CN103986231A - 一种网络化变电站智能计量系统 - Google Patents
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Abstract
一种网络化变电站智能计量系统。其包括：集中分析单元、CAN总线通讯网络和多台智能计量终端三个部分；其中：集中分析单元通过CAN总线通讯网络与多台智能计量终端相连接。本发明提供的网络化变电站智能计量系统可以在多路出线上安装计量终端，基于CAN总线通讯网络实现多路计量终端的信息交互，可靠性高且冗余度小，采集的电能信息利用集中管理单元通过专用接口和远动通道实现远传并提供实时分析手段，为变配电站计量的信息化和智能化分析提供一种新的手段和系统工具。
Description
技术领域
本发明属于变电站计量技术领域，特别是涉及一种网络化变电站智能计量系统。
背景技术
电能表是电能计量系统中最为关键的装置，从1880年世界上第一只利用电解原理制成的直流电能表到现在，电能表的发展已经走过了一百多年的历史，电能表发挥了巨大的作用。
目前世界上生产电子式电能表的厂家主要有：瑞士兰蒂斯公司、法国斯伦贝谢公司、ABB公司、GE公司、SIEMENS公司等。我国从上世纪90年代初开始研制电子式电能表，微胜集团、科陆电子、华立集团、恒通公司等相继推出了三相电子式电能表技术以及很多其它公司和企业相继研制开发出了多种类型、规格的单相和三相电子式电能表。经过引进、消化、吸收，我国的电子式电能表研制与生产开始进入符合我国国情的快速发展阶段。
目前，随着我国电力市场改革的起步和深入，我国国网、省网各级关口表中的绝大部分已更新为电子式电能表，大部分为进口表计，但低压用户以及普通居民用户电子式电能表还没有普及，部分省份供电部门正在以很快的速度在低压及普通居民用户中推广电子式电能表的使用。
目前数字式电能表已成为国内外电能计量装置研究与应用的主流，商业化的电能计量专用集成芯片层出不穷，如美国微芯科技公司(Microchip Technology)的MCP3905/MCP3906，美国模拟器件公司(Analog Device)的ADE7760/ADE7761，该类产品还有 MXT7755、ATT7022B、FS6611、TM7755等。上述电能计量专用集成芯片在电力系统中均有成功应用。但目前电能计量的测量点大多集中在电力用户的客户端，以电费计费为主要目的，或者对整个配电站总电能进行计量，而在配电站的各个出线端一般没有装设电能计量装置。基于有线或者无线GSM/GPRS/CDMA网络的远程抄表系统在电力系统中也有较多的成功应用，如杭州利尔达科技有限公司的无线抄表系统。这些数字式电能表以及网络化抄表系统具有计量准确、集成度高、工作效率高等优点。
但是，现有的电能计量系统功能大都只具有电能计量的单一功能，不具备数据存储、电能质量分析、故障录波等功能。而且在配电站的各个出线端没有装设电能计量装置，无法监测、记录各路出线端的电能情况，也无法监测各条线路线损及线路盗电行为。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种网络化变电站智能计量系统。
为了达到上述目的，本发明提供的网络化变电站智能计量系统包括：集中分析单元、CAN总线通讯网络和多台智能计量终端三个部分；其中：集中分析单元通过CAN总线通讯网络与多台智能计量终端相连接。
所述的网络化智能计量系统还包括：电能量采集系统，其为最终的数据分析显示平台，包括电量显示、电能质量分析、历史数据查询和终端管理模块，通过以太网与集中分析单元相连接。
所述的网络化智能计量系统还包括：多个电源模块，其分别与多台智能计量终端相连接，用于为智能计量终端供电。
所述的集中分析单元通过RS485串行总线与多台电站自动化设 备相连接。
