基于智能物联电能表的电能质量监测系统设计

摘 要：设计适用于智能物联电能表的电能质量监测模组，组成电能质量监测系统，对电能数据进行采集和分析，计算稳态数据、暂态数据等指标，同时生成事件数据。将电能质量模组分析的结果存储至模组，经集中器召测可反馈至物联表的管理模组；然后通过HPLC的方式传给集中器，集中器通过远程通信方式（4G或以太网等）传给主站，从而完成电能质量监测功能。通过实验验证了系统的可靠性，基于物联表的电能质量模组具有优良的实时性和兼容性，可在多种应用场景下进行电能质量实时监测分析，具有良好的应用前景。

关键词：智能物联电能表；电能质量；监测系统；电能数据；集中器；计量产品

中图分类号：TP27；TM933 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-06

0 引 言

随着智能电网的不断发展，清洁能源并网、非线性负荷用电在产生大量谐波的同时，也可能引起电压暂降、暂升、闪变或频率的变化，对电网电能质量造成较大影响，直接影响电网运行安全、企业的正常生产，造成大量经济损失[1-5]。电能质量监测分析可以使得电力部门全面、准确地掌握电能质量状况，对电能质量水平做出综合评价，进而找出扰动原因并减轻干扰的影响，帮助供电公司在规划中正确地改善供电系统结构，提高系统运行的稳定性[6-8]。因此对系统电能质量进行长期监测分析是电能质量管理的必要工作。

近年来，计量产品的功能日益强大，除了基础的计量功能外，还有针对不同应用场景的多种功能。智能物联电能表（以下称为“物联表”）与智能电能表相比，在满足准确计量的基础上，还可以增加谐波计量、电能质量监测、无功计量（单相）、光伏监测、负荷辨识、状态感知等扩展功能，能够满足新型电力系统和能源互联网建设下不同典型场景的应用需求[9-10]。

基于物联表研制的电能质量模组，可实现对电网电能质量的实时监测以及对电能数据的统计和分析，从而实现就地参与用户负荷的电能质量监测分析。本文设计的系统采用模块化设计及标准化接口，可与现有用采系统数据交互，配合实现数据分析及管理功能，具有良好的应用前景。

1 总体设计

本文的电能质量监测系统架构如图1所示，由计量模组、管理模组、上行模组及电能质量监测模组组成。计量模组和管理模组采用物理分离原则，计量模组是实现高可靠性、长寿命的必要部分，不允许进行软件升级。管理模组承担整表的管理任务，主要包括费控、显示、需量、对外通信、事件记录、数据冻结、负荷控制等任务，支持软件升级。上行模组具备强电接口，主要用于与集中器的上行载波通信，传送电能质量分析结果。电能质量监测模组作为物联表的功能扩展模组与物联表连接，采集物联表计量模组输出的原始采样周波信号，并对采样信号进行计算、统计和分析，得到电能质量监测数据，并将该监测数据存储至模组存储单元，等待上级集中器的召测。电能质量监测模块的尺寸和硬件接口采用统一参数，可与其他功能扩展模块互换安装。

针对用电端用户，集中器可每日采集电能质量模组监测数据和事件，上报主站，绘制电能质量情况曲线图，周期性展示电能质量数据统计概览和事件概览，结合用户档案信息生成不同类型用户电能质量特征库。通过主站侧展示及存储的电能质量相关数据，实现各类用户产权分界点电能质量数据在线监测，还可以为用电端电能质量的优化提升提供有力技术支撑，向用户提供电能质量监测、分析、改造等更精准的服务，并可为计量点异常分析提供更为详实的数据支撑。

2 硬件设计

2.1 计量模组设计

按照上述总体设计方案，进一步设计物联表计量模组硬件系统。采用模组化思路设计，模组之间采用接插件方式直连，便于生产和维护。硬件上计量模组与管理模组通过SPI和UART接口实现数据的通信，同时计量模组还支持扩展模组SPI接口，电能质量模组与计量模组采用SPI单向通信，计量模组为主，电能质量模组为从，计量模组向电能质量模组实时发送原始数据，从而进行电能质量分析。物联表计量模组的原理框图如图2所示。

2.2 电能质量监测模组设计

本文设计电能质量模组，作为物联表的功能扩展模组与物联表连接，通过采集物联表计量模组输出的原始采样周波信号，并对采样信号进行计算、统计和分析，得到电压偏差、频率偏差、电压合格率统计、谐波含有率、间谐波含有率等电能质量监测数据，并反馈给物联表的管理模组；然后通过HPLC的方式传给集中器，集中器通过远程通信方式（4G或以太网等）传给主站，从而完成电能质量监测功能。同时可将事件数据存储至本地后等待上级集中器的召测分析。

