低压无功补偿型电力载波智能抄表系统研究

罗书克 张元敏

(许昌学院电气信息工程学院，河南 许昌 461000)

0 引言

目前，远程自动抄表通信方法较多，主要有RS-485总线方式、GSM方式以及基于PDA的抄表方式［1－3］，最近又出现了红外、蓝牙方式［4－5］。但无论上述哪种方式，都存在初期建设投资大或抄表过程占用大量人力物力的不足。随着人民生活水平的提高，家用感性电器越来越多，消耗无功电能也越来越多［6］。由家用无功电能产生的线路损耗不可忽视，而目前对家用无功补偿的研究基本处于空白状态。

本文所述的基于电力输电线路集中抄表系统是利用现有中低压输电线路进行电能、电压、电流、功率因数和频率等数据信息传输并进行智能监控管理的一体化系统。系统集微电子技术、通信技术和计算机技术于一体，具有可靠性高、安装简单的特点，广泛适用于城市、农村特别是偏远山区电表的抄读，具有对用户消耗的无功电能进行实时补偿［7］、超时限欠费自动远程断电以及监测、诊断等功能，可实现信号远距离、不同电压等级间的传输［8］，不需专门的无功补偿装置，成本低，建设周期短，优势明显。

1 系统组成

本文所设计的电力载波智能抄表系统主要由上位计算机、信号转换器、信号耦合器、采集器和智能电表组成，其整体结构如图1所示。

图1 整体结构框图Fig.1 The overall structure

本系统可以对一个城市的所有用电用户进行智能抄表。每个用户的电表把计量本用户所用电能通过RS-485总线上传至小区采集器，采集器接收每个用户上传的电能信息并对整个小区所用电能进行总的计量，然后把电能信号通过扩频技术上传至输电线路。由于输电线路存在配电变压器，电能计量信号不能通过配电变压器，为了实现电能信号的远距离传输，研制了电能信号耦合器。当电能信号需要经过变压器时，电能信号就通过信号耦合器把变压器旁路掉，实现电能信号的远距离传输。信号转换器是为了把电能信号和市电电力信号分离开而设置的。通过信号转换器，被分离出来的电能信号通过RS-485总线上传至集中抄表计算机。

2 用户电表

用户电表是计量本用户所用电能多少的计量工具。为了提高用电的智能性，本电表在设计过程中充分考虑了这方面的功能。电表内部具有电能计量、电压电流瞬时值和有效值以及频率和功率因数等的检测，另外设置有无功补偿单元和用户出线控制单元。这些信息均可通过RS-485通信口上传至数据采集器并最终送给上位机管理系统，且上位机管理系统也可以控制电表运行状况。此外，利用编码技术编制电表地址，保证电表地址的唯一性。

上传数据信息包括地址、电能信息。为了提高上传数据的准确性，在上传数据过程中采用了CRC校验。在上传的用户电能信息中，包括有功电能和无功电能两部分。采集无功电能主要是为了实现无功补偿，减少无功电能的损耗，提高电力线路的输电效率。有功、无功电能的采集主要是通过电能计量芯片CS5460来实现。通过CS5460不但能采集到电能信息，还能采集到瞬时电压、电流，电压电流的有效值，以及功率因数、频率等信息。这些信息的采集，为智能电网在用户级的实现提供了实时信息。电能信息采集电路如图2所示。

图2 电能信息采集电路Fig.2 Acquisition circuit of power energy information

地址分为多层地址，共占用3个字节，可以实现对多达224只电表的管理，基本可以满足一个城市联网的需要。

采集到的各种信息可以通过液晶显示部分显示出来。此外，为了实现无功电能的实时补偿，在电表内部集成了无功补偿单元。该补偿单元可使外部输入无功最小甚至为零，使用户的用电功率因数大于0.98。无功补偿电路如图3所示。

图3 电表内部无功补偿电路Fig.3 Reactive power compensation circuit inside the meter

系统通过采集到的无功和功率因数信息来调节并入电容的数值。该无功补偿为有级补偿，这种补偿方式可使用户终端的功率因数和入户无功保持在某一范围之内。系统中的各种信息采集到之后，通过RS-485通信接口上传至采集器，采集器也可通过RS-485来控制电表实现所要求的功能。

3 采集器

采集器采用微控制技术和扩频技术，把电表送上来的电能等信息转换为可以在电力线路上传输的信息，其核心器件为 TMS320LF2407A和SSC P300。其中，SSC P300是美国Intellon公司生产的一种基于电力载波的扩频收发通信芯片，其硬件结构如图4所示。

图4 扩频载波通信硬件结构图Fig.4 Hardware structure of spread spectrum carrier communication

SSC P300 的主要特点有［9］:①双向收发，支持EIA-600标准;②基于chirps的扩载技术;③支持标准串行通信的SPI接口;④周边元器件最小化;⑤20脚SOIC封装。