所述的CAN总线网络为串行通信网络，其由通信双绞线和芯电源线组成，其敷设在电缆桥架中，将智能计量终端和集中分析单元以总线方式连接。
所述的集中分析单元为电量信息集中采集装置，其包括：嵌入式主控模块、LCD显示模块、CAN总线接口、网络接口和RS485接口；其中：嵌入式主控模块分别与LCD显示模块、CAN总线接口、网络接口和RS485接口相连接；CAN总线接口通过CAN总线通讯网络与多台智能计量终端相连接；网络接口与电量采集系统相连接；RS485接口与多台电站自动化设备相连接。
所述的智能计量终端包括：主控制器、时钟及存储电路、电源切换与看门狗、AD转换器、信号调理电路、CAN收发器、电源系统、后备电池和本地调试接口；其中：主控制器分别与时钟及存储电路、电源切换与看门狗、AD转换器、CAN收发器和本地调试接口相连接；电源切换与看门狗和时钟及存储电路相连接，后备电池与时钟及存储电路相连接，AD转换器通过信号调理电路与信号检测器件CT和PT相连接，CAN收发器与CAN总线通讯网络相连接，电源系统分别与主控制器、电源切换与看门狗、AD转换器和信号调理电路相连接。
本发明提供的网络化变电站智能计量系统可以在多路出线上安装计量终端，基于CAN总线通讯网络实现多路计量终端的信息交互，可靠性高且冗余度小，采集的电能信息利用集中管理单元通过专用接口和远动通道实现远传并提供实时分析手段，为变配电站计量的信息化和智能化分析提供一种新的手段和系统工具。
附图说明
图1为本发明提供的网络化变电站智能计量系统的结构示意 图。
图2为网络化变电站智能计量系统功能示意图。
图3为集中分析单元的组成框图。
图4为分布式智能计量终端逻辑框图。
图5为FM33256存储电路图。
图6为RC低通滤波电路图。
图7为AD73360L功能框图。
图8为AD调理及采样电路原理图。
图9为AD73360L与DSP接口电路图。
图10为AD73360L同步串口通讯时序图。
图11为CAN总线电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的网络化变电站智能计量系统进行详细说明。
如图1-图3所示，本发明提供的网络化变电站智能计量系统包括：集中分析单元1、CAN总线通讯网络2和多台智能计量终端3三个部分；其中：集中分析单元1通过CAN总线通讯网络2与多台智能计量终端3相连接。
所述的网络化变电站智能计量系统还包括：电能量采集系统5，其为最终的数据分析显示平台，包括电量显示、电能质量分析、历史数据查询和终端管理模块，通过以太网4与集中分析单元1相连接。
所述的网络化变电站智能计量系统还包括：多个电源模块6，其分别与多台智能计量终端3相连接，用于为智能计量终端3供电。
所述的集中分析单元1通过RS485串行总线与多台电站自动化 设备相连接。
集中分析单元1安装在控制室屏柜中，用于显示、存储测量得到的各路出线的参量，进行数据分析并给出计算结果，通过网络接口(载波或光缆)向上一级控制中心传输所需数据。每个变配电站控制室装设一台集中分析单元1，可以同时接入64台智能计量终端3。
CAN总线网络2为串行通信网络，其由通信双绞线和3芯电源线组成，其敷设在电缆桥架(沟)中，将智能计量终端3和集中分析单元1以总线方式连接，用于集中分析单元1及智能计量终端3两两之间的数据传输；通过CAN总线的方式接线简捷，极大地方便系统的现场安装与调试；
智能计量终端3为高精度电量计量装置，用于采集三相电压互感器及电流互感器二次侧信号，其安装在馈出线开关柜中，能够采集电压、电流数据，实现计量参数的计算、存储与上传；
