基于Modem通信的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)可靠傳輸及降低運(yùn)行成本，在研究Modem通信的適應(yīng)性及其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于Modem通信的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集系統(tǒng)。介紹了四象限電能測(cè)量原理及其功率表達(dá)式推導(dǎo)，并運(yùn)用ARM9作為主控芯片，以及時(shí)鐘、復(fù)位等外圍電路構(gòu)成電能質(zhì)量參數(shù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、時(shí)鐘頻率高、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。本系統(tǒng)完成了多個(gè)變電站的通信及電能質(zhì)量參數(shù)采集，運(yùn)行狀態(tài)好，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：變電站;Modem;最小系統(tǒng)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)自動(dòng)化水平的不斷提高，曾被廣泛應(yīng)用的“一站一表”人工抄表模式已不能滿(mǎn)足當(dāng)今電力網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展要求。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理方式向著遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)在線采集及共享的方向快速發(fā)展。在理想運(yùn)行中，監(jiān)測(cè)的電能應(yīng)為對(duì)稱(chēng)正弦波信號(hào);然而，實(shí)際運(yùn)行中由于非線性負(fù)荷等因素的影響造成功率因素降低、諧波電流增大等問(wèn)題，使得信號(hào)波形偏離對(duì)稱(chēng)正弦形式。因此，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)階段的電能質(zhì)量參數(shù)采集的主要方式有：自動(dòng)采集、隨機(jī)召測(cè)和主動(dòng)上報(bào)等。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通常會(huì)采用聯(lián)合采集方式以便于數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。電能質(zhì)量參數(shù)采集系統(tǒng)主要通信方式有：光纖專(zhuān)網(wǎng)通信、GPRS/CDMA無(wú)線公網(wǎng)通信、電力線載波通信以及RS-485等。本文所述系統(tǒng)采用電話(huà)撥號(hào)抄表通訊方式完成數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約了通訊資源和運(yùn)行成本;并研究了串行輸入接口和USB輸出插頭的模擬通道轉(zhuǎn)串口通信的調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由變電站電能表、數(shù)據(jù)采集終端、標(biāo)準(zhǔn)Modem、端口轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)五部分組成。

如圖1所示，本系統(tǒng)采用DTZ341(配置號(hào)為B1V1.2)三相四線智能電能表，電壓測(cè)量范圍：三相80%Un～120%Un;

互感式接入方式的電流測(cè)量范圍為：0.3(1.2)A，1(2)A，1.5(6)A，5(6)A，工作溫度為-25℃～60℃;

電能表與數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)RS485線相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸;

數(shù)據(jù)采集終端可以完成電能質(zhì)量參數(shù)采集、本地或遠(yuǎn)程設(shè)置表計(jì)檔案與終端運(yùn)行參數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，與Modem采用串行連接，通過(guò)數(shù)據(jù)的收發(fā)，

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸;

端口轉(zhuǎn)換器采用高度集成的PL2303芯片，完成串口轉(zhuǎn)USB的功能。

2 電能計(jì)量基本原理

電能在電網(wǎng)的傳輸過(guò)程中，電網(wǎng)供給負(fù)荷的電功率包括有功功率和無(wú)功功率。在輸電電能突然增加時(shí)，感性負(fù)載和容性負(fù)載可以存儲(chǔ)一部分能量;而當(dāng)輸電電能不足時(shí)，則釋放能量補(bǔ)充。圖2為四象限電能測(cè)量原理。

圖2中P表示有功電能;Q表示無(wú)功電能;RL表示感性無(wú)功元件;RC表示容性無(wú)功元件。QⅠ在輸出有功的同時(shí)還輸出感性無(wú)功;QⅡ在輸入有功的同時(shí)還輸出容性無(wú)功;QⅢ在輸入有功的同時(shí)輸入感性無(wú)功;QⅣ在輸出有功的同時(shí)還輸出無(wú)功，下標(biāo)表示象限區(qū)域。在電能計(jì)量時(shí)，可將電能按四個(gè)象限分別計(jì)量。

設(shè)每周期采樣次數(shù)為N，連續(xù)量離散化可得有功功率：

同理也可得到視在功率和無(wú)功功率的表達(dá)式。通過(guò)智能電表的電壓電流測(cè)量，計(jì)算可得到有功、無(wú)功功率。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 智能電表