TMS320LF2407A通过图4中所示的5个端口和SSC P300交换数据信息，并把采集到的信息送给扩频载波通信模块 SSC P300，SSC P300通过 TS、SI、SO 接功率放大器，把信号放大。

采集器的主要作用就是把电表监测到的各种数据采集上来，然后把这些数据转换为电力线路可以传输的信号。采集器的结构框图如图5所示。

图5 采集器整体电路结构Fig.5 The overall structure of the collector

智能电表采集到的各种数据，通过TMS320LF2407A发送给扩频载波通信模块SSC P300，SSC P300通过TS、SI、SO端口把数据送给功率放大器，放大之后的数据信息再通过匹配滤波器加到电力线路上，实现了信息的上传。同时，上位管理机也可以下发各种控制信息，通过采集器给智能电表下发命令。数据传输过程如下。

当发送数据时，从处理器将指令以串行格式发送给SSC P300，在其内部进行扩载调制，并由SSC P300放大信号后经匹配滤波器耦合到电力线发送至下层的信号耦合器或信号转换器CPU。下层CPU接到指令后通过电力载波将相关数据传递过来，经匹配滤波器进入SSC P300进行解扩，SSC P300检测到载波信号后以中断方式通知处理器，由从处理器接收串行数据，从而完成上下间的载波双向通信。该方式下载波范围为50～200 kHz，通信速度为 4000 ～8000 bit/s，信号耦合输出幅度VPP＜10 V。

4 信号传输

由于信号在电力线路传输途中需要经过变压器，而变压器对传输的电能信号是一个很大的阻抗，电能信号一般不能通过变压器，且变压器对传输信号来说也是一个干扰源，因此，为了提高信号的传输能力，增加了耦合器通道。信号耦合器在有变压器时才需要。

当需要从电力线路上把信号检出来时，需要信号转换器。信号转换器除了检出信号外还有隔离强电信号的作用，其检出信号原理和采集器原理一样，这里不再叙述。

5 上位机管理系统

为了便于系统管理，采用VB制作了上位机管理系统。该上位机管理系统是集系统中央控制、监测和管理于一体的综合系统，负责控制和管理整个用电区域内各个采集器的运行，并对区域内的用电状况进行监测和记录，可以设置采集信息内容及下发控制命令，使系统的无功电能处于最佳状态。

上位机管理系统是一套由计算机系统、系统管理软件和应用软件、数据库等组成的收费管理和控制系统。其中，应用软件主要包括用户用电管理系统、用户收费管理系统和区域用电监测管理系统。

上位机管理系统通过电力线与位于现场的采集器进行通信，具有完善的远端参数设置和管理功能，可以远程设置采集器、电表的运行参数;具有良好的数据库接口设计，便于数据查询和共享;支持多种计费方式和类型［10］。

系统可以同时采集各个用户和主变出口送出电能的情况。上位机管理系统可以根据系统参数自动分析日、月、年负荷情况并进行线损分析，控制窃电和不交费行为。

6 结束语

本文介绍了一种低压无功补偿型电力载波集中抄表及控制系统的设计概况和功能。实际运行表明，实时抄表成功率达96%以上，循环补抄可达100%;用户端电压有明显提高，说明集成在内部的无功补偿单元起到了很好的补偿作用，对欠费用户实现了远程控制。

系统具有监测、诊断、修复等功能，实现了低压电网智能化，且成本低、工程建设周期短，优势明显;不足之处在于电网谐波对系统存在一定的干扰，须进行进一步的研究。

［1］姚存治，张桂香.电力载波集中抄表系统的设计与实现［J］.继电器，2008，36(1):77 －83.

［2］蔡子亮，赵忠彪，高荣.一种新型远程抄表系统的集中抄表器设计及通信协议研究［J］.继电器，2007，35(7):46 －53.

［3］林建宇.基于扩频通信技术的智能电表设计［J］.电测与仪表，2010(S2):33－37.

［4］Meng H，Chen S，Guan Y L，et al.A transmission line model for high frequency power communication channel［C］//Proceedings of International Conference on Power System Technology，2002:1290－1295.

［5］张玥，李春茂.一种新型电力线收发器在电力线载波通信中的应用［J］.电气应用，2006，25(12):76 －79.

［6］谢红辉.基于低电压载波通信的智能小区设计［J］.通信技术，2009，42(7):58 －61.

［7］王英，王军，母秀清.电能质量检测智能电子设备中的数据处理［J］.自动化仪表，2010，31(11):11 －14.

［8］陈斌，张波，丘东元，等.电能质量监测系统数据高速采集和实时处理的协调优化分析及应用［J］.电网技术，2006，30(2):91－96.

［9］李永刚，田远富，羿飒，等.SSC P300芯片在低压电网抄表系统中的应用［J］.电子技术，2001，28(5):33 －35.

［10］周兵，李娜.基于MODBUS/TCP协议桥梁监测系统的电力监控设计［J］.电子测量技术，2010，33(9):126 －129.