電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究
日期: 2018-12-01一、前言
電力系統(tǒng)作為國家經(jīng)濟(jì)的命脈，作為國民生產(chǎn)的重要保障之一，它也與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。伴隨國家科技水平的提高，民用和工業(yè)的需電量增長迅速，導(dǎo)致越來越大的電網(wǎng)規(guī)模和日趨復(fù)雜的總體結(jié)構(gòu)，這就需要更高的電網(wǎng)的運行和管理要求。為用戶的用電的安全和保證用電設(shè)備穩(wěn)定運行，需采用一些重要措施，通過電表對電網(wǎng)的功率、電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行時效性監(jiān)測就是其一。普通電力儀表其功能和結(jié)構(gòu)單一化、遠(yuǎn)程通信功能缺失等特點，這限制電力儀表的實時監(jiān)測性。近些年，日益成熟的嵌入式技術(shù)與通信技術(shù)，促進(jìn)了功能多樣化的智能儀表和監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也就應(yīng)運而生。
二、電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體概況
電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控和收集設(shè)備的耗電信息，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后把設(shè)備收集的數(shù)據(jù)信息發(fā)至電表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)再對用電信息進(jìn)行分析、統(tǒng)計和匯總，判斷并合理控制用電設(shè)備的運行狀況，達(dá)到對用電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。參照電網(wǎng)實際的運行需要，要求該運程監(jiān)控系統(tǒng)的功能對數(shù)據(jù)及時有效地采集，通信聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定安全，從而使得遠(yuǎn)程控制操作精準(zhǔn)。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)的方式，主要分為數(shù)據(jù)的收集與校準(zhǔn)、傳感網(wǎng)匯聚結(jié)點和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三大部分。
（一）數(shù)據(jù)的收集與校準(zhǔn)
數(shù)據(jù)的收集與校準(zhǔn)由電力系統(tǒng)中在網(wǎng)的用電設(shè)備和監(jiān)控區(qū)的微型傳感裝置完成，傳感器的終端由多功能電表完成數(shù)據(jù)收集的重要任務(wù)，數(shù)據(jù)通信則通過無線傳輸模塊完成。無線傳感網(wǎng)由各傳感器節(jié)點構(gòu)成，根據(jù)組網(wǎng)協(xié)議組成靈活自主的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將該網(wǎng)絡(luò)劃分成眾多小分區(qū)，各分區(qū)再對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與處理[1]。
（二）基站的傳感網(wǎng)匯聚結(jié)點
基站的傳感網(wǎng)通過無線傳輸將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站的網(wǎng)絡(luò)匯聚結(jié)點。
基站中對數(shù)據(jù)做初步處理，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的有效域，通過基站中設(shè)置的PC 機(jī)及其電力儀表自動較正軟件實現(xiàn)基站的功能，PC 機(jī)接受無線傳感網(wǎng)傳送過來的儀表測量初始值，在后臺對傳輸過來的測量初始值自動較正，計算其誤差及校準(zhǔn)值，再由PC 機(jī)將儀表較正指令反饋至現(xiàn)場的監(jiān)控儀表，實現(xiàn)儀表自行校準(zhǔn)運行誤差的功能。在基站中安置基于電表數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析管理的軟件，一般基站的PC 機(jī)可掛載的儀表數(shù)量在100 個左右。PC 機(jī)可發(fā)送控制命令并讀取并顯示儀表的數(shù)據(jù)于監(jiān)控界面，數(shù)據(jù)經(jīng)再處理反饋給PC 機(jī)。PC 機(jī)是有線和無線通信方式的樞紐，基站沒有數(shù)據(jù)的存儲功能，將以太網(wǎng)的控制模塊內(nèi)置于PC 機(jī)，便于監(jiān)測數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸并儲存數(shù)據(jù)于遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。
（三）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心
