電力儀表遠程監控系統研究
日期: 2018-12-01一、前言
電力系統作為國家經濟的命脈，作為國民生產的重要保障之一，它也與人們的生產生活密切相關。伴隨國家科技水平的提高，民用和工業的需電量增長迅速，導致越來越大的電網規模和日趨復雜的總體結構，這就需要更高的電網的運行和管理要求。為用戶的用電的安全和保證用電設備穩定運行，需采用一些重要措施，通過電表對電網的功率、電流、電壓等參數進行時效性監測就是其一。普通電力儀表其功能和結構單一化、遠程通信功能缺失等特點，這限制電力儀表的實時監測性。近些年，日益成熟的嵌入式技術與通信技術，促進了功能多樣化的智能儀表和監控系統的發展，電力儀表遠程監控系統也就應運而生。
二、電力儀表遠程監控系統整體概況
電力儀表遠程監控系統能夠實時監控和收集設備的耗電信息，系統聯網后把設備收集的數據信息發至電表遠程監控系統，系統再對用電信息進行分析、統計和匯總，判斷并合理控制用電設備的運行狀況，達到對用電設備的遠程監控目的。參照電網實際的運行需要，要求該運程監控系統的功能對數據及時有效地采集，通信聯網穩定安全，從而使得遠程控制操作精準。監控系統采用模塊化開發的方式，主要分為數據的收集與校準、傳感網匯聚結點和遠程監控中心三大部分。
（一）數據的收集與校準
數據的收集與校準由電力系統中在網的用電設備和監控區的微型傳感裝置完成，傳感器的終端由多功能電表完成數據收集的重要任務，數據通信則通過無線傳輸模塊完成。無線傳感網由各傳感器節點構成，根據組網協議組成靈活自主的網絡通信系統，將該網絡劃分成眾多小分區，各分區再對通信數據進行收集與處理[1]。
（二）基站的傳感網匯聚結點
基站的傳感網通過無線傳輸將收集的數據發送至基站的網絡匯聚結點。
基站中對數據做初步處理，校準數據的有效域，通過基站中設置的PC 機及其電力儀表自動較正軟件實現基站的功能，PC 機接受無線傳感網傳送過來的儀表測量初始值，在后臺對傳輸過來的測量初始值自動較正，計算其誤差及校準值，再由PC 機將儀表較正指令反饋至現場的監控儀表，實現儀表自行校準運行誤差的功能。在基站中安置基于電表數據進行綜合分析管理的軟件，一般基站的PC 機可掛載的儀表數量在100 個左右。PC 機可發送控制命令并讀取并顯示儀表的數據于監控界面，數據經再處理反饋給PC 機。PC 機是有線和無線通信方式的樞紐，基站沒有數據的存儲功能，將以太網的控制模塊內置于PC 機，便于監測數據通過互聯網傳輸并儲存數據于遠程服務器的數據庫。
（三）遠程監控中心
監控中心擁有大型的數據庫，內部存有各種歷史監控數據、運行標準的數據和故障維護數據等。監控系統的主機比較數據庫中的相應數據與當前運行數據，參數運行超限將進行報警分析，當電表的電流、電壓或功率過高時，監控系統的PC 機會發送警告信息，分析并顯示報警地址和原因。通過系統的數據分析，工作人員可采取下一步操作，手動進行遠程操控。若在一定時間內無手動操控時，監控系統會自動進行故障的遠程處理[2]。
（一）數據的收集與校準
數據的收集與校準由電力系統中在網的用電設備和監控區的微型傳感裝置完成，傳感器的終端由多功能電表完成數據收集的重要任務，數據通信則通過無線傳輸模塊完成。無線傳感網由各傳感器節點構成，根據組網協議組成靈活自主的網絡通信系統，將該網絡劃分成眾多小分區，各分區再對通信數據進行收集與處理[1]。
（二）基站的傳感網匯聚結點
基站的傳感網通過無線傳輸將收集的數據發送至基站的網絡匯聚結點。
基站中對數據做初步處理，校準數據的有效域，通過基站中設置的PC 機及其電力儀表自動較正軟件實現基站的功能，PC 機接受無線傳感網傳送過來的儀表測量初始值，在后臺對傳輸過來的測量初始值自動較正，計算其誤差及校準值，再由PC 機將儀表較正指令反饋至現場的監控儀表，實現儀表自行校準運行誤差的功能。在基站中安置基于電表數據進行綜合分析管理的軟件，一般基站的PC 機可掛載的儀表數量在100 個左右。PC 機可發送控制命令并讀取并顯示儀表的數據于監控界面，數據經再處理反饋給PC 機。PC 機是有線和無線通信方式的樞紐，基站沒有數據的存儲功能，將以太網的控制模塊內置于PC 機，便于監測數據通過互聯網傳輸并儲存數據于遠程服務器的數據庫。
