一种智能电表的电能质量监测系统
文献发布时间：2023-06-19 12:00:51
技术领域
本发明涉及智能电表技术领域，具体涉及一种智能电表的电能质量监测系统。
背景技术
我国电能表技术发展至今，已有70多年的历史。1952年上海和成电器厂开始专业生产电能表，当时以仿制国外感应系电能表为主。60年代初，我国开始自行设计电能表。70年代中后期，开始引进国外先进电能表的制造技术。90年代初，国产电子式电能表研制成功。近些年，电网资产和业务不断数据化，物联网技术正逐渐与电力设备感知技术深度融合，电网设备物联网系统开始出现，信息开始互联互通。
智能电表是智能电网的智能终端，智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用还具有双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。
现有的智能电表，电能的质量监测往往依靠人工定期巡查来实现，尚没有智能的自动化监测方式。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明提供了一种智能电表的电能质量监测系统，包括：
电能采集终端、云服务器、人机交互系统；所述电能采集终端通过基站与云服务器通信，所述云服务器与人机交互系统直接通信；
所述电能采集终端包括：核心板、扩展板和外接传感器；其中，扩展板通过GEC接口连接核心板，扩展板通过通用接口连接外接传感器；所述核心板包括MCU及与所述MCU通过固定接口连接的通讯模组；所述扩展板包括光敏传感器、热敏传感器、程序下载接口、电源接口、和工作指示灯；外接传感器包括LCD显示器和电网数据采样传感器。
进一步地，所述电网数据采样传感器采用HT7036计量芯片。
进一步地，所述MCU采用STM32L431芯片。
进一步地，所述通讯模组采用ME3616通讯模组。
进一步地，所述电能采集终端的数据包括U2、U3、U4、U5命令帧。
进一步地，所述U2命令帧将设备运行状态、电能质量、计费数据同时展示。
进一步地，所述U3命令帧用于展示2～38次谐波。
进一步地，所述U4命令帧用于展示电流、电压、视在功率、视在电能
进一步地，所述U5命令帧上传电能质量指标，有功、无功、视在功率及电能数据。
进一步地，所述电能质量监测系统使用的数据帧格式为：帧头、数据长度、IMSI、有效数据、校验和、以及帧尾。
本发明的优点在于：能够快速搭建电能质量监测人机交互系统，提高嵌入式系统开发效率。本发明的智能电表的电能质量监测系统能够接收多种数据，并利用图形化界面将指定数据高效的展示给用户。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的电能质量监测系统框架示意图。
附图2示出了根据本发明实施方式的电能采集终端硬件构成及基本功能示意图。
附图3示出了电能质量监测系统数据帧格式示意图。
附图4示出了电网基础信息界面示意图。
附图5示出了电网谐波信息界面示意图。
附图6示出了U3命令帧数据界面示意图。
附图7示出了HT7036上传2～38次谐波信息展示界面示意图。
附图8示出了U4命令帧数据界面示意图。
附图9示出了U5命令帧数据界面示意图。
附图10示出了U4命令帧对应计费数据界面示意图。
附图11示出了U5命令帧对应数据界面示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明先对电能质量监测系统进行总体分析，厘清人机交互系统数据处理逻辑、数据接收逻辑。再以AHL NB-IoT人机交互系统为基础，快速搭建电能质量人机交互系统，并对电能质量系统的云服务器、网页设计等进行详细介绍，并给出人机交互系统的主要功能界面。
1电能质量监测系统总体分析
电能质量监测系统复用AHL NB-IoT架构人机交互软件，电能质量监测系统框架如下图1所示，包括：电能采集终端、云服务器、人机交互系统；所述电能采集终端通过基站与云服务器通信，所述云服务器与人机交互系统直接通信。
如图2所示，本发明的电能采集终端，包括：核心板、扩展板和外接传感器；其中，扩展板通过GEC接口连接核心板，扩展板通过通用接口连接外接传感器；所述核心板包括MCU及与所述MCU通过固定接口连接的通讯模组；所述扩展板包括光敏传感器、热敏传感器、程序下载接口、电源接口、和工作指示灯；外接传感器包括LCD显示器和电网数据采样传感器。
所述电网数据采样传感器采用HT7036计量芯片。所述MCU采用STM32L431芯片。所述通讯模组采用ME3616通讯模组。
为进行快速开发，电能质量采集终端增加U2、U3、U4、U5命令帧，上传电网质量信息。U2命令帧上传的信息最为详细，U2命令帧包含U4、U5命令帧的全部字段，U3命令帧主要用于展示2～38次谐波，U4命令帧主要用于展示电流、电压、视在功率、视在电能，可用于电能计费。U5命令帧上传电能质量指标，有功、无功、视在功率及电能数据。有功、无功数据的上传，可用于判断被测电力设备是否正常工作，电能质量指标可用于判断电网质量。U2命令帧则将设备运行状态、电能质量、计费数据同时展示。为接收U2～U5命令帧，云服务器需增加
