电量在线测控新技术和新产品的设计应用趋势

杨红本，唐国民

（1.云南省计量测试技术研究院，云南 昆明 650228；2.中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

当前，我国的节能减排工作正深入推进，智能电网建设正加快实施，为电量测控技术和产品的研发、应用注入了新动力，拓展了新空间。综合应用新技术研制开发高准确等级、高可靠性、高稳定性且智能化、模块化、低成本的电量在线测控核心产品，满足智能电网安全运行、电能质量实时监控、用电过程实时测控、清洁能源入网安全等方面的需求，已成为当前国内外电量在线测控技术和产品研究发展的方向[1]。

1 国外电量在线测控最新技术状况

1.1 电量在线测控关键技术状况

为适应电量在线测控系统高准确、高可靠、多功能、智能化、网络化、模块化的发展趋势，一方面需要利用最新的电子、测控技术，对电量在线测控系统的前端测量核心单元按智能化、网络化、模块化要求升级设计，彻底改变传统的结构和模式；另一方面，要利用当今网络通信、计算机及信息管理等先进技术构建网络化的电量在线测控系统，实现对各关键点电参量的实时测控、采集、分析、统计、管理。

1.1.1 电量测量专用集成芯片

近年来，国外各种高集成、高性能、多功能、嵌入式的电量测量专用芯片不断涌现，如ADE7878、AT73C500/501、TDK71M6513H 等。

在国外诸多电量测量专用芯片中，ADI公司的ADE7878[2]是最具代表性的国外最新专用芯片。该芯片主要功能和特性为：支持三相三线（Δ型）、三相四线（Y型）及其他三相测量方式；超高测量准确等级,在1000:1的动态范围，45～65Hz频率范围内各相电流、电压及有功、无功功率（电能）测量准确度优于0.1%；完整的电参数测量功能，可同时测量各相电流、电压及零线电流有效值，同时测量各相（三相）的有功、无功、视在功率和电能，包括各相（三相）的瞬时有功、无功、视在功率，各相（三相）的有功、无功基波电能，各相（三相）的有功、无功总电能（基波电能+谐波电能）；可实时监测电网电能质量参数，包括电压跌落、过压、过流事件的实时监测记录，电压峰值、电流峰值、周期频率、各相位角等参数的实时测量输出，各相电流、电压波形采样数据的高速测量输出；内置1.2V电压基准（典型漂移10×10-6/℃），3.3V单电源供电；独特的防窃电、防潜动、防更改、相序判定、CRC校验设计，确保非正常情况下监测功能仍然有效；可编程的独立增益控制、独立相位补偿、整周期校准设计，简化了后期的精度调校工作；具有可配置的I2C，SPI或HSDC数据传输接口；灵活的低功耗设计，具备正常、省电、低功耗、睡眠4种电源工作模式，2.4～3.7V宽电压工作范围，满足电池供电应用。

1.1.2 网络通信技术及支撑芯片

电量在线测控系统在计算机及网络信息技术的强力推动下，功能不断增强，应用领域持续扩大，正朝着网络化、模块化、开放化、集散化、智能化的方向发展。网络通信接口芯片的多功能微型化发展，为基于TCP/IP协议的电量在线测控核心测量单元向网络化升级设计铺平了道路。

应用最新的网络通信技术和支撑芯片，彻底升级设计电量在线测控核心测量单元，重点要把握远程组网应用和在线集中测控2个关键。核心测量单元作为未来现场级在线测控的网络节点，须引入与因特网相似的体系结构和通信模型，使各测控节点的数据信息能以TCP/IP方式传输；利用网络通信前沿技术，构建网络化的电参量在线测控系统，可保证测控网络（或Internet）所及区域的各类电参量测控信息能灵活传输至测控中心，实现对电参量的远程、在线、集中测控，节省长期运行成本。