（三）遠程監控中心
監控中心擁有大型的數據庫，內部存有各種歷史監控數據、運行標準的數據和故障維護數據等。監控系統的主機比較數據庫中的相應數據與當前運行數據，參數運行超限將進行報警分析，當電表的電流、電壓或功率過高時，監控系統的PC 機會發送警告信息，分析并顯示報警地址和原因。通過系統的數據分析，工作人員可采取下一步操作，手動進行遠程操控。若在一定時間內無手動操控時，監控系統會自動進行故障的遠程處理[2]。
2 大型公建實現電能分項計量管理的目的為了推動公共機構節能，提高公共機構能源利用效率。發揮公共機構在全社會節能中的表率作用，國務院令第531號《公共機構節能條例》第14條明確指出：公共機構應當實行能源消費計量制度，區分用能種類，用能系統實行能源消費分戶、分類、分項計量，并對能源消耗狀況實行監測，及時發現、糾正用能浪費現象。建筑部推出建科[2008]114號文附件3：《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統———樓宇分項計量設計安裝技術導則》，對電能分項計量的分類、設計、安裝、驗收等進行了規范。江蘇、上海等地方分別推出蘇建科[2007]217號文《江蘇省公共建筑用能計量設計規定》和滬建交[2008]828號文《關于進一步加強本市民用建筑設備專業節能設計技術管理的通知》，進一步明確提出對主要用電設施分項計量，對辦公樓、商場、宿舍等應計量到經濟核算單元，對醫療病房、賓館客房、學校教室應按樓層或功能分區計量等等。由此可見，大型建筑實現電能分項計量管理，可及時發現、糾正用電浪費，并為建筑節能考核提供數據。
三、優化設計無線傳感器的節點
無線傳感器由監測區內微型傳感器節點構成。傳感器節點的合理構建是傳感網建立的重要硬件基礎。節點由四大部分構成，分別為數據收集模塊、數據處理模塊、無線信號收發模塊及電源部分，傳感器節點的結構如圖1 所示。
數據收集模塊檢測電力設備的三相基本電參量（有效電壓值、有效電流值、頻率、視在功率、有功功率、無功功率、視在能量、有功能量、無功能量及電流電壓的相序等）。及時并準確地收集電流和電壓瞬時值是參數測量的重點。為確保數據收集的時效性，電力儀表遠程監控系統采用16位單片機微處理器作為無線傳感網絡的節點，1.8-3.6V 的工作電壓范圍，運行耗電量為250μA/MIPS，以較低功率在電壓低的狀態下工作；RISC 體系結構的指令發送速度快，DMA 和16位的硬件乘法器等先進的結構體系，很大程度地提高系統的數據運算及處理性能。傳感網的短距離傳輸數據一般采用ZigBee 技術，一種功耗、成本和復雜度低的雙向無線通信傳輸方式，協議簡單、成本低廉和組網范圍大使之成為目前無線傳輸廣泛應用的方式。本系統選用CC2430 作為適應于上述節點的射頻芯片，用ZigBee 標準通信協議棧構成CC2430 模塊，CC2430 芯片的電壓具有較寬的范圍（2.0~3.6V），具有功能適應性強、功率小、反應靈敏及抵抗干擾能力強等特點，符合設計的要求，同時能支持強大的集成研發能力。通過SPI 接口進行CC2430 模塊的訪問，發送和接受實時數據。將節點上傳的數存儲于FlASH 存儲器，并存儲網關節點網絡狀態的實時監測值，串行FLASH 存儲則采用AT45DB041B芯片。
四、系統管理軟件的設計
監控系統管理軟件把μC/OS- Ⅱ 操控系統移至MSP430F1611 微處理芯片。本設計相較一般嵌入式的操控系統，具有高的擴展比和執行效率、小的占用空間等特點，基本符合遠程操控系統的實時響應要求。系統管理軟件結構如圖2 所示，將數據的收集和匯總至基站的PC機中。
五、結語
針對電力儀表運程監控設備運行的復雜問題，基于傳感網的無線監測系統，在傳感網的結點內，采集傳感器的電流和電壓數據，通過MSP430F1611 芯片初步處理電力參數，再由通信模塊把監控數據發送給上位機。采用無線收發模塊（CC2430）實現數據傳送，通過FLASH 儲存現場數據，利用Zigbee 協議實現數據收發。基站PC 機采用現場管理和校正無線節點采集的數據，對收集的數據進行分析，較正電力儀器，保證準確有效地采集數據。
備案號：滬ICP備18025528號-1