电力监控系统智能测控仪表的研究与设计

摘要：在分析电力监控系统的层次结构和各层特点的基础上，结合智能测控仪表的功能特点，提出了一种基于ARM微处理器MB9BF618的智能测控仪表设计方法，介绍了智能测控仪表的基本结构、硬件配置和接线方法。经测试，该智能测控仪表的电压、电流、频率和功率因数的测量误差为0.2%，有功功率和无功功率的测量误差为0.5%，较好地满足了电力监控系统对测量仪表的性能要求。该智能测控仪表具有功能完善、运行可靠、维护方便、可扩充性好等特点，具有一定的应用价值。

引言

电力监控系统是电力系统数字化和信息化的产物，是智能电网的基本组成部分，建设安全可靠的电力监控系统对智能电网的发展有重要的作用。电力监控系统主要用于电力系统、工矿企业、科研设施、医院、智能建筑等诸多领域的供配电系统中^[1]，以实现对电压、电流、功率、功率因数、频率和电能等电力参数的实时监测和显示，并能根据监测结果对相关设备进行控制，提高供配电系统的可靠性和安全性。智能测控仪表是电力监控系统的前端元件，其主要作用是高精度的测量所有常用电力参数，并具有数据通信和远程控制功能，以实现与电力监控系统之间的信息交换^[2]。

1 电力监控系统的结构

电力监控系统是以现代电子技术、计算机技术、网络通信技术和测控技术为基础，通过对供配电系统中的高压开关柜、低压开关柜、电力变压器、测控仪表等设备的工作状态进行监控，实现供配电系统的集中监控管理和分散数据采集。电力监控系统主要由现场监控层、网络通信层和系统管理层构成^[3]，其系统结构如图1所示。

1.1 现场监控层

现场监控层是电力监控系统中的最底层，位于变配电系统现场，主要包括各种测控仪表、智能断路器、微机保护装置、温湿度控制器和现场监控装置等。现场监控层的主要作用是采集变配电系统现场的电压、电流、功率、功率因数、开关状态等信息，并将采集到的信息通过网络通信层传递给系统管理层。同时，现场监控层也可以作为执行单元，通过网络通信层接收系统管理层发出的各类指令。现场监控层中的设备或装置应相对独立，可以不依赖于监控网络而独立运行。

1.2 网络通信层

网络通信层是电力监控系统中的中间层，负责与现场监控层中的设备或装置进行数据通信，收集各类设备或装置的数据或状态信息，进行处理后集中打包传送给系统管理层，同时负责接收系统管理层发送的各类指令，并转发给现场监控层。网络通信层通常由现场总线通信网络和以太网通信网络构成。

1.3 系统管理层

系统管理层是电力监控系统中的最高层，位于监控室内，主要由电力监控管理计算机及其外围设备、网络设备等构成。系统管理层负责对整个变配电系统进行监控，其主要作用是解析网络通信层上传的数据包，对数据进行管理和分析，并根据系统运行的状态，向现场监控层中的设备或装置发送指令，执行相关操作。

2 智能测控仪表的设计方案

智能测控仪表位于电力监控系统中的现场监控层，用于完成电力参数的数据采集与传输，并执行由监控主机下发的操作指令。智能测控仪表不依赖于监控网络而独立运行，其最基本的功能是电力参数的采集与显示、数据传输和远程控制^[4]。此外，根据不同的需求，智能测控仪表还可以具备电能质量分析、费率计量、故障信息和事件记录等功能^[5]。

2.1 智能测控仪表的基本结构

智能测控仪表的基本结构由输入模块、数据处理模块和输出模块三部分构成，其结构框图如图2所示^[6]。输入模块主要包括互感器接口电路、开关量输入接口电路，主要用于采集交流电压信号、交流电流信号、频率信号以及负荷开关位置、低压断路器位置、熔断器熔断状态等状态信号。数据处理模块主要由微处理器、测量芯片、数据存储器、晶振电路和复位电路等构成，主要起输入信号采集、电气量计算、逻辑控制、故障信息处理等作用。输出模块主要由通信接口、开关量输出接口和显示接口等构成，主要起数据通信、输出控制、数据和状态显示等作用^[7]。

2.2 智能测控仪表的硬件电路设计

在设计电路时，微处理器选用富士通微电子(编者注：相关业务部门在2013年8月已被Spansion收购)Cortex-M3家族的32位处理器MB9BF618;三相电压、三相电流、频率、功率因数等电力参数的测量使用测量芯片ATT7022D;数据通信可采用RS485总线通信方式或者以太网通信方式，其中RS485总线接口使用RSM485D芯片实现，以太网通信接口使用以太网控制器ENC28J60和RJ45插座HR911102A实现;输出控制电路采用启动继电器闭锁形式;显示电路使用液晶显示屏实现^[8]。

2.2.1 输入信号测量电路设计

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