智能电力测控仪

0　 引言　　当前，国内很多建筑配电仍普遍采用干式变电器配以低压电缆分接箱实现分散供电，给整个系统的运行管理带来了很多的不便。计算机技术和网络通信技术的日趋成熟，配电系统测量、控制等功能智能化、网络化是发展的必然趋势，配电系统运行中的各种问题可以通过微机全面解决。　　智能化配电系统由开关配以具有通信功能的智能化元件，经数字通信与计算机系统网络连接，实现对分散分布的低压电缆分接箱内开关设备运行进行自动化管理。系统可实现数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序控制及设备维护信息管理等功能。1　 项目概况　　上海核工程研究设计院是隶属于中国核工业集团公司的重点研究设计单位,该院新建大楼系统分为配电室和楼层部分，配电室高压部分采用ACR330ELH采集谐波数据，WHD72采集温湿度数据；低压进线侧采用ACR320ELH采集谐波、功率因数等数据， ACR220EK网络电力仪表采集测量电流，开关状态由辅助触点接入ACR220EK仪表的DI（开关量输入）接口。楼层部分由ACR220E采集电能数据。所有电参量数据由仪表的通讯接口经RS-485总线传给上位机，实现遥测、遥控和遥信功能。 2　 系统拓扑结构　　上海核工院电力监控系统的拓扑结构如图1。系统多采用分布式结构，按功能或区域进行划分，模块化设计。整个系统一般分为三层，即现场层、中间层、主控层。　　现场层主要任务是将现场的各种配电系统的运行参数进行采集和测量，并将采集和测量的各种数据传输给监控系统。其主要设备是：ACR330ELH、ACR320ELH谐波表，WHD72D温湿度仪表、 ACR220EK网络电力仪表，装设在现场的电缆分接箱内。上述设备均相互独立完成各自的功能，不依赖主控计算机运行，所有仪表都具备RS-485 通信接口，通过现场的RS-485总线将检测到的各项电参数和状态信号实时传输到中间层的数据处理单元。　　中间层位于现场层与主控层之间，由光电隔离器、串口服务器构成，现场485总线通过光电隔离器串口服务器与交换机相连，完成现场层设备与主控计算机之间的网络通信联接、数据交换。　　主控层位于中控室或值班室，配置高性能、高可靠性工业级计算机、UPS不间断电源、打印机、报警装置等。Acrel-3000电力监控软件安装在主控计算机上，通过软件的人机界面和各种管理功能实现对整个配电系统的实时监控。　　上海核工院新建楼层监控中心位于1层消控室，配电室位于地下2层车库，距离不超过1200米，直接通过铺设RS-485总线进行通讯即可，考虑到现场地理位置及走线方便合理等问题，采用8路RS-485网络可将所有配电室监控点覆盖；楼层部分考虑到走线方便问题，采用3路RS-485网络，通过竖井、吊顶拉到消控室。3　 Acrel-3000电力监控组态软件解决方案 　　Acrel-3000电力监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以缩短自动化工程师的系统集成的时间，提高集成效率。　　该系统实施后，实现了各类用电设备的电能报表，各用电回路的实时电参量遥测，重要回路的电能质量（含谐波）分析，以及重要回路的负荷用电趋势等功能，图表分别见图2、图3、图4。4　 结束语　　在电力监控系统中配置网络电力仪表，具有实施简明，投资少等显著优点，可以方便和实时地监控配电系统的运行状态，对现场的用电设备进行统一管理，免去工作人员到现场记录的繁琐工作，系统对各种用电设备的历史运行数据和状态进行管理分析，便于维护人员明确设备状况，制定详细的设备维护计划，减少工作人员，提高效率。同时，根据建立的电能计量体系，可以了解、分析建筑总体能耗，提出降耗计划，采取节能降耗措施，逐步提高用电效率。

摘 要：电力系统中高压开关柜的一次开关设备工作状态、温湿度控制、高压带电指示等功能一般是由信号灯和独立的电气元件实现的，这势必会带来集成度低、配线复杂、可靠性差的缺点。本文介绍了一种开关柜智能测控装置，适用于3～35kV户内高压开关柜，用于一次开关设备状态模拟显示、高压带电指示、防凝露温湿度控制、电参数测量等，大大提高了开关柜操控和测显的集成度和智能化程度。