基于Modem通信的遠程電能質(zhì)量參數采集系統設計

摘要：為了實(shí)現電能質(zhì)量參數數據可靠傳輸及降低運行成本，在研究Modem通信的適應性及其優(yōu)點(diǎn)的基礎上，設計了基于Modem通信的遠程電能質(zhì)量參數采集系統。介紹了四象限電能測量原理及其功率表達式推導，并運用ARM9作為主控芯片，以及時(shí)鐘、復位等外圍電路構成電能質(zhì)量參數采集系統，實(shí)現了對電能數據的采集。系統具有響應速度快、時(shí)鐘頻率高、運行成本低等特點(diǎn)。本系統完成了多個(gè)變電站的通信及電能質(zhì)量參數采集，運行狀態(tài)好，具有很強的現實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：變電站;Modem;最小系統

0 引言

隨著(zhù)智能電網(wǎng)自動(dòng)化水平的不斷提高，曾被廣泛應用的“一站一表”人工抄表模式已不能滿(mǎn)足當今電力網(wǎng)絡(luò )快速發(fā)展要求。伴隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，電能質(zhì)量數據的處理方式向著(zhù)遠程、實(shí)時(shí)在線(xiàn)采集及共享的方向快速發(fā)展。在理想運行中，監測的電能應為對稱(chēng)正弦波信號;然而，實(shí)際運行中由于非線(xiàn)性負荷等因素的影響造成功率因素降低、諧波電流增大等問(wèn)題，使得信號波形偏離對稱(chēng)正弦形式。因此，實(shí)現遠程電能質(zhì)量參數采集具有很強的現實(shí)意義。

現階段的電能質(zhì)量參數采集的主要方式有：自動(dòng)采集、隨機召測和主動(dòng)上報等。在實(shí)際運行過(guò)程中，通常會(huì )采用聯(lián)合采集方式以便于數據的采集與監控。電能質(zhì)量參數采集系統主要通信方式有：光纖專(zhuān)網(wǎng)通信、GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)通信、電力線(xiàn)載波通信以及RS-485等。本文所述系統采用電話(huà)撥號抄表通訊方式完成數據傳輸，節約了通訊資源和運行成本;并研究了串行輸入接口和USB輸出插頭的模擬通道轉串口通信的調制解調器，實(shí)現在線(xiàn)監控。

1 系統整體方案設計

整個(gè)系統由變電站電能表、數據采集終端、標準Modem、端口轉換器以及計算機五部分組成。

如圖1所示，本系統采用DTZ341(配置號為B1V1.2)三相四線(xiàn)智能電能表，電壓測量范圍：三相80%Un～120%Un;

互感式接入方式的電流測量范圍為：0.3(1.2)A，1(2)A，1.5(6)A，5(6)A，工作溫度為-25℃～60℃;

電能表與數據采集終端通過(guò)RS485線(xiàn)相連，實(shí)現數據的傳輸;

數據采集終端可以完成電能質(zhì)量參數采集、本地或遠程設置表計檔案與終端運行參數以及數據存儲等功能，與Modem采用串行連接，通過(guò)數據的收發(fā)，

實(shí)現遠程傳輸;

端口轉換器采用高度集成的PL2303芯片，完成串口轉USB的功能。

2 電能計量基本原理

電能在電網(wǎng)的傳輸過(guò)程中，電網(wǎng)供給負荷的電功率包括有功功率和無(wú)功功率。在輸電電能突然增加時(shí)，感性負載和容性負載可以存儲一部分能量;而當輸電電能不足時(shí)，則釋放能量補充。圖2為四象限電能測量原理。

圖2中P表示有功電能;Q表示無(wú)功電能;RL表示感性無(wú)功元件;RC表示容性無(wú)功元件。QⅠ在輸出有功的同時(shí)還輸出感性無(wú)功;QⅡ在輸入有功的同時(shí)還輸出容性無(wú)功;QⅢ在輸入有功的同時(shí)輸入感性無(wú)功;QⅣ在輸出有功的同時(shí)還輸出無(wú)功，下標表示象限區域。在電能計量時(shí)，可將電能按四個(gè)象限分別計量。

