电量计量系统设计.docx
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电量计量系统设计
电量计量系统设计
水表、燃气表、电表、热水表随着社会发展和人民生活水平的不断提高而数量发生着巨大变化，这些计量器具收集的数据，可以通过各种形式为人类搜集利用。
现有的讣量器具仪表耗电量大，成本高，线路干扰，配线规模小，自动化程度不高，如何利用最少的人力，最少的费用，最快的速度，最稳定的性能，以最安全的形式将用户数据送达管理部门，是现有电力汁量系统的迫切需要解决的问题。
通过网络技术对电量自动计量系统的应用，提高电力自动化系统的稳定性。
在信息数据釆集的过程中，做好相应的工作，计算用电情况，有效地实现用电方式和计量体系的运行方式，保障用户用电安全。
电力自动化关系着社会的发展和城市的建设，电量的收集和汁量系统的运用直接影响到电力自动化系统的稳定。
本文首先介绍了电量计量系统发展轨迹和形态，网络技术基础自动化应用的情况及相关数据的计算方法。
以某工厂电量计量系统为例，进行了网络结构的构造并进行了效果预测，实现使其实现电量消耗的计量，使整体供电稳定性更强，可靠性更高。
1.绪论
电量计量系统的发展轨迹
电能仪表经历了人力仪表和自动仪表两大类，正在向自动化系统的高度化迈进。
传统的电量测量方法费时费力，要定期去现场机械手抄，使用不便，浪费时间和资源。
自动抄表系统与国外同时出现，20世纪80年代和90年代后期，无线电力控制系统开始形成，本世纪初期开始，电量讣算系统大规模地开始建设并实践中应用，在电网领域广泛流行，广泛普及开来。
此后，电力领域乂扩大了技术技能，分别发明了发电侧，供电侧和终端侧。
此后国家启动了电力用户收集系统，全面完善电力供应体系，提升用电质量。
近儿年，智能网络成为电力行业发展的整体趋势，自动化系统成为未来电网发展的主要潮流形式。
这个优势体现在各个方面，运行速度、节能方面都取得了显著成效，引领了电力发展的时代潮流。
另一方面，自动化系统适应了信息接受者的需要，成为信息接受者用户与电网运营业之间的桥梁和纽带，是信息接受者用户与电网运营业之间的沟通和连接点。
自动化系统可以达到信息接收者用户与电网运营业之间的这优越特点，它所特有的分散性运行模式，在精确的位置定位中起到了重要作用。
自动电表的出现不仅从根本上解决了水电气等管理部门人工采集仪表数据的困难，而且有效地避免了这一过程带给用户的诸多不便，因此可以避免发生许多不必要的纠纷,保障数据收集的及时性和简便性，保证数据收集的高效率性、安全性和准确性。
同时，自动化计量器具的使用大幅提高了水电气等公共管理部门的工作效率，山部门统一管理,方便了管理。
在发达国家，计算机科学，网络科学和自动化技术迅速发展，各行各业都引进了新的技术，实现了新的智能化和自动化。
但是，山于我国相关技术相对落后，行业发展更新相对落后，我国少数家庭用具的数据收集和抄写部分仍然采用传统的人工抄写方式，特别是在农村地区比较普遍。
即使是大中型城市，一些相对落后的小区，仍然釆用人工数据收集的方式，采用汁量数据收集的方式，自动化数据收集系统的使用率不咼°
对于部分经济略微发达的地区，如果采用有线电表计量系统，在一定程度上可以进行人员优化，节约时间，例如有线自动化电器计量系统复杂的短路、离线等安全问题，也会进行系统调整和维护，而且有线测量方式的能源消耗很大，成本也较高，这些问题都难以摆脱现代化管理理念，因此，希望政府等管理部门也能开发出切实可行的系统，解决U前有线汁量系统的弊端。
新研发的电表必须长期稳定可黑，安装，维修比较方便，成本低廉，不仅能自动复制电表数据，而且能实时监测电表运行情况。
新型无线智能电压计量系统已成为电力管理部门亟待克服的问题。
无绳讣量器具计量系统的实质，是用无线传输用户的计量数据，它是一个收集中心的数据处理。
