低壓無(wú)功補(bǔ)償型電力載波智能抄表系統(tǒng)研究

羅書(shū)克 張?jiān)?/p>

(許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

0 引言

目前，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表通信方法較多，主要有RS-485總線方式、GSM方式以及基于PDA的抄表方式［1－3］，最近又出現(xiàn)了紅外、藍(lán)牙方式［4－5］。但無(wú)論上述哪種方式，都存在初期建設(shè)投資大或抄表過(guò)程占用大量人力物力的不足。隨著人民生活水平的提高，家用感性電器越來(lái)越多，消耗無(wú)功電能也越來(lái)越多［6］。由家用無(wú)功電能產(chǎn)生的線路損耗不可忽視，而目前對(duì)家用無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯炕咎幱诳瞻谞顟B(tài)。

本文所述的基于電力輸電線路集中抄表系統(tǒng)是利用現(xiàn)有中低壓輸電線路進(jìn)行電能、電壓、電流、功率因數(shù)和頻率等數(shù)據(jù)信息傳輸并進(jìn)行智能監(jiān)控管理的一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)集微電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有可靠性高、安裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，廣泛適用于城市、農(nóng)村特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)電表的抄讀，具有對(duì)用戶消耗的無(wú)功電能進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償［7］、超時(shí)限欠費(fèi)自動(dòng)遠(yuǎn)程斷電以及監(jiān)測(cè)、診斷等功能，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離、不同電壓等級(jí)間的傳輸［8］，不需專門(mén)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，成本低，建設(shè)周期短，優(yōu)勢(shì)明顯。

1 系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計(jì)的電力載波智能抄表系統(tǒng)主要由上位計(jì)算機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)耦合器、采集器和智能電表組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall structure

本系統(tǒng)可以對(duì)一個(gè)城市的所有用電用戶進(jìn)行智能抄表。每個(gè)用戶的電表把計(jì)量本用戶所用電能通過(guò)RS-485總線上傳至小區(qū)采集器，采集器接收每個(gè)用戶上傳的電能信息并對(duì)整個(gè)小區(qū)所用電能進(jìn)行總的計(jì)量，然后把電能信號(hào)通過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)上傳至輸電線路。由于輸電線路存在配電變壓器，電能計(jì)量信號(hào)不能通過(guò)配電變壓器，為了實(shí)現(xiàn)電能信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，研制了電能信號(hào)耦合器。當(dāng)電能信號(hào)需要經(jīng)過(guò)變壓器時(shí)，電能信號(hào)就通過(guò)信號(hào)耦合器把變壓器旁路掉，實(shí)現(xiàn)電能信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。信號(hào)轉(zhuǎn)換器是為了把電能信號(hào)和市電電力信號(hào)分離開(kāi)而設(shè)置的。通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，被分離出來(lái)的電能信號(hào)通過(guò)RS-485總線上傳至集中抄表計(jì)算機(jī)。

2 用戶電表

用戶電表是計(jì)量本用戶所用電能多少的計(jì)量工具。為了提高用電的智能性，本電表在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了這方面的功能。電表內(nèi)部具有電能計(jì)量、電壓電流瞬時(shí)值和有效值以及頻率和功率因數(shù)等的檢測(cè)，另外設(shè)置有無(wú)功補(bǔ)償單元和用戶出線控制單元。這些信息均可通過(guò)RS-485通信口上傳至數(shù)據(jù)采集器并最終送給上位機(jī)管理系統(tǒng)，且上位機(jī)管理系統(tǒng)也可以控制電表運(yùn)行狀況。此外，利用編碼技術(shù)編制電表地址，保證電表地址的唯一性。

