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摘要：采用在变电所计量屏和电力大用户计量回路中加装“二次回路压降自动监测装置”，该装置不仅能够实时监测二次回路压降，且能够通过微机系统的计算分析得到数表及曲线方式进行存储。借助计算机网络和通信技术可以将处理过的数据在后台上可得到展示，为计量管理人员提供判断依据，通过电压降的变化情况判断电压互感器一次及二次回路是否断线，计量屏PT电压切换继电器触点是否氧化，二次电压回路端子接触是否良好，实现二次电压降值超标报警的功能。数据可以发布到公司MIS网，供管理人员和计量人员实时监测。
关键词：二次压降；在线监测；技术创新；系统应用；研究发展
中图分类号：TM764
1、 二次压降在线监测系统的理论依据
确立电压互感器二次回路电压降采集设备的制作原理，即：接入电压互感器的首端电压和电能表端电压，PT侧和表计侧输入的信号经量程自动切换装置（电压测量范围设定两个量程，分别为50-120V和0-200mV，测量数据自动根据误差大小进行量程切换），再经高阻抗高精度电压互感器产生差压信号，该信号经过运算放大电路和采样保持电路，通过16位AD芯片转换成数字信号输入DSP。量程切换装置是由DSP控制其切换，平时量程切换装置是将压降信号采样电路断开的，通过设置采样周期可定时采集压将信号，一般采样周期设定为4小时，采样时间在1mS左右，这样就保证了压降采样不影响计量回路的准确性。
电压信号采样经过20MΩ交流分压采样，和压降信号采样电路是分开的，采样信号经过运算放大电路和采样保持电路，通过16位AD芯片转换成数字信号输入DSP处理。电压信号和压降信号测量完毕后输入DSP后，利用电压互感器二次回路电压降采集设备的随机软件，自动计算压降误差和电压误差。计算出电压值和电压差值。同时将这个电压和电压差转换成两路数字信号，一路数字信号供随机显示用；另一路信号供数据传输用。
失压记录功能采取在DSP随机软件中设置失压电压基准值，基准值可自行进行设定，当PT二次电压和表计电压下降至基准值以下，二次压降监测装置将自动启动失压记录软件，将其失压时间和失压的次数自动保存到监测装置DSP中，然后通过后台系统软件读取。
运用计算机数字化实时采集方法，采用电子式原理线路结合DSP技术是使测试稳定性好，抗干扰能力强。
2、系统建设基本原则
2.1总体设计原则
“电压互感器二次电压降在线监测系统”总体设计思想是：从电压互感器二次侧的首端取得一个电压信号、从电压互感器二次侧的末端取得一个信号，电压信号和电压降信号采用独立采样，通过量程切换装置控制电压降信号采样电路的断开和闭合，电压信号采用20MΩ高阻抗采样，经“电压互感器二次电压降在线监测仪”的计算得出电压和电压降的大小，通过RS485与服务器实现数据传输，借助通讯网络实现客户端的数据共享。
2.2压降信号采样：压降采用差压法直接测量其电压值，电压采用高阻抗采样，模数转换采用16bit A/D，压降测量采用量程切换测量以保证测量时不影响计量回路的计量准确性。从电压互感器二次回路的首端采集到一个电压信号，同时从电压互感器二次回路的末端，即电能表侧采集到一个电压信号，在电压差即压降信号采样回路前端接入继电器，用于控制压降采样电路的保持和断开，然后通过高精度运算放大电路和采样保持电路进行信号锁定，利用多路模拟切换开关切换电压信号和电压差信号的A/D转换，最后通过DSP进行计算和显示。
2.3电压信号采样：直接对PT二次电压信号和电能表侧电压信号进行交流分压采样，采样输入端电阻网络阻抗达到20MΩ（精度为1/10000），电压信号为100V的话，也只有0.005mA的电流产生，这样二次压降监测装置就不会影响计量回路的计量准确性。交流采样芯片采用CS5460电表芯片，该芯片能提供24位精度的電压测量值，采样信号再经过16bit A/D转换芯片，然后送入DSP计算处理用于485通讯传输和LCD显示用。
2.4网络传输部分：是利用变电站与公司现有的光纤通讯网络，来传递电压互感器二次电压降数据。
