智能电能表现场校验仪的开发与设计

智能电能表现场校验仪的开发与设计【大比特导读】随着电网建设的逐步完善，相应的电力配电装置得到了迅猛的发展，电能表的准确度等级越来越高，对电能表现场校验仪的要求也随之提高，电能表现场校验仪电能指标一般要求达到0.05级，功能上要有谐波分析、错误接线判断、向量图显示、更正系数计算等......随着电网建设的逐步完善，相应的电力配电装置得到了迅猛的发展，电能表的准确度等级越来越高，对电能表现场校验仪的要求也随之提高，电能表现场校验仪电能指标一般要求达到0.05级，功能上要有谐波分析、错误接线判断、向量图显示、更正系数计算等，另外所测数据要求被保存并能上传到PC机供管理应用，还要求携带方便，体积小、功耗低，因此采用ARM和CP2102技术就能很好的满足设计要求。一、硬件原理硬件由模拟输入通道、采样保持电路、A/D转换器、CP2102数字信号处理器、ARM及其外围器件组成。输入通道中，三相电压直接接入，经过精密电阻分压取样到A/D转换器。电流采样分为经内附精密互感器、5A钳型互感器、500A钳型互感器三种方式获得以适应现场校验的不同需求。采集到的信号经16位串行A/D转换将模拟信号变换为数字信号。由采样保持器保证采样的同步性，使每相电压、电流同时采样，最后以串行方式输入给数字信号处理CP2102.CP2102是数字信号处理器(DigitalSingnalProcessor)的简称，它对采样信号进行高速运算、加工处理并将处理结果经总线传送给中央处理器ARM.中央处理器ARM对CP2102处理结果进行后期处理，实现人机对话、数据存储、功能切换等功能。显示器采用640×480分辨率的26k真彩色大屏幕，背景色可调以适应不同环境。二、ARM和CP2102技术原理中央处理器ARM是该仪器的核心部件，采用三星公司设计开发的基于精简指令集的ARM9核的S3C2410,该器件为低价格、低功耗、高性能小型微控制器，适合应用到各种便携设备，能够降低整个系统成本。它具有丰富的内部设备，其中主要包括：存储器管理单元MMU,16KB的指令缓冲器和16KB数据缓冲器，存储器控制器(SDRAM控制器)、NANDFlash和NORFlash控制器，LCD控制器(支持STN和TFT)，4通道的外部DMA请求控制，3个串行口，SD存储卡读取口，2个USB接口(1个USB主机接口和1个USB设备接口)，5个脉宽调制定时器，看门狗定器，117个通用I/O端口(其中24可用于中断请求)。在本仪器中主要完成系统控制和通讯协议的转换。ARM的外围器件包括32M的8位FLASH存储器K9F5608,它不仅保存着本仪器的应用程序，同时现场校验的数据和抄表数据都可以存储。FLASH存储器在系统中主要用于存放引导程bootloader、操作系统内核镜像和应用程序代码等，系统上电或者复位后从FLASH中运行bootloader,由bootloader初始化硬件并将操作系统拷贝到SDRAM中去执行。SDRAM存储芯片采用57V641620,它共有4M×16位字节宽度，采用3.3V供电。CP2102采用TI公司生产的第三代数字信号处理器TMS320VC33,该芯片是一种32bit的浮点CP2102,其程序、数据和外设地址都映射在同一存储空间，并有丰富的寻址方式和较大的寻址空间，因此对外设的访问非常灵活方便。CP2102以处理速度见长，它将处理信号的典型算法，如快速傅立叶变换(FFT)以硬件形式加以支持，提高了处理速度，特别适合要求运算速度高的场合。在本仪器中，各种电测量如电压、电流、功率、频率、相位、功率因数、谐波等都是由它完成计算处理的，同时，它还产生电能脉冲，包括有功电能的高频脉冲、低频脉冲和无功电能的高频脉冲。三、功能实现仪器的设计指标为0.05级，主要由采样电路和A/D来保证，算法也有很大的影响。该仪器采用非同步采样，采样频率与被测信号不同步，会带来附加误差，利用软件方法可以修正残余误差。参3经测试，基本电能误差能够满足设计要求。由于ARM的高性能，结合电能表现场校验的各种情况，仪器提供了丰富的扩展功能，主要有以下几个方面。1.仪器可以从上位机接收待校表信息，包括相线、常数、类型、互感器倍率、编号、变压器容量等，校表时只用输入编号即可调入全部信息进行校验。校验结果存储时也可以包含以上信息并且具有校验时间、误差、测量时的电测量信息。可以手动或通过485得到被校表的峰谷平电量信息，包括正反向有功和正反向无功。存储数量1000块。2.大屏幕液晶可以在校验界面显示三相电压、电流、功率、频率、功率因数，显示电流档位(基表、5A钳表、500A钳表)信息。可以显示两个误差，如果是主表副表则显示两块表的误差，如果是多功能电能表则可以同时显示有功、无功误差。