姚旭東，張鵬飛

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

隨著智能時代的不斷發(fā)展，為了增強表箱的實際應用效果，智能表箱的開發(fā)和研究已成為時代的熱點之一[1-2]。傳統(tǒng)的表箱需要人工進行定期檢測，這種方式并不能及時發(fā)現(xiàn)表箱存在的問題，而且對表箱的誤差進行檢測時，需要將表箱的接線盒拆開，其操作麻煩，可能還會引起其他問題[3-4]。總之使用人工對表箱進行檢測將會耗時、耗力、耗財，但是隨著智能表箱中使用監(jiān)測技術(shù)能夠提高表箱的誤差性，增強其穩(wěn)定運行性，還能夠通過監(jiān)測技術(shù)對表箱中的各種數(shù)據(jù)參數(shù)進行監(jiān)測，從而及時發(fā)現(xiàn)表箱可能存在的問題[5-6]。于是文章將對表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進行研究，通過相關(guān)監(jiān)測技術(shù)的使用，設(shè)計一種環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，從而能夠保障表箱的安全、穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)設(shè)計需求分析

1.1 監(jiān)測設(shè)備功能分析

表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要對表箱的狀態(tài)進行監(jiān)測，從而能夠保證表箱的穩(wěn)定和安全運行。對表箱的環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)測，涉及的方面比較多，比如電流、電壓、功率等電能參數(shù)，所以監(jiān)測設(shè)備需要能夠準確的實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測[7]。而且，監(jiān)測設(shè)備還需要能夠?qū)@些信息數(shù)據(jù)進行記錄和分析，當發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)存在異常時，能夠及時發(fā)出警報。另外，監(jiān)測設(shè)備要能夠?qū)崿F(xiàn)表箱誤差監(jiān)測，能夠計算出表箱的誤差和標準偏差，當誤差超過設(shè)定的值之后，系統(tǒng)能夠發(fā)出相關(guān)的警報信息，并且將所計算的誤差進行保存，方便后期查看和分析。最后，監(jiān)測設(shè)備還要能夠與后臺管理中心進行數(shù)據(jù)通信功能。

1.2 后臺管理中心功能分析

在表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，后臺管理中心作為整個系統(tǒng)的控制中心，不僅要求其具有比較好的人機交互操作界面，而且還具有對整個系統(tǒng)的管理功能，能夠操作相應的監(jiān)測設(shè)備。所以在設(shè)計后臺管理中心時，其主要功能涉及到設(shè)置、修改監(jiān)測設(shè)備相關(guān)參數(shù)，對獲取的信息數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)下載功能和存儲功能，最后還需要能夠能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計、分析功能，能夠?qū)v史的數(shù)據(jù)進行下載和查詢，并以電子表格的形式顯示。最后后臺管理中心還需要能夠與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信功能。

2 表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計總體框架

通過上文分析，表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)有利于對表箱的各種運行狀態(tài)進行監(jiān)測，從而能夠及時發(fā)現(xiàn)表箱可能存在的各種風險。通過對監(jiān)測技術(shù)的應用，設(shè)計一個表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r對表箱進行監(jiān)測，并且自動對表箱環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)測和分析，更有助于對表箱的管理。

本文所設(shè)計的表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對運行中的不同類型表箱進行全方位實時在線監(jiān)測，并對獲得監(jiān)測結(jié)果進行分析，從而判斷表箱的運行狀態(tài)。一個系統(tǒng)的設(shè)計，需要以不同的技術(shù)作支持。表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中不僅需要使用到表箱現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)，還需要使用到數(shù)據(jù)處理技術(shù)、B/S 結(jié)構(gòu)技術(shù)、遠程通信和控制技術(shù)等，通過對這些技術(shù)的綜合利用，能夠?qū)Ρ硐浼捌涠位芈愤M行遠程監(jiān)測[8-9]。在表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中使用常用的通信技術(shù)，目的在于能夠兼容不同的通信方式，在日后的使用過程中將會更加方便。于是通過綜合分析設(shè)計之后，表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包含4個不同部分，分別為監(jiān)測設(shè)備、狀態(tài)分析部分、通信網(wǎng)絡(luò)和后臺管理，系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。下面將對這4個模塊分別進行分析：

圖1 表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall framework diagram of the environmental condition monitoring system for meter boxes

1）監(jiān)測設(shè)備：監(jiān)測設(shè)備安裝到表箱二次回路中，使用脈沖線進行連接，從而可是對每個接入的表箱相關(guān)環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)測，比如表箱的電量使用、誤差測試等，還可以通過監(jiān)測設(shè)備進行本地和遠程通信，在后臺管理中心中通過使用計算機即可對監(jiān)測設(shè)備進行遠程遙控和參數(shù)修改等。