2.5软件部分：软件应用系统是采用windows平台开发而成；服务器与“电压互感器二次回路电压降在线监测仪”通过RS485进行数据通讯，数据采集软件是采用ASP.net 2.0编写而成；数据库采用SQLserver2005编写而成；软件架构采用B/S架构，利用公司现有的MIS网络访问“电压互感器二次在线监测系统”数据。
当PT二次电压和表计电压越下限时即认为失压和压降值越上限时，软件自动启动报警功能并出现报警声音提示，在软件报警记录中自动录入报警时间和类型。
3、系统架构、基础功能
3.1系统架构
系统采用三层B/S架构设计，分为数据库、系统服务程序、状态监测系统数据分析平台三部分组成。系统的建设必须到系统管理、稳定性、安全性方面的要求，系统运行所依赖的关键平台如数据库系统、WWW服务器等采用业界主流系统。
3.2数据库设计与建设
系统数据库部分主要承担存放大量二次压降及报警记录数据的任务，随着监测时间的积累，对数据库系统的响应速度，查询、统计性能要求就会不断提高，因此通过对不同数据库系统的分析、对比，拟采用SQLserver2005数据库，为系统提供一个快速处理大量数据的基础平台。
3.3系统服务程序
系统服务程序模块以系统后台服务的形式实现，主要完成数据的获取与管理功能，通过对软件接口的调用获取基础数据，二次压降对数据进行分析、筛选，将所需的数据保存到数据库中，并对数据库中的数据进行各项维护、管理工作，保障数据的正确性、有效性。
4、功能模块项目
4.1在线监测系统管理 明确在线监测系统监测参数的具体构成，充分考虑运行过程中可能发生的各种变更的管理。
4.2设备管理
在软件中对监测系统设备可以任意配置，但这需要拥有权限的工作人员才可以进行。配置包括设备的各属性参数、监测终端的采样参数及设置参数。
4.3权限管理
可以根据不同的权限需要，给不同部门的人员配置不同用户权限。具体实现以下功能：
4.3.1计量中心管理设备配置、系统软件的维护；；
4.3.2其余部门仅能查看设备的监测数据。
5、系统实用功能
二次回路压降在线监测系统由主控模块、液晶显示模块、交流采样模块和电源模块四个部分及系统软件组成。开发研制小信号高精度交流采样系统，准确测量多路PT回路的二次压降，并将监测到的数据信号输入中央控制芯片，从而对相关数据进行运算和存储。通过液晶显示模块实时显示PT回路的二次压降数值；通过RS485通信口，将系统内的相关数据传送至后台服务器。从而实现正确测量和记录PT回路的二次压降实际数值、变化情况及失压时间的功能。
5.1、总体结构
为了降低成本，简化安装结构，本二次回路压降在线监测系统监测主机由四个模块组成：主控和显示模块、交流采样和电源模块。
二次回路压降在线监测系统监测主机根据需要分成强电和弱电两部分，其中强电部分集中在交流采样和电源模块，而弱电集中在主控和显示模块。这样使得本系统的整机电磁兼容问题较好处理，只要在源头即強电部分对干扰信号进行有效的控制和抑制，就能很好的解决整机的电磁兼容。电路设计上尽可能简单，并全面使用SMT生产工艺，以提高工艺水平和系统的可靠性。主控和显示模块包括CPU、RAM、通信接口芯片以及显示屏及显示控制芯片，完成数据的计算、存储、分析和通信等功能。交流采样和电源模块包括电压互感器和输出调整电路，将二次电压降的强电信号转换成A/D芯片能够承受的弱电信号，经A/D转换传送给CPU进行处理；电源采用独立电路设计，输出供主控和显示模块使用的直流电。整个系统在设计中采用低功耗设计。
5.2、主控和显示模块
