基于Modem通信的遠程電能質量參數(shù)采集系統(tǒng)設計

摘要：為了實現(xiàn)電能質量參數(shù)數(shù)據(jù)可靠傳輸及降低運行成本，在研究Modem通信的適應性及其優(yōu)點的基礎上，設計了基于Modem通信的遠程電能質量參數(shù)采集系統(tǒng)。介紹了四象限電能測量原理及其功率表達式推導，并運用ARM9作為主控芯片，以及時鐘、復位等外圍電路構成電能質量參數(shù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電能數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)具有響應速度快、時鐘頻率高、運行成本低等特點。本系統(tǒng)完成了多個變電站的通信及電能質量參數(shù)采集，運行狀態(tài)好，具有很強的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：變電站;Modem;最小系統(tǒng)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)自動化水平的不斷提高，曾被廣泛應用的“一站一表”人工抄表模式已不能滿足當今電力網(wǎng)絡快速發(fā)展要求。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，電能質量數(shù)據(jù)的處理方式向著遠程、實時在線采集及共享的方向快速發(fā)展。在理想運行中，監(jiān)測的電能應為對稱正弦波信號;然而，實際運行中由于非線性負荷等因素的影響造成功率因素降低、諧波電流增大等問題，使得信號波形偏離對稱正弦形式。因此，實現(xiàn)遠程電能質量參數(shù)采集具有很強的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)階段的電能質量參數(shù)采集的主要方式有：自動采集、隨機召測和主動上報等。在實際運行過程中，通常會采用聯(lián)合采集方式以便于數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。電能質量參數(shù)采集系統(tǒng)主要通信方式有：光纖專網(wǎng)通信、GPRS/CDMA無線公網(wǎng)通信、電力線載波通信以及RS-485等。本文所述系統(tǒng)采用電話撥號抄表通訊方式完成數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約了通訊資源和運行成本;并研究了串行輸入接口和USB輸出插頭的模擬通道轉串口通信的調制解調器，實現(xiàn)在線監(jiān)控。

1 系統(tǒng)整體方案設計

整個系統(tǒng)由變電站電能表、數(shù)據(jù)采集終端、標準Modem、端口轉換器以及計算機五部分組成。

如圖1所示，本系統(tǒng)采用DTZ341(配置號為B1V1.2)三相四線智能電能表，電壓測量范圍：三相80%Un～120%Un;

互感式接入方式的電流測量范圍為：0.3(1.2)A，1(2)A，1.5(6)A，5(6)A，工作溫度為-25℃～60℃;

電能表與數(shù)據(jù)采集終端通過RS485線相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸;

數(shù)據(jù)采集終端可以完成電能質量參數(shù)采集、本地或遠程設置表計檔案與終端運行參數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲等功能，與Modem采用串行連接，通過數(shù)據(jù)的收發(fā)，

實現(xiàn)遠程傳輸;

端口轉換器采用高度集成的PL2303芯片，完成串口轉USB的功能。

2 電能計量基本原理

電能在電網(wǎng)的傳輸過程中，電網(wǎng)供給負荷的電功率包括有功功率和無功功率。在輸電電能突然增加時，感性負載和容性負載可以存儲一部分能量;而當輸電電能不足時，則釋放能量補充。圖2為四象限電能測量原理。

圖2中P表示有功電能;Q表示無功電能;RL表示感性無功元件;RC表示容性無功元件。QⅠ在輸出有功的同時還輸出感性無功;QⅡ在輸入有功的同時還輸出容性無功;QⅢ在輸入有功的同時輸入感性無功;QⅣ在輸出有功的同時還輸出無功，下標表示象限區(qū)域。在電能計量時，可將電能按四個象限分別計量。