設每周期采樣次數為N，連續量離散化可得有功功率：

同理也可得到視在功率和無(wú)功功率的表達式。通過(guò)智能電表的電壓電流測量，計算可得到有功、無(wú)功功率。

3 系統硬件電路設計

3.1 智能電表

智能電表結合現代計算機技術(shù)和測量技術(shù)，具有自動(dòng)校正、數據自動(dòng)存儲、運算及遠程數據通信等功能。電能表由電流互感器、集成計量芯片、微控制器、溫補實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數據接口設備和人機接口設備組成，采集的基本監測量包括頻率、電壓、電流有效值、有功、無(wú)功功率等參數。集成計量芯片將電壓和電流的模擬信號轉換為數字信號，并對其進(jìn)行數字積分運算，從而精確地獲得有功電能和無(wú)功電能，微控制器依據相應費率和需量等要求對數據進(jìn)行處理。其結果保存在數據存儲器中，并隨時(shí)向外部接口提供信息和進(jìn)行數據交換，其電能表原理結構示意圖如圖3所示。

3.2 數據采集終端硬件電路

數據采集終端是由獨立功能的各類(lèi)電路子板組合而成，各子板通過(guò)PCI連接到一塊總線(xiàn)底板上，分為RS-485通信板、Modem通信板、電流環(huán)(CS)采集板、脈沖采集板、CPU板、顯示與鍵盤(pán)板、總線(xiàn)底板和本機電源板。本數據采集終端通過(guò)RS-485與電表通信，按已設置要求采集電能表數據，經(jīng)主處理器分析、處理保存后，通過(guò)撥號Modem遠傳通道傳輸至主站系統。圖4為數據采集終端電路原理示意圖。本系統是是采用WFET-3000的電能量數據采集終端。

3.2.1 數據采集終端最小系統

數據采集終端CPU采用高性能32位嵌入式RISCCPU(ARM9內核)-S3C2410處理器。

具有16KB指令Cache、16KB數據Cache和存儲器管理單元;LCD控制器支持4K色的STN和256K色的TFT;電源控制模式有標準、慢速、休眠和掉電4種模式，可根據不同需要進(jìn)行設置。圖5為數據采集終端最小系統硬件電路，列出時(shí)鐘電路、復位電路等部分管腳的外圍電路。

3.2.2 供電模塊

在數據采集終端電路中的電源環(huán)節，如圖6設計了電源驅動(dòng)電路。采用MP2303將電源電壓裝換為3.3V直流電壓。輸出電壓通過(guò)反饋電阻R58和R59接地電阻調節，并應滿(mǎn)足下式：

3.3 端口轉換器

端口轉換器是實(shí)現通用串口與計算機USB接口之間的轉換，使得傳統串口設備變成即插即用的USB設備，擴大了實(shí)際運用中的監測條件。PL2303是一種高度集成的RS232-USB接口轉換器，具有RS232全雙工異步串行通信。PL2303的TXD引腳和RXD引腳分別與RS232的TXD引腳和RXD 引腳相連，DM引腳和DP引腳與計算機USB接口的兩條信號線(xiàn)相連，以及其它晶振等外圍元件的工作，實(shí)現了數據采集終端串口與USB接口的轉換及通訊。圖 7為端口轉換器硬件電路圖。

4 遠程通信

4.1 Modem通信

信息的傳遞是通過(guò)數據通信系統來(lái)完成的，通常是將采集到的數據借助發(fā)送設備，經(jīng)過(guò)數據傳輸信道，被接收設備所獲取。本文所述系統采用電話(huà)撥號的通信方式實(shí)現數據遠程通信。

Modem通信是通過(guò)電話(huà)線(xiàn)、通訊設備及調制解調器來(lái)完成的。實(shí)現模擬信號和數字信號間轉換。而在模數轉換時(shí)會(huì )有一定概率的誤差，即為量化噪聲，其強度受本地電話(huà)線(xiàn)路質(zhì)量和通訊速率的影響。而本文采用非對稱(chēng)式的V.90/K56Flex Modem，是以Rockwell的RC56D芯片組為主控制器的高速調制解調器，芯片組包括MCU芯片、MDP(modem data pum p)芯片和RCDSVD SCP(speech code processor)芯片等，可以減少一次數據轉換進(jìn)而減少量化噪聲。圖8為串行DTE硬件結構及其接口框圖。