主控和显示模块中CPU采用具有ISP功能的51系列的单片机，其引脚和指令系统不仅与89C52全兼容，同时其还能进行在线编程，由于其内部还带有一定数量的PROM，可以将程序直接写入单片机内，无需外扩程序芯片，同时该CPU芯片还具有I2C接口，可方便驳接外扩设备。数据存储器RAM采用三星的K6X8008C2B（1M×8）的通用存储芯片，其数据保存采用电池供电的方式。时钟芯片采用EPSON的I2C时钟芯片，该时钟芯片体积小，精度高。RS485通信口由CPU内部通信口担当，经过光电隔离和电平转换电路成为完全独立的通信口。为了提高RS485通信口的抗干扰性能，RS485接口驱动芯片的电源采用隔离电源，这样通信口电路与主控模块中的其它电路就完全隔离了。RS485的通讯规约采用国标规约（645规约）。通过485通讯接口，可将采集到的数据传输到计算机，由计算机进行数据分析。在显示设计中，参考电能表的显示方式，根据监测仪实际需要显示的内容，定制一款液晶显示面。并准备选用PHILIPS公司的PCF8576CT 液晶显示专用I2C 4×40驱动芯片，该驱动芯片采用I2C总线接口，有4个背电极和40个显示段输出，因此最多可驱动160个LCD显示段码，且无需其它辅助电路，由CPU直接进行控制显示。整个系统在设计中采用低功耗设计。
5.3、交流采样和电源模块
交流采样部分采用高输入阻抗的互感器，该互感器具有输入阻抗高、精度高、线性好、相移低等特点。交流采样模块的采样芯片拟采用CS5460电表芯片，该芯片能提供24位精度的电压测量值，完全能够满足精度要求。同时，其提供给CPU的数据为转换好的数据，CPU能够直接用来进行处理而无需额外的计算工作。
电源输入采用独立端子，内部使用线性电源设计方式，线性电源设计的特点是电路简单，可靠性高。电源采用独立端子设计，使得终端既可以使用外部提供的独立电源，也可以使用计量回路的电源。
在交流采样和电源模块设计中，特别考虑终端的电磁兼容性问题，采用抑制手段，尽可能地将各种干扰信号在输入源头进行抑制和控制，以保证本二次回路压降在线监测系统主机的电磁兼容指标达到国家标准。
6、技术创新及应用效果
通过该系统的建立，能够自动、在线地监测计量回路二次压降，从根本上减轻计量工作人员测量二次回路压降的负担，推动了设备状态析修。小信号高精度交流电压采样系统。具备实用的计算机图表处理系统和存储系统。采用标准RS485对外通讯接口，能够具备多种通讯方式进行数据传输。
实现对变电站计量回路压降的不间断在线监测，从而及时发现电能计量回路断线、阻抗增大等故障，监测数据可以随时打印与读取，并能够通过局域网把监测数据上传到公司信息网中进行监控和管理。改变了对“二次回路压降”的传统测量方法，减少了设备因测试而带来的停电损失。将监测的二次压降“在线”数据，与电能计量综合分析、运算。在提高电能计量准确性、减少电量损失，降低企业线损方面起到显著作用。
关键词：二次压降；在线监测；技术创新；系统应用；研究发展
中图分类号：TM764
1、 二次压降在线监测系统的理论依据
确立电压互感器二次回路电压降采集设备的制作原理，即：接入电压互感器的首端电压和电能表端电压，PT侧和表计侧输入的信号经量程自动切换装置（电压测量范围设定两个量程，分别为50-120V和0-200mV，测量数据自动根据误差大小进行量程切换），再经高阻抗高精度电压互感器产生差压信号，该信号经过运算放大电路和采样保持电路，通过16位AD芯片转换成数字信号输入DSP。量程切换装置是由DSP控制其切换，平时量程切换装置是将压降信号采样电路断开的，通过设置采样周期可定时采集压将信号，一般采样周期设定为4小时，采样时间在1mS左右，这样就保证了压降采样不影响计量回路的准确性。
电压信号采样经过20MΩ交流分压采样，和压降信号采样电路是分开的，采样信号经过运算放大电路和采样保持电路，通过16位AD芯片转换成数字信号输入DSP处理。电压信号和压降信号测量完毕后输入DSP后，利用电压互感器二次回路电压降采集设备的随机软件，自动计算压降误差和电压误差。计算出电压值和电压差值。同时将这个电压和电压差转换成两路数字信号，一路数字信号供随机显示用；另一路信号供数据传输用。
失压记录功能采取在DSP随机软件中设置失压电压基准值，基准值可自行进行设定，当PT二次电压和表计电压下降至基准值以下，二次压降监测装置将自动启动失压记录软件，将其失压时间和失压的次数自动保存到监测装置DSP中，然后通过后台系统软件读取。
运用计算机数字化实时采集方法，采用电子式原理线路结合DSP技术是使测试稳定性好，抗干扰能力强。