随着科技的迅猛发展，例如电脑控制，网络通信，测量技术和方法，以及电子仪表行业中无线技术的广泛应用，发挥着更加重要的作用。
新型无线电计量系统不仅能克服数据收集传统模式所包含的各种困难和弊端，而且能从根本上克服电力管理部门的收费难问题，增强数据收集系统的可控性和准确性，实现企业事业管理效率和人力财力节约的目的。
电量计量系统的现状及发展
口前在所有的电量计量系统中，计量方式使用最多的是传统的人工电表计量方式,有线电表计量方式，GPRS模式，蓝牙方式，红外方式，IC卡方式等无线远传方式。
电能的发展形式由传统的单一形式向系统的自动化形式转化。
电力技术的创新，在电力发展的变革历史上具有重大意义。
电量计量的数字化，网络化，智能化等特点，充分适应了市场的潮流和用户的要求。
（1）电量计量系统的数字化汁量系统是数字通讯技术、数字变电站技术的合成技术。
随着经济的发展和用电量的增加，对电力设施智能化提出了更高的要求。
传统的互感器已不适合电力系统的发展模式。
随着新一代数字电量计量系统的问世，山于技术的不断更新和完善，数字化变电站成为未来电力发展的主要形态。
（2）电量计量系统的标准化电量测量装置和系统集成的标准化是电能的统一性，规律性、一致性、兼容性等。
电力汁量系统标准化，能够统一计量器具。
这些要求，是与时俱进的要求，是紧跟市场经济发展的要求。
电量计量系统的标准化是保证电力系统正常、统一、标准运行的前提。
（3）电量计•量系统的网络化所谓网络化是指电量计•系统与电力企业及客户构筑的网络的共享。
以网络服务、电气服务为一体的信网络化关系纽带，为顾客提供方便快捷的服务。
电力计量系统的网络化，使网络与电力通信结合，是符合时代要求的完美组合，丰富和完善了人们的生活，随着人们生活方式的发展，网络家电系统进一步完善，网路化科技技术和通讯电科技技术的连接更加紧密。
（4）电量讣量系统的智能化随着电网规模化的发展和普及，电量的综合数据无法系统地在整个数据中加以利用，难以适应信息时代的大数据。
因此智能化电量计量系统是电力发展的需要，智能化电量系统的可操作性，能够充分满足观众的需求，在用电模式下，用户可以自己操作和调节，达到合理、科学、规则的电模式。
2.网络技术
网络技术在自动化中应用的优势
（1）提高自动化控制的效率
网络技术在电气工程自动化中的应用，使得电气工程的各种机械设备的控制得到了优化，进而也就提高了机械设备的自动化控制效率，而且实现了无人控制系统。
例如在电力系统的实际运行过程中，对变电站的监控就可以通过网络技术来实现，通过网络技术实现监控不仅更加的快速而且数据的传输更加的安全，使得变电站的通信实现了自动化的远程操作。
（2）提高自动化控制的准确率
网络技术在自动化控制系统的应用则可以有效的提高系统的控制精度，避免传统控制模式的弊端，因为通过网络技术无需建立控制模型，降低了电气工程设备的工作负担,提高了工作的效率，也使得电气工程以及自动化控制更加的精确。
（3）提高电气工程及其自动化的开放性
电气工程及其自动化控制系统其需要数据的信息量都是非常巨大的，而仅仅凭借传统模式下的自动化控制系统是很难保证其能够在很短的时间里完成大量数据信息的准确处理，并且传统的自动化控制系统往往会因为数据处理效率低，使得控制系统的工作负担增加。
而通过使用网络技术在自动化控制系统中的应用则可以有效的提高自动化系统的信息处理能力，提高了自动化系统的运算效率。
组建电量计量系统的特点
电量汁量系统对网络系统和设备具有很高的要求，例如实时性要求、精确度要求、数据的可靠性、数据的安全性以及数据的唯一性要求等。
山于电力市场的发展需要和信息技术的发展形势，组建电能计量系统会有以下特点：
（1）站端数据采集单元不仅要具备多种接口和内置MODEM,还应具有网络功能，还要具有网络接口，遵从TCP/IP标准协议；
（2）随着微电子、DSP技术及超大规模集成电路的发展和应用，电度表的功能将日益完善，智能化程度越来越高；
