智能化电力仪表远程监控系统设计李明

智能化电力仪表远程监控系统设计李明

李明许迎郑礼扬

（中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司山东济南250102）

摘要：针对传统电力仪表硬件结构复杂、软件功能单一且无法远程通信等问题，提出一种基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的智能化电力仪表远程监控系统设计方案。该系统主要由多功能电力仪表、无线传感器节点、以太网控制模块、自动校准软件及远程监控中心等组成，能够完成智能化电力仪表的远程监控任务，可满足实际应用的需求。

关键词：智能化；电力仪表；远程监控

随着我国科学技术的进步，电子工业得到了飞速发展，各种自动化仪表被广泛应用于电力、化工、石油、交通、建筑、通信和国防等领域。电力仪表是电力系统中一类具有控制电气设备、测量电力参数、监视和分析电能质量等功能的电力测量及控制设备。作为电力网络前端的一种信息采集元件，电力仪表的可靠性是智能电表的一项重要技术标准，对整个电力系统的自动化控制和测量发挥着重要作用。

1、电力仪表远程监控系统整体概况分析

当前多功能电力仪表的发展现状及市场需求，结合其技术要求与可行性，所设计的智能化电力仪表远程监控系统包括以下功能：①具备电力仪表的基本功能、可选择的接线方式，且精度较高；②主机具备报警功能、能够对从机进行综合管理，其监控设备配有备用电源；③可实现主机分时段存储从机累积电能，也可以用户单独累计测量电能；④具有完整的通信功能，能够满足远程抄表及电费自动结算的需要。系统的整体结构如图1所示。

图1系统整体结构

2、电力仪表远程监控系统硬件结构

根据智能化电力仪表远程监控系统的整体组成概况，结合其功能需求；该系统应能够对电力设备的信息进行实时采集和监控，并将采集数据通过以太网发送至远程监控中心，以便系统分析处理后对电力设备的运行状态进行合理的判断和控制。利用模块化的开发方式设计的系统硬件结构主要包括无线传感器节点、基站和远程监控中心等3部分。无线传感器节点由多功能电力仪表和微型无线传感装置组成，用于数据的采集及校正。其硬件结构如图2所示。多功能电力仪表是基于STM32+ATT7022E开发的智能化三相电力仪表，可实现电压、电流、频率、相位、功率和电能等电力基础信息的采集和处理，具有结构简单、测量精度高、功耗低的特点。微型无线传感装置包含微型传感器和无线信号收发模块，可实现与基站间的电力参量无线传输。基站由无线传感器汇聚节点、以太网控制模块和电力仪表自动校准软件组成。基站接收到无线传感器节点发送的电力信息后；首先对采集数据初步处理；再利用自动校准软件进行误差计算，以实现数据的有效域校正；最后将校正指令自动发回现场多功能电力仪表，达到消除运行误差的目的；与此同时，通过以太网控制模块将数据发送至远程监控中心进行显示，完成远程监控任务。远程监控中心配有专用服务器，内置大型数据库。具有运行数据的实时监测，电量信息的越限报警，故障数据的存储，历史曲线和专家报表的查询等功能。既可以人工手动远程控制，也可以自动决策进行故障的远程处理。

3、硬件抗干扰设计

电力仪表的硬件电路多采用微控制器等数字器件进行设计，容易受到外界干扰的影响。针对电源输入端口产生的谐波和浪涌等干扰，可采用图3的电源保护电路进行设计，该电路具有滤波、抑制浪涌和脉冲干扰的作用。另外，还可以利用模块化的设计思想对硬件电路进行分模块供电，从而避免系统各模块之间互相干扰。为了有效抑制耦合噪声，可以对电力仪表的硬件电路进行接地设计，以阻断外界环境造成的干扰。根据信号的不同形式，接地可划分为模拟地和数字地。两种接地形式应分开设计，以避免数字电路中的脉冲信号进入模拟电路。另外，还可以采用单点和多点接地相结合的方式对不同的电路进行设计，以提高接地系统的抗干扰能力。通过隔离设计将噪声源与硬件电路进行隔离，可有效防止噪声信号进入电力仪表的硬件系统。常用的隔离措施包括变压器隔离、继电器隔离、光电耦合隔离、放大器隔离和布线隔离等。

5、软件可靠性设计

智能电力仪表通常采用微控制器与微计量芯片相结合的方式进行设计。为避免总线在通信过程中受到干扰，可在软件系统中加入滤波程序。常用的数字滤波方法包括一阶递归滤波、限幅滤波、算数平均值滤波、递推平均值滤波、中位值滤波法以及符合数字滤波等。微处理器受到外界干扰时可能发生程序“跑飞”，造成操作系统的混乱。可利用软件陷阱设计引导程序进入一个特定地址，并进行错误处理，以稳定“跑飞”程序。为保证这一过程的信息安全，可采用分散分布存储的数据冗余设计方法，以提高数据的生存概率。为防止程序发生死循环，可采用软件“看门狗”设计产生复位信号，以摆脱干扰。另外，微处理器在向存储器写存储数据时，外界干扰也会造成数据的错误存储；可采用数据校验的方法，以确保数据的正确写入。

结束语

电力工业的飞速发展使得各种用电设备急剧增加，电力系统规模变大、运行更为复杂，严重影响了电力仪表远程监控系统的监测效果，制约了智能电网的发展。提出一种基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的智能化电力仪表远程监控系统设计方案，从硬件结构和软件功能的角度详细介绍了电力仪表远程监控系统的设计。该系统主要由无线传感器节点、基站和远程监控中心等组成。能够完成智能化电力仪表的远程监控任务，具有较高的可靠性和实时性，可满足实际应用的需求。

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