基于波动监测的电能在线监测方法研究.pdf

213自动化与控制基于波动监测的电能在线监测方法研究王明伟1 史保平2（1.泰山科技学院，泰安 271000；2.泰山职业技术学院，泰安 271000）摘 要：为了解决电能质量在线监测和波动数据不易被获取的问题，提出一种电能在线监测系统设计方法。提出的方法中，电能在线监测系统由 HLW8012 芯片、RS-485 通信协议和视窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）组态的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）构成，除了可以实时获取电源的输出电压、电流、功率和波动变化数据，还可以对工作温度进行监测。在实验室中对该监测系统进行验证，分析所采集的数据，验证了该系统具有一定的稳定性，能够满足使用需求。关键词：电能监测；波动监测；可编程逻辑控制器（PLC）；数据处理Research on Online Monitoring Method of Electric Energy Based on Fluctuation MonitoringWANG Mingwei1,SHI Baoping2(1.Taishan College of Science and Technology,Taian 271000;2.Taishan Polytechnic,Taian 271000)Abstract:In order to solve the problem of on-line monitoring of power quality and the difficulty of obtaining fluctuation data,a design method of on-line monitoring system is proposed.In the method proposed in this paper,the electric energy online monitoring system is composed of HLW8012 chip,RS-485 communication protocol and Windows Control Center(WinCC)configuration Programmable Logic Controller(PLC).In addition to real-time access to the output voltage,current,power and fluctuation data of the power supply,it can also monitor the operating temperature.The monitoring system is verified in the laboratory,and after analyzing the collected data,it is found that the system has a certain stability and can meet the needs of use.Keywords:electric energy monitoring;fluctuation monitoring;Programmable Logic Controller(PLC);data processing随着智能化仪表在工业生产中的广泛应用，各种电能在线监测系统应运而生1。电能在线监测系统不仅可以获取电能变化数据，还能分析电能质量波动2-3。为了解决电能质量监测中波动数据不易被观察的问题，基于 HLW8012 芯片、RS-485 通信协议和视窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）组态的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），构建一种电能在线监测系统。利用该系统可以实时获取电源的输出电压、电流、功率和波动变化数据，同时可以监测工作温度。1 监测系统组成1.1 系统架构电表在线监测系统主要用于实时采集电源的电压和电流参数，根据采集到的数据计算功率，实现对电能的评估4，同时采集电源的工作温度，将温度变化作为是否出现危险的重要判断指标5-6。为了实现在线监测功能，构建系统时选择 HLW8012 芯片用于功率测量，利用电表集成的 Modbus RS-485 作为通信模块，利用 WinCC 组态软件构件的 PLC 接收包含时钟信号在内的多模态信息，并进行电量显示和超标报警。电能在线监测系统的逻辑结构如图 1 所示。在图 1 中，电源的电压、电流信号分两路且均利用 RS-485 通信模块，采用 Modbus RTU 协议进行传输，一路传输至功率测量模块进行有功功率、无功功率的计算，另一路联合温度信号传输至 PLC 模块。基于 WinCC 组态开发的 PLC 收集这些信号，结合时钟模块传输来的计时信号进行信号处理，在屏幕上输出结果数据和报警信息。图 1 电能在线监测系统逻辑拓扑结构现 代 制 造 技 术 与 装 备2142023 年第 9 期总第 322 期1.2 元件组成在电能监测系统中，电表选用 ZDT7 型。该型电表具有可编程功能，能够测量工作现场的多种电量参数。该型仪表的测量精度最高可达 0.5 级，能够实时测量工作现场的三相电流和电压7-8。RS-485 通信模块集成在 ZDT7 型电表中，用于实现对信号数据的实时传输。该型通信模块采用差分标准执行数据的采集与传输，能够关联多个负载，1 km内的传输速度最快可以达到 100 kb s-1，短距离可以达到 10 Mbs-1，能够满足数据快速传输的应用需要7。功率测量模块采用 HLW8012 芯片实现。该芯片是一种单相电能计量芯片，在高频脉冲作用下，在1000 1 范围内测量功率可以达到 0.3%的精度，在500 1 范围内测量有效值可以达到 0.5%的精度9。