基于智能物聯電能表的電能質量監測系統設計

2024-09-24 00:00:00王杰張贏張孟甘季偉

物聯網技術 2024年5期

摘要：設計適用于智能物聯電能表的電能質量監測模組，組成電能質量監測系統，對電能數據進行采集和分析，計算穩態數據、暫態數據等指標，同時生成事件數據。將電能質量模組分析的結果存儲至模組，經集中器召測可反饋至物聯表的管理模組；然后通過HPLC的方式傳給集中器，集中器通過遠程通信方式（4G或以太網等）傳給主站，從而完成電能質量監測功能。通過實驗驗證了系統的可靠性，基于物聯表的電能質量模組具有優良的實時性和兼容性，可在多種應用場景下進行電能質量實時監測分析，具有良好的應用前景。

關鍵詞：智能物聯電能表；電能質量；監測系統；電能數據；集中器；計量產品

中圖分類號：TP27；TM933 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-06

0 引言

隨著智能電網的不斷發展，清潔能源并網、非線性負荷用電在產生大量諧波的同時，也可能引起電壓暫降、暫升、閃變或頻率的變化，對電網電能質量造成較大影響，直接影響電網運行安全、企業的正常生產，造成大量經濟損失[1-5]。電能質量監測分析可以使得電力部門全面、準確地掌握電能質量狀況，對電能質量水平做出綜合評價，進而找出擾動原因并減輕干擾的影響，幫助供電公司在規劃中正確地改善供電系統結構，提高系統運行的穩定性[6-8]。因此對系統電能質量進行長期監測分析是電能質量管理的必要工作。

近年來，計量產品的功能日益強大，除了基礎的計量功能外，還有針對不同應用場景的多種功能。智能物聯電能表（以下稱為“物聯表”）與智能電能表相比，在滿足準確計量的基礎上，還可以增加諧波計量、電能質量監測、無功計量（單相）、光伏監測、負荷辨識、狀態感知等擴展功能，能夠滿足新型電力系統和能源互聯網建設下不同典型場景的應用需求[9-10]。

基于物聯表研制的電能質量模組，可實現對電網電能質量的實時監測以及對電能數據的統計和分析，從而實現就地參與用戶負荷的電能質量監測分析。本文設計的系統采用模塊化設計及標準化接口，可與現有用采系統數據交互，配合實現數據分析及管理功能，具有良好的應用前景。

1 總體設計

本文的電能質量監測系統架構如圖1所示，由計量模組、管理模組、上行模組及電能質量監測模組組成。計量模組和管理模組采用物理分離原則，計量模組是實現高可靠性、長壽命的必要部分，不允許進行軟件升級。管理模組承擔整表的管理任務，主要包括費控、顯示、需量、對外通信、事件記錄、數據凍結、負荷控制等任務，支持軟件升級。上行模組具備強電接口，主要用于與集中器的上行載波通信，傳送電能質量分析結果。電能質量監測模組作為物聯表的功能擴展模組與物聯表連接，采集物聯表計量模組輸出的原始采樣周波信號，并對采樣信號進行計算、統計和分析，得到電能質量監測數據，并將該監測數據存儲至模組存儲單元，等待上級集中器的召測。電能質量監測模塊的尺寸和硬件接口采用統一參數，可與其他功能擴展模塊互換安裝。

針對用電端用戶，集中器可每日采集電能質量模組監測數據和事件，上報主站，繪制電能質量情況曲線圖，周期性展示電能質量數據統計概覽和事件概覽，結合用戶檔案信息生成不同類型用戶電能質量特征庫。通過主站側展示及存儲的電能質量相關數據，實現各類用戶產權分界點電能質量數據在線監測，還可以為用電端電能質量的優化提升提供有力技術支撐，向用戶提供電能質量監測、分析、改造等更精準的服務，并可為計量點異常分析提供更為詳實的數據支撐。

2 硬件設計

2.1 計量模組設計

按照上述總體設計方案，進一步設計物聯表計量模組硬件系統。采用模組化思路設計，模組之間采用接插件方式直連，便于生產和維護。硬件上計量模組與管理模組通過SPI和UART接口實現數據的通信，同時計量模組還支持擴展模組SPI接口，電能質量模組與計量模組采用SPI單向通信，計量模組為主，電能質量模組為從，計量模組向電能質量模組實時發送原始數據，從而進行電能質量分析。物聯表計量模組的原理框圖如圖2所示。

