10 kV 配网远程用电采集终端的设计与测试分析

杨小芳

（深圳新能电力开发设计院有限公司，广东深圳 518000）

在10 kV 配网的用电管理中，存在电费收缴难度大、窃电行为时有发生、故障检修不及时等诸多问题，严重影响了供电质量并损害了电力公司的经济利益。面向10 kV 配网的远程用电采集终端系统，在实时采集配网用电信息的基础上，通过智能分析和远程控制，可以实现远程抄表、负荷监测、防窃电管理和远程欠费管理，进一步提高了电网公司的配网管理水平，在大力推广智能电网建设背景下有良好的应用前景。

1 远程用电采集终端的整体架构

本文设计的适用于10 kV 配网的远程用电采集终端系统由真空断路器、组合式互感器、智能采集终端、智能电表及通信网络组成，整体架构如图1 所示。该系统可利用智能电表实时采集用电数据，并利用RS485线路将采集到的数据发送给智能采集终端，完成对数据的计算、分析。在此基础上，监控中心借助于GPRS实现远程管理，包括负荷控制、欠费管理、故障隔离等，进一步提高了10 kV 配网用电管理水平。

图1 10 kV 配网远程用电采集终端架构

2 远程用电采集终端的硬件设计

2.1 主控芯片（CPU）的设计

CPU 是远程用电采集终端的核心部分，本文选用了PHILIPS 公司生产的ARM-7-LPC2368 芯片作为系统CPU，该芯片有2 个CAN 通道、1 个USB 接口和8个通用I/O 串口，内置32 MB 的RAM 和512 MB 的FLASH，以及3 个64 位的CPU 定时器和2 个8 通道的外部中断。该CPU 可支持对电压、电流等电气量的采样计算，以及完成配网主站与采集终端之间的远程数据传输，不需要配置通信插件，简化了系统结构，降低了系统使用成本。该芯片的结构组成如图2 所示。

图2 CPU 模块原理结构图

CPU 与开关量输入和输出回路之间设置了光电隔离，提高了系统的抗干扰能力，保证了控制精度；通信插件与CPU 之间通过CAN 总线完成数据交互，智能电表与CPU 之间通过RS485 总线完成数据传递，这种双通道通信方式极大地避免了通信堵塞情况，提高了系统的响应速率。

2.2 输入模块设计

本系统的输入模块由2 部分组成，分别是模拟量输入和开关量输入。其中，模拟量输入模块共有6 路模拟量输入变换器，具体又分为3 路电压变换器（VA、VB、VC）和3 路电流变换器（IA、IB、IC）。用隔离变换器处理采集到的模拟量信号，目的是滤除尖脉冲和高频干扰，保证信号质量。然后将处理后的模拟量信号依次通过滤波电路和运算放大电路，滤除高次谐波并进行信号放大。最后再通过A/D 转换器将模拟量信号转变为数字量信号，经过8 号I/O 口进入CPU，利用CPU 对数字量信号进行识别、计算、分析。A/D 转换器是决定输入信号质量的关键仪器，本文选用了AD7606 芯片，可支持8 通道同步模数转换，内置采样保持放大器、二阶抗混叠滤波器等元件，有效解决了A/D 转换后数据失真的问题[1]。

开关量输入模块的电路图如图3 所示。电阻R61 既可以发挥限流作用，防止电流过大烧坏元器件，同时还能与电容C41 组成滤波回路，滤除耦合在信号回路中的交流成分，避免系统出现误动作。为防止低压信号干扰、误报等情况，在开关量输入信号处理电路中还加入了12 V 稳压管，若电压低于12 V则回路无法导通；只有当电压大于12 V 时回路才能闭合。R45 和R69 均为限流电阻，起到保护作用。DI00 为一路开关量的输入，当有信号输入时，光耦导通，此时CPU 的1 号I/O 口呈低电平，CPU 会判断“开关变位”。

图3 开关输入量信号处理电路

2.3 输出模块设计

该模块的主要功能是接收CPU 发送的指令，并利用前端的执行器件（如继电器）执行指令。系统上电并启动初始化程度后，CPU 上相应的I/O 串口自动设定为输出口，用于开关量的输出。假设CPU 的4 号I/O 串口为输出口，在接收到一个输出指令后，该串口会发出一个3.3 V 的低电平信号，该信号进入到光耦隔离器中，激活继电器线圈并产生一个24 V 的驱动电压。在信号为低电平时，光耦导通，此时执行器件顺利执行CPU 发出的指令；反之，在信号为高电平时，光耦截止，执行器件恢复为初始状态。本文在设计系统输出模块时，选用了TLP127 型光耦隔离器，将2 个三极管串联成1 个三极管，使得放大倍数变为原来2 倍，最大驱动电流可以达到200 mA。

2.4 通信模块设计

在设计系统的通信模块时，有光纤通信和GPRS无线通向2 种方式可供选择。对比来看，光纤通信的优势在于抗干扰能力强、通信效率高，但是由于10 kV 配网用户分布比较零散，选用该通信方式会导致成本明显升高[2]。综合实用性和性价比两方面考虑，最终选择了GPRS 无线通信，其结构原理如图4 所示。