2）狀態(tài)分析部分：屬于表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理中心，通過現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備能夠獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)，狀態(tài)分析部分會對這些信息數(shù)據(jù)進行自動分析，從而得到表箱的的環(huán)境狀態(tài)情況，并對環(huán)境狀態(tài)情況進行綜合分析，從而更加了解表箱的運行狀態(tài)，能夠根據(jù)分析結(jié)果制定合理的檢測方案。

3）通信網(wǎng)絡(luò)：在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，其中的通信網(wǎng)絡(luò)必不可少，主要起到指令下發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?，相當于一個橋梁的作用。在設(shè)計通信網(wǎng)絡(luò)時，需要保證數(shù)據(jù)傳輸過程中具有比較強的穩(wěn)定性，并且能夠支持本地串行網(wǎng)絡(luò)，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)多種通信方式，比如以太網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)等。

4）后臺管理中心：該部分主要對整個監(jiān)測系統(tǒng)進行管理，所發(fā)放的控制指令都是管理中心下發(fā)，對監(jiān)測設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進行修改也是通過后臺管理中心，后臺中心還會生成各種數(shù)據(jù)信息，總之，后臺管理中心操縱著整個監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計需要能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的各項功能，能夠?qū)﹄娤涞母鞣N信息數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。通過綜合分析之后，設(shè)計如圖2所示的硬件結(jié)構(gòu)圖，其中主要包含電壓通道、脈沖通道和電流通道，然后還包含微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊和顯示模塊等。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計要能夠完成電箱電壓值的監(jiān)測。電箱工作過程中，產(chǎn)生的電壓信號會被電阻進行采樣，當信號經(jīng)過CPU之后，系統(tǒng)會對繼電器開關(guān)進行控制，然后進行切換測量通道，從而得到電壓值，電壓值會被傳送到微處理器進行計算分析。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計要能夠完成電流值和脈沖信號的監(jiān)測。電箱工作過程中，經(jīng)過的電流和脈沖信號被采樣，然后模擬相關(guān)的信號，并對其進行調(diào)整驅(qū)動，然后同樣經(jīng)過CPU，系統(tǒng)會對繼電器開關(guān)進行控制，然后切換測量通道，將信號傳到標準電路對其進行計算分析。

在硬件設(shè)計中，存儲器和LCD顯示器模塊具有不可忽視的作用，不僅方面工作人員對出現(xiàn)問題的設(shè)備進行檢測、維修，而且還方便現(xiàn)場工作人員對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行現(xiàn)場比對。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure diagram

表箱在使用過程中可能會出現(xiàn)誤差，所以在一定使用時間之后，會定期對電箱進行輪換，從而保證電箱測量的準確值。但是這種做法往往會存在浪費，而且有些電箱在還沒有達到使用期限時也可能出現(xiàn)問題，所以通過環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，設(shè)計一種監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電箱的各種指標進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)在線檢測的作用，可以解決上述問題，而且還可以減少工作人員的現(xiàn)場工作時間。

2.3 系統(tǒng)的主機外形設(shè)計

系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，還需要對其主機外形進行設(shè)計，在設(shè)計過程中需要根據(jù)不同的要求，設(shè)計合適的外形。在設(shè)計過程中需要考慮3個方面，①系統(tǒng)會長期進行運行，需要保證硬件的穩(wěn)定運行；②需要考慮到現(xiàn)場環(huán)境因素；③考慮安裝問題，需要能夠在有限的空間內(nèi)進行安裝。通過綜合分析之后，最后設(shè)計的主機外形方案為：

1）為了保證硬件的穩(wěn)定性，對不同指標進行監(jiān)測和分析的通道進行單獨設(shè)立，所以每個通道和監(jiān)測的指標互不干擾。

2）硬件會長期受到溫度、濕度等影響，為了降低影響，需要在主機兩側(cè)安裝散熱裝置，然后選擇帶有密封條的鋁合金材質(zhì)，作用在于防潮，還需要保證設(shè)備的良好通風。

3）為了使得主機能夠方面安裝，將其大小設(shè)置為與電能表一樣即可，而且一臺主機可以對八臺電箱進行同時監(jiān)測。

2.4 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)