MCU是8位的微處理器，工作電壓為5V，主振頻率為28.224MHz。MDP實(shí)現信號的調制解調，數據發(fā)送與接收為不對稱(chēng)方式。ROM/FLASH ROM用于存放MCU固件，實(shí)現對Modem的控制、設置等功能，而RAM用于數據緩存，用于發(fā)送和接收的調制和解調數據的存放。

4.2 通信規約

Modem通信協(xié)議包括ASCII、RTU等傳輸模式，其中RTU傳輸模式以十六進(jìn)制傳輸數據，數據中每8位字節分成兩個(gè)4位16進(jìn)制的字符，最大限度利用了每個(gè)數據位的空間，數據傳輸效率高于A(yíng)SCII模式。故本文也將采用RTU模式下進(jìn)行數據傳輸。表1為可變幀長(cháng)傳輸模式。

可變幀長(cháng)傳輸模式，可滿(mǎn)足實(shí)際需要的功能。本系統中采用低字節在前、高字節在后的傳輸方式，兩幀之間的線(xiàn)路空閑間隔最少需33位，且主站和子站可雙向傳輸數據。表1中68H和16H分別表示啟動(dòng)字符和結束字符;控制域為設置終端參數、系統時(shí)鐘、續傳、查詢(xún)終端系統信息等，通過(guò)鏈路地址域記錄數據終端設備地址;而鏈路用戶(hù)數據包含修改終端連接密碼、主動(dòng)查詢(xún)終端系統等數據;幀校驗和即為從控制域開(kāi)始到校驗碼之前所有字節的累加。

數據采集終端的主要功能有數據采集、參數設置、數據存儲、數據通信等，是遠程電能質(zhì)量參數采集的核心。系統初始化完畢之后，建立Modem通信，才可以進(jìn)行可變幀長(cháng)數據的提取;當收到電能質(zhì)量參數采集數據，傳送電能質(zhì)量參數數據并顯示和保存;當收到檔案管理修改信息，將進(jìn)行遠程設置表地址和波特率等的修改，圖9為系統數據采集終端控制流程圖。

本文對基于Modem的遠程電能質(zhì)量參數采集系統進(jìn)行了實(shí)際監測，圖10為遠程電能質(zhì)量參數采集系統人機界面，包括檔案管理、通信連接、數據采集及維護測試四個(gè)操作功能模塊，其中檔案管理包括表計協(xié)議、表計地址及波特率等參數。在遠程電能質(zhì)量參數采集之前，應當與采集終端建立通信連接，包括通信端口、波特率、數據位、停止位等的設置;通信方式則為撥號方式并在指定欄里填好終端電話(huà)號碼，等待通信建立語(yǔ)音提示;之后，即可點(diǎn)擊數據采集，選擇采集終端名稱(chēng)、數據采集起始時(shí)間、數據類(lèi)別(有功、無(wú)功等)。

6 總結

本文針對變電站電能質(zhì)量具體特點(diǎn)，分析了智能電表采集四象限電能測量的原理;以此為基礎，通過(guò)建立Modem通信方案實(shí)現了電能質(zhì)量參數采集數據的遠程傳輸。在運行中，傳輸的電能質(zhì)量參數數據在采集終端接收后通過(guò)端口轉換器傳輸給監測終端。其中端口轉換器的設計可以完成通用串口與計算機USB接口之間的轉換，使傳統串口設備變成USB設備，具有即插即用的顯著(zhù)特征。綜上所述，本文所設計遠程電能質(zhì)量參數采集系統提高了變電站實(shí)際運行應用中的整體監測水平。

另外，基于Modem的遠程電能質(zhì)量參數采集系統的建立，極大降低了監測設備運行維護成本和人力成本，具有實(shí)時(shí)性好、安全有效等優(yōu)點(diǎn)。