计量电路，PT二次侧电流A相、B相、C相分别通过一个电流互感器连接第二计量电路，所述第二计量电路直接连接第二CPU，所述第二CPU通过485通信设备连接EM采集系统。

所述CT采集系统包括第三CPU和第三计量电路；CT二次侧电压A相、B相、C相分别通过一个电压互感器连接第三计量电路，CT二次侧电流A相、B相、C相分别通过一个电流互感器连接第三计量电路，所述第三计量电路直接连接第三CPU，所述第三CPU通过433M通信设备连接PT采集系统。

还设置有扩展SRAM和扩展FLASH，扩展SRAM和扩展FLASH分别连接第一CPU。

所述EM采集系统、PT采集系统和CT采集系统中的CPU均为意法半导体公司STM32F103VFT6控制器，计量电路的计量芯片均为ADI公司的ADE7880芯片。

所述433M通信设备采用的芯片为Silicon Laboratories SI4432。

所述无线通信设备为以太网通信设备或2G、3G通信设备。

本发明的有益效果是：对关口电能计量装置运行状态进行在线检测，可任意设置在线检测时间间隔，并将检测数据存储并上传至主站，对异常数据实时报警。

1、电能表误差测试。实现关口电能表有无功计量误差测试功能，并可显示及保存单次和多次连续测试结果、平均值及电能表精度。电能表在10%标定电流下，电能计量装置在线检测和状态评价子站系统完成一次全站电能表误差测试周期不超过20分钟，历史数据存储不少于5000组。

2、PT二次侧压降测试。实现PT二次侧压降在线检测，具备双母线PT的切换功能，方便、简单地实现两段母线PT的二次侧压降在线切换检测。对于PT二次侧压降测试相关数据检测采集最小间隔周期不低于30分钟，对于历史数据存储不少于2000组。

3、二次负荷、导纳测试。实现电流和电压二次侧负荷、导纳定时或自动测试，并可显示和保存历次测试数据。对于二次负荷、导纳测试相关数据检测采集最小间隔周期不低于30分钟，对于历史数据存储不少于2000组。

4、互感器误差测试。实现互感器误差的定时或自动测试，并可显示和保存历次测试数据。对于互感器误差测试相关数据检测采集最小间隔周期不低于30分钟，对于历史数据存储不少于2000组。

附图说明

图1为本发明一种关口电能表在线监测系统各个子系统之间的结构示意图。

图2为本在线监测系统对监控信号的处理过程示意图。

图3为本发明中EM采集系统与其他子系统、模块之间的结构示意图，虚线框范围表示为EM采集系统。

图4为本发明中PT采集系统与其他子系统、模块之间的结构示意图，虚线框范围表示为PT采集系统。

图5为本发明中CT采集系统与其他子系统、模块之间的结构示意图，虚线框范围表示为CT采集系统。

需要说明的是，在EM采集系统中的CPU为第一CPU，计量电路为第一计量电路；在PT采集系统中的CPU为第二CPU，计量电路为第二计量电路；在CT采集系统的中CPU为第三CPU，计量电路为第三计量电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种关口电能表在线监测系统主要包括EM采集系统、PT采集系统、CT采集系统和远程后台。本在线监控系统的工作过程如图2所示，由图2可知，CT采集系统采集二次侧的电流负荷等信息，并将这些采集到的信息通过433M无线通信方式传递给PT采集系统。PT采集系统一方面要采集二次侧的电压负荷及压降等信息，另一方面将自身所采集到的信息与从CT采集系统所接收到的信息进行整合、汇总，并将整合后的信息通过485通信方式传递给EM采集系统。EM采集系统接收到PT采集系统所传递的信息，同时，EM采集系统接收电能表的二次侧的电压电流脉冲信号等信息。而且，EM采集系统中的计量电路接收通过电能表的二次侧的电流电压信息并计算脉冲信号，有功功率，无功功率，视在功率等。EM采集系统将电能表的信息和脉冲信号，有功功率，无功功率，视在功率的这些信息进行对比分析，分析后的数据信息由EM采集系统的CPU通过以太网发送到远程后台的监测设备，完成对关口表的监控工作。也可以通过2G、3G网络传递给远程后台，远程后台对整个系统进行监控。远程后台通过监控从EM采集系统发来的各项数据，对这些数据的进行处理，判断所监控的关口电能表是否正常工作。

EM采集系统如图3所示，电能表通过485通信设备连接到CPU，计量电路直接连接到CPU。CPU通过以太网或者2G、3G网络连接到远程后台。还设置有EM电源，此电源用于为EM采集系统供电。计量电路用于采集进入电能表侧的电流电压，处理后发送给CPU。CPU通过485通信设备读取电能表的二次测的电流电压等数据，将接收到的计量电路和电能表的数据进行比较处理，再将处理后的数据发送至远程后台；远程后台用于接收由EM采集系统经无线通信设备发送来的数据，并进行在线监控。EM采集系统还接收PT采集系统所发送的数据。

