基于Modem通信的远程电能质量参数采集系统设计

摘要：为了实现电能质量参数数据可靠传输及降低运行成本，在研究Modem通信的适应性及其优点的基础上，设计了基于Modem通信的远程电能质量参数采集系统。介绍了四象限电能测量原理及其功率表达式推导，并运用ARM9作为主控芯片，以及时钟、复位等外围电路构成电能质量参数采集系统，实现了对电能数据的采集。系统具有响应速度快、时钟频率高、运行成本低等特点。本系统完成了多个变电站的通信及电能质量参数采集，运行状态好，具有很强的现实意义。

关键词：变电站;Modem;最小系统

0 引言

随着智能电网自动化水平的不断提高，曾被广泛应用的“一站一表”人工抄表模式已不能满足当今电力网络快速发展要求。伴随着互联网时代的到来，电能质量数据的处理方式向着远程、实时在线采集及共享的方向快速发展。在理想运行中，监测的电能应为对称正弦波信号;然而，实际运行中由于非线性负荷等因素的影响造成功率因素降低、谐波电流增大等问题，使得信号波形偏离对称正弦形式。因此，实现远程电能质量参数采集具有很强的现实意义。

现阶段的电能质量参数采集的主要方式有：自动采集、随机召测和主动上报等。在实际运行过程中，通常会采用联合采集方式以便于数据的采集与监控。电能质量参数采集系统主要通信方式有：光纤专网通信、GPRS/CDMA无线公网通信、电力线载波通信以及RS-485等。本文所述系统采用电话拨号抄表通讯方式完成数据传输，节约了通讯资源和运行成本;并研究了串行输入接口和USB输出插头的模拟通道转串口通信的调制解调器，实现在线监控。

1 系统整体方案设计

整个系统由变电站电能表、数据采集终端、标准Modem、端口转换器以及计算机五部分组成。

如图1所示，本系统采用DTZ341(配置号为B1V1.2)三相四线智能电能表，电压测量范围：三相80%Un～120%Un;

互感式接入方式的电流测量范围为：0.3(1.2)A，1(2)A，1.5(6)A，5(6)A，工作温度为-25℃～60℃;

电能表与数据采集终端通过RS485线相连，实现数据的传输;

数据采集终端可以完成电能质量参数采集、本地或远程设置表计档案与终端运行参数以及数据存储等功能，与Modem采用串行连接，通过数据的收发，

实现远程传输;

端口转换器采用高度集成的PL2303芯片，完成串口转USB的功能。

2 电能计量基本原理

电能在电网的传输过程中，电网供给负荷的电功率包括有功功率和无功功率。在输电电能突然增加时，感性负载和容性负载可以存储一部分能量;而当输电电能不足时，则释放能量补充。图2为四象限电能测量原理。

图2中P表示有功电能;Q表示无功电能;RL表示感性无功元件;RC表示容性无功元件。QⅠ在输出有功的同时还输出感性无功;QⅡ在输入有功的同时还输出容性无功;QⅢ在输入有功的同时输入感性无功;QⅣ在输出有功的同时还输出无功，下标表示象限区域。在电能计量时，可将电能按四个象限分别计量。

设每周期采样次数为N，连续量离散化可得有功功率：

同理也可得到视在功率和无功功率的表达式。通过智能电表的电压电流测量，计算可得到有功、无功功率。

3 系统硬件电路设计

3.1 智能电表

智能电表结合现代计算机技术和测量技术，具有自动校正、数据自动存储、运算及远程数据通信等功能。电能表由电流互感器、集成计量芯片、微控制器、温补实时时钟、数据接口设备和人机接口设备组成，采集的基本监测量包括频率、电压、电流有效值、有功、无功功率等参数。集成计量芯片将电压和电流的模拟信号转换为数字信号，并对其进行数字积分运算，从而精确地获得有功电能和无功电能，微控制器依据相应费率和需量等要求对数据进行处理。其结果保存在数据存储器中，并随时向外部接口提供信息和进行数据交换，其电能表原理结构示意图如图3所示。

3.2 数据采集终端硬件电路

数据采集终端是由独立功能的各类电路子板组合而成，各子板通过PCI连接到一块总线底板上，分为RS-485通信板、Modem通信板、电流环(CS)采集板、脉冲采集板、CPU板、显示与键盘板、总线底板和本机电源板。本数据采集终端通过RS-485与电表通信，按已设置要求采集电能表数据，经主处理器分析、处理保存后，通过拨号Modem远传通道传输至主站系统。图4为数据采集终端电路原理示意图。本系统是是采用WFET-3000的电能量数据采集终端。