3.能进行走字试验，可进行电能累计，检查电能表字轮的工作状态。4.能显示相量图和相位值，具备查接线功能(错误或正确的接线)，直接计算错误接线情况下的更正系数，可及时追补损失的电量。5.能够测试计量装置中低压电流互感器CT的角差、比差、误差。6.具有谐波分析功能，显示线路失真度、各次谐波含量、波形，还可以校验基波表。7.正是采用了ARM技术，才能使具有强大功能的电能表现场校验仪体积小、功耗(现场校验仪的重要指标)小、便于携带，它必将成为电能计量工作人员的有效设备。四、电能表现仪与智能系统系统主要由3部分组成：主站管理软件模块、主站数据库模块和PDA现场校表模块，整个校表的工作流程可以分为：1,主站软件生成计划，经过计量专职的审核后生效。2,校表人员将要执行的校表任务下载到PDA中。3,现场校表。校表人员带着PDA和校验仪来到校表现场进行校表工作，如果现场出现异常，则通过PDA的无线通信功能连接主站的专家诊断系统，处理各种接线错误。4,上传校验结果。校表完成后，校表人员可以通过无线方式或串口通信方式上传校验结果到主站。5,统计各种报表。五、系统实现1.主站管理软件模块的设计主站管理软件模块采用具有高安全性和稳定性的C/S(Client/Server)模式，读写主站数据库，实现电表等信息的管理、校表工作的安排、对校表数据的处理、现场接线错误的诊断、各类报表的统计等功能。主站管理软件的开发使用了Borland公司的delphi6开发工具，它具有可视化开发环境(IDE)、编译器速度快、强大的数据库支持功能、灵活的VCL组件、跨平台开发等特点，备受应用程序开发者的青睐。1,通信模块。在主站和PDA的通信中使用GPRS前置机的数据转发功能，实现无线通讯，大大减少外网对主站服务器的攻击。同时，提供了和营销系统、专家诊断系统的接口。2,系统管理。可以在系统中设置部门及各部门下的工作人员，根据人员的级别分配相应的菜单权限。3,档案管理。操作人员可以对部门、电表、变电所、用户、区域等信息进行管理，同时提供操作日志查询。4,任务管理。它包括计划任务的生成、校表任务的下载、校表结果的上传。5,报表管理。针对计量所的实际需要，提供了各类报表和直观的统计图。2.主站数据库设计主站服务器安装Oracle8i数据库。Oracle数据库具有安全性强、兼容性好、高可用性、高生产率、多线程处理能力等特点，是世界上使用最广泛的关系数据系统之一。数据库在整个系统中属于底层共享的数据资源支持层，对上层应用提供了基础数据的存储、管理、查询等功能的支持。数据库包括客户表、变电所表、线路表、电表表、测量点表、任务表、计划表、校验结果表等。3.PDA校表模块的软硬件设计PDA校表模块包括校验仪和带GPRS上网卡的PDA.其中校验仪用于对电表进行校验检测，PDA用于保存校验仪数据及和主站的数据通讯。PDA校表软件参照标准及实际校验流程设计。软件模块提供界面手工输入直观检查信息，比如电表外壳是否完好、电流量程是否正常、是否失流、是否失压、是否超载等信息;通过串口转红外通讯方式接收电表数据;通过串口接收校验仪(PWS)的数据，如果是带红外的PWS,则可以通过前面的红外端口接收PWS数据。PDA软件提供两种方式实现与主站的数据通讯：1,GPRS通讯方式。PDA在检表现场与主站的服务器进行无线通讯，实时查询获取信息及上传结果，如果接线有异常的话，通过主站进行实时诊断和处理;2,串口通讯方式。用串口线连接PDA和主站客户端，通过客户端连接服务器数据库取得工作内容，上传校验信息等。六、系统功能及特点与传统的电能表现场校验相比，该系统具有以下功能特点：1,校表自动化。采集的数据通过串口或红外通讯方式自动输入到PDA,并且存储在PDA中，再上传到主站数据库，实现了无纸化、自动化作业。2,校表智能化。系统提供的错误接线专家诊断模块能通过GPRS无线网络，辅助校表人员进行接线错误判断，提高工作效率。3,任务安排合理化。通过生成年计划算法，结合考虑用户类型、去年计划完成情况、用户区域等信息，可以将校表地点、时间相近的用户或变电所安排在同一天校表，避免了校表人员劳于奔波。校验报表、关口电能表运行点非优校验报表、重要电能表运行点二率报表、校验结果统计、校验结果分析等。而且，所有这些统计报表都有相应的统计图，直观方便的把各种信息呈现在操作员面前。七、结语结合PDA和GPRS技术的电能表现场校验与管理智能系统，系统维护方便、操作简单、易于扩展，和传统校表方法相比，实现了电力校表无纸化工作和智能化管理，简化校表工作，规范计量单位对信息数据的维护，减少了纠纷和事故发生率。该系统已经在福建省柘荣县供电公司投入使用，获得了关注和好评，相信在未来的应用中，必将带来更大的经济效益和社会效益。