智能電表結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)，具有自動(dòng)校正、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、運(yùn)算及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信等功能。電能表由電流互感器、集成計(jì)量芯片、微控制器、溫補(bǔ)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)接口設(shè)備和人機(jī)接口設(shè)備組成，采集的基本監(jiān)測(cè)量包括頻率、電壓、電流有效值、有功、無(wú)功功率等參數(shù)。集成計(jì)量芯片將電壓和電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字積分運(yùn)算，從而精確地獲得有功電能和無(wú)功電能，微控制器依據(jù)相應(yīng)費(fèi)率和需量等要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并隨時(shí)向外部接口提供信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其電能表原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集終端硬件電路

數(shù)據(jù)采集終端是由獨(dú)立功能的各類(lèi)電路子板組合而成，各子板通過(guò)PCI連接到一塊總線底板上，分為RS-485通信板、Modem通信板、電流環(huán)(CS)采集板、脈沖采集板、CPU板、顯示與鍵盤(pán)板、總線底板和本機(jī)電源板。本數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)RS-485與電表通信，按已設(shè)置要求采集電能表數(shù)據(jù)，經(jīng)主處理器分析、處理保存后，通過(guò)撥號(hào)Modem遠(yuǎn)傳通道傳輸至主站系統(tǒng)。圖4為數(shù)據(jù)采集終端電路原理示意圖。本系統(tǒng)是是采用WFET-3000的電能量數(shù)據(jù)采集終端。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集終端最小系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集終端CPU采用高性能32位嵌入式RISCCPU(ARM9內(nèi)核)-S3C2410處理器。

具有16KB指令Cache、16KB數(shù)據(jù)Cache和存儲(chǔ)器管理單元;LCD控制器支持4K色的STN和256K色的TFT;電源控制模式有標(biāo)準(zhǔn)、慢速、休眠和掉電4種模式，可根據(jù)不同需要進(jìn)行設(shè)置。圖5為數(shù)據(jù)采集終端最小系統(tǒng)硬件電路，列出時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等部分管腳的外圍電路。

3.2.2 供電模塊

在數(shù)據(jù)采集終端電路中的電源環(huán)節(jié)，如圖6設(shè)計(jì)了電源驅(qū)動(dòng)電路。采用MP2303將電源電壓裝換為3.3V直流電壓。輸出電壓通過(guò)反饋電阻R58和R59接地電阻調(diào)節(jié)，并應(yīng)滿(mǎn)足下式：

3.3 端口轉(zhuǎn)換器

端口轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)通用串口與計(jì)算機(jī)USB接口之間的轉(zhuǎn)換，使得傳統(tǒng)串口設(shè)備變成即插即用的USB設(shè)備，擴(kuò)大了實(shí)際運(yùn)用中的監(jiān)測(cè)條件。PL2303是一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，具有RS232全雙工異步串行通信。PL2303的TXD引腳和RXD引腳分別與RS232的TXD引腳和RXD 引腳相連，DM引腳和DP引腳與計(jì)算機(jī)USB接口的兩條信號(hào)線相連，以及其它晶振等外圍元件的工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集終端串口與USB接口的轉(zhuǎn)換及通訊。圖 7為端口轉(zhuǎn)換器硬件電路圖。

4 遠(yuǎn)程通信

4.1 Modem通信

信息的傳遞是通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來(lái)完成的，通常是將采集到的數(shù)據(jù)借助發(fā)送設(shè)備，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸信道，被接收設(shè)備所獲取。本文所述系統(tǒng)采用電話(huà)撥號(hào)的通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信。

Modem通信是通過(guò)電話(huà)線、通訊設(shè)備及調(diào)制解調(diào)器來(lái)完成的。實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)間轉(zhuǎn)換。而在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)有一定概率的誤差，即為量化噪聲，其強(qiáng)度受本地電話(huà)線路質(zhì)量和通訊速率的影響。而本文采用非對(duì)稱(chēng)式的V.90/K56Flex Modem，是以Rockwell的RC56D芯片組為主控制器的高速調(diào)制解調(diào)器，芯片組包括MCU芯片、MDP(modem data pum p)芯片和RCDSVD SCP(speech code processor)芯片等，可以減少一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)而減少量化噪聲。圖8為串行DTE硬件結(jié)構(gòu)及其接口框圖。

