范曉丹　　付煒平　　張磊　　岳帥

【摘 要】在對(duì)數(shù)字化電能表和傳統(tǒng)電能表工作方式比較的基礎(chǔ)上，分析了數(shù)字化電能表在檢修維護(hù)過(guò)程中存在的問(wèn)題。本文介紹了手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架、各裝置模塊功能和軟、硬件設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明該裝置夠直觀觀測(cè)線路相關(guān)參數(shù)，便于現(xiàn)場(chǎng)查找數(shù)字化電能表問(wèn)題原因。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化電能表 電能 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè) 智能變電站

隨著數(shù)字化變電站的大規(guī)模建設(shè)，數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)的調(diào)試以及運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備的檢修維護(hù)問(wèn)題凸顯。區(qū)別于傳統(tǒng)的可視接線，智能變電站采用IEC61850模型虛連線，問(wèn)題很難排查。對(duì)于數(shù)字化電能表，需要一種可以直觀觀測(cè)線路相關(guān)參數(shù)的設(shè)備，了解合并單元輸出的IEC61850-9-1/2/2LE報(bào)文及相關(guān)計(jì)量量，避免出現(xiàn)電量丟失、參數(shù)配置不準(zhǔn)確、表計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)等問(wèn)題，便于現(xiàn)場(chǎng)查找發(fā)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的原因。

一、實(shí)現(xiàn)原理

合并單元發(fā)出的IEC61850-9-1/2/2LE是含有保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量多種電能瞬時(shí)值的報(bào)文，手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置接收的是合并單元輸出的計(jì)量相關(guān)量。手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)顯示的計(jì)量量（電壓、電流、相序、脈沖量、波特率、CT/PT變比等）與數(shù)字電能表顯示值實(shí)際比對(duì)，測(cè)試誤差應(yīng)不超過(guò)0.02%。

系統(tǒng)包括數(shù)字量采樣模塊、電能計(jì)算模塊、報(bào)文解析模塊、通訊模塊和顯示模塊。其中數(shù)字量采集模塊接收合并單元輸出的數(shù)據(jù)；報(bào)文解析模塊對(duì)sv報(bào)文進(jìn)行解析，提取出當(dāng)前光纖內(nèi)所有報(bào)文信息及各報(bào)文的具體參數(shù)；電量計(jì)算模塊根據(jù)采集到的電壓電流計(jì)算出有功電能和無(wú)功電能。

二、硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置采用ARM Cortex-A8+FPGA為核心的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)為兩個(gè)硬件板卡：第一層為主控板，以ARM Cortex-A8為核心，主要負(fù)責(zé)觸摸屏、人機(jī)交互、及任務(wù)調(diào)度等。液晶顯示通過(guò)800x600TFT彩色液晶屏實(shí)現(xiàn)，觸摸芯片是eGalax的XPT2046；含有2個(gè)USB接口及SD卡接口，USB接口可以連接鼠標(biāo)或鍵盤等外設(shè)，方便更加精準(zhǔn)的輸入，SD卡用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，給程序升級(jí)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存帶來(lái)方便；供電電源為輸出為5V/2A的便攜移動(dòng)電源，可以避免運(yùn)維電源接線的麻煩。

第二層為核心數(shù)據(jù)處理板，以xilinx公司的Spartan6系列FPGA為核心主要負(fù)責(zé)，該芯片是一款低成本、低功耗的FPGA芯片，集成最多150000個(gè)邏輯單元、集成式PCI Express模塊、高級(jí)儲(chǔ)存器支持、250Mhz DSP Slice和3.125Gbps低功耗收發(fā)器，高速的指令速度可以支持系統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理板負(fù)責(zé)接收IEC61850-9-1/2/2LE報(bào)文并進(jìn)行解析處理，基于硬件邏輯編寫的FFT算法具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；系統(tǒng)工作時(shí)鐘采用美信公司的高精度RTC芯片DS3221，輸出精度可達(dá)2ppm；IEC61850-9-1/2/2LE采樣報(bào)文接口采用以太網(wǎng)接口PHY芯片LXT971和HFBR5961的實(shí)現(xiàn)方法。