2、系统建设基本原则
2.1总体设计原则
“电压互感器二次电压降在线监测系统”总体设计思想是：从电压互感器二次侧的首端取得一个电压信号、从电压互感器二次侧的末端取得一个信号，电压信号和电压降信号采用独立采样，通过量程切换装置控制电压降信号采样电路的断开和闭合，电压信号采用20MΩ高阻抗采样，经“电压互感器二次电压降在线监测仪”的计算得出电压和电压降的大小，通过RS485与服务器实现数据传输，借助通讯网络实现客户端的数据共享。
2.2压降信号采样：压降采用差压法直接测量其电压值，电压采用高阻抗采样，模数转换采用16bit A/D，压降测量采用量程切换测量以保证测量时不影响计量回路的计量准确性。从电压互感器二次回路的首端采集到一个电压信号，同时从电压互感器二次回路的末端，即电能表侧采集到一个电压信号，在电压差即压降信号采样回路前端接入继电器，用于控制压降采样电路的保持和断开，然后通过高精度运算放大电路和采样保持电路进行信号锁定，利用多路模拟切换开关切换电压信号和电压差信号的A/D转换，最后通过DSP进行计算和显示。
2.3电压信号采样：直接对PT二次电压信号和电能表侧电压信号进行交流分压采样，采样输入端电阻网络阻抗达到20MΩ（精度为1/10000），电压信号为100V的话，也只有0.005mA的电流产生，这样二次压降监测装置就不会影响计量回路的计量准确性。交流采样芯片采用CS5460电表芯片，该芯片能提供24位精度的電压测量值，采样信号再经过16bit A/D转换芯片，然后送入DSP计算处理用于485通讯传输和LCD显示用。
2.4网络传输部分：是利用变电站与公司现有的光纤通讯网络，来传递电压互感器二次电压降数据。
2.5软件部分：软件应用系统是采用windows平台开发而成；服务器与“电压互感器二次回路电压降在线监测仪”通过RS485进行数据通讯，数据采集软件是采用ASP.net 2.0编写而成；数据库采用SQLserver2005编写而成；软件架构采用B/S架构，利用公司现有的MIS网络访问“电压互感器二次在线监测系统”数据。
当PT二次电压和表计电压越下限时即认为失压和压降值越上限时，软件自动启动报警功能并出现报警声音提示，在软件报警记录中自动录入报警时间和类型。
3、系统架构、基础功能
3.1系统架构
系统采用三层B/S架构设计，分为数据库、系统服务程序、状态监测系统数据分析平台三部分组成。系统的建设必须到系统管理、稳定性、安全性方面的要求，系统运行所依赖的关键平台如数据库系统、WWW服务器等采用业界主流系统。
3.2数据库设计与建设
系统数据库部分主要承担存放大量二次压降及报警记录数据的任务，随着监测时间的积累，对数据库系统的响应速度，查询、统计性能要求就会不断提高，因此通过对不同数据库系统的分析、对比，拟采用SQLserver2005数据库，为系统提供一个快速处理大量数据的基础平台。
3.3系统服务程序
系统服务程序模块以系统后台服务的形式实现，主要完成数据的获取与管理功能，通过对软件接口的调用获取基础数据，二次压降对数据进行分析、筛选，将所需的数据保存到数据库中，并对数据库中的数据进行各项维护、管理工作，保障数据的正确性、有效性。
4、功能模块项目
4.1在线监测系统管理 明确在线监测系统监测参数的具体构成，充分考虑运行过程中可能发生的各种变更的管理。
4.2设备管理
在软件中对监测系统设备可以任意配置，但这需要拥有权限的工作人员才可以进行。配置包括设备的各属性参数、监测终端的采样参数及设置参数。
4.3权限管理
可以根据不同的权限需要，给不同部门的人员配置不同用户权限。具体实现以下功能：
4.3.1计量中心管理设备配置、系统软件的维护；；
4.3.2其余部门仅能查看设备的监测数据。
5、系统实用功能
二次回路压降在线监测系统由主控模块、液晶显示模块、交流采样模块和电源模块四个部分及系统软件组成。开发研制小信号高精度交流采样系统，准确测量多路PT回路的二次压降，并将监测到的数据信号输入中央控制芯片，从而对相关数据进行运算和存储。通过液晶显示模块实时显示PT回路的二次压降数值；通过RS485通信口，将系统内的相关数据传送至后台服务器。从而实现正确测量和记录PT回路的二次压降实际数值、变化情况及失压时间的功能。
