CMP300智能电力监控仪

（广西广播电视技术中心南宁分中心）

1 引言

供配电系统正常是广播电视台站安全播出的重要保障。针对市面上同类电力监控仪都只能通过检测电压值来判断缺相故障，这在一般系统内是可以的，但在一些比较复杂的系统环境中，由于电力系统的感抗、容抗和变压器的互感等的作用，在低压端检测到的三相空载电压数值有时变化不大，若通过电压值或电压不平衡度手段是无法正确判断系统缺相故障的。我们利用高压缺相时变压器低压侧电压相位会发生改变这一现象研制了一款既能准确检测供配电系统运行技术参数，又能正确作出判断并控制相关保护装置的CMP300智能电力监控仪，有效的解决了配电系统上述保护死角。CMP300智能电力监控仪融电参量检测、计量、分析、诊断、控制、保护于一体，并通过标准通讯接口实现远程监控功能，简化了系统布局，降低了故障率，提高了系统运行的可靠性。本仪表同时支持三相四线、三相三线等多种不同的接线方式，可适应各种高压、中、低压环境，适用广泛。

2 内容概述

2.1 设计总体框架

CMP300 智能电力监控仪具有大屏幕、背光 LCD 液晶显示屏，显示清晰明了；通过4个双向功能键来切换参数测量界面和参数设置界面，操作方便简洁。我们将四个按键分为“I”键，“U”键，“P”键和“E”键，按“I”键可在查看电流参数，按键“U”键可查看电压相关的测量参数如相电压、线电压、电压频率等，按“P”键可查看功率相关的参数如有功功率、无功功率等，按“E”键可查看电能相关参数及系统辅助信息。示例一见图1 ：

图1 示例一

示例二见图2：

图2 示例二

CMP300智能电力监控仪采用高性能的微处理器作为硬件核心进行对各个功能模块的操作。其余的各个功能模块包括：采样模块、按键模块、显示模块、通讯模块、开关量输入模块、继电器输出模块。采样模块中采用优化后的差分采样电路，搭配高精度的计量芯片，实现了对信号全波形的高速采样，总体硬件框架如下图3：

图3 总体硬件框架

按键模块中采用4个功能按键分别在测量参数显示状态和设置状态下实现不同的功能，既能够在参数显示过程时实现快速操作，也能在设置操作时精简按键的操作流程；显示模块采用定制的高亮度段码液晶屏，显示的信息详细直观，一目了然。

通讯模块部分采用集成信号隔离的通讯芯片，实现与其他设备进行485通讯，并且避免了由不隔离造成的系统不稳定情况。

开关量输入模块提供4路位置信号输入通道，能够及时对线上的位置信号进行反馈；继电器输出提供2路开关信号输出，可用于报警、控制等方面。

控制功能在本仪表软件中体现为继电器输出模块，继电器输出模块可以同时监控本仪表的所有测量参数。继电器输出模块会根据用户设定的上、下限阀值来监控所测量的参数，当所监测的参数出现越限情况时，继电器输出模块会根据用户的设定，使仪表上相应的继电器闭合，这样用户外接的报警或者保护装置就会动作，达到报警或者保护的目的。同时仪表会在液晶上显示相应的故障信息，以便用户查看是哪一项参数出现故障。本仪表还可以通过上位机查看继电器状态或者控制继电器的闭合、断开，以达到远程控制的目的。

在本仪表的软件结构中，系统以抢占式实时调度器为核心，按照各个硬件模块，实现模块化编程。从第一步采样开始，系统从计量芯片读回全部的AD采样数据，如电压、电流、功率等，然后将数据填充到缓冲中，进行滤波处理，如此可以滤除信号毛刺，得到稳定的测量数据。滤波后的采样数据需要计算模块，计算模块会将滤波后的采样结果进行还原，即经过计算后的数据就是仪表测量值，计算模块会把计算结果发送到一个内存缓冲中，以便其他模块获取计算结果，如显示模块，显示模块的软件功能除了负责将计算结果送到液晶上显示之外，还要对用户按下的按键进行显示处理，如切换电压页面，进入设置菜单等等，这些都是由显示模块来处理的。需要获取计算结果还有通讯模块，通讯模块会监控通讯端口，当通讯端口接收到上位机发来正确的命令时，通讯模块会立即根据命令中的参数，读取结算结果缓冲中的相应测量结果，并发送给上位机，这样就可以利用远程主机监控现场的各项参数。