上傳數(shù)據(jù)信息包括地址、電能信息。為了提高上傳數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在上傳數(shù)據(jù)過(guò)程中采用了CRC校驗(yàn)。在上傳的用戶電能信息中，包括有功電能和無(wú)功電能兩部分。采集無(wú)功電能主要是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，減少無(wú)功電能的損耗，提高電力線路的輸電效率。有功、無(wú)功電能的采集主要是通過(guò)電能計(jì)量芯片CS5460來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)CS5460不但能采集到電能信息，還能采集到瞬時(shí)電壓、電流，電壓電流的有效值，以及功率因數(shù)、頻率等信息。這些信息的采集，為智能電網(wǎng)在用戶級(jí)的實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)時(shí)信息。電能信息采集電路如圖2所示。

圖2 電能信息采集電路Fig.2 Acquisition circuit of power energy information

地址分為多層地址，共占用3個(gè)字節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)224只電表的管理，基本可以滿足一個(gè)城市聯(lián)網(wǎng)的需要。

采集到的各種信息可以通過(guò)液晶顯示部分顯示出來(lái)。此外，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)功電能的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，在電表內(nèi)部集成了無(wú)功補(bǔ)償單元。該補(bǔ)償單元可使外部輸入無(wú)功最小甚至為零，使用戶的用電功率因數(shù)大于0.98。無(wú)功補(bǔ)償電路如圖3所示。

圖3 電表內(nèi)部無(wú)功補(bǔ)償電路Fig.3 Reactive power compensation circuit inside the meter

系統(tǒng)通過(guò)采集到的無(wú)功和功率因數(shù)信息來(lái)調(diào)節(jié)并入電容的數(shù)值。該無(wú)功補(bǔ)償為有級(jí)補(bǔ)償，這種補(bǔ)償方式可使用戶終端的功率因數(shù)和入戶無(wú)功保持在某一范圍之內(nèi)。系統(tǒng)中的各種信息采集到之后，通過(guò)RS-485通信接口上傳至采集器，采集器也可通過(guò)RS-485來(lái)控制電表實(shí)現(xiàn)所要求的功能。

3 采集器

采集器采用微控制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)，把電表送上來(lái)的電能等信息轉(zhuǎn)換為可以在電力線路上傳輸?shù)男畔?，其核心器件?TMS320LF2407A和SSC P300。其中，SSC P300是美國(guó)Intellon公司生產(chǎn)的一種基于電力載波的擴(kuò)頻收發(fā)通信芯片，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 擴(kuò)頻載波通信硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure of spread spectrum carrier communication

SSC P300 的主要特點(diǎn)有［9］:①雙向收發(fā)，支持EIA-600標(biāo)準(zhǔn);②基于chirps的擴(kuò)載技術(shù);③支持標(biāo)準(zhǔn)串行通信的SPI接口;④周邊元器件最小化;⑤20腳SOIC封裝。

TMS320LF2407A通過(guò)圖4中所示的5個(gè)端口和SSC P300交換數(shù)據(jù)信息，并把采集到的信息送給擴(kuò)頻載波通信模塊 SSC P300，SSC P300通過(guò) TS、SI、SO 接功率放大器，把信號(hào)放大。

采集器的主要作用就是把電表監(jiān)測(cè)到的各種數(shù)據(jù)采集上來(lái)，然后把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電力線路可以傳輸?shù)男盘?hào)。采集器的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 采集器整體電路結(jié)構(gòu)Fig.5 The overall structure of the collector

智能電表采集到的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)TMS320LF2407A發(fā)送給擴(kuò)頻載波通信模塊SSC P300，SSC P300通過(guò)TS、SI、SO端口把數(shù)據(jù)送給功率放大器，放大之后的數(shù)據(jù)信息再通過(guò)匹配濾波器加到電力線路上，實(shí)現(xiàn)了信息的上傳。同時(shí)，上位管理機(jī)也可以下發(fā)各種控制信息，通過(guò)采集器給智能電表下發(fā)命令。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如下。