PLC 利用 WinCC 组态软件实现数据处理与结果显示功能，具有人机交互功能，并可以接受程序指令修订。PLC 的时间基准由时钟模块发布。电量计算结果和报警信息既可以在 PLC 主界面显示，也可以外接显示屏进行扩展10。2 电量表征指标2.1 电量测量原理电量在线监测系统接收 ZDT7 型电源发送的电流与电压峰值，输入 HLW8012 芯片进行功率计算11。假设监测时间T内存在n个采样时刻，用tk（k=1,2,n）表示。电量监测系统采集的tk时刻电流与电压值分别表示为Ik和Uk。在 HLW8012 芯片中有功功率EP采用离散形式计算12，即 1nPk kkEU It=（1）式中：t为采样时间间隔，满足tkt=T。无功功率EQ的计算基于电压值Uk相位后移后与电流值Ik相乘，表达式为13()1sin 22nQk kkEU Ikt=+（2）2.2 电压波动监测除正常测量电流与电压值并计算功率值外，还需要监测电网中的非线性干扰，针对扰动对设备性能带来的不良影响提前采取滤波措施，其中电压波动是最容易出现的一类扰动。tk时刻的波动值Uk的表达式为 maxmin100%kkkTUUUU=（3）式中：Ukmax为监测到的 tk时刻电压Uk的最大值；Ukmin为监测到的tk时刻电压Uk的最小值；UT为整个监测时间T内的平均电压值。2.3 电流波动监测电流波动是经常出现的一类非线性干扰，对电能质量会产生预想不到的不良影响14。tk时刻的电流波动值Ik表达式为 maxmin100%kkkTIIII=（4）式中：Ikmax为监测到的tk时刻电流Ik的最大值；Ikmin为监测到的tk时刻电流 Ik的最小值；IT为整个监测时间T内的平均电流值。3 监测数据处理3.1 数据获取在实验室条件下，一次性运行电能在线监测系统12 h，每间隔 1 h 记录一次电压、电流、有功功率、无功功率、电压波动、电流波动和温度值，结果如表 1 所示。表 1 电能在线监测系统试运行结果数据时间/h电压/V电流/A有功功率/kW无功功率/VA电压波动/%电流波动/%温度/1220.1512.562.362.060.02.5232220.2411.482.582.110.00.0223220.2312.052.142.141.20.0234220.1911.672.262.080.00.0245219.8512.092.562.091.61226220.3611.582.582.052.10.0227219.5211.552.252.150.01.1238219.8012.062.572.250.00.0239221.5211.522.552.232.20.02410220.5810.982.362.090.01.92211219.2011.362.292.220.00.02212221.3612.072.342.200.00.022215自动化与控制3.2 数据分析基于表 1 中的数据，分别绘制各个变量随时间的变化曲线，结果如图 2 所示。250 200 150123456789101112时间/h电压/V电流/A电压 电流 100 50 0250 200 150 100 50 0（a）电压、电流随时间变化曲线 5 6 4 3123456789101112时间/h有功功率/kW无功功率/VA有功功率 无功功率 2 1 05643210（b）功率随时间变化曲线 2.5 3.0 2.0 1.5123456789101112时间/h波动值/%电压波动 电流波动 1.0 0.5 0.0（c）波动随时间变化曲线图 2 电量监测数据变化情况结合表 1 和图 2 中的数据变化可以看出，在实验时间内监测系统测量到的电压有效值为（2202）V，电流有效值为（121）A，有功功率为（2.50.2）kW，无功功率为（2.10.2）VA，电压波动不超过 2.2%，电流波动不超过 2.5%，温度保持在（222）。因此，可以判断监测到的电压均符合使用要求。此外，负载本身具有不稳定性会造成电压和电流波动，但是波动值较小，可以在使用中通过滤波和稳压方法进行补偿或者消除。4 结语通过 HLW8012 芯片、RS-485 通信协议和 WinCC 组态的 PLC 构建电能在线监测系统。利用该系统不仅可以获取电源的输出电压、电流、功率和波动变化数据，还可以对工作温度进行监测。在实验室中对该系统进行长时间的开机测试，分析获取的电能相关数据，结果表明该系统可以满足使用需求。文章设计拓展了电能监测系统的应用，可为工业生产提供稳定的电源保障。参考文献1 汤泰青，孟令辉，田聪，等.电能质量在线监测系统的设计与应用分析 J.光源与照明，2023（7）：90-92.2 陈享成，高基豪，刘成.三相电电能计量与状态监测系统设计 J.电子制作，2023（7）：109-111.3 王宪磊.电能质量与在线监测方法研究 J.科技创新导报，2012（10）：1.4 刘建.医院能源管理电能质量在线监测系统研究与应用 J.电子测量技术，2019（13）：65-69.5 朱成杰，周亚.物联网技术下电能质量监测系统的设计 J.物联网技术，2022（11）：30-32.6 李家东，胡正华，蒋卫平，等.基于时间序列分类任务的智能电能表负荷监测技术研究 J.电测与仪表，2023（6）：153-159.7 刘璐，刘宗有，吴尚阳.基于大数据分析技术的电能表运行误差监测研究 J.吉林电力，2022（4）：9-11.8 季海涛，张芳敏，黄柳胜，等.基于 TLS1.3 协议的智能电表安全设计 J.电子设计工程，2023（16）：162-166.9 李浩涵，左仲善，贾新立.基于单片机和电能计量的家用节能插排设计 J.仪器仪表与分析监测，2022（1）：21-24.10 黄平，袁佳，朱静，等.RISC-V 处理器远程监测系统终端设计 J.物联网技术，2020（10）：12-14.11 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