关键词：MC9S08AW32；开关柜；一次系统图；智能测控装置Abstract: According to the survey, working state of the switching device, control of temperature and humidity and high-voltage live instruction are usually achieved by some signal lamps and several independent electronic devices in a high-voltage switchboard of power system, which will inevitably bring about the shortcomings of low integration, complex wiring, and lower reliability. An intelligent monitoring and control device for switchboard named ASD is introduced in this paper, which is used in 3 ~ 35kV indoor high voltage switchboard. The device is used for the indicate of switching device status, high-voltage live instructions, anti-condensing temperature and humidity control, electrical parameter measurement and so on, which is highly increased the integration and intelligence of manipulation and measurement of the switchboard.Key words: MC9S08AW32; switchboard ; primary system diagram; intelligent monitoring and control device0　 引言　　开关柜一般有断路器（负荷开关）、隔离刀闸、接地刀闸等一次开关设备。在运行或调试中，监测这些一次开关设备状态是至关重要的。在传统的开关柜上，一般使用信号灯来指示这些状态的，这样做显示不直观，且接线不方便。开关柜智能测控装置将一次设备状态显示与开关柜的一次方案图相结合，LED显示器件置于一次方案图中设备符号所处位置，电路状态一目了然，生动直观，如图1　　同时集成的高压带电显示、自动温湿度控制、电参数测量功能使开关柜盘面简洁大方，降低二次接线工作量。1　 硬件设计方法1.1 设计平台　　中央处理器采用Freescale公司的第一款基于高度节能型S08核的器件MC9S08AW32高性能单片机，该单片机片上资源丰富，支持BDM片上调试功能，片内集成看门狗电路，抗干扰能力突出，具有业内最佳的EMC性能。CPU总线频率最高可达20MHz，最高运行速率可达40MHz。丰富的片上资源：32KB在线可编程FLASH存储器，内部时钟发生器，带有2个可编程定时器，丰富的I/O口：双SCI口，SPI、I2C等接口，极大的方便了硬件的扩展。　　电能计量芯片采用美国ADI公司的高精确度三相电能测量芯片ADE7758。该芯片的测量精度高，功能强大。该IC内嵌高精度的模数转换器和固定模式的数字处理信号处理器( DSP)，具有数字积分、数字滤波、实用电能监测、计量功能。芯片带有一个SPI串行口、有功电能脉冲输出、无功电能脉冲输出，可用于各种三相系统中有功功率、无功功率、电能、电压电流有效值的测量以及以数字方式校正系统误差所必须的信号处理电路。　　ADE7758为各相提供系统校准功能，包括有效值偏移校准、相位校准、功率校准。1.2 设计框图　　装置硬件电路设计框图如下，整个系统以MC9S08AW32为核心，按功能可划分为中央处理单元、电源模块、电压电流采样及运算、开关量控制模块、温湿度采集模块、人机交互模块、通讯模块等。1.3 部分电路1.3.1 中央处理单元　　中央处理单元电路图如图3所示，CPU对采样信号进行处理计算，根据测量得到的电流、电压、温湿度值与预先设定的各种保护数值进行对比，由此来判断开关柜的电压电流是否正常、温湿度状况是否正常，若不正常则输出相应的告警信息。外部扩展了铁电存储器，用于存储一些重要的参数，即使以后升级程序也不会丢失先前的重要数据。1.3.2 开关量控制模块　　开关量控制模块包括开关量输入和告警输出，其电路图如图4所示。开关量输入经光电耦合接入CPU；告警由GPIO口经光电耦合器连接到继电器输出。开关量输入设有8路，依次对应一次图中的断路器合、断路器分、手车工作位置、手车试验位置、接地刀位置以及弹簧储能指示，其余预留。