电力仪表远程监控系统研究
日期: 2018-12-01一、前言
电力系统作为国家经济的命脉，作为国民生产的重要保障之一，它也与人们的生产生活密切相关。伴随国家科技水平的提高，民用和工业的需电量增长迅速，导致越来越大的电网规模和日趋复杂的总体结构，这就需要更高的电网的运行和管理要求。为用户的用电的安全和保证用电设备稳定运行，需采用一些重要措施，通过电表对电网的功率、电流、电压等参数进行时效性监测就是其一。普通电力仪表其功能和结构单一化、远程通信功能缺失等特点，这限制电力仪表的实时监测性。近些年，日益成熟的嵌入式技术与通信技术，促进了功能多样化的智能仪表和监控系统的发展，电力仪表远程监控系统也就应运而生。
二、电力仪表远程监控系统整体概况
电力仪表远程监控系统能够实时监控和收集设备的耗电信息，系统联网后把设备收集的数据信息发至电表远程监控系统，系统再对用电信息进行分析、统计和汇总，判断并合理控制用电设备的运行状况，达到对用电设备的远程监控目的。参照电网实际的运行需要，要求该运程监控系统的功能对数据及时有效地采集，通信联网稳定安全，从而使得远程控制操作精准。监控系统采用模块化开发的方式，主要分为数据的收集与校准、传感网汇聚结点和远程监控中心三大部分。
（一）数据的收集与校准
数据的收集与校准由电力系统中在网的用电设备和监控区的微型传感装置完成，传感器的终端由多功能电表完成数据收集的重要任务，数据通信则通过无线传输模块完成。无线传感网由各传感器节点构成，根据组网协议组成灵活自主的网络通信系统，将该网络划分成众多小分区，各分区再对通信数据进行收集与处理[1]。
（二）基站的传感网汇聚结点
基站的传感网通过无线传输将收集的数据发送至基站的网络汇聚结点。
基站中对数据做初步处理，校准数据的有效域，通过基站中设置的PC 机及其电力仪表自动较正软件实现基站的功能，PC 机接受无线传感网传送过来的仪表测量初始值，在后台对传输过来的测量初始值自动较正，计算其误差及校准值，再由PC 机将仪表较正指令反馈至现场的监控仪表，实现仪表自行校准运行误差的功能。在基站中安置基于电表数据进行综合分析管理的软件，一般基站的PC 机可挂载的仪表数量在100 个左右。PC 机可发送控制命令并读取并显示仪表的数据于监控界面，数据经再处理反馈给PC 机。PC 机是有线和无线通信方式的枢纽，基站没有数据的存储功能，将以太网的控制模块内置于PC 机，便于监测数据通过互联网传输并储存数据于远程服务器的数据库。
（三）远程监控中心
监控中心拥有大型的数据库，内部存有各种历史监控数据、运行标准的数据和故障维护数据等。监控系统的主机比较数据库中的相应数据与当前运行数据，参数运行超限将进行报警分析，当电表的电流、电压或功率过高时，监控系统的PC 机会发送警告信息，分析并显示报警地址和原因。通过系统的数据分析，工作人员可采取下一步操作，手动进行远程操控。若在一定时间内无手动操控时，监控系统会自动进行故障的远程处理[2]。
（一）数据的收集与校准
数据的收集与校准由电力系统中在网的用电设备和监控区的微型传感装置完成，传感器的终端由多功能电表完成数据收集的重要任务，数据通信则通过无线传输模块完成。无线传感网由各传感器节点构成，根据组网协议组成灵活自主的网络通信系统，将该网络划分成众多小分区，各分区再对通信数据进行收集与处理[1]。
（二）基站的传感网汇聚结点
基站的传感网通过无线传输将收集的数据发送至基站的网络汇聚结点。
基站中对数据做初步处理，校准数据的有效域，通过基站中设置的PC 机及其电力仪表自动较正软件实现基站的功能，PC 机接受无线传感网传送过来的仪表测量初始值，在后台对传输过来的测量初始值自动较正，计算其误差及校准值，再由PC 机将仪表较正指令反馈至现场的监控仪表，实现仪表自行校准运行误差的功能。在基站中安置基于电表数据进行综合分析管理的软件，一般基站的PC 机可挂载的仪表数量在100 个左右。PC 机可发送控制命令并读取并显示仪表的数据于监控界面，数据经再处理反馈给PC 机。PC 机是有线和无线通信方式的枢纽，基站没有数据的存储功能，将以太网的控制模块内置于PC 机，便于监测数据通过互联网传输并储存数据于远程服务器的数据库。
（三）远程监控中心