監(jiān)控中心擁有大型的數(shù)據(jù)庫，內(nèi)部存有各種歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)、運行標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和故障維護(hù)數(shù)據(jù)等。監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)比較數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)數(shù)據(jù)與當(dāng)前運行數(shù)據(jù)，參數(shù)運行超限將進(jìn)行報警分析，當(dāng)電表的電流、電壓或功率過高時，監(jiān)控系統(tǒng)的PC 機(jī)會發(fā)送警告信息，分析并顯示報警地址和原因。通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，工作人員可采取下一步操作，手動進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。若在一定時間內(nèi)無手動操控時，監(jiān)控系統(tǒng)會自動進(jìn)行故障的遠(yuǎn)程處理[2]。
（一）數(shù)據(jù)的收集與校準(zhǔn)
數(shù)據(jù)的收集與校準(zhǔn)由電力系統(tǒng)中在網(wǎng)的用電設(shè)備和監(jiān)控區(qū)的微型傳感裝置完成，傳感器的終端由多功能電表完成數(shù)據(jù)收集的重要任務(wù)，數(shù)據(jù)通信則通過無線傳輸模塊完成。無線傳感網(wǎng)由各傳感器節(jié)點構(gòu)成，根據(jù)組網(wǎng)協(xié)議組成靈活自主的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將該網(wǎng)絡(luò)劃分成眾多小分區(qū)，各分區(qū)再對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與處理[1]。
（二）基站的傳感網(wǎng)匯聚結(jié)點
基站的傳感網(wǎng)通過無線傳輸將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站的網(wǎng)絡(luò)匯聚結(jié)點。
基站中對數(shù)據(jù)做初步處理，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的有效域，通過基站中設(shè)置的PC 機(jī)及其電力儀表自動較正軟件實現(xiàn)基站的功能，PC 機(jī)接受無線傳感網(wǎng)傳送過來的儀表測量初始值，在后臺對傳輸過來的測量初始值自動較正，計算其誤差及校準(zhǔn)值，再由PC 機(jī)將儀表較正指令反饋至現(xiàn)場的監(jiān)控儀表，實現(xiàn)儀表自行校準(zhǔn)運行誤差的功能。在基站中安置基于電表數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析管理的軟件，一般基站的PC 機(jī)可掛載的儀表數(shù)量在100 個左右。PC 機(jī)可發(fā)送控制命令并讀取并顯示儀表的數(shù)據(jù)于監(jiān)控界面，數(shù)據(jù)經(jīng)再處理反饋給PC 機(jī)。PC 機(jī)是有線和無線通信方式的樞紐，基站沒有數(shù)據(jù)的存儲功能，將以太網(wǎng)的控制模塊內(nèi)置于PC 機(jī)，便于監(jiān)測數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸并儲存數(shù)據(jù)于遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。
（三）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心
監(jiān)控中心擁有大型的數(shù)據(jù)庫，內(nèi)部存有各種歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)、運行標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和故障維護(hù)數(shù)據(jù)等。監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)比較數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)數(shù)據(jù)與當(dāng)前運行數(shù)據(jù)，參數(shù)運行超限將進(jìn)行報警分析，當(dāng)電表的電流、電壓或功率過高時，監(jiān)控系統(tǒng)的PC 機(jī)會發(fā)送警告信息，分析并顯示報警地址和原因。通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，工作人員可采取下一步操作，手動進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。若在一定時間內(nèi)無手動操控時，監(jiān)控系統(tǒng)會自動進(jìn)行故障的遠(yuǎn)程處理[2]。
