电力计量装置电压异常状态检测系统设计

(国网青岛供电公司，山东 青岛 266000)

0 引言

电力计量作为电网电力系统的核心部分,对电力系统运行有重要作用[1-3]，电能计量装置的运行误差直接对供用电双方贸易结算的准确性产生很大的影响,因此对电能计量装置的运行状态评价显得尤为重要[4-5]。在对电力计量装置进行评价时，就需要对电力计量装置的电压异常状态进行检测，因此，所有的电力计量设备必须经过检验后才能投入使用[6-8]。在电力系统中，电力计量中的校验装置在电网中也具有很重要的作用。近些年，随着技术的发展，电力计量校验装置也在更新换代，并逐步向高集成度，高速化、自动化的方向飞速发展[9-10]。然而，随着装置功能复杂性提高，装置内部的供电系统也相应变得复杂，要保证装置运行稳定、可靠，首先要保证供电系统的稳定、可靠[11-12]。

然而，目前电力计量装置还在使用传统的供电线路布局和控制方法，缺乏有效的检测系统。同时，随着工业4.0的来临，电力计量校验装置必然要向智能化、信息化方向发展[13-15]，因此本文设计了一种电力计量装置电压异常状态检测系统，可以实时检测装置内部所有电压的工作情况，并能够在电压异常时进行提示、诊断，并报告给上位机及值班人员进行处理。下文将进一步详细说明。

1 检测系统构架设计

在本文设计中，电压异常状态检测系统主要由供电模块、主站、分析软件控制终端、电压测量模块、显示模块、故障报警模块等组成，其基本框图如图1所示。工作原理为：在电能表检测装置内，通过检测电压测量模块的运动状态、功能状态来实现检测系统的电压异常情况，检测数据通过LAN上传主站，在主站对检测的数据情况进行分析、计算。在对数据分析、计算时间，通过计算系统中的计算软件实现。在软件中设置标准阈值，当检测到的异常数据大于设置的标准阈值，则可检查异常状况。

图1 电压异常状态检测系统架构示意图

在本系统设计中，供电模块采用UPS供电，UPS 也称为不间断电源，当市电停电后，其仍旧持续为系统持续供电，使得检定装置的异常检定工作不中断。在现场主电力线中断的情况下，能够及时检测并上报现场检测信息。在本设计中，主站是系统核心处理单元，用于收集电压数据，并通过分析软件辨别故障，诊断故障点，记录异常，现场报警，并可通过基站通知值班人员。在本系统设计中，显示模块通常是滚动式液晶显示屏，能够以滚动的方式实时显示现场数据检定的情况，并及时显示当前电压所有数据和工作状态，使得用户灵活、即时把握现场检测信息。故障报警模块是电压异常时进行的故障指示，通过单片机控制声光电芯片，能够及时、快速指示现场异常情况，通过声光报警的方式，指示用户故障信息。电压测量模块是系统核心硬件部分，可以进行各装置和总线路中各个电压点的检测。

目前的电力计量校验装置构成较复杂，以目前计量中心大规模应用的流水线检测装置为例，在装置内部包含有长供电电源模块、受控电源模块、运动控制单元、检测功能模块、通信模块等[16-18]，包含的电压类别涉及三相交流220 V电压、直流5 V、12 V、24 V、36 V等，在实际应用中应该全部检测。在本文设计的检测系统应用中，电压测量模量根据需要检测电力计量装置中不同工作状态下的工作电压。所有电压测量模块将检测到的电压信号，转换为数字信号，并通过现场局域网输出至现场主站。现场主站将检测到的数据信息在数据中心存储，并进行显示。同时主站的故障分析软件实时分析电压检测模块检测到的电压信息，并同预先设置的规则进行比对。当电压测量模块检测到的电压同规则库中不同时，发出故障报警。通过报警模块预警提示，工作人员可根据预警情况进行故障排查，从而保证电力计量装置的良性、健康运行。

在上文设计中，电压测量模块可以提供电压、电流、功率、相位等信息。分析软件扫描所有端口信息，根据数据判断出过压、欠压、过载等异常情况，也可以通过电压系统中负载分配情况，优化现场供电线路，如通过分析A相负载过重，B、C相负载轻载，可以将部分负载调整至B、C相；又如通过检测某一段时间某个节点电压波动较大，供电存在风险，可以给出提示，使得工作人员执行提前干预。

2 关键技术设计

2.1 电压测量模块设计

电压测量模块设计是本文设计的检测系统采集终端，其设计结构如图2所示，在本文方案设计中，电压测量模块包括220 V电压采样单元、220 V电流采样单元、低压采样单元、放大单元、A/D转换单元、计算单元以及通信单元[19]。220 V电压采样单元和电流采样单元将采集到的电压信号输送至放大单元进行信息放大，所采集的电压、电流信号经过放大单元进行信息放大后输出至A/D转换单元，A/D转换单元将接收到的模拟信号转换为数字信号，计算单元对接收到的数字信号进行计算、处理。通信单元将计算后的数据进行上报，并接受主站的命令进行终端的远程控制。

图2 电压测量模块架构示意图

在设计电压测量模块时，采样的电源的输入电压为5 V或12 V，输入功率不超过100 W。A/D转换器的参数包括静态参数和动态参数，在具体设计中，采用16路并行读通道，3路串行写通道，具有10位分辨率的ADC能够分辨出1/1024的满量程，对于10 V的满量程可以分辨输入模拟电压变化的最小值位10 mV。其相对精度为-0.05%～+0.05%的范围。