监控中心拥有大型的数据库，内部存有各种历史监控数据、运行标准的数据和故障维护数据等。监控系统的主机比较数据库中的相应数据与当前运行数据，参数运行超限将进行报警分析，当电表的电流、电压或功率过高时，监控系统的PC 机会发送警告信息，分析并显示报警地址和原因。通过系统的数据分析，工作人员可采取下一步操作，手动进行远程操控。若在一定时间内无手动操控时，监控系统会自动进行故障的远程处理[2]。
2 大型公建实现电能分项计量管理的目的为了推动公共机构节能，提高公共机构能源利用效率。发挥公共机构在全社会节能中的表率作用，国务院令第531号《公共机构节能条例》第14条明确指出：公共机构应当实行能源消费计量制度，区分用能种类，用能系统实行能源消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况实行监测，及时发现、纠正用能浪费现象。建筑部推出建科[2008]114号文附件3：《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统———楼宇分项计量设计安装技术导则》，对电能分项计量的分类、设计、安装、验收等进行了规范。江苏、上海等地方分别推出苏建科[2007]217号文《江苏省公共建筑用能计量设计规定》和沪建交[2008]828号文《关于进一步加强本市民用建筑设备专业节能设计技术管理的通知》，进一步明确提出对主要用电设施分项计量，对办公楼、商场、宿舍等应计量到经济核算单元，对医疗病房、宾馆客房、学校教室应按楼层或功能分区计量等等。由此可见，大型建筑实现电能分项计量管理，可及时发现、纠正用电浪费，并为建筑节能考核提供数据。
三、优化设计无线传感器的节点
无线传感器由监测区内微型传感器节点构成。传感器节点的合理构建是传感网建立的重要硬件基础。节点由四大部分构成，分别为数据收集模块、数据处理模块、无线信号收发模块及电源部分，传感器节点的结构如图1 所示。
数据收集模块检测电力设备的三相基本电参量（有效电压值、有效电流值、频率、视在功率、有功功率、无功功率、视在能量、有功能量、无功能量及电流电压的相序等）。及时并准确地收集电流和电压瞬时值是参数测量的重点。为确保数据收集的时效性，电力仪表远程监控系统采用16位单片机微处理器作为无线传感网络的节点，1.8-3.6V 的工作电压范围，运行耗电量为250μA/MIPS，以较低功率在电压低的状态下工作；RISC 体系结构的指令发送速度快，DMA 和16位的硬件乘法器等先进的结构体系，很大程度地提高系统的数据运算及处理性能。传感网的短距离传输数据一般采用ZigBee 技术，一种功耗、成本和复杂度低的双向无线通信传输方式，协议简单、成本低廉和组网范围大使之成为目前无线传输广泛应用的方式。本系统选用CC2430 作为适应于上述节点的射频芯片，用ZigBee 标准通信协议栈构成CC2430 模块，CC2430 芯片的电压具有较宽的范围（2.0~3.6V），具有功能适应性强、功率小、反应灵敏及抵抗干扰能力强等特点，符合设计的要求，同时能支持强大的集成研发能力。通过SPI 接口进行CC2430 模块的访问，发送和接受实时数据。将节点上传的数存储于FlASH 存储器，并存储网关节点网络状态的实时监测值，串行FLASH 存储则采用AT45DB041B芯片。
四、系统管理软件的设计
监控系统管理软件把μC/OS- Ⅱ 操控系统移至MSP430F1611 微处理芯片。本设计相较一般嵌入式的操控系统，具有高的扩展比和执行效率、小的占用空间等特点，基本符合远程操控系统的实时响应要求。系统管理软件结构如图2 所示，将数据的收集和汇总至基站的PC机中。
五、结语
针对电力仪表运程监控设备运行的复杂问题，基于传感网的无线监测系统，在传感网的结点内，采集传感器的电流和电压数据，通过MSP430F1611 芯片初步处理电力参数，再由通信模块把监控数据发送给上位机。采用无线收发模块（CC2430）实现数据传送，通过FLASH 储存现场数据，利用Zigbee 协议实现数据收发。基站PC 机采用现场管理和校正无线节点采集的数据，对收集的数据进行分析，较正电力仪器，保证准确有效地采集数据。
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