2 大型公建實現(xiàn)電能分項計量管理的目的為了推動公共機(jī)構(gòu)節(jié)能，提高公共機(jī)構(gòu)能源利用效率。發(fā)揮公共機(jī)構(gòu)在全社會節(jié)能中的表率作用，國務(wù)院令第531號《公共機(jī)構(gòu)節(jié)能條例》第14條明確指出：公共機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)實行能源消費計量制度，區(qū)分用能種類，用能系統(tǒng)實行能源消費分戶、分類、分項計量，并對能源消耗狀況實行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)、糾正用能浪費現(xiàn)象。建筑部推出建科[2008]114號文附件3：《國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)———樓宇分項計量設(shè)計安裝技術(shù)導(dǎo)則》，對電能分項計量的分類、設(shè)計、安裝、驗收等進(jìn)行了規(guī)范。江蘇、上海等地方分別推出蘇建科[2007]217號文《江蘇省公共建筑用能計量設(shè)計規(guī)定》和滬建交[2008]828號文《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)本市民用建筑設(shè)備專業(yè)節(jié)能設(shè)計技術(shù)管理的通知》，進(jìn)一步明確提出對主要用電設(shè)施分項計量，對辦公樓、商場、宿舍等應(yīng)計量到經(jīng)濟(jì)核算單元，對醫(yī)療病房、賓館客房、學(xué)校教室應(yīng)按樓層或功能分區(qū)計量等等。由此可見，大型建筑實現(xiàn)電能分項計量管理，可及時發(fā)現(xiàn)、糾正用電浪費，并為建筑節(jié)能考核提供數(shù)據(jù)。
三、優(yōu)化設(shè)計無線傳感器的節(jié)點
無線傳感器由監(jiān)測區(qū)內(nèi)微型傳感器節(jié)點構(gòu)成。傳感器節(jié)點的合理構(gòu)建是傳感網(wǎng)建立的重要硬件基礎(chǔ)。節(jié)點由四大部分構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線信號收發(fā)模塊及電源部分，傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
數(shù)據(jù)收集模塊檢測電力設(shè)備的三相基本電參量（有效電壓值、有效電流值、頻率、視在功率、有功功率、無功功率、視在能量、有功能量、無功能量及電流電壓的相序等）。及時并準(zhǔn)確地收集電流和電壓瞬時值是參數(shù)測量的重點。為確保數(shù)據(jù)收集的時效性，電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用16位單片機(jī)微處理器作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，1.8-3.6V 的工作電壓范圍，運行耗電量為250μA/MIPS，以較低功率在電壓低的狀態(tài)下工作；RISC 體系結(jié)構(gòu)的指令發(fā)送速度快，DMA 和16位的硬件乘法器等先進(jìn)的結(jié)構(gòu)體系，很大程度地提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運算及處理性能。傳感網(wǎng)的短距離傳輸數(shù)據(jù)一般采用ZigBee 技術(shù)，一種功耗、成本和復(fù)雜度低的雙向無線通信傳輸方式，協(xié)議簡單、成本低廉和組網(wǎng)范圍大使之成為目前無線傳輸廣泛應(yīng)用的方式。本系統(tǒng)選用CC2430 作為適應(yīng)于上述節(jié)點的射頻芯片，用ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議棧構(gòu)成CC2430 模塊，CC2430 芯片的電壓具有較寬的范圍（2.0~3.6V），具有功能適應(yīng)性強(qiáng)、功率小、反應(yīng)靈敏及抵抗干擾能力強(qiáng)等特點，符合設(shè)計的要求，同時能支持強(qiáng)大的集成研發(fā)能力。通過SPI 接口進(jìn)行CC2430 模塊的訪問，發(fā)送和接受實時數(shù)據(jù)。將節(jié)點上傳的數(shù)存儲于FlASH 存儲器，并存儲網(wǎng)關(guān)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實時監(jiān)測值，串行FLASH 存儲則采用AT45DB041B芯片。
四、系統(tǒng)管理軟件的設(shè)計
監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件把μC/OS- Ⅱ 操控系統(tǒng)移至MSP430F1611 微處理芯片。本設(shè)計相較一般嵌入式的操控系統(tǒng)，具有高的擴(kuò)展比和執(zhí)行效率、小的占用空間等特點，基本符合遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的實時響應(yīng)要求。系統(tǒng)管理軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，將數(shù)據(jù)的收集和匯總至基站的PC機(jī)中。
五、結(jié)語
針對電力儀表運程監(jiān)控設(shè)備運行的復(fù)雜問題，基于傳感網(wǎng)的無線監(jiān)測系統(tǒng)，在傳感網(wǎng)的結(jié)點內(nèi)，采集傳感器的電流和電壓數(shù)據(jù)，通過MSP430F1611 芯片初步處理電力參數(shù)，再由通信模塊把監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。采用無線收發(fā)模塊（CC2430）實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，通過FLASH 儲存現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用Zigbee 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。基站PC 機(jī)采用現(xiàn)場管理和校正無線節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，較正電力儀器，保證準(zhǔn)確有效地采集數(shù)據(jù)。
備案號：滬ICP備18025528號-1