2.2 電能質量監測模組設計

本文設計電能質量模組，作為物聯表的功能擴展模組與物聯表連接，通過采集物聯表計量模組輸出的原始采樣周波信號，并對采樣信號進行計算、統計和分析，得到電壓偏差、頻率偏差、電壓合格率統計、諧波含有率、間諧波含有率等電能質量監測數據，并反饋給物聯表的管理模組；然后通過HPLC的方式傳給集中器，集中器通過遠程通信方式（4G或以太網等）傳給主站，從而完成電能質量監測功能。同時可將事件數據存儲至本地后等待上級集中器的召測分析。

模組選用HC32T460芯片，通過SPI接口和UART接口與物聯表連接，讀取計量數據及指令；通過I2C接口和SPI接口與數據存儲模組連接；通過UART接口與485通信模組連接。模組硬件原理如圖3所示。

模組存儲單元采用FRAM、E2PROM和Nor FLASH結合的方式實現。選用長壽命的FRAM可以緩解軟件的存儲壓力，防止數據丟失。模組存儲單元設計如圖4所示。

2.3 系統通信設計

電能質量監測系統上行主要通過物聯表的上行模組與上級集中器通信，通信方式為HPLC，用于向集中器傳送電能質量監測數據，或接收主站召測指令。

電能質量監測模組與物聯表的通信采用SPI和UART接口。模組具有與標準物聯表兼容的接口，其接口定義見表 1所列。

基于上述標準接口，電能質量監測模組通信電路設計如圖5所示。

電能質量監測模組另擴展設計一路RS 485通信，用于模組的維護調試或其他擴展應用。RS 485通信基于HM3085EESA芯片來實現，其硬件電路如圖6所示。

3 軟件設計

3.1 通信設計

電能質量監測模組與計量模組采用 SPI 單向通信，計量模組為主，電能質量監測模組為從，計量模組向電能質量監測模組實時發送原始數據。

物聯表管理模組檢測到電能質量監測模組插入之后，管理模組將讀取電能質量監測模組信息，并完成信息注冊的過程。

物聯表管理模組與電能質量監測模組注冊成功后，請求計量模組啟動采樣數據輸出；計量模組收到管理模組啟動采樣數據輸出命令后，應按照配置周波點數向電能質量監測模組實時發送原始數據；管理模組一旦檢測到電能質量監測模組被拔出，便停止與電能質量監測模組的通信，并通知計量模組停止采樣數據輸出。

電能質量監測模組與計量模組原始數據輸出采用特定的計量模組采樣輸出擴展協議，為保證通信可靠性，協議設計有幀序號、校驗碼等進行判斷。當發生校驗錯誤或者丟幀等異常，電能質量監測模組會記錄SPI通信異常事件。

3.2 電能質量分析功能

電能質量監測模組在獲取電能數據后，可實現電能質量監測功能，該功能滿足表2、表3、表4所列的要求。

本系統的電能質量計算流程如圖7所示。電能質量監測模組通過物聯表計量芯片獲取電能數據，并按照上述要求完成暫態指標、穩態指標及事件的計算和存儲。

本系統電能質量召測流程如圖8所示。當集中器下發召測指令后，電能質量監測模組對指令進行解析，并讀取相應的數據，再進行規約組包，上傳至集中器，完成數據召測功能。

4 案例分析

為驗證本文中電能質量監測系統是否滿足要求，采用以下硬件平臺進行實驗：CPU采用性能不低于Cortex-M4的架構，主頻不低于60 MHz；內存不應低于512 KB；FLASH容量不低于1 MB。本文實驗環境如圖9所示。

首先通過PTC-8320M型三相臺體給三相智能物聯電能表加量。集中器通過DL/T 698 協議獲取電能質量監測模組的對應測量數據，通過與理論值比較判斷計算出來的數據是否滿足指標要求。實驗結果見表5、表6、表7所列。

由以上實驗結果可知，本文設計的電能質量監測系統能夠完成對電能質量指標的計算和召測，計算結果符合產品標準要求。

另外，為了驗證本系統的兼容性，在不同配置的硬件平臺上應用本系統。使用結果表明，在安裝、使用、卸載應用軟件方面，本文設計的電能質量監測系統都可以正常操作。在所述硬件平臺上運行應用軟件，可執行正常業務，不影響其他功能的正常運行。在安裝、使用、卸載過程中，不影響電能表上其他功能的正常運行。

5 結語

本文提出了基于智能物聯電能表的電能質量監測系統設計方案，分別對物聯表及電能質量監測模組進行了硬件及軟件設計。通過實驗，驗證了基于智能物聯電能表的電能質量監測系統的可靠性，滿足智能物聯電能表對現場電能質量監測的要求。基于物聯表的電能質量模組，具有優良的實時性和兼容性，可在多種應用場景下進行電能質量實時監測分析，具有良好的應用前景。

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作者簡介：王杰（1983—），女，碩士，工程師，研究方向為物聯表技術。