羅書克 張元敏

(許昌學院電氣信息工程學院，河南 許昌 461000)

0 引言

目前，遠程自動抄表通信方法較多，主要有RS-485總線方式、GSM方式以及基于PDA的抄表方式［1－3］，最近又出現(xiàn)了紅外、藍牙方式［4－5］。但無論上述哪種方式，都存在初期建設投資大或抄表過程占用大量人力物力的不足。隨著人民生活水平的提高，家用感性電器越來越多，消耗無功電能也越來越多［6］。由家用無功電能產(chǎn)生的線路損耗不可忽視，而目前對家用無功補償?shù)难芯炕咎幱诳瞻谞顟B(tài)。

本文所述的基于電力輸電線路集中抄表系統(tǒng)是利用現(xiàn)有中低壓輸電線路進行電能、電壓、電流、功率因數(shù)和頻率等數(shù)據(jù)信息傳輸并進行智能監(jiān)控管理的一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)集微電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有可靠性高、安裝簡單的特點，廣泛適用于城市、農(nóng)村特別是偏遠山區(qū)電表的抄讀，具有對用戶消耗的無功電能進行實時補償［7］、超時限欠費自動遠程斷電以及監(jiān)測、診斷等功能，可實現(xiàn)信號遠距離、不同電壓等級間的傳輸［8］，不需專門的無功補償裝置，成本低，建設周期短，優(yōu)勢明顯。

1 系統(tǒng)組成

本文所設計的電力載波智能抄表系統(tǒng)主要由上位計算機、信號轉(zhuǎn)換器、信號耦合器、采集器和智能電表組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall structure

本系統(tǒng)可以對一個城市的所有用電用戶進行智能抄表。每個用戶的電表把計量本用戶所用電能通過RS-485總線上傳至小區(qū)采集器，采集器接收每個用戶上傳的電能信息并對整個小區(qū)所用電能進行總的計量，然后把電能信號通過擴頻技術(shù)上傳至輸電線路。由于輸電線路存在配電變壓器，電能計量信號不能通過配電變壓器，為了實現(xiàn)電能信號的遠距離傳輸，研制了電能信號耦合器。當電能信號需要經(jīng)過變壓器時，電能信號就通過信號耦合器把變壓器旁路掉，實現(xiàn)電能信號的遠距離傳輸。信號轉(zhuǎn)換器是為了把電能信號和市電電力信號分離開而設置的。通過信號轉(zhuǎn)換器，被分離出來的電能信號通過RS-485總線上傳至集中抄表計算機。

2 用戶電表

用戶電表是計量本用戶所用電能多少的計量工具。為了提高用電的智能性，本電表在設計過程中充分考慮了這方面的功能。電表內(nèi)部具有電能計量、電壓電流瞬時值和有效值以及頻率和功率因數(shù)等的檢測，另外設置有無功補償單元和用戶出線控制單元。這些信息均可通過RS-485通信口上傳至數(shù)據(jù)采集器并最終送給上位機管理系統(tǒng)，且上位機管理系統(tǒng)也可以控制電表運行狀況。此外，利用編碼技術(shù)編制電表地址，保證電表地址的唯一性。

上傳數(shù)據(jù)信息包括地址、電能信息。為了提高上傳數(shù)據(jù)的準確性，在上傳數(shù)據(jù)過程中采用了CRC校驗。在上傳的用戶電能信息中，包括有功電能和無功電能兩部分。采集無功電能主要是為了實現(xiàn)無功補償，減少無功電能的損耗，提高電力線路的輸電效率。有功、無功電能的采集主要是通過電能計量芯片CS5460來實現(xiàn)。通過CS5460不但能采集到電能信息，還能采集到瞬時電壓、電流，電壓電流的有效值，以及功率因數(shù)、頻率等信息。這些信息的采集，為智能電網(wǎng)在用戶級的實現(xiàn)提供了實時信息。電能信息采集電路如圖2所示。

圖2 電能信息采集電路Fig.2 Acquisition circuit of power energy information

地址分為多層地址，共占用3個字節(jié)，可以實現(xiàn)對多達224只電表的管理，基本可以滿足一個城市聯(lián)網(wǎng)的需要。

采集到的各種信息可以通過液晶顯示部分顯示出來。此外，為了實現(xiàn)無功電能的實時補償，在電表內(nèi)部集成了無功補償單元。該補償單元可使外部輸入無功最小甚至為零，使用戶的用電功率因數(shù)大于0.98。無功補償電路如圖3所示。

圖3 電表內(nèi)部無功補償電路Fig.3 Reactive power compensation circuit inside the meter

系統(tǒng)通過采集到的無功和功率因數(shù)信息來調(diào)節(jié)并入電容的數(shù)值。該無功補償為有級補償，這種補償方式可使用戶終端的功率因數(shù)和入戶無功保持在某一范圍之內(nèi)。系統(tǒng)中的各種信息采集到之后，通過RS-485通信接口上傳至采集器，采集器也可通過RS-485來控制電表實現(xiàn)所要求的功能。