国外嵌入式以太网控制芯片新品迭出，如美国 Micrel公司的KSZ8851[3]系列、Microchip公司的ENC624J600、Silabs公司的CP220X系列、Cirrus Logic公司的 CS8900A、Realtek 公司的 RTL8211、ASIX Electronics公司的AX88796等。美国Micrel公司最新开发的KSZ8851单端口嵌入式系列芯片，整合了一个10/100Mb/s以太网物理层（PHY）收发组件及媒体存取控制器（MAC），是微型化、低成本、低功耗嵌入式以太网应用的理想选择。KSZ8851符合IEEE 802.3标准，支持10 Base-T和100Base-TX网络接口；配备SPI接口，18KB内部缓冲存储器；自适应的10/100Mb/s全双工和半双工性能；支持大端（bigendian）和小端（little-endian）处理器；支持 IPv4/IPv6 checksum生成与校验；独有专利的电缆故障诊断功能（LinkMD）；局域网唤醒功能（Wake-on-LAN）等。

1.1.3 嵌入式单片微处理器芯片

嵌入式系统常用的单片微处理器技术成熟，功能齐全。许多芯片已达到片上系统级水平，一个芯片内集成了中央处理器（CPU）内核、Flash存储器、片内 RAM、多路 ADC、多路 DAC、SPI（I2C、RS232、RS485）接口、多路通用定时器、看门狗定时器等；支持闪存在系统编程 ISP（in-system programming）、在电路编程 ICP（in-circuit programming）、在应用编程IAP（in-application programming）功能。如 NXP公司最新的P89LPC98X系列微处理器[4]，片内集成了高性能的80C51内核，高精度内部时钟，Flash、RAM，UART、I2C、SPI数据传输接口，多通道 ADC，7路定时器等资源，指令执行2～4个时钟周期，2.4～5.5V宽工作电压范围，支持ISP、ICP、IAP在线编程功能，较适合低成本、高可靠性的电量测控系统应用。

1.2 国外电量在线测控的领先产品

国外电量在线测控技术和产品研究领域，施耐德电气集团、以色列Elspec公司目前处于领先地位，代表着国外此类技术和产品的领先水平和发展方向。

施耐德电气集团公司的PM800系列电力参数测量仪[5]、ION7650电能质量监测装置[6]等高端电量在线测控产品，具有测量准确等级高、测量功能完善、通信技术先进、组网应用灵活等特点。其主要技术指标如表1所示。

表1 PM800、ION7650主要技术指标

以色列Elspec公司的EG4430[7]型电能质量在线测控高端产品，采用模块化结构设计，其设计理念超前、测控功能强大，几乎可监测三相交流系统的全部电参量，堪称电量测控黑匣子，主要功能指标如表2所示。其主要功能特点为：

（1）可以独立配置在用户现场进行测试、分析、记录，解决了大量数据传输的瓶颈问题。

（2）全部测控数据可通过以太网发送到数据管理中心，综合分析、报告电量数据。

（3）模块结构设计，使用以太网通信，允许测量模块和显示模块间长距离连接，一个测量模块能连接多个显示。

（4）多输入/输出扩展模块，便于扩展监控能力。

表2 EG4430的主要功能指标

2 电量在线测控新产品设计思路

2.1 国内电量在线测控产品的状况

国内目前的电量在线测控产品，在测量准确等级、智能测控、功能组合、开放性等方面须升级完善。主要存在以下不足：

（1）测量准确等级不高。电流、电压最高测量准确等级0.2级，其他电量测量准确等级大多低于0.5级。

（2）通信技术落后。通信接口多为RS485总线或RS-232接口，不具备TCP/IP以太网通信协议，组网灵活性差，难于实现规模化的系统组网集成。

（3）功能单元的设计沿用传统的结构模式，不能实现前端测量单元的独立就近安装，不利于按需组合、优化配置、节约资源。

2.2 国内在线测控产品的设计思路

借鉴国外新型电量在线测控产品的设计理念，综合应用国内外最新技术，设计开发我国高准确等级、高可靠性、高稳定性，且智能化、网络化、模块化、低成本的电量在线测控核心产品，是国内电测技术必须突破的关键。

未来的电网将是智能电网，各种新的在线测控技术将不断地应用在智能电网中。当前和今后相当一段时期，国内对智能化、网络化的电量在线测控技术和产品需求旺盛，图1给出一种综合应用新技术解决电力系统在线智能测控的示例。图中实线框构成的部分为拟开发的新型在线测控产品，虚线框部分给出了测控新产品获得信息途径及发出信息的去向。

