智能化電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

張興超，王 陸

（昆明理工大學津橋學院電氣與信息工程學院，云南昆明 650106）

0 引言

電力系統(tǒng)自動化程度的提高使得“智能電網(wǎng)”被逐漸運用于電力系統(tǒng)中解決電能使用的諸多問題。作為智能電網(wǎng)末端的監(jiān)測單元，智能電力儀表主要用于采集電壓、電流、頻率、相位、功率和電能等電力基礎信息，以提高電力資源的利用率。當前大規(guī)模集成電路的廣泛應用，使得電力儀表已從簡單的零部件發(fā)展到了集多種功能于一體的集成部件型式。電力行業(yè)對其豐富的功能性要求也賦予了電力儀表更多的職能。

隨著各種用電設備的急劇增加，電力系統(tǒng)的整體規(guī)模逐漸變大、結構更為復雜，電力部門及用戶對電力網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)也提出了更為嚴格的功能要求。比如，電能的均衡有效利用、電量信息的遠程實時監(jiān)控、遠程抄表及電費自動結算等。而傳統(tǒng)電力儀表大都存在硬件結構復雜、功能較為單一、測量精度低以及缺乏遠程通信功能等問題；嚴重影響了電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測效果，制約了智能電網(wǎng)的發(fā)展。

鑒于此，提出一種基于嵌入式技術的智能化電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)主要由多功能電力儀表、無線傳感器節(jié)點、以太網(wǎng)控制模塊、自動校準軟件及遠程監(jiān)控中心等組成?？梢詽M足智能電力儀表多功能、智能化和網(wǎng)絡化的要求，具有一定的可行性，便于工程實現(xiàn)。

1 電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體概況

分析當前多功能電力儀表的發(fā)展現(xiàn)狀及市場需求，結合其技術要求與可行性，所設計的智能化電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)包括以下功能：①具備電力儀表的基本功能、可選擇的接線方式，且精度較高；②主機具備報警功能、能夠對從機進行綜合管理，其監(jiān)控設備配有備用電源；③可實現(xiàn)主機分時段存儲從機累積電能，也可以用戶單獨累計測量電能；④具有完整的通信功能，能夠滿足遠程抄表及電費自動結算的需要[1]。系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

2 電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構

根據(jù)智能化電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的整體組成概況，結合其功能需求；該系統(tǒng)應能夠對電力設備的信息進行實時采集和監(jiān)控，并將采集數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，以便系統(tǒng)分析處理后對電力設備的運行狀態(tài)進行合理的判斷和控制。利用模塊化的開發(fā)方式設計的系統(tǒng)硬件結構主要包括無線傳感器節(jié)點、基站和遠程監(jiān)控中心等3部分[2-3]。

無線傳感器節(jié)點由多功能電力儀表和微型無線傳感裝置組成，用于數(shù)據(jù)的采集及校正。其硬件結構如圖2所示。多功能電力儀表是基于STM32+ATT7022E開發(fā)的智能化三相電力儀表，可實現(xiàn)電壓、電流、頻率、相位、功率和電能等電力基礎信息的采集和處理，具有結構簡單、測量精度高、功耗低的特點。微型無線傳感裝置包含微型傳感器和無線信號收發(fā)模塊，可實現(xiàn)與基站間的電力參量無線傳輸。

圖1 系統(tǒng)整體結構

圖2 無線傳感器節(jié)點硬件結構

基站由無線傳感器匯聚節(jié)點、以太網(wǎng)控制模塊和電力儀表自動校準軟件組成。基站接收到無線傳感器節(jié)點發(fā)送的電力信息后；首先對采集數(shù)據(jù)初步處理；再利用自動校準軟件進行誤差計算，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效域校正；最后將校正指令自動發(fā)回現(xiàn)場多功能電力儀表，達到消除運行誤差的目的；與此同時，通過以太網(wǎng)控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心進行顯示，完成遠程監(jiān)控任務。

遠程監(jiān)控中心配有專用服務器，內置大型數(shù)據(jù)庫。具有運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，電量信息的越限報警，故障數(shù)據(jù)的存儲，歷史曲線和專家報表的查詢等功能。既可以人工手動遠程控制，也可以自動決策進行故障的遠程處理。

3 無線傳感器節(jié)點的軟件功能

智能化電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能由無線傳感器節(jié)點程序、以太網(wǎng)通信程序、儀表自動校準程序及遠程監(jiān)控程序等若干子程序組成。其中無線傳感器節(jié)點由多功能電力儀表和微型無線傳感裝置構成，是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎。利用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，結合C語言和循環(huán)體+中斷的軟件結構對其功能程序進行設計。無線傳感器節(jié)點軟件功能如圖3所示。

圖3 無線傳感器節(jié)點軟件功能

4 結語

電力工業(yè)的飛速發(fā)展使得各種用電設備急劇增加，電力系統(tǒng)規(guī)模變大、運行更為復雜，嚴重影響了電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測效果，制約了智能電網(wǎng)的發(fā)展。提出一種基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)的智能化電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，從硬件結構和軟件功能的角度詳細介紹了電力儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)主要由無線傳感器節(jié)點、基站和遠程監(jiān)控中心等組成。能夠完成智能化電力儀表的遠程監(jiān)控任務，具有較高的可靠性和實時性，可滿足實際應用的需求。