模组选用HC32T460芯片，通过SPI接口和UART接口与物联表连接，读取计量数据及指令；通过I2C接口和SPI接口与数据存储模组连接；通过UART接口与485通信模组连接。模组硬件原理如图3所示。

模组存储单元采用FRAM、E2PROM和Nor FLASH结合的方式实现。选用长寿命的FRAM可以缓解软件的存储压力，防止数据丢失。模组存储单元设计如图4所示。

2.3 系统通信设计

电能质量监测系统上行主要通过物联表的上行模组与上级集中器通信，通信方式为HPLC，用于向集中器传送电能质量监测数据，或接收主站召测指令。

电能质量监测模组与物联表的通信采用SPI和UART接口。模组具有与标准物联表兼容的接口，其接口定义见表 1所列。

基于上述标准接口，电能质量监测模组通信电路设计如图5所示。

电能质量监测模组另扩展设计一路RS 485通信，用于模组的维护调试或其他扩展应用。RS 485通信基于HM3085EESA芯片来实现，其硬件电路如图6所示。

3 软件设计

3.1 通信设计

电能质量监测模组与计量模组采用 SPI 单向通信，计量模组为主，电能质量监测模组为从，计量模组向电能质量监测模组实时发送原始数据。

物联表管理模组检测到电能质量监测模组插入之后，管理模组将读取电能质量监测模组信息，并完成信息注册的过程。

物联表管理模组与电能质量监测模组注册成功后，请求计量模组启动采样数据输出；计量模组收到管理模组启动采样数据输出命令后，应按照配置周波点数向电能质量监测模组实时发送原始数据；管理模组一旦检测到电能质量监测模组被拔出，便停止与电能质量监测模组的通信，并通知计量模组停止采样数据输出。

电能质量监测模组与计量模组原始数据输出采用特定的计量模组采样输出扩展协议，为保证通信可靠性，协议设计有帧序号、校验码等进行判断。当发生校验错误或者丢帧等异常，电能质量监测模组会记录SPI通信异常事件。

3.2 电能质量分析功能

电能质量监测模组在获取电能数据后，可实现电能质量监测功能，该功能满足表2、表3、表4所列的要求。

本系统的电能质量计算流程如图7所示。电能质量监测模组通过物联表计量芯片获取电能数据，并按照上述要求完成暂态指标、稳态指标及事件的计算和存储。

本系统电能质量召测流程如图8所示。当集中器下发召测指令后，电能质量监测模组对指令进行解析，并读取相应的数据，再进行规约组包，上传至集中器，完成数据召测功能。

4 案例分析

为验证本文中电能质量监测系统是否满足要求，采用以下硬件平台进行实验：CPU采用性能不低于Cortex-M4的架构，主频不低于60 MHz；内存不应低于512 KB；FLASH容量不低于1 MB。本文实验环境如图9所示。

首先通过PTC-8320M型三相台体给三相智能物联电能表加量。集中器通过DL/T 698 协议获取电能质量监测模组的对应测量数据，通过与理论值比较判断计算出来的数据是否满足指标要求。实验结果见表5、表6、表7所列。

由以上实验结果可知，本文设计的电能质量监测系统能够完成对电能质量指标的计算和召测，计算结果符合产品标准要求。

另外，为了验证本系统的兼容性，在不同配置的硬件平台上应用本系统。使用结果表明，在安装、使用、卸载应用软件方面，本文设计的电能质量监测系统都可以正常操作。在所述硬件平台上运行应用软件，可执行正常业务，不影响其他功能的正常运行。在安装、使用、卸载过程中，不影响电能表上其他功能的正常运行。

5 结 语

本文提出了基于智能物联电能表的电能质量监测系统设计方案，分别对物联表及电能质量监测模组进行了硬件及软件设计。通过实验，验证了基于智能物联电能表的电能质量监测系统的可靠性，满足智能物联电能表对现场电能质量监测的要求。基于物联表的电能质量模组，具有优良的实时性和兼容性，可在多种应用场景下进行电能质量实时监测分析，具有良好的应用前景。

参考文献

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[10]张逸，杨洪耕，叶茂清. 基于分布式文件系统的海量电能质量监测数据管理方案[J]. 电力系统自动化，2014，38（2）：102-108.

作者简介：王 杰（1983—），女，硕士，工程师，研究方向为物联表技术。

张 赢（1987—），女，硕士，工程师，研究方向为电力系统及其自动化。

张 孟（1983—），男，本科，助理工程师，研究方向为采集终端技术。

甘季伟（1996—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统及自动化。

收稿日期：2023-03-14 修回日期：2023-04-12

基金项目：南瑞集团科技项目：智能物联三相表研发（524636 220013）