智能電能表現(xiàn)場校驗儀的開發(fā)與設(shè)計

陳 興，符富強，陳勇章，羅志榕，周 琨，劉應(yīng)增，賴振學

(1.福建省常山供電有限公司;2福建省上杭縣電力公司3.福州億森電力設(shè)備有限公司)

智能電能表現(xiàn)場校驗儀的開發(fā)與設(shè)計

陳 興1，符富強1，陳勇章1，羅志榕1，周 琨1，劉應(yīng)增2，賴振學3

(1.福建省常山供電有限公司;2福建省上杭縣電力公司3.福州億森電力設(shè)備有限公司)

本文介紹了基于 (CP2102)接口技術(shù)和智能電能表現(xiàn)儀的開發(fā)，結(jié)合了PDA、計算機及無線通信技術(shù)，使用Delphi、EVC開發(fā)工具，在Oracle 8i開發(fā)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了一種電能表現(xiàn)場校驗與管理智能系統(tǒng)，實現(xiàn)了電力校表的無紙化工作和智能化管理。

(CP2102)電能表現(xiàn)場校驗儀;測試智能系統(tǒng)

1 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的逐步完善，相應(yīng)的電力配電裝置得到了迅猛的發(fā)展，電能表的準確度等級越來越高，對電能表現(xiàn)場校驗儀的要求也隨之提高。電能表現(xiàn)場校驗儀電能指標一般要求達到0.05級，功能上要有諧波分析、錯誤接線判斷、向量圖顯示、更正系數(shù)計算等。另外，所測數(shù)據(jù)要求被保存并能上傳到PC機供管理應(yīng)用，還要求攜帶方便，體積小、功耗低。因此，采用ARM和CP2102技術(shù)就能很好的滿足設(shè)計要求。

2 硬件原理

硬件由模擬輸入通道、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器、CP2102數(shù)字信號處理器、ARM及其外圍器件組成1。

輸入通道中，三相電壓直接接入，經(jīng)過精密電阻分壓取樣到A/D轉(zhuǎn)換器。電流采樣分為經(jīng)內(nèi)附精密互感器、5A鉗型互感器、500A鉗型互感器三種方式獲得以適應(yīng)現(xiàn)場校驗的不同需求。

采集到的信號經(jīng)16位串行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號變換為數(shù)字信號2。由采樣保持器保證采樣的同步性，使每相電壓、電流同時采樣，最后以串行方式輸入給數(shù)字信號處理器CP2102。CP2102是數(shù)字信號處理器 (Digital Signal Processor)的簡稱，它對采樣信號進行高速運算、加工處理并將處理結(jié)果經(jīng)總線傳送給中央處理器ARM。中央處理器ARM對CP2102處理結(jié)果進行后期處理，實現(xiàn)人機對話、數(shù)據(jù)存儲、功能切換等功能。顯示器采用640×480分辨率的26k真彩色大屏幕，背景色可調(diào)以適應(yīng)不同環(huán)境。

3 ARM和CP2102技術(shù)原理

中央處理器ARM是該儀器的核心部件，采用三星公司設(shè)計開發(fā)的基于精簡指令集的ARM9核的S3C2410。該器件是價格低、功耗低、性能高的小型微控制器，適用于各種便攜設(shè)備，能夠降低整個系統(tǒng)成本。它配有眾多內(nèi)部設(shè)備，其中主要包括存儲器管理單元 MMU、16KB的指令緩沖器、16KB數(shù)據(jù)緩沖器、存儲器控制器 (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請求控制器、3個串行口、SD存儲卡讀取接口、2個USB接口 (1個USB主機接口、1個USB設(shè)備接口)、5個脈寬調(diào)制定時器、看門狗定時器、117個通用I/O端口 (其中，24可用于中斷請求)。在本儀器中，主要完成系統(tǒng)控制和通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。ARM的外圍器件包括32M的8位FLASH存儲器K9F5608。它不僅保存著本儀器的應(yīng)用程序，同時現(xiàn)場校驗的數(shù)據(jù)和抄表數(shù)據(jù)都可以存儲。FLASH存儲器在系統(tǒng)中主要用于存放引導(dǎo)程序Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像和應(yīng)用程序代碼等，系統(tǒng)上電或者復(fù)位后從FLASH中運行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并將操作系統(tǒng)拷貝到SDRAM中去執(zhí)行。SDRAM存儲芯片采用57V641620，它共有4M×16位字節(jié)寬度，采用3.3V供電。

CP2102采用TI公司生產(chǎn)的第三代數(shù)字信號處理器TMS320VC33。該芯片是一種32bit的浮點CP2102，其程序、數(shù)據(jù)和外設(shè)地址都映射在同一存儲空間，并有豐富的尋址方式和較大的尋址空間，因此對外設(shè)的訪問非常靈活方便。CP2102以處理速度見長，它將處理信號的典型算法，如快速傅立葉變換 (FFT)以硬件形式加以支持，提高了處理速度，特別適合要求運算速度高的場合。在本儀器中，各種電測量如電壓、電流、功率、頻率、相位、功率因數(shù)、諧波等都是由它完成計算處理的，同時，它還產(chǎn)生電能脈沖，包括有功電能的高頻脈沖、低頻脈沖和無功電能的高頻脈沖。