在本发明中，由于EM采集系统是整个监控系统的核心部分，其功耗很高，所采用的电源为开关电源模块MORNSUN的LH10-10B05，输出功耗10W，电压5V/2A，效率为76%。EM采集系统中的CPU采用的是意法半导体公司STM32F103ZET6控制器，该处理器共有144个管脚，3路SPI接口，5路串口（其中3路USART，2路UART），1路FSMC_NAND16接口。SPI1为ADE7880与Flash所用，SPI2为以太网ENC28J60所用，SPI3为SI4432所用，串口1为调试所用，串口2和串口4为485接口所用，FSMC接口为外扩SRAM所用，双母线识别接口所用GPIO。EM采集系统中的计量电路所采用的芯片为ADI公司的ADE7880芯片，ADE7880的1、10、11、20、21、30、40管脚不需要连接任何信号，直接悬空就可以。第5管脚DVDD内部是一个LDO，外部加1个4.7μF和220nF的电容进行去耦，24AVDD管脚做同样的处理。特别需要注意的是25管脚AGND，此管脚为ADE7880的接地基准，为所有模拟电路提供了地参考。将此引脚连接到系统中的模拟接地层或最安静的接地基准，为抗混叠滤波器、电流传感器和电压传感器等所有模拟电路使用此安静的基地基准。

在EM采集系统中，电能表的误差主要体现在电能计量误差上。检验电能表的绝对误差，按规定需要用比被检验表高一个等级的表作为标准表。但是由于器件成本原因，要比关口表精度高出一个等级，很难做到。作为在线监测设备，只要能判断出设备异常即可。检验电能表的误差有两种方法：一是通过比较校验脉冲的脉宽。二是通过485口读取内部电能数据。比较校验脉冲脉宽是一种比较快速准确的方法。能在计量一个脉冲单位电能的时间内检验出电能表的误差。就12800imp/kWh的电能表来说只需要计量不到万分之一度电就可以计算出电表误差。通过485口校验电能表，由于通过485口读出的电能数据精度为0.01度，且无法实时的监测数据的跳变。所以要通过485口校验电能表误差，只能比较长时间的走字误差。计量10度电后，才能将测出的误差控制在万分之一。对于关口表来说正常情况下需要数天时间。现用户要求监测的更新速度较快，所以只能用脉冲校验法。脉冲检验法需要将电能表的校验脉冲接入监测设备。

EM采集系统为关口电能表在线监控系统的核心系统，其CPU资源消耗较大，因此需要对CPU进行扩展，包括扩展FLASH和扩展SRAM。

按照设计要求，电表采集器需要保存至少3个月的数据，这就需要对历史数据进行存储。STM32内部自带有存储FLASH，但对于长期对历史数据的保存，还不够用，需要对FLASH进行外扩。设计中采用的是W25X40BV型FLASH，具有SPI通信接口，直接和STM32的SPI1进行连接，因为SPI1的速率是最高的，这样保证了在数据的存储和读取能够快速进行。

由于STM32F103ZET6型CPU的最大片内SRAM为96KB，对于一般的使用来说足够使用，但EM采集系统中EM采集器侧需要操作系统，占用了大量的CPU资源，考虑到日后软件升级和程序的优化片内SRAM会不够使用，因此需要对SRAM进行扩展。STM32自带有FSMC (Flexible Static Memory Controller，可变静态存储控制器) 接口，在外部存储器扩展方面具有独特的优势，可根据系统的应用需要，方便地进行不同类型大容量静态存储器的扩展。

PT采集系统如图4所示，其主要用于采集PT侧的PT二次电压，PT二次负荷，二次侧功率因素。测试PT二次侧压降，需要取回路两端的电压进行对比，求出压降占信号的百分比。传统的做法是用长导线将PT侧信号引到仪表侧，用压降仪测试PT侧和仪表侧两个信号之间的幅值误差和相位误差。为了安装的方便，本发明使用无线方式。在PT侧测出电压的有效值，通过无线发送到仪表侧和仪表侧测得的有效值进行对比，得出PT二次侧压降。由于相位测试需要精确到分，对应的时间延迟在1μS左右，而无线数据的传送是间稳定度，达不到这样的要求，所以在这个平台上无法测出相位误差。