MCU是8位的微處理器，工作電壓為5V，主振頻率為28.224MHz。MDP實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收為不對(duì)稱(chēng)方式。ROM/FLASH ROM用于存放MCU固件，實(shí)現(xiàn)對(duì)Modem的控制、設(shè)置等功能，而RAM用于數(shù)據(jù)緩存，用于發(fā)送和接收的調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)的存放。

4.2 通信規(guī)約

Modem通信協(xié)議包括ASCII、RTU等傳輸模式，其中RTU傳輸模式以十六進(jìn)制傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中每8位字節(jié)分成兩個(gè)4位16進(jìn)制的字符，最大限度利用了每個(gè)數(shù)據(jù)位的空間，數(shù)據(jù)傳輸效率高于ASCII模式。故本文也將采用RTU模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。表1為可變幀長(zhǎng)傳輸模式。

可變幀長(zhǎng)傳輸模式，可滿(mǎn)足實(shí)際需要的功能。本系統(tǒng)中采用低字節(jié)在前、高字節(jié)在后的傳輸方式，兩幀之間的線路空閑間隔最少需33位，且主站和子站可雙向傳輸數(shù)據(jù)。表1中68H和16H分別表示啟動(dòng)字符和結(jié)束字符;控制域?yàn)樵O(shè)置終端參數(shù)、系統(tǒng)時(shí)鐘、續(xù)傳、查詢(xún)終端系統(tǒng)信息等，通過(guò)鏈路地址域記錄數(shù)據(jù)終端設(shè)備地址;而鏈路用戶(hù)數(shù)據(jù)包含修改終端連接密碼、主動(dòng)查詢(xún)終端系統(tǒng)等數(shù)據(jù);幀校驗(yàn)和即為從控制域開(kāi)始到校驗(yàn)碼之前所有字節(jié)的累加。

數(shù)據(jù)采集終端的主要功能有數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等，是遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集的核心。系統(tǒng)初始化完畢之后，建立Modem通信，才可以進(jìn)行可變幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)的提取;當(dāng)收到電能質(zhì)量參數(shù)采集數(shù)據(jù)，傳送電能質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)并顯示和保存;當(dāng)收到檔案管理修改信息，將進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置表地址和波特率等的修改，圖9為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端控制流程圖。

本文對(duì)基于Modem的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)，圖10為遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集系統(tǒng)人機(jī)界面，包括檔案管理、通信連接、數(shù)據(jù)采集及維護(hù)測(cè)試四個(gè)操作功能模塊，其中檔案管理包括表計(jì)協(xié)議、表計(jì)地址及波特率等參數(shù)。在遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集之前，應(yīng)當(dāng)與采集終端建立通信連接，包括通信端口、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等的設(shè)置;通信方式則為撥號(hào)方式并在指定欄里填好終端電話(huà)號(hào)碼，等待通信建立語(yǔ)音提示;之后，即可點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集，選擇采集終端名稱(chēng)、數(shù)據(jù)采集起始時(shí)間、數(shù)據(jù)類(lèi)別(有功、無(wú)功等)。

6 總結(jié)

本文針對(duì)變電站電能質(zhì)量具體特點(diǎn)，分析了智能電表采集四象限電能測(cè)量的原理;以此為基礎(chǔ)，通過(guò)建立Modem通信方案實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量參數(shù)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。在運(yùn)行中，傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)在采集終端接收后通過(guò)端口轉(zhuǎn)換器傳輸給監(jiān)測(cè)終端。其中端口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)可以完成通用串口與計(jì)算機(jī)USB接口之間的轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)串口設(shè)備變成USB設(shè)備，具有即插即用的顯著特征。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集系統(tǒng)提高了變電站實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用中的整體監(jiān)測(cè)水平。

另外，基于Modem的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量參數(shù)采集系統(tǒng)的建立，極大降低了監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本和人力成本，具有實(shí)時(shí)性好、安全有效等優(yōu)點(diǎn)。