表箱环境状态监测技术研究

姚旭东，张鹏飞

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009）

随着智能时代的不断发展，为了增强表箱的实际应用效果，智能表箱的开发和研究已成为时代的热点之一[1-2]。传统的表箱需要人工进行定期检测，这种方式并不能及时发现表箱存在的问题，而且对表箱的误差进行检测时，需要将表箱的接线盒拆开，其操作麻烦，可能还会引起其他问题[3-4]。总之使用人工对表箱进行检测将会耗时、耗力、耗财，但是随着智能表箱中使用监测技术能够提高表箱的误差性，增强其稳定运行性，还能够通过监测技术对表箱中的各种数据参数进行监测，从而及时发现表箱可能存在的问题[5-6]。于是文章将对表箱环境状态监测技术进行研究，通过相关监测技术的使用，设计一种环境状态监测系统，从而能够保障表箱的安全、稳定运行。

1 系统设计需求分析

1.1 监测设备功能分析

表箱环境状态监测系统主要对表箱的状态进行监测，从而能够保证表箱的稳定和安全运行。对表箱的环境状态进行监测，涉及的方面比较多，比如电流、电压、功率等电能参数，所以监测设备需要能够准确的实现对这些数据信息的监测[7]。而且，监测设备还需要能够对这些信息数据进行记录和分析，当发现某些参数存在异常时，能够及时发出警报。另外，监测设备要能够实现表箱误差监测，能够计算出表箱的误差和标准偏差，当误差超过设定的值之后，系统能够发出相关的警报信息，并且将所计算的误差进行保存，方便后期查看和分析。最后，监测设备还要能够与后台管理中心进行数据通信功能。

1.2 后台管理中心功能分析

在表箱环境状态监测系统中，后台管理中心作为整个系统的控制中心，不仅要求其具有比较好的人机交互操作界面，而且还具有对整个系统的管理功能，能够操作相应的监测设备。所以在设计后台管理中心时，其主要功能涉及到设置、修改监测设备相关参数，对获取的信息数据能够实现下载功能和存储功能，最后还需要能够能够实现对数据信息的统计、分析功能，能够对历史的数据进行下载和查询，并以电子表格的形式显示。最后后台管理中心还需要能够与现场监测设备进行数据通信功能。

2 表箱环境状态监测系统的设计

2.1 系统设计总体框架

通过上文分析，表箱环境状态监测技术有利于对表箱的各种运行状态进行监测，从而能够及时发现表箱可能存在的各种风险。通过对监测技术的应用，设计一个表箱环境状态监测系统能够实时对表箱进行监测，并且自动对表箱环境状态进行监测和分析，更有助于对表箱的管理。

本文所设计的表箱环境状态监测系统能够实现对运行中的不同类型表箱进行全方位实时在线监测，并对获得监测结果进行分析，从而判断表箱的运行状态。一个系统的设计，需要以不同的技术作支持。表箱环境状态监测系统中不仅需要使用到表箱现场监测技术，还需要使用到数据处理技术、B/S 结构技术、远程通信和控制技术等，通过对这些技术的综合利用，能够对表箱及其二次回路进行远程监测[8-9]。在表箱环境状态监测系统中使用常用的通信技术，目的在于能够兼容不同的通信方式，在日后的使用过程中将会更加方便。于是通过综合分析设计之后，表箱环境状态监测系统主要包含4个不同部分，分别为监测设备、状态分析部分、通信网络和后台管理，系统的总体框架图如图1所示。下面将对这4个模块分别进行分析：

图1 表箱环境状态监测系统总体框架图Fig.1 Overall framework diagram of the environmental condition monitoring system for meter boxes

1）监测设备：监测设备安装到表箱二次回路中，使用脉冲线进行连接，从而可是对每个接入的表箱相关环境状态进行监测，比如表箱的电量使用、误差测试等，还可以通过监测设备进行本地和远程通信，在后台管理中心中通过使用计算机即可对监测设备进行远程遥控和参数修改等。

2）状态分析部分：属于表箱环境状态监测系统中的数据处理中心，通过现场监测设备能够获取相关信息数据，状态分析部分会对这些信息数据进行自动分析，从而得到表箱的的环境状态情况，并对环境状态情况进行综合分析，从而更加了解表箱的运行状态，能够根据分析结果制定合理的检测方案。

3）通信网络：在系统的设计过程中，其中的通信网络必不可少，主要起到指令下发和数据传输的作用，相当于一个桥梁的作用。在设计通信网络时，需要保证数据传输过程中具有比较强的稳定性，并且能够支持本地串行网络，而且还能够实现多种通信方式，比如以太网、GPRS无线网络等。

4）后台管理中心：该部分主要对整个监测系统进行管理，所发放的控制指令都是管理中心下发，对监测设备的相关参数进行修改也是通过后台管理中心，后台中心还会生成各种数据信息，总之，后台管理中心操纵着整个监测系统。

2.2 系统的硬件设计

表箱环境状态监测系统的硬件设计需要能够实现系统的各项功能，能够对电箱的各种信息数据进行监测。通过综合分析之后，设计如图2所示的硬件结构图，其中主要包含电压通道、脉冲通道和电流通道，然后还包含微处理器、数据采集模块和显示模块等。

系统的硬件设计要能够完成电箱电压值的监测。电箱工作过程中，产生的电压信号会被电阻进行采样，当信号经过CPU之后，系统会对继电器开关进行控制，然后进行切换测量通道，从而得到电压值，电压值会被传送到微处理器进行计算分析。