PT采集系统包括CPU和计量电路。PT采集系统包括CPU和计量电路；PT二次侧电压A相、B相、C相分别通过一个电压互感器连接计量电路，PT二次侧电流A相、B相、C相分别通过一个电流互感器连接计量电路，计量电路直接连接CPU，CPU通过485通信设备连接EM采集系统。计量电路用于采集二次侧PT负荷，并将采集到的二次侧负荷发送给CPU；CPU用于接收计量电路所采集的PT二次侧负荷数据，并通过485通信设备发送给EM采集系统。PT采集系统还接收CT采集系统所发送的数据。PT采集系统中的PT采集器采用的是3.3V工作系统，因此板子上的电源模块都是按照3.3V的需求设计的。AMS1117-3.3是一款常用的LDO，其输出电压为3.3V，最大输出电流为1A，常用于将5V转为3.3V电路，在本发明中，为了得到5V的电压，采用了广州金升阳科技有限公司生产的一款小体积开关电源LD05-20B05，其输入电压为85～264V AC/110～370V DC，输出为5V，60mA，将输入接在ABC任意两相之间，即可取电供系统使用。使用该模块直接去PT线上的电作为电源，省去了很多麻烦，其体积小，输出功率也满足要求，很适合放在采集器内部。

PT采集系统中的CPU也是采用意法半导体公司STM32F103VFT6控制器，该处理器共有100个管脚，3路SPI接口，5路串口（其中3路USART，2路UART），1路FSMC_NAND16接口。其中SPI3为SI4432所用，SPI1为ADE7880与Flash所用，串口1为调试所用。PT采集系统的计量电路所采用的芯片也为ADI公司的ADE7880芯片。电能计量和相关电参数采集由ADE7880芯片完成。CPU通过SPI接口配置和读取ADE7880内部的计量数据。以显示采集到的电流电压波形。通过CF1/CF2口获取计量脉冲，与电能表计量脉冲比较，监测电能表与设备之间的计量误差。特别要注意的是ADE7880对布线要求非常讲究。尤其是小电流信号的时候，很容易收到干扰，在布线时电流线最好走差分线，并远离其他信号线，将干扰减到最小。板子上既有模拟电路又有数字电路，在布局时应注意模拟数字分开。ADE7880的1、10、11、20、21、30、40管脚不需要连接任何信号，直接悬空就可以。第5管脚DVDD内部是一个LDO，外部加1个4.7μF和220nF的电容进行去耦，24AVDD管脚做同样的处理。特别需要注意的是25管脚AGND，此管脚为7880的接地基准，为所有模拟电路提供了地参考。将此引脚连接到系统中的模拟接地层或最安静的接地基准。为抗混叠滤波器、电流传感器和电压传感器等所有模拟电路使用此安静的基地基准。

CT采集系统如图5所示，其主要用于采集CT二次负荷，二次侧功率因素。CT采集系统包括CPU和计量电路；CT二次侧电压A相、B相、C相分别通过一个电压互感器连接计量电路，CT二次侧电流A相、B相、C相分别通过一个电流互感器连接计量电路，计量电路直接连接CPU，CPU通过433M通信设备连接PT采集系统。计量电路用于采集二次侧CT负荷，并将此负荷发送给CPU，CPU用于接收计量电路所采集的CT二次侧负荷，并此负荷数据通过433M通信设备发送给PT采集系统。

由于CT采集系统中没有220V电源，也不能像PT采集系统那样采用AC-DC模块取电，但是CT侧并不需要对数据进行实时监测，只需要隔一段时间工作一次（比如15分钟），而且工作一次仅需要数秒即可完成，其他时间设备均处于休眠当中，消耗的功率也很小，因此可以采用电流互感器取电和锂电池供电方案。系统将原级电流信号经过电流互感器后的小电流信号经过整流和稳压后为锂电池充电，而锂电池的输出经过一个低压差稳压器NCP4589DSN33T1G使输出稳定在3.3V。NCP4589的输出只有3.3V，300mA，这样的电流不能满足ADE7880和Si4432同时工作，然而ADE7880和Si4432并不是同时工作的，系统先经过ADE7880采集到数据，保存起来，然后ADE7880进入休眠模式，再启动443M通信将数据发送出去，发送完毕后443M通信也进入休眠模式。这样一来300mA的输出电流能够满足系统的使用了。

这里采用SS14肖特基二极管是为了减小电流损耗，考虑到系统需要长时间进行工作，并且尽量减少维护，这里选取了2600mAh 的大容量锂电池，并且其具有过充和过放电保护功能。当充电电压大于4.3V时或者放电电压低于2.4V时，其自动保护电路工作，确保电池不受损害，提高了电池的工作寿命。CT采集系统供电模式也兼容PT采集系统供电模式，采用广州金升阳科技有限公司生产的一款小体积开关电源LD05-20B05，其输入电压为85～264V AC/110～370V DC，输出为5V，1000mA，将输入接在ABC任意两相之间，即可取电供系统使用。使用该模块直接去PT线上的电作为电源。