（3）主站系统为分布式结构，釆用基于TCP/IP协议的C/S（客户机/服务器）结构；
（4）主站服务器釆用基于Unix或WindowsNT的系统平台;
（5）系统能够自动诊断、检测故障，能避开故障设备而重配系统；
（6）关口电量计量系统和用户电量计量系统应作为电能讣量系统的两个有机组成部分，而不应相互独立；
（7）电能计量系统将是一个开放式系统，能够与其他系统，如SCADA系统、MIS系统、EMS系统等实现无缝连接，达到数据共拿的日的；
（8）数据库应坚持实时性、实用性、开放性原则，必须保证数据的安全性和唯一性;
（9）与上级电能管理及交易系统的数据通信将会通过IPOVERATM或IPOVERWDM进行。
网络系统的安全
在电能计量系统中，随着Internet,Webserver的浏览访问技术的日益普及，不仅数据传输量增加了，而且互联网受到的攻击也变得更多。
曲于互联网的开放性，网络安全的方式都发生了根本性的改变，安全性开始显的尤为重要。
为了避免电量计量系统遭受病毒的破坏与黑客的恶意攻击，包括防火墙技术在内的各种技术手段都是必不可少的，以达到确保电力数据完整，统一。
保障网络安全的措施包括：
（1）建立完善的数据备份和数据恢复体系。
（2）建立攻击监控体制。
（3）在网络之间采取网络隔离手段，如过滤路山器等手段。
（4）进行正确有效的网路维护。
（5）采取网络监控、活动监控等手段建立访问控制体制，提高系统检测能力。
（6）建立严格的认证体系，防止非法用户对数据库的修改。
（7）为杜绝大多数的网络攻击，应对网络漏洞进行周期性的检査，排除网络的安全漏洞。
3.电量收集与计量系统概述
主站系统的组成
数据终端服务器、前缀器、应用程序、服务器与MODE-起组成电量收集与计量系统。
电量的收集和计量系统在整个电力自动化工程中起着重要作用，系统管理复杂，计量工作内容比较复杂。
电量集成和计量系统具有一定的全面性。
在使用过程中，要考虑系统的功能性，结合计算机网络通信技术的使用水平，划分计算机网络信息技术的使用功能，有序处置变电站，实现了收集变电站用电量的功能，系统管理变电站用电量，收集用电流量的流动数据，监测电路工作情况。
工作人员能在一组局域网内可使用的电力查阅釆集及检测系统的信息，掌握同一地区的工作情况，了解该地区的电力运行惜况，并对为实现电力运行的信息数据分析系统的资料进行精密检查和掌握，了解场站的系统电量运行规律以及电力网络的损坏情况。
智能型仪表具有防火、防盗、防落雷功能，并具有独特的漏电保护装置。
智能电压表是一种重要的电能收集工具，利用无线网络通信技术，对收费计量器的调整，用电率分析，电流功率监测，电压使用异常，电路信息收集，电路异常发出及时的报警。
分站系统组成以及信息采集渠道
分站系统山多个结构组成，具有独特的工作方式，通过信息通讯程序采集数据。
利用电能表对实际电流信息数据进行监测，通过信息数据处理器对数据进行分析处理，建立特有的信息渠道，保证分站与主站之间的信息畅通无阻，实现各站范圉内有效的变电功能。
终端用电量检验要进行用电量的收集分析，通过系统对用电信息进行整理并进行标记，保证电力系统的正常应用在一定时间节点内。
脉冲电量收集终端表现出较好的电力收集功能，建立了收集通道，完成了应急处置。
电量的收集与计量之间有着密切的联系，它架设了光纤数字通道，载有电力传输载体。
电量收集与计量系统的主要通道是数字光纤通路，此外还存在一些信息储备通道。
进行信息通道转换，减少电量数据故障，增加系统防干扰能力。
4.电量釆集与计量系统的使用功能
电量采集与计量系统的自动功能
对于模块化的主站进行电量釆集设汁，能实现电量集成和能源有效控制。
功能表现为:
数据管理功能，报表处理功能以及智能对话功能。
建立层层清晰的信息管理系统，保证该系统的正常运行，进行数据转换，实现信息数据共享功能。
