基于現場總線的遠程電量采集技術研究

周愛慧 姜應戰 吳猛猛 海軍潛艇學院，山東 青島 266042

基于現場總線的遠程電量采集技術研究

周愛慧 姜應戰 吳猛猛 海軍潛艇學院，山東 青島 266042

本文闡述了CAN總線及其在遠程電量采集技術中的應用特點，討論了脈沖電量的形成方法、誤差的原因及消除方法。并介紹了電量微機管理系統的硬件結構和軟件設計。經過實踐證明，該裝置經濟效益和社會效益顯著，具有良好的推廣應用前景。

CAN總線；遠程電量；脈沖電量

CAN bus remote；electric charge；impulse electric charge

引言

隨著電子技術的發展，電能計量手段和儀表技術發生了根本變化，電能表是用來測量電能量的專用儀表，它在電能管理中占有很重要的地位，其性能直接影響著電能管理的效率和水平，自它誕生的100多年來，隨著電力系統以及電力所帶動的相關產業的不斷完善和發展，對電能表的性能和結構的要求也越來越高。而近代出現的現代電子技術，計算機技術、通信技術等新技術的發展，為電能表的改造和更新與優化提供了技術支持。八十年代，歐美國家相繼起步，開始對遠程電能表數據采集技術進行探索性的研究。在此之前，一直是人工抄表，即依賴工人實行巡回手工抄表來記錄電耗情況和電網運行情況，工作強度大、效率低也不利于電能管理的現代化與自動化，電子式電能表的出現，有力地推動了遠程抄表技術的發展。

目前我國廣泛采用的幾種抄表計費有下列幾種方法。

手工抄表方式：供電管理人員到現場抄取電度表的讀數，然后計算電費。這是一種最原始的抄表系統，省錢不省力。

預付費方式：通過磁卡或IC卡和預付費電度表相結合，實現用戶先交錢購買一定電量，用完購買的電量后自動斷電。這種抄表方式 能較有效地控制用戶拖欠電費。但是，目前關鍵是磁卡大量使用后，軟件破譯很容易。況且這種電能計費方式不能使供電管理部門及時了解用戶的實際用電情況和對電能的需求，因此難于掌握用電規律、確定最佳供電方案。

遠程自動抄表方式；采用低壓配電線、電話網、無線電、RS-485或現場總線等多種通信媒體，結合微機監測系統，不必外出就可抄回用戶電能數據。自動抄表電能計費方式是一種自動化程度高、先進的計費方式，它便于將計算機網絡和營業管理相結合，成為配電自動化系統的一個重要組成部分。

針對以上分析，結合我國目前已安裝電能表的現狀，我們采用利用原有的機械電度表，將其進行改造成脈沖電度表，采用脈沖計數板對電量脈沖進行采樣計數。根據所計脈沖數，通過微處理器處理變成電能表的電能量，把所采集的電能信息，通過傳輸媒質送回上位機系統。

1 現場總線在變電站遠程電量采集系統中的應用特點

“現場總線”實際上是將安裝工業過程現場的智能自動化儀表和裝置與設置在控制室內的儀表和控制設備連接起來的一種全數字化、串行、雙向、多站的通信網絡。它在應用上有如下性能特點。

1.1 CAN支持多主方式工作，網絡上任意一個節點均可在任意時刻主動地向網絡上的其它節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活。利用這一特點也可方便地構成多機備份系統。

1.2 CAN網絡上的節點（信息）可分成不同的優先級，可以滿足不同的實時要求。

1.3 CAN采用非破壞性總線裁決技術，當兩個節點同時向網絡上傳送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送。

1.4 CAN可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數據。

1.5 CAN的直接通信距離最遠可達10km（速率5KB/s以下）。通信率最高可達1MB/s（此時距離最長40m）。CAN上的節點數實際可達110個。通信介質采用廉價的雙絞線即可。

1.6 CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據的出錯率極低。

1.7 CAN節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上的其它操作不受影響。[1]

2 電能表的數學模型與誤差分析

2.1 脈沖形成電路

在原有感應式電能表的基礎上，加裝電能脈沖變換器，形成所謂的脈沖電能表，它一方面積累電能計量，另一方面輸出反映電能的脈沖信號，利用單片機對電量脈沖進行采樣計數并處理，從而得出被測電量。

