（廣西廣播電視技術中心南寧分中心）

1 引言

供配電系統(tǒng)正常是廣播電視臺站安全播出的重要保障。針對市面上同類電力監(jiān)控儀都只能通過檢測電壓值來判斷缺相故障，這在一般系統(tǒng)內(nèi)是可以的，但在一些比較復雜的系統(tǒng)環(huán)境中，由于電力系統(tǒng)的感抗、容抗和變壓器的互感等的作用，在低壓端檢測到的三相空載電壓數(shù)值有時變化不大，若通過電壓值或電壓不平衡度手段是無法正確判斷系統(tǒng)缺相故障的。我們利用高壓缺相時變壓器低壓側(cè)電壓相位會發(fā)生改變這一現(xiàn)象研制了一款既能準確檢測供配電系統(tǒng)運行技術參數(shù)，又能正確作出判斷并控制相關保護裝置的CMP300智能電力監(jiān)控儀，有效的解決了配電系統(tǒng)上述保護死角。CMP300智能電力監(jiān)控儀融電參量檢測、計量、分析、診斷、控制、保護于一體，并通過標準通訊接口實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，簡化了系統(tǒng)布局，降低了故障率，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。本儀表同時支持三相四線、三相三線等多種不同的接線方式，可適應各種高壓、中、低壓環(huán)境，適用廣泛。

2 內(nèi)容概述

2.1 設計總體框架

CMP300 智能電力監(jiān)控儀具有大屏幕、背光 LCD 液晶顯示屏，顯示清晰明了；通過4個雙向功能鍵來切換參數(shù)測量界面和參數(shù)設置界面，操作方便簡潔。我們將四個按鍵分為“I”鍵，“U”鍵，“P”鍵和“E”鍵，按“I”鍵可在查看電流參數(shù)，按鍵“U”鍵可查看電壓相關的測量參數(shù)如相電壓、線電壓、電壓頻率等，按“P”鍵可查看功率相關的參數(shù)如有功功率、無功功率等，按“E”鍵可查看電能相關參數(shù)及系統(tǒng)輔助信息。示例一見圖1 ：

圖1 示例一

示例二見圖2：

圖2 示例二

CMP300智能電力監(jiān)控儀采用高性能的微處理器作為硬件核心進行對各個功能模塊的操作。其余的各個功能模塊包括：采樣模塊、按鍵模塊、顯示模塊、通訊模塊、開關量輸入模塊、繼電器輸出模塊。采樣模塊中采用優(yōu)化后的差分采樣電路，搭配高精度的計量芯片，實現(xiàn)了對信號全波形的高速采樣，總體硬件框架如下圖3：

圖3 總體硬件框架

按鍵模塊中采用4個功能按鍵分別在測量參數(shù)顯示狀態(tài)和設置狀態(tài)下實現(xiàn)不同的功能，既能夠在參數(shù)顯示過程時實現(xiàn)快速操作，也能在設置操作時精簡按鍵的操作流程；顯示模塊采用定制的高亮度段碼液晶屏，顯示的信息詳細直觀，一目了然。

通訊模塊部分采用集成信號隔離的通訊芯片，實現(xiàn)與其他設備進行485通訊，并且避免了由不隔離造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定情況。

開關量輸入模塊提供4路位置信號輸入通道，能夠及時對線上的位置信號進行反饋；繼電器輸出提供2路開關信號輸出，可用于報警、控制等方面。

控制功能在本儀表軟件中體現(xiàn)為繼電器輸出模塊，繼電器輸出模塊可以同時監(jiān)控本儀表的所有測量參數(shù)。繼電器輸出模塊會根據(jù)用戶設定的上、下限閥值來監(jiān)控所測量的參數(shù)，當所監(jiān)測的參數(shù)出現(xiàn)越限情況時，繼電器輸出模塊會根據(jù)用戶的設定，使儀表上相應的繼電器閉合，這樣用戶外接的報警或者保護裝置就會動作，達到報警或者保護的目的。同時儀表會在液晶上顯示相應的故障信息，以便用戶查看是哪一項參數(shù)出現(xiàn)故障。本儀表還可以通過上位機查看繼電器狀態(tài)或者控制繼電器的閉合、斷開，以達到遠程控制的目的。

在本儀表的軟件結(jié)構中，系統(tǒng)以搶占式實時調(diào)度器為核心，按照各個硬件模塊，實現(xiàn)模塊化編程。從第一步采樣開始，系統(tǒng)從計量芯片讀回全部的AD采樣數(shù)據(jù)，如電壓、電流、功率等，然后將數(shù)據(jù)填充到緩沖中，進行濾波處理，如此可以濾除信號毛刺，得到穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。濾波后的采樣數(shù)據(jù)需要計算模塊，計算模塊會將濾波后的采樣結(jié)果進行還原，即經(jīng)過計算后的數(shù)據(jù)就是儀表測量值，計算模塊會把計算結(jié)果發(fā)送到一個內(nèi)存緩沖中，以便其他模塊獲取計算結(jié)果，如顯示模塊，顯示模塊的軟件功能除了負責將計算結(jié)果送到液晶上顯示之外，還要對用戶按下的按鍵進行顯示處理，如切換電壓頁面，進入設置菜單等等，這些都是由顯示模塊來處理的。需要獲取計算結(jié)果還有通訊模塊，通訊模塊會監(jiān)控通訊端口，當通訊端口接收到上位機發(fā)來正確的命令時，通訊模塊會立即根據(jù)命令中的參數(shù)，讀取結(jié)算結(jié)果緩沖中的相應測量結(jié)果，并發(fā)送給上位機，這樣就可以利用遠程主機監(jiān)控現(xiàn)場的各項參數(shù)。