电力工作人员查询用电系统的数据，整合实际电量，表盘功率等信息，进行数据收集和数据分析整理工作。
电量收集和计量系统中的Web服务器独立工作，具有较高的防毒描施，使电力系统在运行过程中不受病毒威胁，提高系统安全性。
电量收集与计量系统具有丰富的数据收集分析功能，在发挥运行功能的同时，还显示了优秀的纠错功能和数据信息整理功能。
电量采集和计量系统对主站系统的作用
信息管理功能作为电力工程自动化系统的一个重要组成部分，信息管理系统运用过程中需要的保障信息运输系统的效率，对主站系统的机动性进行分析，有效的开展信息数据整理工作，分析查询工作LI标，为采集和完善电力工作打好基础，提升采集高电量的计量系统和综合应用水平。
管理功能具有较广泛的信息数据管理功能，包括系统管理、记录分析、数据收集、电力测量、运行管理和异常反馈等。
进行系统分析电路负荷，对机械电子设备自动化仪器运行状况判断风险评估，将除上述危险之外的电力运行数据采集工作程序，根据自身电力生产情况顺利完成生产任务，对各类运行判断参数、电力自动化运营方案及时调整。
厂站端系统
电力采集与讣量系统和厂站端系统之间具有密接关系的采集量作为电力系统数据库的釆集基础，釆集记录电力时要在不同时间段掌握信息资料，收集记录资料的时间，保证信息数据系统的容量，发挥各部分信息数据存储功能，保证电力系统的正常使用。
设定不同数据的信息，体现数据的使用功能，对重要的信息数据进行登记存储。
实现工厂，终端，终端系统优化，建立良好参考依据。
电量的收集和计量系统的应用，提高了电力自动化发电系统的整体水平，在我国电力工程工作中发挥着重要作用。
这一系统的使用，提高了电力自动化系统的运行安全性,减轻了管理人员的负担，为后续电力工作奠定了坚实基础。
5.有功功率、无功功率和视在功率计算及关系
有功功率
在交流电路中，每个瞬时的有功功率是不同的，且不断变化，一般用平均有功功率来度量电路中消耗能量的情况。
对于单相交流电路，计算公式为：
P二UIcos①式
（1）
式中：
P—有功功率（瓦）U—交流电压有效值（伏）I—交流电流有效值（安）cos①一负载的功率因数。
有功功率的单位是瓦（W）或千瓦（kW）、兆瓦（MW）o
当负载为纯电阻时，电压与电流相位相同，0=0°,cos①=1,电阻消耗的功率全部是有功功率（P二UI）。
当负载是纯电感或纯电容时，电压和电流的相位差①二90°,cos①二0,有功功率P二0,所以纯电感或纯电容负载是不消耗有功功率的。
无功功率
为了衡量交换能量的情况，人们用能量交换过程中功率的最大值（即瞬时功率的最大值）来表示无功功率。
根据公式推导，无功功率Q的计算公式为：
Q=UIsinO＞式⑵
式中：
sin①一交流电压与电流相位差的正弦值。
无功功率的单位是乏（var）或千乏（Kvar）、兆乏（Mvar）。
当负载为纯电感或纯电容时，①=90°,sin①=1,所以Q=UI,即只有无功功率而不消耗有功。
当负载为纯电阻时，①=0°,sin①=0,所以Q=0,即只消耗有功功率而不需要无功。
视在功率
在一般交流电路中，输送的电功率中即有有功成分，乂有无功成分，因此其电压有效值与电流有效值的乘积，即不是有功功率，也不是无功功率，而是它们的合成量，这个合成量就叫视在功率，用字母S表示：
S=UI式（3）
视在功率的单位为伏安（VA）,或千伏安（kVA）、兆伏安（MVA）。
交流发电设备都是按照规定的电圧和电流进行设计和使用的，所以有时用视在功率表示设备的容量是比较方便的，例如变压器的容量就是指它的视在功率。
视在功率S、有功功率P、无功功率Q三者之间的数量关系，恰好相当于直角三角形的三边关系，S相当于斜边，P和Q相当于两条直角边，称为功率三角形。
如图1所示。
6.电压电流的采集方法
工业现场中的电流电压信号是模拟量数据，都是随时间连续变化的，称为连续信号。
