基于Modem通信的遠程電能質量參數采集系統設計

摘要：為了實現電能質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點的基礎上，設計了基于Modem通信的遠程電能質量參數采集系統。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，以及時鐘、復位等外圍電路構成電能質量參數采集系統，實現了對電能數據的采集。系統具有響應速度快、時鐘頻率高、運行成本低等特點。本系統完成了多個變電站的通信及電能質量參數采集，運行狀態好，具有很強的現實意義。

關鍵詞：變電站;Modem;最小系統

0 引言

隨著智能電網自動化水平的不斷提高，曾被廣泛應用的“一站一表”人工抄表模式已不能滿足當今電力網絡快速發展要求。伴隨著互聯網時代的到來，電能質量數據的處理方式向著遠程、實時在線采集及共享的方向快速發展。在理想運行中，監測的電能應為對稱正弦波信號;然而，實際運行中由于非線性負荷等因素的影響造成功率因素降低、諧波電流增大等問題，使得信號波形偏離對稱正弦形式。因此，實現遠程電能質量參數采集具有很強的現實意義。

現階段的電能質量參數采集的主要方式有：自動采集、隨機召測和主動上報等。在實際運行過程中，通常會采用聯合采集方式以便于數據的采集與監控。電能質量參數采集系統主要通信方式有：光纖專網通信、GPRS/CDMA無線公網通信、電力線載波通信以及RS-485等。本文所述系統采用電話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，實現在線監控。

1 系統整體方案設計

整個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RS485線相連，實現數據的傳輸;

數據采集終端可以完成電能質量參數采集、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，通過數據的收發，

實現遠程傳輸;

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

電能在電網的傳輸過程中，電網供給負荷的電功率包括有功功率和無功功率。在輸電電能突然增加時，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，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表示無功電能;RL表示感性無功元件;RC表示容性無功元件。QⅠ在輸出有功的同時還輸出感性無功;QⅡ在輸入有功的同時還輸出容性無功;QⅢ在輸入有功的同時輸入感性無功;QⅣ在輸出有功的同時還輸出無功，下標表示象限區域。在電能計量時，可將電能按四個象限分別計量。

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功功率的表達式。通過智能電表的電壓電流測量，計算可得到有功、無功功率。

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和測量技術，具有自動校正、數據自動存儲、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、溫補實時時鐘、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，并對其進行數字積分運算，從而精確地獲得有功電能和無功電能，微控制器依據相應費率和需量等要求對數據進行處理。其結果保存在數據存儲器中，并隨時向外部接口提供信息和進行數據交換，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電路子板組合而成，各子板通過PCI連接到一塊總線底板上，分為RS-485通信板、Modem通信板、電流環(CS)采集板、脈沖采集板、CPU板、顯示與鍵盤板、總線底板和本機電源板。本數據采集終端通過RS-485與電表通信，按已設置要求采集電能表數據，經主處理器分析、處理保存后，通過撥號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，可根據不同需要進行設置。圖5為數據采集終端最小系統硬件電路，列出時鐘電路、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節，如圖6設計了電源驅動電路。采用MP2303將電源電壓裝換為3.3V直流電壓。輸出電壓通過反饋電阻R58和R59接地電阻調節，并應滿足下式：

3.3 端口轉換器

端口轉換器是實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接口的兩條信號線相連，以及其它晶振等外圍元件的工作，實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

信息的傳遞是通過數據通信系統來完成的，通常是將采集到的數據借助發送設備，經過數據傳輸信道，被接收設備所獲取。本文所述系統采用電話撥號的通信方式實現數據遠程通信。

Modem通信是通過電話線、通訊設備及調制解調器來完成的。實現模擬信號和數字信號間轉換。而在模數轉換時會有一定概率的誤差，即為量化噪聲，其強度受本地電話線路質量和通訊速率的影響。而本文采用非對稱式的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實現信號的調制解調，數據發送與接收為不對稱方式。ROM/FLASH ROM用于存放MCU固件，實現對Modem的控制、設置等功能，而RAM用于數據緩存，用于發送和接收的調制和解調數據的存放。

4.2 通信規約

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

可變幀長傳輸模式，可滿足實際需要的功能。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分別表示啟動字符和結束字符;控制域為設置終端參數、系統時鐘、續傳、查詢終端系統信息等，通過鏈路地址域記錄數據終端設備地址;而鏈路用戶數據包含修改終端連接密碼、主動查詢終端系統等數據;幀校驗和即為從控制域開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，才可以進行可變幀長數據的提取;當收到電能質量參數采集數據，傳送電能質量參數數據并顯示和保存;當收到檔案管理修改信息，將進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的遠程電能質量參數采集系統進行了實際監測，圖10為遠程電能質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操作功能模塊，其中檔案管理包括表計協議、表計地址及波特率等參數。在遠程電能質量參數采集之前，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號碼，等待通信建立語音提示;之后，即可點擊數據采集，選擇采集終端名稱、數據采集起始時間、數據類別(有功、無功等)。

6 總結

本文針對變電站電能質量具體特點，分析了智能電表采集四象限電能測量的原理;以此為基礎，通過建立Modem通信方案實現了電能質量參數采集數據的遠程傳輸。在運行中，傳輸的電能質量參數數據在采集終端接收后通過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特征。綜上所述，本文所設計遠程電能質量參數采集系統提高了變電站實際運行應用中的整體監測水平。

另外，基于Modem的遠程電能質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，具有實時性好、安全有效等優點。