該監(jiān)控儀的硬件設計采用32位高性能嵌入式微控制器STM32F103，利用其高性能的GPIO口、SPI接口、UART接口等豐富的硬件資源搭建系統(tǒng)平臺，電流和電壓采樣選用專用的三相電能計量IC-ADE7858，軟件設計采用先進的UCOS操作系統(tǒng)為核心，利用微控制器強大的中斷管理進行多任務處理，實現(xiàn)各功能模塊軟件任務的有序調(diào)度。系統(tǒng)的軟硬件設計按照模塊化進行，主要包括信號處理、人機交互、報警保護、通信等模塊。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 監(jiān)測各種電量參數(shù)

CMP300智能電力監(jiān)控儀實現(xiàn)了三相的電流、電壓、電壓頻率、電壓相位、分相及合相的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、總有電能及總無功電能等參數(shù)的測量，示例三見圖4：

圖4 示例三

（圖4標注：顯示三相的有功功率和總有用功率。（3P4L接線方式時只顯示總有用功率）Pa=0.125Kw；Pb=0.125Kw；Pb=0.125Kw；總有功功率為0.375Kw）

還可檢測相角、相位、相序、電壓不平衡度、電流不平衡度等參數(shù)，示例四見圖5：

圖5 示例四

（圖5標注：顯示a、b、c三相相位角。PHa =0度；PHb=240度；PHc=120度

有功電度12.34kWh）

2.2.2 檢測線上各個脫扣或跳閘信號

在智能電力儀表應用場景中，用戶除了需要監(jiān)視各相電力參數(shù)外，還需要監(jiān)視各個脫扣或者跳閘信號，本儀表軟件中的開關量輸入模塊便是為了實現(xiàn)此功能而設計，開關量輸入模塊會監(jiān)測每個通道是否有信號輸入，若有信號輸入，則會將信號記錄下來，等待上位機讀取。

2.2.3 報警功能

圖6 示例五

CMP300智能電力監(jiān)控儀能夠?qū)﹄妷撼?、相位超限、電壓逆序、電壓不平衡度和高低壓缺相等故障進行報警和保護。同時儀表會在液晶上顯示相應的故障信息，示例五見圖6：（圖6標注：故障信息顯示頁：第一行“PHAS”表示相位超限，當出現(xiàn)相位超限時該行會閃爍。第二行“UNBL”表示電壓允許不平衡度，當出現(xiàn)電壓不平衡度超出設定值時，該行會閃爍。第三行“SEER”表示電壓逆序，當出現(xiàn)電壓逆序的情況時，該行字符會閃爍。為防止干擾系統(tǒng)默認出現(xiàn)逆序故障1.5s后進行報警。逆序故障消失1s后報警消除。第四行“LoPE”表示電壓缺相，當出現(xiàn)電壓缺相的情況時該行會閃爍。系統(tǒng)中將電壓超限的動作延時時間作為缺相的動作延時時間。第五行“U OUT LI”表示電壓值超限，即當前電壓出現(xiàn)超出設定的范圍時，該行會進行閃爍。）

2.2.4 保護功能和輸出控制信號

CMP300 多功能電力監(jiān)控表配置了2路繼電器輸出端口，D11、D21。CMP300智能電力監(jiān)控儀能夠?qū)﹄妷撼?、相位超限、電壓逆序、電壓不平衡度和高低壓缺相等故障進行報警和保護。當所監(jiān)測的參數(shù)出現(xiàn)越限情況時，繼電器輸出模塊會根據(jù)用戶的設定，使儀表的上相應的繼電器閉合，這樣用戶外接的報警或者保護裝置就會動作，達到報警或者保護的目的。

例如南寧銀嶺微波臺因外電線路高壓缺B相，在低壓端檢測的三相電壓數(shù)值相差不大，普通監(jiān)控儀無法正確判斷故障，導致了ATS不能正常判斷和切換，故障數(shù)據(jù)參見如下表1：

表1 南寧銀嶺微波臺故障情況下，測量空載及帶載線電壓值

后使用了CMP300智能電力監(jiān)控儀，測量數(shù)據(jù)如下表2、表3、表4：

表2 分別拉斷銀嶺10kV線相，電壓，電流情況

CMP300智能電力監(jiān)控儀通過對相位、相角Φ的精確檢測，準確的判斷出外電線路的高壓缺相，繼電器D11、D12、D21、D22閉合，輸出控制信號，使ATS能夠正常的工作，解決了該臺的安全播出隱患。

3 應用效果和結(jié)論

CMP300智能電力檢測儀在南寧銀嶺微波臺使用兩年多來，工作正常，效果顯著，具有推廣價值。

表3 南寧銀嶺微波臺現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)一