4 功能實現(xiàn)

儀器的設(shè)計指標為0.05級，主要由采樣電路和A/D來保證，算法也有很大的影響。該儀器采用非同步采樣，采樣頻率與被測信號不同步，會帶來附加誤差，利用軟件方法可以修正殘余誤差3。經(jīng)測試，基本電能誤差能夠滿足設(shè)計要求。由于ARM的高性能，結(jié)合電能表現(xiàn)場校驗的各種情況，儀器提供了豐富的擴展功能，主要有以下幾個方面。

1.儀器可以從上位機接收待校表信息，包括相線、常數(shù)、類型、互感器倍率、編號、變壓器容量等，校表時只用輸入編號即可調(diào)入全部信息進行校驗。校驗結(jié)果存儲時也可以包含以上信息并且具有校驗時間、誤差、測量時的電測量信息。可以手動或通過485得到被校表的峰谷平電量信息，包括正反向有功和正反向無功。存儲數(shù)量達1000塊。

2.大屏幕液晶可以在校驗界面顯示三相電壓、電流、功率、頻率和功率因數(shù)，顯示電流檔位(基表、5A鉗表、500A鉗表)信息，可以顯示兩個誤差。如果是主表、副表，則顯示兩塊表的誤差;如果是多功能電能表，則表可以同時顯示有功、無功誤差。

3.能進行走字試驗，可進行電能累計，檢查電能表字輪的工作狀態(tài)。

4.能顯示相量圖和相位值，具備查接線功能(錯誤或正確的接線)，直接計算錯誤接線情況下的更正系數(shù)，可及時追補損失的電量。

5.能夠測試計量裝置中低壓電流互感器CT的角差、比差和誤差。

6.具有諧波分析功能，顯示線路失真度、各次諧波含量和波形，還可以校驗基波表。

7.正是采用了ARM技術(shù)，才能使具有強大功能的電能表現(xiàn)場校驗儀體積小、功耗 (現(xiàn)場校驗儀的重要指標)小，便于攜帶，它必將成為電能計量工作人員的有效設(shè)備。

5 電能表現(xiàn)儀與智能系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由3部分組成:主站管理軟件模塊、主站數(shù)據(jù)庫模塊和PDA現(xiàn)場校表模塊，

整個校表的工作流程可以分為:

·計劃制定。主站軟件生成計劃，經(jīng)過計量專職的審核后生效。

·工作派工。由各外交班班長將計劃分配到每個組。

·任務(wù)下載。校表人員將要執(zhí)行的校表任務(wù)下載到PDA中。

·現(xiàn)場校表。校表人員帶著PDA和校驗儀來到校表現(xiàn)場進行校表工作。如果現(xiàn)場出現(xiàn)異常，則通過PDA的無線通信功能連接主站的專家診斷系統(tǒng)，處理各種接線錯誤。

·上傳校驗結(jié)果。校表完成后，校表人員可以通過無線方式或串口通信方式上傳校驗結(jié)果到主站。

·統(tǒng)計各種報表。

6 系統(tǒng)實現(xiàn)

6.1 主站管理軟件模塊的設(shè)計

主站管理軟件模塊采用具有高安全性和穩(wěn)定性的C/S(Client/Server)模式，讀寫主站數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)電表等信息的管理、校表工作的安排、對校表數(shù)據(jù)的處理、現(xiàn)場接線錯誤的診斷、各類報表的統(tǒng)計等功能。主站管理軟件的開發(fā)使用了Borland公司的delphi 6開發(fā)工具，它具有可視化開發(fā)環(huán)境(IDE)、編譯器速度快、強大的數(shù)據(jù)庫支持功能、靈活的VCL組件、跨平臺開發(fā)等特點，備受應(yīng)用程序開發(fā)者的青睞。

通信模塊:在主站和PDA的通信中使用GPRS前置機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)無線通訊，大大減少外網(wǎng)對主站服務(wù)器的攻擊。同時，提供了和營銷系統(tǒng)、專家診斷系統(tǒng)的接口。