CT采集系统中的CPU还是采用意法半导体公司STM32F103VFT6控制器，该处理器共有100个管脚，3路SPI接口，5路串口（其中3路USART，2路UART），1路FSMC_NAND16接口。其中SPI3为SI4432所用，SPI1为ADE7880与Flash所用，串口1为调试所用。其计量电路仍然是采用ADI公司的ADE7880芯片。电能计量和相关电参数采集由ADE7880芯片完成。CPU通过SPI接口配置和读取ADE7880内部的计量数据。以显示采集到的电流电压波形。通过CF1/CF2口获取计量脉冲，与电能表计量脉冲比较，监测电能表与设备之间的计量误差。特别要注意的是ADE7880对布线要求非常讲究。尤其是小电流信号的时候，很容易收到干扰，在布线时电流线最好走差分线，并远离其他信号线，将干扰减到最小。板子上既有模拟电路又有数字电路，在布局时应注意模拟数字分开。ADE7880的1、10、11、20、21、30、40管脚不需要连接任何信号，直接悬空就可以。第5管脚DVDD内部是一个LDO，外部加1个4.7μF和220nF的电容进行去耦，24AVDD管脚做同样的处理。特别需要注意的是25管脚AGND，此管脚为ADE7880的接地基准，为所有模拟电路提供了地参考。将此引脚连接到系统中的模拟接地层或最安静的接地基准。为抗混叠滤波器、电流传感器和电压传感器等所有模拟电路使用此安静的基地基准。

在本发明中，SI4432无线模块是采用Silicon Laboratories SI4432芯片制作的无线模块。它可以工作在433M免费频段。Si4432芯片是Silicon Labs公司推出集成度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收发芯片。其工作电压为1.9～3.6 V，20引脚QFN封装(4 mm×4 mm)，可工作在315/433/868/915 MHz四个频段；内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO，以及可配置的GPIO等。PT采集系统通过443M无线通信的方式接收来自CT采集系统的数据信号。

为了使通信数据传输的稳定性提高。通过MAX485ESA来将接收到的CT采集系统数据信号及PT采集系统的数据传输到EM采集系统中，由于整个系统涉及多个PT采集设备，因此在现场需要堪站来选取最优的485通信传输节点，其应该具备能够将所有的CT采集设备的数据信息都能够接收完成。

Claims (7)

1.一种关口电能表在线监控系统，包括EM采集系统、电能表，其特征在于，还设置有PT采集系统、CT采集系统和远程后台；所述EM采集系统包括第一CPU、第一计量电路和485通信设备；所述第一计量电路输入端通过电流互感器连接进入电能表的电流信号源，还直接连接进入电能表的电压信号源；第一计量电路输出端接入第一CPU，所述第一CPU通过485通信设备连接电能表，且第一CPU通过无线通信设备连接远程后台；所述PT采集系统通过另一485通信设备连接EM采集系统，所述CT采集系统通过433M通信设备连接PT采集系统。

2.根据权利要求1所述的一种关口电能表在线监控系统，其特征在于，所述PT采集系统包括第二CPU和第二计量电路；PT二次侧电压A相、B相、C相分别通过一个电压互感器连接第二计量电路，PT二次侧电流A相、B相、C相分别通过一个电流互感器连接第二计量电路，所述第二计量电路直接连接第二CPU，所述第二CPU通过485通信设备连接EM采集系统。

3.根据权利要求2所述的一种关口电能表在线监控系统，其特征在于，所述CT采集系统包括第三CPU和第三计量电路；CT二次侧电压A相、B相、C相分别通过一个电压互感器连接第三计量电路，CT二次侧电流A相、B相、C相分别通过一个电流互感器连接第三计量电路，所述第三计量电路直接连接第三CPU，所述第三CPU通过433M通信设备连接PT采集系统。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种关口电能表在线监控系统，其特征在于，还设置有扩展SRAM和扩展FLASH，所述扩展SRAM和扩展FLASH分别连接第一CPU。

5.根据权利要求3所述的一种关口电能表在线监控系统，其特征在于，所述EM采集系统、PT采集系统和CT采集系统中的CPU均为意法半导体公司的STM32F103VFT6控制器，计量电路的计量芯片均为ADI公司的ADE7880芯片。

6.根据权利要求1所述的一种关口电能表在线监控系统，其特征在于，所述433M通信设备采用的芯片为Silicon Laboratories SI4432。

7.根据权利要求1所述的一种关口电能表在线监控系统，其特征在于，所述无线通信设备为以太网通信设备或2G、3G通信设备。