系统的硬件设计要能够完成电流值和脉冲信号的监测。电箱工作过程中，经过的电流和脉冲信号被采样，然后模拟相关的信号，并对其进行调整驱动，然后同样经过CPU，系统会对继电器开关进行控制，然后切换测量通道，将信号传到标准电路对其进行计算分析。

在硬件设计中，存储器和LCD显示器模块具有不可忽视的作用，不仅方面工作人员对出现问题的设备进行检测、维修，而且还方便现场工作人员对相关数据信息进行现场比对。

图2 系统的硬件结构图Fig.2 System hardware structure diagram

表箱在使用过程中可能会出现误差，所以在一定使用时间之后，会定期对电箱进行轮换，从而保证电箱测量的准确值。但是这种做法往往会存在浪费，而且有些电箱在还没有达到使用期限时也可能出现问题，所以通过环境状态监测技术，设计一种监测系统能够实现对电箱的各种指标进行监测，从而实现在线检测的作用，可以解决上述问题，而且还可以减少工作人员的现场工作时间。

2.3 系统的主机外形设计

系统的硬件总体结构设计完成之后，还需要对其主机外形进行设计，在设计过程中需要根据不同的要求，设计合适的外形。在设计过程中需要考虑3个方面，①系统会长期进行运行，需要保证硬件的稳定运行；②需要考虑到现场环境因素；③考虑安装问题，需要能够在有限的空间内进行安装。通过综合分析之后，最后设计的主机外形方案为：

1）为了保证硬件的稳定性，对不同指标进行监测和分析的通道进行单独设立，所以每个通道和监测的指标互不干扰。

2）硬件会长期受到温度、湿度等影响，为了降低影响，需要在主机两侧安装散热装置，然后选择带有密封条的铝合金材质，作用在于防潮，还需要保证设备的良好通风。

3）为了使得主机能够方面安装，将其大小设置为与电能表一样即可，而且一台主机可以对八台电箱进行同时监测。

2.4 系统的通信网络

在表箱环境状态检测系统中，对表箱进行监测之后的信息数据需要能够传输，从而实现对数据信息的管理和分析，其中必然需要对通信网络进行设计。于是在监测设备有相关的以太网通信接口和本地串行通信接口，这两个接口就可以连接到通信网络中，从而完成多种通信方式，比如本地串行、GSM、PSTN等。于是就可以实现数据信息的下载和分析等功能，并对根据这些信息数据对系统进行整体管理[10-11]。

通过连接通信设备，能够实现多种通信方式，比如其中的本地串行，能够对现场监测设备进行合理的安装调试，通过数据传输，还能够将数据下载到电脑中；其中PSTN 作为一种电话数据交换网络，因为在某些情况会存在数据传输速度非常慢，此时为了提高传输速度，可以通过电力系统预留的通信线路加入MODEM，于是可以通过其电话线进行数据传输；其中GSM/GPRS作为一种无线网络传输数据，这种方式的数据传输安装非常简单，但是需要使用数据流量，会增加通信成本。

3 技术实现方案

通过相关监测技术的应用，本文设计了一种表箱环境状态监测系统，这个系统能够实现表箱电量信息的监测和表箱误差在线监测。需要对这两个功能的实现设计相关方案。

3.1 表箱电量信息监测

表箱电量信息监测原理如图3所示。当表箱中的电流和电压经过相应的输入通道之后会被监测设备所获取，并将电流和电压的模拟信号转换为数字信号，这些信号会被系统中的数据采集部分进行传输到MCU 中进行处理，其中会进行相关的数据计算，计算完成之后会通过串口通信将结果显示在液晶显示器上。在后台管理中心中能够实现对数据信息的下载，还能够修改相关参数。

图3 表箱电量信息监测原理图Fig.3 Schematic diagram of meter box power information monitoring

在表箱环境状态监测系统中电量信息监测的流程如图4所示，首先监测设备进行初始化，读取表箱中涉及的各种参数，比如回路参数、切换开关设置等，获取到相关参数之后就可以对表箱进行测量，其中会经过模数转换、3种数据信息的采样和数据处理和存储等，最后通过计算公式对信息数据进行计算，并将计算结果显示到屏幕上。从图4中还可以看出监测流程还存在一个判断过程，如果显示的结果有遥控指令，只需要对参数进行修改，并重新切换开关，重新从头开始进行监测。

图4 电量信息监测流程图Fig.4 Flow chart of power information monitoring

3.2 表箱误差在线监测

表箱在长期使用过程中会存在一定的误差，需要对其进行人工校验，但是通过使用表箱环境状态监测系统能够自动对表箱进行在线测试。系统的后台管理中心会对误差监测数据进行统计。然后以图形的方式分析，能够更加直观的发现表箱误差变化状况。实现表箱误差在线监测，其中使用的方式为标准表比较法，即首先将被监测的表箱获得的电流电压值和标准表箱设置为一致，通过一段时间的运行之后，通过比较被监测表箱数据和标准表箱数据，从而能够反映出表箱的误差。被监测的表箱误差γ算法公式如下：

其中W′和Wo分别表示被监测表箱电能量和标准表箱在时间t的累积电能量，两者的公式如下：

其中，C 表示的是被监测表箱的脉冲常数，n 表示的是被监测表箱在时间t 内的脉冲数，P 表示的是标准表测算的功率。

4 结语

文章通过监测技术，设计了表箱环境状态监测系统，该系统的设计，实现了智能表箱。通过对表箱进行在线实时监测，在一定程度上增加了表箱运行的稳定性，减少了工作人员的现场检测难度和时间，能够及时发现表箱存在问题，并通过系统的数据分析功能，能够对表箱作出及时的维修处理。所以通过监测技术的应用，表箱在长期的运行过程中将会变得更加安全和稳定。