系統(tǒng)管理:可以在系統(tǒng)中設(shè)置部門及各部門下的工作人員，根據(jù)人員的級別分配相應(yīng)的菜單權(quán)限。

檔案管理:操作人員可以對部門、電表、變電所、用戶、區(qū)域等信息進行管理，同時提供操作日志查詢。

任務(wù)管理:它包括計劃任務(wù)的生成、校表任務(wù)的下載、校表結(jié)果的上傳。

報表管理:針對計量所的實際需要，提供了各類報表和直觀的統(tǒng)計圖。

6.2 主站數(shù)據(jù)庫設(shè)計

主站服務(wù)器安裝Oracle 8i數(shù)據(jù)庫。Oracle數(shù)據(jù)庫具有安全性強、兼容性好、高可用性、高生產(chǎn)率、多線程處理能力等特點，是世界上使用最廣泛的關(guān)系數(shù)據(jù)系統(tǒng)之一［3］。數(shù)據(jù)庫在整個系統(tǒng)中屬于底層共享的數(shù)據(jù)資源支持層，對上層應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲、管理和查詢等功能的支持。數(shù)據(jù)庫包括客戶表、變電所表、線路表、電表表、測量點表、任務(wù)表、計劃表和校驗結(jié)果表等。

6.3 PDA校表模塊的軟硬件設(shè)計

PDA校表模塊包括校驗儀和帶GPRS上網(wǎng)卡的PDA。其中，校驗儀用于對電表進行校驗檢測，PDA用于保存校驗儀數(shù)據(jù)及和主站的數(shù)據(jù)通訊。

PDA校表軟件參照標準［4］及實際校驗流程設(shè)計。軟件模塊提供界面手工輸入直觀檢查信息，比如電表外殼是否完好、電流量程是否正常、是否失流、是否失壓、是否超載等信息;通過串口轉(zhuǎn)紅外通訊方式接收電表數(shù)據(jù);通過串口接收校驗儀(PWS)的數(shù)據(jù)。如果是帶紅外的PWS，則可以通過前面的紅外端口接收PWS數(shù)據(jù)。

PDA軟件提供兩種方式實現(xiàn)與主站的數(shù)據(jù)通訊:

·GPRS通訊方式:PDA在檢表現(xiàn)場與主站的服務(wù)器進行無線通訊，實時查詢獲取信息及上傳結(jié)果，如果接線有異常的話，通過主站進行實時診斷和處理;

·串口通訊方式:用串口線連接PDA和主站客戶端，通過客戶端連接服務(wù)器數(shù)據(jù)庫取得工作內(nèi)容，上傳校驗信息等。

7 系統(tǒng)功能及特點

與傳統(tǒng)的電能表現(xiàn)場校驗相比，該系統(tǒng)具有以下功能特點:

·校表自動化:采集的數(shù)據(jù)通過串口或紅外通訊方式自動輸入到PDA，并且存儲在PDA中，再上傳到主站數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了無紙化、自動化作業(yè)。

·校表智能化:系統(tǒng)提供的錯誤接線專家診斷模塊能通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，輔助校表人員進行接線錯誤判斷，提高工作效率。

·任務(wù)安排合理化:通過生成年計劃算法，結(jié)合考慮用戶類型、去年計劃完成情況、用戶區(qū)域等信息，可以將校表地點、時間相近的用戶或變電所安排在同一天校表，避免了校表人員勞于奔波。

校驗報表、關(guān)口電能表運行點非優(yōu)校驗報表、重要電能表運行點二率報表、校驗結(jié)果統(tǒng)計、校驗結(jié)果分析等。而且，所有這些統(tǒng)計報表都有相應(yīng)的統(tǒng)計圖，直觀方便地把各種信息呈現(xiàn)在操作員面前。

8 結(jié)語

結(jié)合PDA和GPRS技術(shù)的電能表現(xiàn)場校驗與管理智能系統(tǒng)，系統(tǒng)維護方便、操作簡單、易于擴展，與傳統(tǒng)校表方法相比，實現(xiàn)了電力校表無紙化工作和智能化管理，簡化校表工作，規(guī)范計量單位對信息數(shù)據(jù)的維護，減少了糾紛和事故發(fā)生率。該系統(tǒng)已經(jīng)在福建省柘榮縣供電公司投入使用，獲得了關(guān)注和好評，相信在未來的應(yīng)用中，必將帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］ 賴振文《低壓電器》2009年第19期《AT89C51單片機在單雙電橋檢定裝置中的應(yīng)用》.

［2］ 賴振學《工業(yè)計量》2010年第3期《新型絕緣電阻測試儀的開發(fā)》.

［3］ 章開煊《電氣制造》2010年第5期《新型光電互感器電路的設(shè)計》.

The Development and Design of Intelligent Electrical Energy Performance Meter and System Based on CP2102 Technology

(Fuzhou ESEN Electric Equipment Co.，Ltd.Fuzhou 350013，F(xiàn)ujian China)

This article introduced based on(CP2102)the system electrical energy performance school meter＇s development，unified PDA，the computer and the wireless communication technology，uses Delphi，the EVC development kit，in Oracle in the 8i development＇s relations database foundation，the design developed one kind of electrical energy table scene to verify and the management intelligent system，has realized the electric power dial gauge＇s paperless work and the intellectualized management.

(CP2102)electrical energy table scene verification meter;test intelligent system

10.3969/j.issn.1000－6133.2013.02.003

TN784

A

1000－6133(2013)02－0012－04

2013－02－07

研究與設(shè)計