该监控仪的硬件设计采用32位高性能嵌入式微控制器STM32F103，利用其高性能的GPIO口、SPI接口、UART接口等丰富的硬件资源搭建系统平台，电流和电压采样选用专用的三相电能计量IC-ADE7858，软件设计采用先进的UCOS操作系统为核心，利用微控制器强大的中断管理进行多任务处理，实现各功能模块软件任务的有序调度。系统的软硬件设计按照模块化进行，主要包括信号处理、人机交互、报警保护、通信等模块。

2.2 系统功能

2.2.1 监测各种电量参数

CMP300智能电力监控仪实现了三相的电流、电压、电压频率、电压相位、分相及合相的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、总有电能及总无功电能等参数的测量，示例三见图4：

图4 示例三

（图4标注：显示三相的有功功率和总有用功率。（3P4L接线方式时只显示总有用功率）Pa=0.125Kw；Pb=0.125Kw；Pb=0.125Kw；总有功功率为0.375Kw）

还可检测相角、相位、相序、电压不平衡度、电流不平衡度等参数，示例四见图5：

图5 示例四

（图5标注：显示a、b、c三相相位角。PHa =0度；PHb=240度；PHc=120度

有功电度12.34kWh）

2.2.2 检测线上各个脱扣或跳闸信号

在智能电力仪表应用场景中，用户除了需要监视各相电力参数外，还需要监视各个脱扣或者跳闸信号，本仪表软件中的开关量输入模块便是为了实现此功能而设计，开关量输入模块会监测每个通道是否有信号输入，若有信号输入，则会将信号记录下来，等待上位机读取。

2.2.3 报警功能

图6 示例五

CMP300智能电力监控仪能够对电压超限、相位超限、电压逆序、电压不平衡度和高低压缺相等故障进行报警和保护。同时仪表会在液晶上显示相应的故障信息，示例五见图6：（图6标注：故障信息显示页：第一行“PHAS”表示相位超限，当出现相位超限时该行会闪烁。第二行“UNBL”表示电压允许不平衡度，当出现电压不平衡度超出设定值时，该行会闪烁。第三行“SEER”表示电压逆序，当出现电压逆序的情况时，该行字符会闪烁。为防止干扰系统默认出现逆序故障1.5s后进行报警。逆序故障消失1s后报警消除。第四行“LoPE”表示电压缺相，当出现电压缺相的情况时该行会闪烁。系统中将电压超限的动作延时时间作为缺相的动作延时时间。第五行“U OUT LI”表示电压值超限，即当前电压出现超出设定的范围时，该行会进行闪烁。）

2.2.4 保护功能和输出控制信号

CMP300 多功能电力监控表配置了2路继电器输出端口，D11、D21。CMP300智能电力监控仪能够对电压超限、相位超限、电压逆序、电压不平衡度和高低压缺相等故障进行报警和保护。当所监测的参数出现越限情况时，继电器输出模块会根据用户的设定，使仪表的上相应的继电器闭合，这样用户外接的报警或者保护装置就会动作，达到报警或者保护的目的。

例如南宁银岭微波台因外电线路高压缺B相，在低压端检测的三相电压数值相差不大，普通监控仪无法正确判断故障，导致了ATS不能正常判断和切换，故障数据参见如下表1：

表1 南宁银岭微波台故障情况下，测量空载及带载线电压值

后使用了CMP300智能电力监控仪，测量数据如下表2、表3、表4：

表2 分别拉断银岭10kV线相，电压，电流情况

CMP300智能电力监控仪通过对相位、相角Φ的精确检测，准确的判断出外电线路的高压缺相，继电器D11、D12、D21、D22闭合，输出控制信号，使ATS能够正常的工作，解决了该台的安全播出隐患。

3 应用效果和结论

CMP300智能电力检测仪在南宁银岭微波台使用两年多来，工作正常，效果显著，具有推广价值。

表3 南宁银岭微波台现场实测数据一