整个系统功能示意图如图2所示，该系统采用计量用高准确度的三相电压互感器、三相电流互感器，以保证测量计算的精度。每路馈出线开关柜中有电流互感器，电压互感器信号则需从各段母线PT柜中引至各馈出线开关柜。将电压互感器、电流互感器二次侧信号进行预处理，得到适合于A/D采样的电压信号，送至A/D采样通道，对采样得到的数字信号进行运算，得到有功电能、无功电能、功率因数、电压频率等参数，并可扩展实现谐波测量、电能质量分析、故障录波等功能，相关参数通过CAN总线上传至集中分析单元。集中分析单元1在获得各个智能计量终端3上传的数据后，可以与上海电力公司现有的电能量采集系统和自动化设备接口衔接。
如图3所示，集中分析单元1为电量信息集中采集装置，其包 括：嵌入式主控模块11、LCD显示模块12、CAN总线接口13、网络接口14和RS485接口15；其中：嵌入式主控模块11分别与LCD显示模块12、CAN总线接口13、网络接口14和RS485接口15相连接；CAN总线接口13通过CAN总线通讯网络2与多台智能计量终端3相连接；网络接口14与电量采集系统5相连接；RS485接口15与多台电站自动化设备相连接。
如图4所示，所述的智能计量终端3包括：主控制器31、时钟及存储电路32、电源切换与看门狗33、AD转换器34、信号调理电路35、CAN收发器36、电源系统37、后备电池38和本地调试接口39；其中：主控制器31分别与时钟及存储电路32、电源切换与看门狗33、AD转换器34、CAN收发器36和本地调试接口39相连接；电源切换与看门狗33和时钟及存储电路32相连接，后备电池38与时钟及存储电路32相连接，AD转换器34通过信号调理电路35与信号检测器件CT，PT相连接，CAN收发器36与CAN总线通讯网络2相连接，电源系统37分别与主控制器31、电源切换与看门狗33、AD转换器34和信号调理电路35相连接。
由于计量终端设计有谐波、三相不平衡度等电能质量监测功能，所以不采用表计芯片而采用高性能DSP和表计Σ-ΔAD的硬件方案，这种系统可以获取电流和电压的直接采样点，便于计算谐波、三相不平衡度，以及准确测量电网频率。终端装置总体硬件结构包括DSP最小系统、电源系统、PT/CT及信号调理电路、后备电池、电源切换与看门狗、实时时钟及数据存储(RTC及FRAM)、本地调试串口、CAN总线接口等；图2为分布式计量终端逻辑框图，如图2所示：电压互感器/电流互感器二次侧信号首先经过高精度小型互感器再次隔离，并转换为弱电信号，然后经过低通滤波之后进入AD 转换器。AD采用电能计量专用六通道16bit AD转换器，采样频率8K SPS，内置抗混叠滤波器及可编程放大器(PGA)。
CAN总线接口由DSP片上CAN控制器和CAN总线收发器共同实现，支持CAN2.0B协议，传输速率最高可达1Mbps。
实际终端装置分三个模块：电源及互感器模块(PIO)、核心主控模块(CORE)、面板指示模块。
电源互感器模块PIO具有两个功能：电源变换、测量信号变换。电源变换将外部直流或交流电源变换为5V直流电源，而测量信号变换电路为高精度高线性度的小型测量电压互感器、电流互感器，将外部强电信号转换为mA级弱电信号，便于系统进一步处理测量。
核心主控模块CORE包括DSP最小系统、线性降压稳压、信号调理、AD转换、CAN收发器、时钟及数据存储(RTC及FRAM)等系统所有的主要功能实现电路。
面板指示模块主要用于指示系统电源状态、系统运行状态、数据通信状态、有功电能脉冲、无功电能脉冲，同时提供程序下载、调试、通信校验等端口。
电源系统37为电流、电压变换电路和接口保护电路，电源变换采用宽范围开关电源，输入兼容85～265V AC和100～300V DC，输出电压5V，最大输出电流2A。电源变换输入回路并联安规电容(X电容和Y电容)、串联共模电感以降低共模高频干扰；
信号调理电路35为电流、电压变换电路，采用计量专用高线性度的小型电压互感器和电流互感器，互感器一方面将强电信号转换为弱电信号，另一方面达到装置内部与外部系统隔离的目的。