2.2 计算单元设计

在本文设计的计算单元中，采用STM公司的STM32F407VGT6芯片来计算采集的电压、电流信号。其设计参数为32位Flash MCU、USB、CAN、11个计时器、3个ADC和13个通信接口，其采用的核心为ARM Cortex M4，接口类型：CAN, I2C, I2S, SPI, UART，该芯片能够对交流220 V的电压电流采集，并对功率、功率因数等进行计算，同时包含多路直流电压测量和网络通信能力。在本文设计中，电压采样电路如图3所示，对于220 V电压的测量，采用高精度互感器T1进行隔离式采集，安全性较高，同时保持较高测量精度。在图3电压采样放大电路中，母线电压经过采样电阻转换为电流信号，再经过隔离变压器输出电流，经过次级运放再转换为电压值。然后输送给A/D转换单元进行信号转换。其采样电阻的阻值大小为360k，该阻值能够支持0～380 V的测量范围。

图3 电压测量电路示意图

在本文设计中，电流采样电路如图4所示。220 V电流的采集前级采样使用高精度电流互感器进行采样，实现电气隔离。220 V母线中的电流经过隔离互感器转换为小电流输出，经过运放电流转电压电路，转换为电压信号，输送给A/D转换单元进行信号转换。

为了获得较大的测量范围，通过采用变比为1 000:1 的高精度电流互感器，其初始端电流为5 A，在二次端被转换为5 mA, 能够将电流缩小到1 000倍，然后通过调整运放电路的放大倍数为合适范围，进而能够得到0-3 V的电压信号，满足A/D转换单元的量程。对于直流电压的采集，由于要采集路数较多，而A/D转换单元的资源有限。

图4 电流测量模块架构示意图

同时，由于电压采样的实时性要求并不高，为此使用多路复用采集的方式，使用模拟开关进行切换，如图5所示。在本文设计中使用的模拟开关为74HC4051，为8通道模拟多路复用选择器，带有3个数字选择端(S0-S2)，1个使能端(E)，8个独立输入端和1个公共输出端。在采集时，依次操作HC4051的S0,S1,S2管脚选择A0-A7中的一个通道输入，通过A管脚输出，送到A/D转换单元。采集结束后，再切换至下一通道。本设计中A/D转换单元采用STM32F407VGT6自身的ADC，为12位SAR型ADC，使用3.3V参考基准，最小分辨率为1mV。该ADC可测量16个外部输入信号，支持DMA方式进行连续采集。通信部分采用LAN8720进行网络通信，通信芯片应用电路如图6所示。

图5 模拟开关结构示意图

图6 通信单元电路结构示意图

LAN8720是低功耗的10/100 M以太网PHY层芯片，支持RMII与以太网MAC层通讯。支持自动协商机制与目的主机进行网络通信，支持HP Auto-MDIX自动翻转功能。该芯片具有性价比高、引脚数量少、应用简单的优点。使用LAN8720搭配STM32F407VGT6的MAC功能，可以实现低成本的网络通信方案。在本文设计中使用的网络协议栈为LWIP，能够保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，只需要几百字节的RAM和40 k的ROM即可运行。所以使用LWIP协议栈非常适合在本文设计的嵌入式系统中应用。

2.3 电压测量模块性能指标

1)在本设计中包含的220 V采样中，能够支持的电压测量范围为0～380 V，能够支持三相相电压和线电压的采集，采集精度优于0.1 V。能够支持的电流测量范围为0～20 A，采集精度优于0.1 A。

2)在本文设计的的直流电压采样，能够支持的直流电压采样范围0～50 V，采样精度优于0.1 V 。能够同时支持20路电压的采集。

3 实验结果与分析

下面对本文设计的方案进行试验与验证。在本文验证中，在电能表自动化检测系统中对一个功能检测单元安装了电压测量模块。本试验是针对三相电能表检定装置进行的检测，测试项目分别包括有功能检测模块A相220V、功能检测模块B相220 V、功能检测模块C相220 V、功能检测模块1～24 V、功能检测模块2～24 V、运动控制模块1～24 V、运动控制模块2～24 V等。

为了验证电压采样模块的性能，在装置中，将功能检测模块A相220 V、功能检测模块1～24 V和运动控制模块1～24 V的输入采用正常电压进行测试，将功能检测模块2～24 V和运动控制模块2～24 V输入采用人工故障模块来进行试验。在本实验中，电压异常检测系统应能检测到A相220 V电压、电流、相位，并能测量功能检测模块1～24 V和运动控制模块1～24 V的电压，并给出工作正常指示。而对于功能检测模块2～24 V和运动控制模块2～24 V应能检测到异常电压，并给出异常提示。

在测试过程中，在主站客户端进行数据采集记录。然后根据上述情况下的实验结果，评价电压采样模块的性能，以及采用本技术方案得到的故障的正确率，试验得出的数据如表1所示。

表1 试验数据

通过上述试验可以看到，A相220 V电压、电流、量功能检测模块1～24 V和运动控制模块1～24 V的电压测量准确，工作状态正常。而功能检测模块2～24 V的电压偏低，运动控制模块2～24 V的电压为错误接线，均能给出异常提示。以上得出的检测信息与试验模块故障情况相匹配，检测得到正确率为100%。由此可见，本文设计的方案成功率为100%。检测到的异常信息报告通过服务器进行相应的处理程序，并能够将故障信息上传上层数据管理系统，供管理人员参考使用。

4 结束语

本文设计出的电力计量装置电压异常状态检测系统能够对电压和电流进行采样，然后对采集的电压和电流信号数据进行计算，通过数据计算，有助于用户获取电力计量装置工作状态，便于对电压异常状态的故障情况进行整体把握，大大减少电力计量装置的故障率，提高了装置工作的稳定性和可靠性。本文设计的技术方案还能够实现异常数据的远距离数据上传，实现故障检测数据的交互和传输，便于更高层的管理人员管理现场检测情况，更广泛地把握电力计量装置的故障情况，具有较高的应用价值。