图1 在线测控新产品在电力系统中的应用示例

应用新技术设计开发国内电量在线测控核心产品，应综合考虑：标准化问题，包括接口的标准化设计，测控单元模块标准化设计等；准确等级问题，采用目前电量测控最新专用测量芯片（如ADE7878），各类电量在线测量准确等级可达0.2级以上；单元结构问题，可借鉴上述黑匣子的思路，合理划分基本功能模块和扩展模块，便于按需灵活组合、优化配置；通信接口问题，应将嵌入式以太网接口、USB接口作为基本模块的必备功能，满足开放要求；针对现场应用可靠性问题，须采取软硬件冗余设计、隔离屏蔽等措施。

2.3 未来技术和产品的发展方向

未来的多功能电量在线测控核心产品，实时化、模块化、智能化、网络化、标准化是满足集中测控、规模组网、低碳应用的必然要求和发展方向。

可采用的核心技术包括电量测控最新技术、网络通信最新技术、数据库技术、数据压缩存贮技术、信息管理技术、隔离屏蔽技术、低功耗设计技术、以太网供电（power over ethernet，POE）技术、用于过程控制的对象链接和嵌入（OLE for process control，OPC）技术等。

3 电量测控模块在国内的应用前景

3.1 智能电网测控应用

新一代电量在线测控核心产品在智能电网测控领域应用前景广阔，对全面提升供用电运行管理水平、保证电网的信息化高效运行、推进智能电网建设意义重大。发电站、变电站、中控室、电力调度中心等场所，诸多核心设备、关键环节对电力参数的实时、准确、智能测控有非常严格的要求。应用新一代电量在线测控核心产品，升级改造传统电量测控管理系统，实现对电力参数的实时、准确、智能、在线测控，可在保障电网安全可靠运行、负荷实时有效调控的同时，完成对电能的准确计量、考核、结算和电能质量的实时监测、分析、预警。应用范围包括电力调度运行管理，电能计量结算管理，数字化变电站[8]等。

3.2 工业企业应用

工业企业为实现均衡、高效、科学、合理用电，从制定电力消耗考核定额，到查找技术和管理缺陷，从改进用电工艺结构，到保障供用电安全，凡节能增效、精益生产涉及的供用电关键环节、关键设备，都需要安装电量在线测控装置，对电参数进行实时测控、对电能消耗进行准确计量，以满足工业企业自身不断提高的管理考核要求。

3.3 其他方面应用

公共机构、公共设施、智能大厦等供用电系统的电参数测控[9-10]，是未来电量在线测控产品更广阔的应用领域。如应用新技术设计开发低成本的单相电量测量模块，可普及应用到各级公共机构的每一间办公室，不间断监测其用电状况，实时采集后集中显示、汇总考核，利于加强相互监督，促进行为节电。

4 结束语

新一代的电量在线测控核心技术和产品，复合功能、模块结构、开放互联、集散组网是未来设计和应用的发展趋势，将在智能电网测控、工业企业用电测控、公共机构用电监测，以及公共设施、智能大厦供用电测控等方面获得广泛应用，推动电量测控过程及测控数据的分析、管理、应用进入智能化、网络化、信息化时代。

[1]邵明松.试论智能仪器进步特征及其概念内涵拓展[J].电测与仪表，2009（9）：1-4.

[2]ADE7878 datasheet.Poly phase multifunction energy metering IC with total and fundamental powers[M].Analog Devices，Inc.USA，2009.

[3]KSZ8851 datasheet.Single-port ethernet controller with SPI interface[M].Micrel，Inc.USA，2009.

[4]P89LPC980/982/983/985 datasheet.8-bit microcontroller with accelerated two-clock 80C51 core [M].NXP Semiconductors，2010.

[5]PM870MG datasheet[M].Schneider Electric，2010.

[6]ION7650 datasheet[M].Schneider Electric，2009.

[7]G4000 Blackbox Datasheet.Fixed power quality analyzer[M].Elspec Ltd.，2007.

[8]王娅琦，赵伟.数字化变电站对电测量技术及仪器的新需求[J].电测与仪表，2010（11）：1-6.

[9]全恒立.基于嵌入式平台的城轨新型供电装置监控系统研究[J].电测与仪表，2010（6）：52-56.

[10]林利瓦.基于ENC28J60的中央空调节能控制器以太网接口设计[J].仪表技术，2010（7）：54-56.