主控制器31为智能计量终端3的控制核心，由DSP和数据存储构成的最小系统是整个终端的计算和控制核心，终端采用TI公司高 性能32处理器TMS320F2812，并配置256K×16bit SRAM，4M×16bit FLASH一起构成系统核心。SRAM用于程序运行过程中数据暂存，FLASH具有非易失特点，适用于保存历史数据和统计数据，而系统参数保存于一片SPI接口的铁电RAM(FRAM)中。为提高系统集成度，FRAM选用带有实时时钟(RTC)的多功能FRAM芯片FM33256，图5为FM33256的电路原理图，如图5所示，实时时钟带有后备电池及动态电源切换电路，当系统掉电时，能立即切换到电池供电。
系统核心还包括一个运行监视电路TPS3606(看门狗)以提高整个系统的可靠性，运行监视电路可以有效防止DSP运行期间的程序异常和死锁。
信号调理电路35为输入信号调理电路，由电流、电压变换电路得到的mA级弱电流信号首先用精密取样电阻转换为电压信号，然后经RC低通滤波进一步降低高频干扰提升信噪比，最后用参考电压偏置后输入AD转换器。三相电流和三相电压变换产生的六组弱电流信号采用相同的预处理电路，原理如图6所示。
采样电路选用ADI公司三相计量专用的六通道16-bitΣ-ΔAD转换器AD73360L，采样频率8kSPS。该芯片的每个输入通道均有自己独立的信号调理、可编程放大器(PGA)和Σ-ΔAD转换，非常适合作为专业的电能计量采集前端，其内部功能框图如图7所示。
信号调理允许输入配置为差分或单端输入模式，片上集成的抗混叠滤波器(Anti-alias)滤除4kHz以上的所有信号，对于系统设计的8kHz采样完全避免了频率混叠问题。而片上PGA支持的软件配置放大倍数的功能则极大地简化了外部信号调理电路。
计量系统需要高分辨率、高集成度高信噪比和低价格的ADC，新型的Σ-Δ转换技术恰好可以满足这些要求，Σ-Δ转换器中的 模拟部分非常简单(类似于一个1bit ADC)，而数字部分要复杂得多，按照功能可划分为数字滤波和抽取单元，所以更接近于一个数字器件。Σ-Δ转换器的工作原理是基于过采样技术，如果对输入信号后以频率fs采样，按照Nyquist定理，采样频率至少两倍于输入信号，从FFT分析结果可以看到，量化噪声是分布于DC到fs/2间的随机噪声，主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。为了改善SNR和更为精确地再现输入信号，一种方式是增加ADC的位数，而另一种方式是Σ-Δ转换器所采用的过采样技术。如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为kfs，FFT分析显示噪声基线降低了，SNR值未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。Σ-Δ转换器正是利用了这一原理，具体方法是紧接着1bit ADC之后进行数字滤波。大部分噪声被数字滤波器滤掉，这样，RMS噪声就降低了，从而通过一个低分辨率ADC，Σ-Δ转换器获得了宽动态范围。在数字滤波之后的抽取单元(decimator)，其抽取率由过采样率和ADC输出样点速率决定。抽取单元还按AD输出位数对1bit AD输出结果进行累加得到的样点值保存于AD73360L的内部RAM暂存；图8为三相电流、电压信号调理及采样电路原理。
AD73360L与DSP接口为同步串口，图9表示了接口电路原理图；F2812片上McBSP接口配置非常灵活，可以与AD73360L的同步串口时序无缝匹配，其时序图如10所示；电压基准源采用REF3212，为AD提供1.25V的转换参考电压，同时AD需要外部输入时钟源(频率16.384MHz)。