开关量输入对应一次图可编程设置。开关量输出设有6路，依次输出加热器1、加热器2、风扇、告警、照明、闭锁的状态。1.3.3 人机交互单元　　本装置高端产品的人机交互界面采用LCD液晶显示模块。LCD采用128*128点阵显示，初始界面为电参量显示界面，通过按键输入进入菜单设置界面，菜单选项均采用中文显示界面，使得操作直观易懂。通过菜单选项可以设置诸如接线方式、电压变比、电流变比、告警定值、通信地址波特率等参数。低端产品则采用双排四位LED数码管显示来温湿度信息及各种可编程信息。用户可根据实际需要进行设置各种告警定值参数、通信地址波特率等。1.4 评述　　本装置采用的电源模块为开关电源模块。该电源模块输入电压为AC90～285V或DC100～300V，输入频率45～60Hz，输出电压稳定、故障率小，输出纹波＜1％，转换效率≥75％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。　　温湿度传感器采用SHT10，该系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，具有超快响应、抗干扰能力强等优点，提供全标定的数字输出。CPU与SHT10采用串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理。　　高压带电显示模块由高压带电传感器输入电信号，由此判断此高压柜是否带电。由于母线电压较高，所以高压带电显示电路采用了各种过压保护、隔离保护器件来确保装置内部电路的正常工作。　　此外，本装置还集成有操控功能、人体感应功能、语音防误提示功能等。2　 软件设计流程　　系统软件设计包括主程序、通讯模块2个部分。　　主程序完成上电或复位初始化，电能芯片初始化，其他外设初始化，温湿度测量，读取电参数，电量计算，状态显示及报警处理，LCD显示刷新及按键处理等功能，程序设计流程如图5。　　CPU初始化主要指对CPU的特殊状态寄存器SFR进行配置，设置I/O口的输入输出状态及初始状态，读取铁电寄存器数据等；电能芯片初始化主要指对ADE7758功能寄存器的配置；主程序其余部分则是对各项功能的完成，只有合理安排程序流程来完成这些功能，装置才能可靠工作。　　通讯模块以中断方式实现，主要完成接收数据，协议处理等功能。通讯协议采用标准MODBUS-RTU规约，便于上位机的通讯，与其他网络仪表组网使用，实现对开关柜状态的实时监测。3　 实现的技术指标及性能　　ASD系列开关柜智能测控装置的技术指标见表1。产品设计时采用优异的电磁干扰PCB设计技术，生产时经过整机带电老化与出厂检验测试，确保了产品的长期工作的稳定性和可靠性。 表1　ASD装置技术指标技术参数指标输入网络三相三线、三线四线频率45～60 Hz[t

摘 要：本文介绍基于Acrel-3000电力监控软件和电力监控仪表，设计并实现了一套分散式采集和集中控制管理的配电自动化系统。系统实现了微机在配电室中无人管理的功能，省去了值班人员现场操作的烦琐，提高了供电质量和管理水平，具有简明实用、投资少等优点。 关键词：电力监控软件；电力监控仪表；智能配电系统；应用0　 概述　　当前，国内很多建筑配电仍普遍采用箱式变电站配以低压电缆分接箱实现分散供电，给整个系统的运行管理带来了很多的不便，计算机技术和网络通信技术日趋成熟，配电系统测量、控制等功能的智能化、网络化已是发展的必然趋势，配电系统运行中的各种问题可以通过微机全面解决。　　智能化配电系统由开关配以具有通信功能的智能化元件经数字通信与计算机系统网络连接，实现对分散分布的低压电缆分接箱内开关设备运行的自动化管理。系统可实现数据的实时采集、数字通信与程序控制及设备维护信息管理等功能。　　本文以淄博运动员公寓（后改名为齐盛国际宾馆）电能管理系统为例子，简单介绍以下变电站的智能化管理。1　 系统分析　　山东省第22届运动会将于9月19日在淄博举行，淄博运动员公寓正是为此服务的。　　据悉，为保证第十一届全运会和第二十二届山东省运动会的召开，淄博市运动员公寓作为两运会服务的体育配套项目，从去年开始进入论证阶段。经多次论证，今天，中国建筑方面的专家组成的评审团开始对方案进行评审。据了解，根据淄博市城市总体规划与淄博市新区发展规划，淄博市运动员公寓将建于淄博新城区核心区内，在规划政务区东北角，中润大道南面，西十路西面，整体呈现南高北低。运动员公寓预计总用地面积约22公顷，总建筑面积121660平方米，地上　　　建筑面积为102922平方米，地下建筑面积为18738平方米，绿化率达到65％。　　