但对于依赖于计算机的电量il•量系统中来说，处理这些连续的信号显然是不可能的，要使汁算机能够识别、计算、处理这些连续信号就必须将其转化为离散信号，将连续信号转换为离散信号的过程就叫采样。
因此，要分析电流电压的数据，需要模拟量的电流电压数据进行性采样。
在模拟量采集领域，必然遵循釆样定理，而最重要也是最基本的采样定理便是香农采样定理。
香农采样定理
香农采样定理，乂称内奎斯特釆样定理，是美国物理学家内奎斯特于1924年提出的一个理论。
该理论是信息论，特别是通讯与信号处理学科中的一个重要的基本结论。
香农采样定理定义：
为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟频谱中最高频率的2倍，即:
Fs>2*F_式（4）
我们可以同构不同速率测量的正弦波来理解其原因，如图2所示。
情况A,频率f的正弦波以同一频率采样，这些采样标记在原始信号的左侧，在右侧构建时，信号错误地显示为恒定直流电压。
情况B,采样率是信号频率的两倍。
现在信号显示为三角波。
这种情况下，f等于奈奎斯特频率，这也是特定采样频率下为了避免混叠而允许的最高频率分量。
情况C,采样率是4f/3。
此时重构的波形无法准确的还原波形信号。
可见，采样率过低会造成波形重构不准确。
因此，为了无失真地恢复原波形信号，采样率f；必须大于被测信号感兴趣最高频率分量的两倍。
通常希望采样率大于信号频率约五倍。
2UIM采样电路
随着时代的发展，人们研发出的电压电流采集终端UIM实现了电机运行时电流电压数据的采集、转换和分析，具有采集精度高，传输数据量大，支持信号类型多，运行稳定等优点。
目前已在造纸行业、煤机行业、电机制造业、水泥行业等场合得到了应用。
电压电流采集终端使用了模拟转换芯片ADS1258进行模拟信号的采集和转换。
7.辅助电源及设计方法
在电子电路工作时，除了需要有供给负载电压、电流或功率的电源外.还常常必须有给电路（或其中元件）自身供电的、容量较小的电源。
前者称主电源，后者称辅助电源，有时也叫作开关电源。
单端反激式开关电源
单端反激式开关电源工作原理，如图3所示。
（1）起始时开关K合上，电源给变压器供能，并以磁能的形式储存于变压器中。
N1的极性为上正下负，N2的为上负下正，二极管截止，次边无电流。
（2）然后开关K断开，由于次边无电流输出，在自感作用下，下端电压超出电源电压，电感内储蓄了较高的磁能，此时门极性变为下正上负，山于互感的作用X2的极性变为上正下负，二极管导通，变压器的磁能由N2线圈释放出来，N1线圈的下端电压开始回落。
（3）当磁能放出到一定程度，线圈N1下端电压低于电源电压，电源再给变压器供能，此时“极性变回为上正下负，开关K乂被合上，进入下一个周期。
（4）电路电流电压周期性的变化（初级）使次级负载得到稳定的供电。
小机型辅助电源的工作原理
小机型的辅助电源采用单端反激式开关电源的形式，其原理电路如图4所示。
（1）启动电源通过Nl、DI、R9、R16给开关管Q5的栅极供电，达到&2V时被稳压管D9钳位。
此时，开关管导通，同时，因N3与N1同位，N3感生电流通过D3、R12给开关管供电，加速开关管的导通。
（2）储能开关管导通后，电源给变压器T供能，并把能量以磁能的形式储存于变压器中，N1的极性为上正下负，N2极性为下正上负，二极管D13反向，\2无电流通过。
（3）关断开关管导通后，电流经开关管Q5、R10到地，由于N1电感的作用，电流是山小到大上升的，则电阻R10上的电压同样是由小到大上升的，当电压值上升到一定程度时（约0.7V）,三极管Q6导通，将开关管Q5的栅极电位迅速被拉低，此时开关管截止。
（4）放能开关管关断后，由于电感线圈“的储能续流作用，N1下端电压会上升超出电源电压，极性变为下正上负，此时N2的感生电动势极性变为上正下负，二极管D13导通给负载供电，同时给C26充电，变压器的磁能由次极N2释放。