在表箱環(huán)境狀態(tài)檢測系統(tǒng)中，對表箱進行監(jiān)測之后的信息數(shù)據(jù)需要能夠傳輸，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的管理和分析，其中必然需要對通信網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計。于是在監(jiān)測設(shè)備有相關(guān)的以太網(wǎng)通信接口和本地串行通信接口，這兩個接口就可以連接到通信網(wǎng)絡(luò)中，從而完成多種通信方式，比如本地串行、GSM、PSTN等。于是就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的下載和分析等功能，并對根據(jù)這些信息數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行整體管理[10-11]。

通過連接通信設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)多種通信方式，比如其中的本地串行，能夠?qū)ΜF(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備進行合理的安裝調(diào)試，通過數(shù)據(jù)傳輸，還能夠?qū)?shù)據(jù)下載到電腦中；其中PSTN 作為一種電話數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，因為在某些情況會存在數(shù)據(jù)傳輸速度非常慢，此時為了提高傳輸速度，可以通過電力系統(tǒng)預留的通信線路加入MODEM，于是可以通過其電話線進行數(shù)據(jù)傳輸；其中GSM/GPRS作為一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，這種方式的數(shù)據(jù)傳輸安裝非常簡單，但是需要使用數(shù)據(jù)流量，會增加通信成本。

3 技術(shù)實現(xiàn)方案

通過相關(guān)監(jiān)測技術(shù)的應用，本文設(shè)計了一種表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)表箱電量信息的監(jiān)測和表箱誤差在線監(jiān)測。需要對這兩個功能的實現(xiàn)設(shè)計相關(guān)方案。

3.1 表箱電量信息監(jiān)測

表箱電量信息監(jiān)測原理如圖3所示。當表箱中的電流和電壓經(jīng)過相應的輸入通道之后會被監(jiān)測設(shè)備所獲取，并將電流和電壓的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這些信號會被系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集部分進行傳輸?shù)組CU 中進行處理，其中會進行相關(guān)的數(shù)據(jù)計算，計算完成之后會通過串口通信將結(jié)果顯示在液晶顯示器上。在后臺管理中心中能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的下載，還能夠修改相關(guān)參數(shù)。

圖3 表箱電量信息監(jiān)測原理圖Fig.3 Schematic diagram of meter box power information monitoring

在表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中電量信息監(jiān)測的流程如圖4所示，首先監(jiān)測設(shè)備進行初始化，讀取表箱中涉及的各種參數(shù)，比如回路參數(shù)、切換開關(guān)設(shè)置等，獲取到相關(guān)參數(shù)之后就可以對表箱進行測量，其中會經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、3種數(shù)據(jù)信息的采樣和數(shù)據(jù)處理和存儲等，最后通過計算公式對信息數(shù)據(jù)進行計算，并將計算結(jié)果顯示到屏幕上。從圖4中還可以看出監(jiān)測流程還存在一個判斷過程，如果顯示的結(jié)果有遙控指令，只需要對參數(shù)進行修改，并重新切換開關(guān)，重新從頭開始進行監(jiān)測。

圖4 電量信息監(jiān)測流程圖Fig.4 Flow chart of power information monitoring

3.2 表箱誤差在線監(jiān)測

表箱在長期使用過程中會存在一定的誤差，需要對其進行人工校驗，但是通過使用表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠自動對表箱進行在線測試。系統(tǒng)的后臺管理中心會對誤差監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。然后以圖形的方式分析，能夠更加直觀的發(fā)現(xiàn)表箱誤差變化狀況。實現(xiàn)表箱誤差在線監(jiān)測，其中使用的方式為標準表比較法，即首先將被監(jiān)測的表箱獲得的電流電壓值和標準表箱設(shè)置為一致，通過一段時間的運行之后，通過比較被監(jiān)測表箱數(shù)據(jù)和標準表箱數(shù)據(jù)，從而能夠反映出表箱的誤差。被監(jiān)測的表箱誤差γ算法公式如下：

其中W′和Wo分別表示被監(jiān)測表箱電能量和標準表箱在時間t的累積電能量，兩者的公式如下：

其中，C 表示的是被監(jiān)測表箱的脈沖常數(shù)，n 表示的是被監(jiān)測表箱在時間t 內(nèi)的脈沖數(shù)，P 表示的是標準表測算的功率。

4 結(jié)語

文章通過監(jiān)測技術(shù)，設(shè)計了表箱環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了智能表箱。通過對表箱進行在線實時監(jiān)測，在一定程度上增加了表箱運行的穩(wěn)定性，減少了工作人員的現(xiàn)場檢測難度和時間，能夠及時發(fā)現(xiàn)表箱存在問題，并通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，能夠?qū)Ρ硐渥鞒黾皶r的維修處理。所以通過監(jiān)測技術(shù)的應用，表箱在長期的運行過程中將會變得更加安全和穩(wěn)定。