目前，在我國所使用的脈沖電度表多數是在普通電磁感應式電度表的基礎上，附設脈沖形成電路構成。為便于將普通電度表改造成脈沖電度表，我們采用了光電反射式脈沖形成電路。該電路的工作原理是利用傳感器紅外發射管發射出紅外光，接收管根據反射回來的紅外光強度大小來計數的，所以被檢測的物體（鋁盤）表面必須有黑色的標記用于吸收和反射紅外光，這樣接收管才能有效的截止和飽和達到計數的目的。電路原理如圖1所示。

圖1 脈沖形成電路

為便于將普通電度表改裝成脈沖電度表，我們采用了光電反射式脈沖形成電路。該方式是采用黑色記號筆在鋁盤適當位置做出標記，在其上側設紅外線發射與接收（一體）管，當黑色標記轉到發射接收管位置時，由于反射光的減弱而形成觸發脈沖。設對該脈沖計數值為N，由于電度表1800轉/度，所以電度表二次側電度數為N*1/1800，折算到一次側為Ki*Kv*N*1/1800。[2]

該方式非常適用普通電度表的改造。其原因①標記質量很輕，對電度表的精度影響微小；②脈沖形成裝置體積小，且僅需安裝在轉盤一側，安裝較容易。

2.2 誤差分析與校正

2.2.1 誤差原因及消除方法

本設計是在普通電磁感應式電度表的基礎上，附設脈沖形成電路構成的；其改造方法是在原電度表鋁盤上適當的位置用黑色記號做標記，在其上側放紅外發射與接收（一體）管，當黑色標記轉動經過發射與接收管位置時，由于有標記和無標記反射光信號的強度不同，從而形成觸發脈沖，該設計誤差原因有如下。

①黑色標記受安裝位置、自然光的影響較大。

②電度表轉動較慢時，容易丟失脈沖。

③用手工方式做標記存在邊沿毛刺，因此信號波形也出現毛刺。

對于第一種情況，我們采用將接收管與標記之間的距離設計為2mm左右，以克服安裝位置和自然光對信號的影響。

對于第二種情況，我們采用增加采樣時間的方法來解決。

對第三種情況造成的誤差，采取硬件濾波措施。即在取樣電路的輸出端增加RC濾波電路。

3 系統的總體構成

3.1 系統的總體框圖

用電量計量系統總體構成框圖如圖2所示：

圖2 電量計量系統總體構成框圖

3.2 分站機的硬件電路

監測分站的作用是向傳感器提供所需的電源，并接收來自傳感器的輸入信號，進行初步數據預處理，然后將數據向網絡上送出；接收來自監測主機送往相應的網絡節點；接收來自監測主機的控制信號，進行相應的設置工作。整個分站由微控制器電路[3]、通信接口電路、信號輸入回路、電源變換電路、復位電路等組成，現分述如下：其結構框圖如圖3所示：

圖3 監測分站結構框圖

3.3 監測分機的軟件設計

監測系統采用C A N現場總線在硬件上使系統具有實現多主監測的功能，但如何使系統靈活地進行多主監測運行關鍵在于軟件功能的開發。開發語言使用我們比較熟悉的宏匯編語言。主程序框圖如圖4所示及顯示程序框圖如圖5所示。

圖4 主程序框圖

圖5 顯示程序框圖

4 結語

4.1 將傳統監測監控系統的主從式網絡結構改變成多主結構的系統，克服了傳統結構中主機一旦發生故障，整個系統處于癱瘓的狀況，且實現系統的冗余較為容易。采用CAN總線后，由于其信息格式的短幀結構和自帶CRC校驗，使系統的抗干擾、錯誤檢測能力等方面的性能均超過了傳統的RS485；BitBus等總線方式。

4.2 實踐證明本設計系統運行可靠、操作方便、測量基本上達到工業標準、深受用戶歡迎。

[1]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計.北京航空航天大學出版社,1995

[2]公茂法.煤礦主變電所電能分時計量微機管理系統.煤礦自動化, 1999.4

[3]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術.北京航空航天大學出版社,1993

This paper expounds the CAN bus and the characteristics in its applications of the remote electric charge collection technology. The forming methods, reasons of error and elimination methods of impulse electric charge are also discussed. In this paper, the hardware structure and software design of the computer management system of electric charge are also introduced. It was proved by the practice that this device has good prospects of popularization and application because of its economic and social benefits.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.064