电能数据采集主要依靠外接传感器实现，外接传感器在进行电压采样时，使用分压电路，并联接入三相电网。进行电流数据采集时，使用0.2级精度的电流互感器。相对于电压互感器，分压电路的成本较低。直接接入式电流采样需使用串联方式，接入难度大，因此选择了电流互感器进行采样。使用窄带将数据上传到云服务器，用户通过网页直接访问云端数据。使用窄带通信方式，降低了线路成本。用户通过网页访问云端数据，避免安装客户端程序，有利于系统的推广。
2电能质量系统云服务器设计
电能质量云服务器以AHL NB-IoT架构为基础，增加U2、U3，U4命令帧，用以上传电网质量信息。电能质量监测系统使用的数据帧格式为：帧头(2字节)、数据长度(2字节)、IMSI(15字节)、有效数据(n字节)、校验和(2字节)、帧尾(2字节)，具体内容如下图3所示。
云服务器对结构化数据进行进一步处理，将数据以动态图表展现出来，提高数据处理效率。云服务器与客户端通信使用的U2命令帧对应包含各项电流、电压2～21次谐波含有率信息，各项电压、电流、功率等的电网数据信息。
U3命令帧包含电网各项电流、电压的次谐波含有率信息。HT7036最高可测得41次谐波信息，但ME3616窄带通讯模组单次可上传的最大字节数为512字节，电网各项41次谐波含有率信息与终端信息、帧格式信息组合远超512字节，最终只上传2～38次谐波信息(456字节)，终端信息只上传IMSI号、发送时间、芯片温度等(30字节)。
云服务器与客户端通信使用的U2命令帧，具体内容如下表1所示。
表1 U2命令帧具体数据
U2命令帧对应的数据字段较多，云服务器系统如果不做出改变，会自动生成大量文本框。电网谐波信息占据120个字段，使用40行的空间进行显示，需要数次翻页。自动生成的A相谐波电压含有率信息，几乎占据云服务器实时数据展示区域，不利于用户提取有效消息。故将实时数据显示区域分为重叠的两部分，一部分显示基础信息，一部分显示谐波信息。
此外，电网系统谐波含有率只需满足偶次不超过2％，奇次不超过4％的国家标准。三相电流、电压2～21次谐波含有率包含120条信息，以文本形式不方便查看，故以折线图的形式展示谐波信息。U2命令帧对应的改进后的云服务器界面如下图4、图5所示。图4主要展示电流、电压、功率、电能等的信息。图4所示的合相电流为A、B、C三相电流的矢量和，有功功率数据为电压数据、电流数据、设备功率因子三者的乘积。
图5主要展示2～21次谐波信息。公用电网谐波标准于1993年7月31日发布，标准规定0.38kV标称电网，奇次谐波含有率不得超过4％，偶次谐波含有率不得超过2％
图5纵坐标为万分制，正常情况下，波峰段为奇次谐波含有率，左部为三相电压谐波含有率，右部为三相电流谐波含有率。图中波峰数值不应超过400，波谷数值不应超过200。否则，电网谐波含有率出现异常。
U3命令帧主要用于上传电网谐波详细数据信息，U3命令帧的基础信息界面如下图6所示。
电表终端可上传2～38次谐波含有率信息，所对应界面如下图7所示。界面左侧图展示的为A、B、C三相电压谐波含有率信息，界面右侧图为A、B、C三相电流谐波含有率信息。
上传2～38次谐波信息的U3命令帧具体格式如下表2所示。U3命令帧中的芯片温度可以用于判断电表终端是否正常工作，发送时间可用于根据时间查询数据信息。
表2 U3命令帧具体数据
U4命令帧用于电能数据计费，上传电流、电压、功率、电能数据，视在功率为电流电压乘积。U4、U5命令帧对应数据字段为U2命令帧的子集，U4、U5命令帧字段不再一一列出，U4命令帧对应云服务器界面如下图8所示。
U5命令帧用于上传功率、电能数据、电能质量指标数据。电力设备正常工作时，有功功率、无功功率、视在功率，基本保持恒定，用户可根据功率数据变化判断设备老化情况。电能质量情况可依据电压偏差、谐波数据进行判断。U5命令帧的谐波数据处理逻辑与U2命令帧一致，不再描述，U5命令帧对应的数据界面如下图9所示。
3电能质量系统
电能质量系统主要使用XML语言实现，XML是一种重要的标记语言，它使用文本格式表示结构化的数据，使用XML语言实现了网页的动态加载，为系统开发节省了大量时间。电能质量系统设计沿袭AHL NB-IoT架构网页设计思路，数据传输逻辑完全一致，U2命令帧对应的电网数据的网页展示界面中，左侧包含电流、电压、功率、电能等计费信息及电压波动、三相电压不平衡度等电能质量指标信息。右侧为分相电压、电流的2～21次谐波含有率数据。
与云服务器成功建立连接的终端网页程序，在收到云服务器发送的数据时，会将JSON字符串转换成JSON对象，并提取其中的有效信息，拼接生成动态显示的网页界面。
为了避免大量文本框自动出现，用户无法及时获取有效信息的局面出现，引入Highcharts构件，将谐波含有率以可视化折线图的形式显示界面右侧。
电能质量系统其它界面实现逻辑与网页实时数据展示界面类似，电能质量系统实时界面还对电网详细谐波数据进行了展示。使用HT7036芯片的终端上传的U3命令帧对应的数据界面中，界面的纵坐标为百分制数据，不同颜色折线代表不同的谐波数据，鼠标点到折线图上的某个点时，会显示谐波含有率对应的具体数值。
U4命令帧对应的计费数据展示如下图10所示。
U5命令帧对应的设备有功无功数据，电能质量数据如下图11所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。