（5）再次开通当变压器的能量放到一定程度时，N1下端电压回落到电源电压，由于电感的续流作用，N1下端电压会低于电源电压，即Cds的端电压低于电源电压，致使电源再次通过线圈N1给Cds充电，产生向下的电流。
同时，由于互感作用，N3开始给Q5栅极供电，Q5再次导通，电源乂给变压器充能，此时由C26放电供给负载能量。
如此反复不断形成震荡，在开关管漏极形成了电压波形，如图5所示。
（6）稳压当输出电压超过24V时，电流通过D14、R20使得光电耦合器中的UA1发光，UB2导通，三极管Q6导通，将开关管Q3的栅极电位迅速被拉低，开关管提前截止使得输，出保持在24V,达到稳压的目的。
开关管采用的一般为3878或者2225等。
如果辅电3878（或者2225）过热，则是其导通时间过长。
其过流，3878（或者2225）处于一直导通状态，未形成周期导通状态。
工厂现状分析
以某工厂为例，该厂拥有4条生产线，若采用传统的人工抄表方式，用电设备较多，计算数据量庞大不集中，容易岀现漏表或计算电量不准确的结果，若分析把握不当，将导致对各生产线其每天，每月生产耗电量不能够精确计量，导致无法计算生产成本。
该厂共建有4条10kV高压变电所，虽然相距较远，但如果将4个变电站的电源及配电线路的用电量统计计算一下，就可以知道全厂各条线路的用电量。
U前，若给每个高圧开关柜安装具有RS-485接口的智能数显电力仪表,然后组成通信网络，就可以查询表内的电压、电流、功率、电力等电力参数。
网络构建
釆用LI前较为先进的计算机网络通信技术，安装微机后台数据库程序，开发设计一套电力自动检测讣量系统，可对每一套电表电量进行记录并自动生成所需电量报表。
硬件配置
（1）智能化测量仪器
所有TV柜使用EV361型，馈线柜使用EV390型。
进线电源柜我们使用测量功能齐全，具备峰值、峰值、平电自动记录功能，并可以通过软件对峰值曲平时间进行修改、安装的较高级的Acuvim-X电力仪表。
由于这台仪器价格较高，所以只运用于进线电源柜上。
这些计量器均带有RS-485通信接口，而且还具备了Modbus-RTU通讯协议，而且可以与主机（PC、PLC）通讯，因此，很容易与机器通讯连接，进行组网，与上位监控控制软件相结合，完成自动抄表并生成各种电量报表。
（2）串服务器
在各高压室安装Nport5630型16串口服务器，将所有智能型仪器双绞屏蔽电缆连接到该串服务器。
各串行服务器都设置了独立的IP地址，可以从后台计算机程序直接访问，获得相应仪器的各电气参数的相关数据。
（3）光纤和光纤收发机
考虑到各高压室在设计中可能位置都距离较远（大约800米），信号干扰影响较大,因此可以考虑用光纤进行通信。
（4）以太网交换机
在以太网交换机中，使用D-Link的8终端口以太网交换机，型号为DES-1008D8,因为它至少要用5个终端。
软件配置
（1）组态软件
组态软件选用的是EpSynall软件，它是针对变电站及电厂行业而开发的一系列电力行业组态软件，为硬件、软件系统的集成提供便利，拥有大规模的通信规约库，各种智能（如测量仪表、直流屏、保护设备等）及非智能（如各种板卡、传感器等）数据采集设备科通过适当的驱动程序得到连接，实现了系统和设备之间的互通互联功能，而且还完成了人机界面的开发、编译、运行。
（2）报表工具
报表工具分为报表开发工具和报表传输程序两部分,EpSynal1软件是提供用户生成每日报表模板的工具，用户可根据自身需要提供每日报告表（包括时报表，日报表，月报表和年度报表）。
报表模板制作完成后，不需打开组态软件即可打开Report程序，自动连接数据库，输入查询日期，就能看到新制作的数据报表。
（3）其他软件
电量自动计量系统是一个可以在WinlO平台上运行的系统，该厂可选择WinlO系统,并在其安装SQL2012数据库软件
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