所述的CAN收发器36为CAN总线通信协议数据链路层协议，主要由CAN控制器完成，TMS320F2812内部集成了支持CAN2.0B协议的CAN控制器，物理层则通过SN65HVD230D收发器实现，传输速率 最高可达1Mbps。与外部通过ADμM1201磁隔离芯片实现内部系统和外部总线的电气隔离，电路如图11所示。
智能计量终端3还包括LED指示灯、串行通信口、本地调试接口39；LED指示灯等指示系统电源、运行、通信状态以及有功电能脉冲输出、无功电能脉冲输出等。串行通信口用于装置的在线诊断，而本地调试接口39为JTAG调试接口，是研发阶段的主要调试接口。
本发明通过智能计量终端采集各条出线上的电压电流信息，然后通过后台分析，得出整个变电站上输出能量的情况、各条出线上谐波的情况等。通过在多路出线上安装智能计量终端，基于CAN总线通讯网络实现多路智能计量终端的信息交互，可靠性高且冗余度小，采集的电能信息利用集中分析单元通过专用接口和远动通道实现远传并提供实时分析手段，为变电站计量的信息化和智能化分析提供一种新的手段和系统工具 。
Claims (7)
1.一种网络化变电站智能计量系统，其特征在于：所述的网络化变电站智能计量系统包括：集中分析单元(1)、CAN总线通讯网络(2)和多台智能计量终端(3)三个部分；其中：集中分析单元(1)通过CAN总线通讯网络(2)与多台智能计量终端(3)相连接。
2.根据权利要求1所述的网络化变电站智能计量系统，其特征在于：所述的网络化智能计量系统还包括：电能量采集系统(5)，其为最终的数据分析显示平台，包括电量显示、电能质量分析、历史数据查询和终端管理模块，通过以太网(4)与集中分析单元(1)相连接。
3.根据权利要求1所述的网络化变电站智能计量系统，其特征在于：所述的网络化智能计量系统还包括：多个电源模块(6)，其分别与多台智能计量终端(3)相连接，用于为智能计量终端(3)供电。
4.根据权利要求1所述的网络化变电站智能计量系统，其特征在于：所述的集中分析单元(1)通过RS485串行总线与多台电站自动化设备相连接。
5.根据权利要求1所述的网络化变电站智能计量系统，其特征在于：所述的CAN总线网络(2)为串行通信网络，其由通信双绞线和3芯电源线组成，其敷设在电缆桥架中，将智能计量终端(3)和集中分析单元(1)以总线方式连接。
6.根据权利要求1所述的网络化变电站智能计量系统，其特征在于：所述的集中分析单元(1)为电量信息集中采集装置，其包括：嵌入式主控模块(11)、LCD显示模块(12)、CAN总线接口(13)、网络接口(14)和RS485接口(15)；其中：嵌入式主控模块(11)分别与LCD显示模块(12)、CAN总线接口(13)、网络接口(14)和RS485接口(15)相连接；CAN总线接口(13)通过CAN总线通讯网络(2)与多台智能计量终端(3)相连接；网络接口(14)与电量采集系统(5)相连接；RS485接口(15)与多台电站自动化设备相连接。
7.根据权利要求1所述的网络化变电站智能计量系统，其特征在于：所述的智能计量终端(3)包括：主控制器(31)、时钟及存储电路(32)、电源切换与看门狗(33)、AD转换器(34)、信号调理电路(35)、CAN收发器(36)、电源系统(37)、后备电池(38)和本地调试接口(39)；其中：主控制器(31)分别与时钟及存储电路(32)、电源切换与看门狗(33)、AD转换器(34)、CAN收发器(36)和本地调试接口(39)相连接；电源切换与看门狗(33)和时钟及存储电路(32)相连接，后备电池(38)与时钟及存储电路(32)相连接，AD转换器(34)通过信号调理电路(35)与信号检测器件CT，PT相连接，CAN收发器(36)与CAN总线通讯网络(2)相连接，电源系统(37)分别与主控制器(31)、电源切换与看门狗(33)、AD转换器(34)和信号调理电路(35)相连接。
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