3.2.1 数据采集终端最小系统

数据采集终端CPU采用高性能32位嵌入式RISCCPU(ARM9内核)-S3C2410处理器。

具有16KB指令Cache、16KB数据Cache和存储器管理单元;LCD控制器支持4K色的STN和256K色的TFT;电源控制模式有标准、慢速、休眠和掉电4种模式，可根据不同需要进行设置。图5为数据采集终端最小系统硬件电路，列出时钟电路、复位电路等部分管脚的外围电路。

3.2.2 供电模块

在数据采集终端电路中的电源环节，如图6设计了电源驱动电路。采用MP2303将电源电压装换为3.3V直流电压。输出电压通过反馈电阻R58和R59接地电阻调节，并应满足下式：

3.3 端口转换器

端口转换器是实现通用串口与计算机USB接口之间的转换，使得传统串口设备变成即插即用的USB设备，扩大了实际运用中的监测条件。PL2303是一种高度集成的RS232-USB接口转换器，具有RS232全双工异步串行通信。PL2303的TXD引脚和RXD引脚分别与RS232的TXD引脚和RXD 引脚相连，DM引脚和DP引脚与计算机USB接口的两条信号线相连，以及其它晶振等外围元件的工作，实现了数据采集终端串口与USB接口的转换及通讯。图 7为端口转换器硬件电路图。

4 远程通信

4.1 Modem通信

信息的传递是通过数据通信系统来完成的，通常是将采集到的数据借助发送设备，经过数据传输信道，被接收设备所获取。本文所述系统采用电话拨号的通信方式实现数据远程通信。

Modem通信是通过电话线、通讯设备及调制解调器来完成的。实现模拟信号和数字信号间转换。而在模数转换时会有一定概率的误差，即为量化噪声，其强度受本地电话线路质量和通讯速率的影响。而本文采用非对称式的V.90/K56Flex Modem，是以Rockwell的RC56D芯片组为主控制器的高速调制解调器，芯片组包括MCU芯片、MDP(modem data pum p)芯片和RCDSVD SCP(speech code processor)芯片等，可以减少一次数据转换进而减少量化噪声。图8为串行DTE硬件结构及其接口框图。

MCU是8位的微处理器，工作电压为5V，主振频率为28.224MHz。MDP实现信号的调制解调，数据发送与接收为不对称方式。ROM/FLASH ROM用于存放MCU固件，实现对Modem的控制、设置等功能，而RAM用于数据缓存，用于发送和接收的调制和解调数据的存放。

4.2 通信规约

Modem通信协议包括ASCII、RTU等传输模式，其中RTU传输模式以十六进制传输数据，数据中每8位字节分成两个4位16进制的字符，最大限度利用了每个数据位的空间，数据传输效率高于ASCII模式。故本文也将采用RTU模式下进行数据传输。表1为可变帧长传输模式。

可变帧长传输模式，可满足实际需要的功能。本系统中采用低字节在前、高字节在后的传输方式，两帧之间的线路空闲间隔最少需33位，且主站和子站可双向传输数据。表1中68H和16H分别表示启动字符和结束字符;控制域为设置终端参数、系统时钟、续传、查询终端系统信息等，通过链路地址域记录数据终端设备地址;而链路用户数据包含修改终端连接密码、主动查询终端系统等数据;帧校验和即为从控制域开始到校验码之前所有字节的累加。

数据采集终端的主要功能有数据采集、参数设置、数据存储、数据通信等，是远程电能质量参数采集的核心。系统初始化完毕之后，建立Modem通信，才可以进行可变帧长数据的提取;当收到电能质量参数采集数据，传送电能质量参数数据并显示和保存;当收到档案管理修改信息，将进行远程设置表地址和波特率等的修改，图9为系统数据采集终端控制流程图。

本文对基于Modem的远程电能质量参数采集系统进行了实际监测，图10为远程电能质量参数采集系统人机界面，包括档案管理、通信连接、数据采集及维护测试四个操作功能模块，其中档案管理包括表计协议、表计地址及波特率等参数。在远程电能质量参数采集之前，应当与采集终端建立通信连接，包括通信端口、波特率、数据位、停止位等的设置;通信方式则为拨号方式并在指定栏里填好终端电话号码，等待通信建立语音提示;之后，即可点击数据采集，选择采集终端名称、数据采集起始时间、数据类别(有功、无功等)。

6 总结

本文针对变电站电能质量具体特点，分析了智能电表采集四象限电能测量的原理;以此为基础，通过建立Modem通信方案实现了电能质量参数采集数据的远程传输。在运行中，传输的电能质量参数数据在采集终端接收后通过端口转换器传输给监测终端。其中端口转换器的设计可以完成通用串口与计算机USB接口之间的转换，使传统串口设备变成USB设备，具有即插即用的显著特征。综上所述，本文所设计远程电能质量参数采集系统提高了变电站实际运行应用中的整体监测水平。

另外，基于Modem的远程电能质量参数采集系统的建立，极大降低了监测设备运行维护成本和人力成本，具有实时性好、安全有效等优点。