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從處理器將指令以串行格式發(fā)送給SSC P300，在其內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)載調(diào)制，并由SSC P300放大信號(hào)后經(jīng)匹配濾波器耦合到電力線發(fā)送至下層的信號(hào)耦合器或信號(hào)轉(zhuǎn)換器CPU。下層CPU接到指令后通過(guò)電力載波將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞過(guò)來(lái)，經(jīng)匹配濾波器進(jìn)入SSC P300進(jìn)行解擴(kuò)，SSC P300檢測(cè)到載波信號(hào)后以中斷方式通知處理器，由從處理器接收串行數(shù)據(jù)，從而完成上下間的載波雙向通信。該方式下載波范圍為50～200 kHz，通信速度為 4000 ～8000 bit/s，信號(hào)耦合輸出幅度VPP＜10 V。

4 信號(hào)傳輸

由于信號(hào)在電力線路傳輸途中需要經(jīng)過(guò)變壓器，而變壓器對(duì)傳輸?shù)碾娔苄盘?hào)是一個(gè)很大的阻抗，電能信號(hào)一般不能通過(guò)變壓器，且變壓器對(duì)傳輸信號(hào)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)干擾源，因此，為了提高信號(hào)的傳輸能力，增加了耦合器通道。信號(hào)耦合器在有變壓器時(shí)才需要。

當(dāng)需要從電力線路上把信號(hào)檢出來(lái)時(shí)，需要信號(hào)轉(zhuǎn)換器。信號(hào)轉(zhuǎn)換器除了檢出信號(hào)外還有隔離強(qiáng)電信號(hào)的作用，其檢出信號(hào)原理和采集器原理一樣，這里不再敘述。

5 上位機(jī)管理系統(tǒng)

為了便于系統(tǒng)管理，采用VB制作了上位機(jī)管理系統(tǒng)。該上位機(jī)管理系統(tǒng)是集系統(tǒng)中央控制、監(jiān)測(cè)和管理于一體的綜合系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制和管理整個(gè)用電區(qū)域內(nèi)各個(gè)采集器的運(yùn)行，并對(duì)區(qū)域內(nèi)的用電狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，可以設(shè)置采集信息內(nèi)容及下發(fā)控制命令，使系統(tǒng)的無(wú)功電能處于最佳狀態(tài)。

上位機(jī)管理系統(tǒng)是一套由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)管理軟件和應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等組成的收費(fèi)管理和控制系統(tǒng)。其中，應(yīng)用軟件主要包括用戶用電管理系統(tǒng)、用戶收費(fèi)管理系統(tǒng)和區(qū)域用電監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

上位機(jī)管理系統(tǒng)通過(guò)電力線與位于現(xiàn)場(chǎng)的采集器進(jìn)行通信，具有完善的遠(yuǎn)端參數(shù)設(shè)置和管理功能，可以遠(yuǎn)程設(shè)置采集器、電表的運(yùn)行參數(shù);具有良好的數(shù)據(jù)庫(kù)接口設(shè)計(jì)，便于數(shù)據(jù)查詢和共享;支持多種計(jì)費(fèi)方式和類型［10］。

系統(tǒng)可以同時(shí)采集各個(gè)用戶和主變出口送出電能的情況。上位機(jī)管理系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)分析日、月、年負(fù)荷情況并進(jìn)行線損分析，控制竊電和不交費(fèi)行為。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種低壓無(wú)功補(bǔ)償型電力載波集中抄表及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概況和功能。實(shí)際運(yùn)行表明，實(shí)時(shí)抄表成功率達(dá)96%以上，循環(huán)補(bǔ)抄可達(dá)100%;用戶端電壓有明顯提高，說(shuō)明集成在內(nèi)部的無(wú)功補(bǔ)償單元起到了很好的補(bǔ)償作用，對(duì)欠費(fèi)用戶實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)、診斷、修復(fù)等功能，實(shí)現(xiàn)了低壓電網(wǎng)智能化，且成本低、工程建設(shè)周期短，優(yōu)勢(shì)明顯;不足之處在于電網(wǎng)諧波對(duì)系統(tǒng)存在一定的干擾，須進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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