在整体布局上，淄博市运动员公寓采用园林式分散组合形式，兼顾独立和联系；建筑以现代的北方园林建筑风格为主，兼顾实用与创新；环境的创造以北方现代园林形式为基础，兼顾传统与特色。特别是在节能设计上，本着“超低能耗，自然通风，天然采光，健康空间，再生能源，智能控制”的原则，外墙门窗均采用高效保温隔热系统，有效提高维护结构的性能；在建材选用上，采用轻质新型隔墙材料，减少建筑自重，节约结构构件用料。　　淄博运动员公寓电力监控和电能管理项目是2010年7月份开始的项目，旨在通过该系统实现运动员公寓电力系统的集中管理和检测，实现远程智能化配电系统。　　项目启动前买方需提供配电系统一次系统图、平面图、二次系统图等，以供卖方设计参考。卖方按照买方的实际需求和智能元器件的功能，完成系统的设计，主要功能为：一次主接线图界面显示；电参量遥测及电参量越限报警；事件记录，系统运行异常监测；故障报警及操作记录；电能报表查询与打印；系统负荷、用户权限管理等主要功能，实际细化功能卖方可以根据买方的使用习惯和需求做可行性修改。　　整个系统采用网络分布式结构，监控主机位于2#楼前面地下一层的动力中心中，其他5个配电室分别位于1#、2#、3#、4#地下一层（其中3#有南北两个配电室）。该项目实现了淄博运动员公寓4个楼内电力系统的智能管理。设计方案为4个楼内的5个配电室，通过光电转换器经过光纤拉倒2#楼前面地下一层的动力中心。5个配电室现场放置通讯机柜，仪表数据通过485接口，MODBUS通讯协议经光电转换器输送到动力中心。2　 系统的结构 　　本系统采用分层分布式计算机网络结构即间隔层、通讯层和站控层如下图所示：　　隔层主要的设备为：多功能网络电力仪表、开关量、模拟量采集模块和智能断路器等。这些装置分别对应相应的一次设备安装在电气柜内，这些装置均采用RS485通讯接口，通过现场MODBUS总线组网通讯，实现数据现场采集。　　中间层主要为：通讯服务器，其主要功能为把分散在现场采集装置集中采集，同时远传至站控层，完成现场层和站控层之间的数据交互。　　站控层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机、报警蜂鸣器等设备。监控系统安装在计算机上，集中采集显示现场设备运行状况，以人机交互的形式显示给用户，同时用户可以通过系统软件发送指令至现场设备，实现远程遥控功能。　　以上网络仪表均采用RS485接口和MODBUS-RTU通讯协议，RS485采用屏蔽线传输，一般都采用二根连线，接线简单方便；通讯接口是半双工通信即通信的双方都可以接收、发送数据但是在同一时刻只能发送或接收数据，数据最高传输速率为10Mbps。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰能力增强，总线上允许连接多达32个设备，最大传输距离为1.2km。3　 Acrel-3000电力监控组态软件解决方案 　　Acrel-3000电力监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以缩短自动化工程师的系统集成的时间，提高集成效率。　　该系统实施后，实现了各类用电设备的一次系统图显示、各回路实时电参量遥测、重要回路电能报表、以及进线回路的负荷用电趋势、重要回路的分合闸报警、用户权限管理等功能，图表分别见图2、3、4、5、6、7。　　系统一次图：直观地显示低压系统各回路的三相电流及运行状况。　　实时电参量：低压各回路三相电流、电压、功率、频率、电能数据等查询、打印及导出。　　电能报表：重要回路电能按时间短进行查询计算、打印、导出。　　趋势曲线：各进线回路及重要出线回路电流负荷趋势曲线历史记录查询。　　分合闸报警信息：各重要回路分合闸遥信报警，实时报警及历史报警查询。　　用户权限管理：用户可配置不同用户权限，增减用户，修改密码等。　　系统特点：通讯线接点少，画面显示直观，数据刷新快，及时反应现场设备的运行状况，同时系统操作简单，方便用户使用，各种功能可根据用户的需求灵活变化，系统的设计快捷方便，修改软件也不繁琐。4　 结束语　　在电力监控系统中配置网络电力仪表，具有实施简明，投资少等显著优点，可以方便和实时地监控配电系统的运行状态，对现场的用电设备进行统一管理，免去工作人员到现场记录的繁琐工作，系统对各种用电设备的历史运行数据和状态进行管理分析，便于维护人员明确设备状况，制定详细的设备维护计划，减少工作人员，提高效率。同时，根据建立的电能计量体系，可以了解、分析建筑总体能耗，提出降耗计划，采取节能降耗措施，逐步提高用电效率。