（二）軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)裝置主控板采用linux+Qt系統(tǒng)，具有良好的移植性液晶界面會(huì)根據(jù)觸摸屏的控制顯示出相應(yīng)的任務(wù)畫面，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可視化和交互功能。數(shù)據(jù)處理板采用VHDL開發(fā)的高性能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

數(shù)字化電能表校驗(yàn)儀系統(tǒng)的工作流程：系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化，即配置寄存器、初始化內(nèi)存設(shè)備以及啟動(dòng)系統(tǒng)任務(wù)等；初始化完成后，系統(tǒng)基于linux+Qt系統(tǒng)的機(jī)制實(shí)現(xiàn)MMI任務(wù)，控制數(shù)據(jù)處理板接收IEC61850-9-1/2/2LE報(bào)文，根據(jù)用戶的設(shè)置對(duì)合并單元發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與數(shù)字化電能表進(jìn)行比對(duì)。

系統(tǒng)的電能計(jì)量以IEC61850的數(shù)字化信號(hào)為基礎(chǔ)，即將電能計(jì)算進(jìn)行離散化，得到數(shù)字信號(hào)的電能計(jì)算公式；根據(jù)IEC61850協(xié)議，采樣一般按照每周波80/200點(diǎn)進(jìn)行，因此由采樣報(bào)文中得到的電壓、電流值相乘得到瞬時(shí)功率，根據(jù)采樣的時(shí)間間隔進(jìn)行相乘、累加從而得到相應(yīng)的電能值。

當(dāng)系統(tǒng)上電啟動(dòng)并接通合并單元的光纖輸出，界面顯示一個(gè)或多個(gè)目的地址不同的IEC61850-9-1/2/2LE報(bào)文，選擇數(shù)字化電能表IED對(duì)應(yīng)的目的地址的報(bào)文。主控板通知數(shù)據(jù)處理板進(jìn)行IEC61850-9-1/2/2LE過(guò)濾，并對(duì)各個(gè)通道的瞬時(shí)值進(jìn)行計(jì)算，在顯示界面中顯示所有通道的有效值及波形。設(shè)置完全后，主控板通過(guò)通信模塊通知數(shù)據(jù)處理板進(jìn)行電能相關(guān)計(jì)算，并把相關(guān)計(jì)算的電流電壓幅值、角度、功率及諧波含量通知給主控板顯示在界面上，這時(shí)就可以對(duì)比數(shù)字化電能表中的相關(guān)值與監(jiān)測(cè)裝置中值，據(jù)此對(duì)問(wèn)題進(jìn)行初步診斷。

在采集數(shù)據(jù)后，還可以在界面中選擇存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，把接收到的IEC61850-9-1/2/2LE進(jìn)行存儲(chǔ)，方便問(wèn)題分析及問(wèn)題環(huán)境重現(xiàn)。

三、測(cè)試結(jié)果

故障處理中，應(yīng)用手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，在工作現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確定位，快速查找問(wèn)題原因，具有方便、的工作性能。

四、結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置采集異常數(shù)據(jù)分析方法，通過(guò)實(shí)例數(shù)據(jù)分析，說(shuō)明如何查找異常數(shù)據(jù)源頭。憑借對(duì)日常系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，既能夠減少了計(jì)量管理人員在處理電量故障時(shí)的盲目性，又能夠幫助計(jì)量人員在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)電量異常并趕赴現(xiàn)場(chǎng)處理。通過(guò)用手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)用化，可以大幅度提高計(jì)量人員的工作效率和電量稽查水平。手持式數(shù)字化電能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置投入使用后，它發(fā)揮著強(qiáng)大的計(jì)量統(tǒng)計(jì)管理和計(jì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)及稽查等應(yīng)用功能。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

范曉丹（1982-）女，工程師，主要從事電能質(zhì)量、計(jì)量等方面工作。

付煒平（1975-）男，高級(jí)工程師，主要從事變電檢修、技術(shù)監(jiān)督等方面工作。

張磊（1983-）男，助理工程師，主要變電檢修公司。

岳帥（1982-）男，主要從事計(jì)量、熱工等方面工作。