設每周期采樣次數(shù)為N，連續(xù)量離散化可得有功功率：

同理也可得到視在功率和無功功率的表達式。通過智能電表的電壓電流測量，計算可得到有功、無功功率。

3 系統(tǒng)硬件電路設計

3.1 智能電表

智能電表結合現(xiàn)代計算機技術和測量技術，具有自動校正、數(shù)據(jù)自動存儲、運算及遠程數(shù)據(jù)通信等功能。電能表由電流互感器、集成計量芯片、微控制器、溫補實時時鐘、數(shù)據(jù)接口設備和人機接口設備組成，采集的基本監(jiān)測量包括頻率、電壓、電流有效值、有功、無功功率等參數(shù)。集成計量芯片將電壓和電流的模擬信號轉換為數(shù)字信號，并對其進行數(shù)字積分運算，從而精確地獲得有功電能和無功電能，微控制器依據(jù)相應費率和需量等要求對數(shù)據(jù)進行處理。其結果保存在數(shù)據(jù)存儲器中，并隨時向外部接口提供信息和進行數(shù)據(jù)交換，其電能表原理結構示意圖如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集終端硬件電路

數(shù)據(jù)采集終端是由獨立功能的各類電路子板組合而成，各子板通過PCI連接到一塊總線底板上，分為RS-485通信板、Modem通信板、電流環(huán)(CS)采集板、脈沖采集板、CPU板、顯示與鍵盤板、總線底板和本機電源板。本數(shù)據(jù)采集終端通過RS-485與電表通信，按已設置要求采集電能表數(shù)據(jù)，經(jīng)主處理器分析、處理保存后，通過撥號Modem遠傳通道傳輸至主站系統(tǒng)。圖4為數(shù)據(jù)采集終端電路原理示意圖。本系統(tǒng)是是采用WFET-3000的電能量數(shù)據(jù)采集終端。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集終端最小系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集終端CPU采用高性能32位嵌入式RISCCPU(ARM9內核)-S3C2410處理器。

具有16KB指令Cache、16KB數(shù)據(jù)Cache和存儲器管理單元;LCD控制器支持4K色的STN和256K色的TFT;電源控制模式有標準、慢速、休眠和掉電4種模式，可根據(jù)不同需要進行設置。圖5為數(shù)據(jù)采集終端最小系統(tǒng)硬件電路，列出時鐘電路、復位電路等部分管腳的外圍電路。

3.2.2 供電模塊

在數(shù)據(jù)采集終端電路中的電源環(huán)節(jié)，如圖6設計了電源驅動電路。采用MP2303將電源電壓裝換為3.3V直流電壓。輸出電壓通過反饋電阻R58和R59接地電阻調節(jié)，并應滿足下式：

3.3 端口轉換器

端口轉換器是實現(xiàn)通用串口與計算機USB接口之間的轉換，使得傳統(tǒng)串口設備變成即插即用的USB設備，擴大了實際運用中的監(jiān)測條件。PL2303是一種高度集成的RS232-USB接口轉換器，具有RS232全雙工異步串行通信。PL2303的TXD引腳和RXD引腳分別與RS232的TXD引腳和RXD 引腳相連，DM引腳和DP引腳與計算機USB接口的兩條信號線相連，以及其它晶振等外圍元件的工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集終端串口與USB接口的轉換及通訊。圖 7為端口轉換器硬件電路圖。

4 遠程通信

4.1 Modem通信

信息的傳遞是通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來完成的，通常是將采集到的數(shù)據(jù)借助發(fā)送設備，經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸信道，被接收設備所獲取。本文所述系統(tǒng)采用電話撥號的通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程通信。

Modem通信是通過電話線、通訊設備及調制解調器來完成的。實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號間轉換。而在模數(shù)轉換時會有一定概率的誤差，即為量化噪聲，其強度受本地電話線路質量和通訊速率的影響。而本文采用非對稱式的V.90/K56Flex Modem，是以Rockwell的RC56D芯片組為主控制器的高速調制解調器，芯片組包括MCU芯片、MDP(modem data pum p)芯片和RCDSVD SCP(speech code processor)芯片等，可以減少一次數(shù)據(jù)轉換進而減少量化噪聲。圖8為串行DTE硬件結構及其接口框圖。