3 采集器

采集器采用微控制技術(shù)和擴頻技術(shù)，把電表送上來的電能等信息轉(zhuǎn)換為可以在電力線路上傳輸?shù)男畔?，其核心器件?TMS320LF2407A和SSC P300。其中，SSC P300是美國Intellon公司生產(chǎn)的一種基于電力載波的擴頻收發(fā)通信芯片，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 擴頻載波通信硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure of spread spectrum carrier communication

SSC P300 的主要特點有［9］:①雙向收發(fā)，支持EIA-600標準;②基于chirps的擴載技術(shù);③支持標準串行通信的SPI接口;④周邊元器件最小化;⑤20腳SOIC封裝。

TMS320LF2407A通過圖4中所示的5個端口和SSC P300交換數(shù)據(jù)信息，并把采集到的信息送給擴頻載波通信模塊 SSC P300，SSC P300通過 TS、SI、SO 接功率放大器，把信號放大。

采集器的主要作用就是把電表監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)采集上來，然后把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電力線路可以傳輸?shù)男盘?。采集器的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 采集器整體電路結(jié)構(gòu)Fig.5 The overall structure of the collector

智能電表采集到的各種數(shù)據(jù)，通過TMS320LF2407A發(fā)送給擴頻載波通信模塊SSC P300，SSC P300通過TS、SI、SO端口把數(shù)據(jù)送給功率放大器，放大之后的數(shù)據(jù)信息再通過匹配濾波器加到電力線路上，實現(xiàn)了信息的上傳。同時，上位管理機也可以下發(fā)各種控制信息，通過采集器給智能電表下發(fā)命令。數(shù)據(jù)傳輸過程如下。

當發(fā)送數(shù)據(jù)時，從處理器將指令以串行格式發(fā)送給SSC P300，在其內(nèi)部進行擴載調(diào)制，并由SSC P300放大信號后經(jīng)匹配濾波器耦合到電力線發(fā)送至下層的信號耦合器或信號轉(zhuǎn)換器CPU。下層CPU接到指令后通過電力載波將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞過來，經(jīng)匹配濾波器進入SSC P300進行解擴，SSC P300檢測到載波信號后以中斷方式通知處理器，由從處理器接收串行數(shù)據(jù)，從而完成上下間的載波雙向通信。該方式下載波范圍為50～200 kHz，通信速度為 4000 ～8000 bit/s，信號耦合輸出幅度VPP＜10 V。

4 信號傳輸

由于信號在電力線路傳輸途中需要經(jīng)過變壓器，而變壓器對傳輸?shù)碾娔苄盘柺且粋€很大的阻抗，電能信號一般不能通過變壓器，且變壓器對傳輸信號來說也是一個干擾源，因此，為了提高信號的傳輸能力，增加了耦合器通道。信號耦合器在有變壓器時才需要。

當需要從電力線路上把信號檢出來時，需要信號轉(zhuǎn)換器。信號轉(zhuǎn)換器除了檢出信號外還有隔離強電信號的作用，其檢出信號原理和采集器原理一樣，這里不再敘述。

5 上位機管理系統(tǒng)

為了便于系統(tǒng)管理，采用VB制作了上位機管理系統(tǒng)。該上位機管理系統(tǒng)是集系統(tǒng)中央控制、監(jiān)測和管理于一體的綜合系統(tǒng)，負責控制和管理整個用電區(qū)域內(nèi)各個采集器的運行，并對區(qū)域內(nèi)的用電狀況進行監(jiān)測和記錄，可以設置采集信息內(nèi)容及下發(fā)控制命令，使系統(tǒng)的無功電能處于最佳狀態(tài)。

上位機管理系統(tǒng)是一套由計算機系統(tǒng)、系統(tǒng)管理軟件和應用軟件、數(shù)據(jù)庫等組成的收費管理和控制系統(tǒng)。其中，應用軟件主要包括用戶用電管理系統(tǒng)、用戶收費管理系統(tǒng)和區(qū)域用電監(jiān)測管理系統(tǒng)。

上位機管理系統(tǒng)通過電力線與位于現(xiàn)場的采集器進行通信，具有完善的遠端參數(shù)設置和管理功能，可以遠程設置采集器、電表的運行參數(shù);具有良好的數(shù)據(jù)庫接口設計，便于數(shù)據(jù)查詢和共享;支持多種計費方式和類型［10］。

系統(tǒng)可以同時采集各個用戶和主變出口送出電能的情況。上位機管理系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)自動分析日、月、年負荷情況并進行線損分析，控制竊電和不交費行為。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種低壓無功補償型電力載波集中抄表及控制系統(tǒng)的設計概況和功能。實際運行表明，實時抄表成功率達96%以上，循環(huán)補抄可達100%;用戶端電壓有明顯提高，說明集成在內(nèi)部的無功補償單元起到了很好的補償作用，對欠費用戶實現(xiàn)了遠程控制。

系統(tǒng)具有監(jiān)測、診斷、修復等功能，實現(xiàn)了低壓電網(wǎng)智能化，且成本低、工程建設周期短，優(yōu)勢明顯;不足之處在于電網(wǎng)諧波對系統(tǒng)存在一定的干擾，須進行進一步的研究。

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