图4 GPRS 无线通信模块结构图

图4中通信模块处理器（CPU）选用STM32F107V CT6 芯片，最高频率60 Hz，内置高速闪存，支持睡眠、待机、停机3 种工作模式，最大程度上降低了运行能耗。该芯片与GPRS 通信模块之间使用CAN 通信总线实现内部信息传递。GPRS 模块在正常接收CPU 发送的指令或数据后，立刻向配网主站发出无线信号，并等待接收配网主站的反馈指令。在GPRS 的电源回路设计方面，使用普通干电池作为GPRS 通信模块的备用电源，同时加入了ISL 电源管理芯片，可以对电池起到过电保护作用，保证通信模块的稳定和可靠运行。

3 远程用电采集终端的软件设计

3.1 主程序设计

本文使用Keil MDK 软件设计远程用电采集终端的软件部分。主程序方面主要由初始化及自检程序和采样中断服务程度2 部分组成，具体设计如下。

1）初始化及自检程序。根据远程用电采集终端的结构组成和运行特点，需要初始化的部分有计数器、CPU 寄存器、A/D 转换器、I/O 接口及SPI 串行通信接口等。需要自检的部分有RAM 自检、配置参数自检、补偿系数自检等[3]。这里以随机存储器RAM 检测为例，按照“一写、二读、三比较”的顺序，将写入值（Z1）与读出值（Z2）作对比，判断两者是否一致。如果存在“Z1＝Z2”，则RAM 区能够正常读写；反之，则不支持读写。

2）中断服务程序。该部分具体又包含了数据采集计算中断服务程序、CAN 总线收发中断服务程度及电网频率捕捉与计算中断服务程序等多项内容，这里以数据采集为例，选择差分傅里叶算法，将采样频率设定为1 250 Hz。系统启动运行并完成主程序的初始化后，设定电网频率和采样间隔。系统默认的电网频率为50 Hz，采样间隔为500 μs。开始采样后，A/D 采样器每500 μs 中断一次，将采集到的数据进行傅里叶计算，根据计算结果判断是否存在过流、速断等故障。如果经判断不存在上述问题，则自动将采样数据传送给智能采集终端，同时A/D 采样器进入下一个中断继续采集数据。A/D 采样中断服务程序如图5 所示。

图5 A/D 采样的中断服务程序流程图

3.2 通信程序设计

智能采集终端的多个模块之间采用CAN总线完成信息传递。CAN总线的标识符为4字节，数据结构采用8字节的短帧结构，如果CPU接收的报文中含有较多内容，会将其拆分成若干个短帧信息并排队发送，从而解决了系统响应延迟的问题。在短帧信息排队发送时，需要优先发送“优先级”更高的报文。本文在设计智能采集终端的通信程序时，结合电力系统的相关要求将“变位”信息的优先级设定为最高，这里的变位信息包括真空断路器的分、合位置变化，以及过流、速断等保护信息[4]。

3.3 核心功能设计

本文设计的智能采集终端系统可支持远程欠费管理功能、防窃电功能、保护功能及GPRS 通信功能等。这里以远程欠费管理功能为例，介绍其设计方案。当电力用户出现欠费时，系统自动拉闸停电，并每隔一段时间检查一次用户是否补缴电费；在补缴电费后自动恢复供电；同时，还能支持预存电费，并且在预存电量低于设定值（支持自定义）时进行告警。远程欠费管理功能流程如图6 所示。

图6 欠费管理功能流程图

4 远程用电采集终端的测试分析

根据上述设计方案，本文使用Code Composer 集成开发软件对远程用电采集终端系统的功能进行了测试。这里以远程欠费管理功能为例，测试方法如下：

首先，设置“购电量”参数，系统读取电力用户的预存电量，如果“预存电量低于购电量”，则判断该用户已经欠费，并跳闸断电。设置“告警值”参数，如果“预存电量低于1.2 倍购电量”，则向用户发送购电量即将不足的告警信息[5]。

其次，将远程用电采集终端与智能电表连接后，用测试仪为电表提供电流和电压。正常通电后，远程用电采集终端会读取智能电表的实时数据，并进行对比分析。

测试结果表明，当预存电量低于1.2 倍购电量时，系统会自动生成“您的预存电量即将不足，请及时充值”的告警信息；当预存电量低于购电量时，系统自动生成“欠费跳闸”指令，此时真空断路器从闭合状态切换为断开状态，用户端停电。经过测试，本文设计的远程用电采集终端系统的欠费管理功能顺利实现，达到了设计预期。

5 结束语

在智慧电网覆盖范围不断扩大的背景下，用电管理智能化成为必然趋势。10 kV 配网智能采集终端系统能够远程、实时、精确地采集用户的用电信息，并利用GPRS 通信模块将信息同步反馈给智能采集终端，完成信息的处理、分析后，终端CPU 自动生成控制指令，再通过CAN 总线将指令发送至前端执行器件，作出相应动作完成远程管理。该系统在防窃电管理、欠费管理、隔离保护等方面均表现出良好应用效果，对提升电力公司的配网管理水平有积极帮助。