MCU是8位的微處理器，工作電壓為5V，主振頻率為28.224MHz。MDP實現(xiàn)信號的調制解調，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收為不對稱方式。ROM/FLASH ROM用于存放MCU固件，實現(xiàn)對Modem的控制、設置等功能，而RAM用于數(shù)據(jù)緩存，用于發(fā)送和接收的調制和解調數(shù)據(jù)的存放。

4.2 通信規(guī)約

Modem通信協(xié)議包括ASCII、RTU等傳輸模式，其中RTU傳輸模式以十六進制傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中每8位字節(jié)分成兩個4位16進制的字符，最大限度利用了每個數(shù)據(jù)位的空間，數(shù)據(jù)傳輸效率高于ASCII模式。故本文也將采用RTU模式下進行數(shù)據(jù)傳輸。表1為可變幀長傳輸模式。

可變幀長傳輸模式，可滿足實際需要的功能。本系統(tǒng)中采用低字節(jié)在前、高字節(jié)在后的傳輸方式，兩幀之間的線路空閑間隔最少需33位，且主站和子站可雙向傳輸數(shù)據(jù)。表1中68H和16H分別表示啟動字符和結束字符;控制域為設置終端參數(shù)、系統(tǒng)時鐘、續(xù)傳、查詢終端系統(tǒng)信息等，通過鏈路地址域記錄數(shù)據(jù)終端設備地址;而鏈路用戶數(shù)據(jù)包含修改終端連接密碼、主動查詢終端系統(tǒng)等數(shù)據(jù);幀校驗和即為從控制域開始到校驗碼之前所有字節(jié)的累加。

數(shù)據(jù)采集終端的主要功能有數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等，是遠程電能質量參數(shù)采集的核心。系統(tǒng)初始化完畢之后，建立Modem通信，才可以進行可變幀長數(shù)據(jù)的提取;當收到電能質量參數(shù)采集數(shù)據(jù)，傳送電能質量參數(shù)數(shù)據(jù)并顯示和保存;當收到檔案管理修改信息，將進行遠程設置表地址和波特率等的修改，圖9為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端控制流程圖。

本文對基于Modem的遠程電能質量參數(shù)采集系統(tǒng)進行了實際監(jiān)測，圖10為遠程電能質量參數(shù)采集系統(tǒng)人機界面，包括檔案管理、通信連接、數(shù)據(jù)采集及維護測試四個操作功能模塊，其中檔案管理包括表計協(xié)議、表計地址及波特率等參數(shù)。在遠程電能質量參數(shù)采集之前，應當與采集終端建立通信連接，包括通信端口、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等的設置;通信方式則為撥號方式并在指定欄里填好終端電話號碼，等待通信建立語音提示;之后，即可點擊數(shù)據(jù)采集，選擇采集終端名稱、數(shù)據(jù)采集起始時間、數(shù)據(jù)類別(有功、無功等)。

6 總結

本文針對變電站電能質量具體特點，分析了智能電表采集四象限電能測量的原理;以此為基礎，通過建立Modem通信方案實現(xiàn)了電能質量參數(shù)采集數(shù)據(jù)的遠程傳輸。在運行中，傳輸?shù)碾娔苜|量參數(shù)數(shù)據(jù)在采集終端接收后通過端口轉換器傳輸給監(jiān)測終端。其中端口轉換器的設計可以完成通用串口與計算機USB接口之間的轉換，使傳統(tǒng)串口設備變成USB設備，具有即插即用的顯著特征。綜上所述，本文所設計遠程電能質量參數(shù)采集系統(tǒng)提高了變電站實際運行應用中的整體監(jiān)測水平。

另外，基于Modem的遠程電能質量參數(shù)采集系統(tǒng)的建立，極大降低了監(jiān)測設備運行維護成本和人力成本，具有實時性好、安全有效等優(yōu)點。