5.1、总体结构
为了降低成本，简化安装结构，本二次回路压降在线监测系统监测主机由四个模块组成：主控和显示模块、交流采样和电源模块。
二次回路压降在线监测系统监测主机根据需要分成强电和弱电两部分，其中强电部分集中在交流采样和电源模块，而弱电集中在主控和显示模块。这样使得本系统的整机电磁兼容问题较好处理，只要在源头即強电部分对干扰信号进行有效的控制和抑制，就能很好的解决整机的电磁兼容。电路设计上尽可能简单，并全面使用SMT生产工艺，以提高工艺水平和系统的可靠性。主控和显示模块包括CPU、RAM、通信接口芯片以及显示屏及显示控制芯片，完成数据的计算、存储、分析和通信等功能。交流采样和电源模块包括电压互感器和输出调整电路，将二次电压降的强电信号转换成A/D芯片能够承受的弱电信号，经A/D转换传送给CPU进行处理；电源采用独立电路设计，输出供主控和显示模块使用的直流电。整个系统在设计中采用低功耗设计。
5.2、主控和显示模块
主控和显示模块中CPU采用具有ISP功能的51系列的单片机，其引脚和指令系统不仅与89C52全兼容，同时其还能进行在线编程，由于其内部还带有一定数量的PROM，可以将程序直接写入单片机内，无需外扩程序芯片，同时该CPU芯片还具有I2C接口，可方便驳接外扩设备。数据存储器RAM采用三星的K6X8008C2B（1M×8）的通用存储芯片，其数据保存采用电池供电的方式。时钟芯片采用EPSON的I2C时钟芯片，该时钟芯片体积小，精度高。RS485通信口由CPU内部通信口担当，经过光电隔离和电平转换电路成为完全独立的通信口。为了提高RS485通信口的抗干扰性能，RS485接口驱动芯片的电源采用隔离电源，这样通信口电路与主控模块中的其它电路就完全隔离了。RS485的通讯规约采用国标规约（645规约）。通过485通讯接口，可将采集到的数据传输到计算机，由计算机进行数据分析。在显示设计中，参考电能表的显示方式，根据监测仪实际需要显示的内容，定制一款液晶显示面。并准备选用PHILIPS公司的PCF8576CT 液晶显示专用I2C 4×40驱动芯片，该驱动芯片采用I2C总线接口，有4个背电极和40个显示段输出，因此最多可驱动160个LCD显示段码，且无需其它辅助电路，由CPU直接进行控制显示。整个系统在设计中采用低功耗设计。
5.3、交流采样和电源模块
交流采样部分采用高输入阻抗的互感器，该互感器具有输入阻抗高、精度高、线性好、相移低等特点。交流采样模块的采样芯片拟采用CS5460电表芯片，该芯片能提供24位精度的电压测量值，完全能够满足精度要求。同时，其提供给CPU的数据为转换好的数据，CPU能够直接用来进行处理而无需额外的计算工作。
电源输入采用独立端子，内部使用线性电源设计方式，线性电源设计的特点是电路简单，可靠性高。电源采用独立端子设计，使得终端既可以使用外部提供的独立电源，也可以使用计量回路的电源。
在交流采样和电源模块设计中，特别考虑终端的电磁兼容性问题，采用抑制手段，尽可能地将各种干扰信号在输入源头进行抑制和控制，以保证本二次回路压降在线监测系统主机的电磁兼容指标达到国家标准。
6、技术创新及应用效果
通过该系统的建立，能够自动、在线地监测计量回路二次压降，从根本上减轻计量工作人员测量二次回路压降的负担，推动了设备状态析修。小信号高精度交流电压采样系统。具备实用的计算机图表处理系统和存储系统。采用标准RS485对外通讯接口，能够具备多种通讯方式进行数据传输。
实现对变电站计量回路压降的不间断在线监测，从而及时发现电能计量回路断线、阻抗增大等故障，监测数据可以随时打印与读取，并能够通过局域网把监测数据上传到公司信息网中进行监控和管理。改变了对“二次回路压降”的传统测量方法，减少了设备因测试而带来的停电损失。将监测的二次压降“在线”数据，与电能计量综合分析、运算。在提高电能计量准确性、减少电量损失，降低企业线损方面起到显著作用。