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摘要：基于无线通讯与无线同步原理，采用Zigbee技术进行实时同步设计出新型无线双高压钳多功能用电检查系统，介绍了该系统研究内容、实施方案、设计原理以及总体架构，并根据系统的测试结果进行了优化。
关键词：无线通讯；Zigbee；高压钳；高压计量；用电检查
Abstract:Basedontheprincipleofwirelesscommunicationandwirelesssynchronization,anewwirelessdualHVclampsystemisdesignedinrealtimewithZigbeetechnology.Theresearchcontent,implementationscheme,designprincipleandoverallarchitectureofthesystemareintroduced,andtheresultsofthesystemareoptimizedaccordingtothetestresults.
Keywords:wirelesscommunication;Zigbee;highvoltageclamp;highvoltagemetering;electricityinspection
0引言
对于用电负荷变动不太、负荷率高、负荷均衡的专变用户，均采用了高供高计的计量方式，这种计量方式可以减少计量管理的工作量，最大限度地满足计量要求，且可控性大，有效地减少了用户窃电。但由于高供高计的计量方式，是将高压供电的线路通过电流互感器（TA）和电压互感器（TV）后，再接入电能表计读电能，通过电能表计读的电能换算为实际电能，这样就对整体高供高计计量装置的综合误差有了较高的要求。当电流互感器（TA）、电压互感器（TV）的变比错误或电能表尾、电流互感器（TA）、电压互感器（TV）等任何一处的接线出现错误都会对实际的电能计量带来很大的误差，从而导致引入很大的线损。
目前，在高供高计电能计量用户的故障排查和诊断中，常用的方法是仅测量高供高计电能表自身误差与接线状态和CT变比，进一步推算高供高计是否正常，或者通过高压核相仪来核对高压CT的一次侧与二次测的相别是否一致，变比是否正确，再经过各类数据计算及估算高供高计计量的综合误差，不能准确快速的计量高供高计的综合误差和判断存在的问题。以上两种方法均有弊端，因此有必要研制一种基于Zigbee的集成度高、操作简便、便于携带、设计科学、实用性强的无线双高压钳多功能用电检查装置，为高供高计电能计量用户的故障排查和诊断提供一套快速便捷、行之有效的解决方案[1-4]。
1研究内容和实施方案
1.1研究内容
本设计将电能计量、无线同步（Zigbee）技术及无线通信（WIFI）技术等多方面的糅合；结合智能平板构成人性化互动界面的应用APP，研究一种无线双高压多功能用电检查装置；可以通过无线同步方式实时测量高压线路的电流值，从而实现对高压电能表及高压CT的综合误差测试，有效地提高了高供高计的用电装置的排查效率。
1.2实施方案
本设计方案如图1所示，主机与高压钳采用Zigbee通讯，主机内部有1个Zigbee模块，2把高压钳内部各有1个Zigbee_Slave模块，主机STM32_MCU与Zigbee_Master模块通讯，发出索要测量数据命令后，主机Zigbee_Master用无线同步方式广播到高压钳Zigbee_Slave，Zigbee_Slave模块通知MCU读取A/D模数转化数据（电压/电流值）和相位角。主机和高压钳读取样的时间差在采14nS以内，电压与电流的初相角相差不足0.09072"，无论是在功率和电能计算还是在CT变比测试的角差中都可以忽略不计。在通讯速率允许的基础上，通过设计程序优化算法，计算标准功率累加电能，在现场电参量变化的环境中仍然保证电能计量的真实性和准确性。
图1双高压钳多功能用电检查装置原理图
2双高压钳多功能用电检查装置设计
该装置是多技术融合开发的一种无线双高压钳多功能用电检查装置。装置由主机、高压钳和平板及其附件组成。在公司现有产品的技术基础上，充分利用无线通讯（WIFI）和无线同步（Zigbee）技术，实现测量仪器与操控仪器分体设计，减小仪器的体积尺寸和重量，提高了操作的便利性和舒适性，并在安卓平板上设计了便捷的UI操作，实现人机对话功能，设计出操作简易的新型多功能用电检查装置。
2.1系统构成及功能
双高压钳多功能用电检查装置采用“主机+高压钳+平板”方式配合使用的设计方案。在设计中主要采用了主机-平板无线（WIFI）通讯技术，主机-高压钳无线同步（Zigbee）技术。系统设计原理如图2所示。
图2系统设计原理
主机通过电压/电流测量电路测量二次侧的电压/电流值，并通过无线同步（Zigbee）通讯接收两把高压钳表的所测量的高压一次侧电流值，经主机的MCU测量计量单元，计量电能及误差，最后通过无线（WIFI）通讯，将数据与平板实现人机交互。在设计中主要使用了以下关键技术：
（1）无线通讯（WIFI）技术
通过引入无线通讯（WIFI）模块，将平板和主机通过无线（WIFI）方
式进行连接和信息交互，无需物理线路的束缚，平板可以自由操控，方便快捷，增加安全性。
（2）无线同步（Zigbee）技术
通过引入无线同步（Zigbee）通讯技术，实现主机与高压钳之间的无线同步通信。采用高频（2.4GHz）的Zigbee通信方式，有效保证无线同步测量的时间差在14nS以内，从而来保证电压与电流的初相角关系一致性，进而保证所测功率及电能的准确性。同时该情况下测量高压侧电流时，可以减少或避免测试人员与高压侧的接触，从而更有效地保证测试人员的人身安全。
2.2主机硬件设计
主机硬件设计主要包括以下部分。
（1）MCU控制单元：由STM32F4系列做数据的计算分析和控制核心，可以根据测量数据，完成傅立叶运算，计算6路的64次谐波含量，实现功率和电能运算与测量，还可以完成与平板的数据交互执行相应的功能操作。
（2）无线通讯模块：无线通讯（WIFI）模块采用物联网无线集成模块；实现主机与平板之间的数据交互，让平板流畅地完成人机对话的操作。
（3）无线同步模块：采用Zigbee无线同步模块，实现主机与高压钳之间的同步采样测量，有效地保证同步精度，维护功率和电能误差。
（4）电压/电流测量模块：采用16位A/D芯片，保证电压、电流值的测量精度。
（5）脉冲测量模块：用于输出电能脉冲完成被校验比对误差和用于脉冲测量，检测被校表误差。
（6）显示模块：采用320*240分辨率显示屏，显示测量的电参量；
（7）供电模块：内部采用完善的锂电池充电管理与电压转换电路，为仪器正常工作提供保障和工作动力。
2.3高压钳硬件设计
高压钳硬件设计主要包括以下部分。
(1)MCU控制单元：由STM32F4系列做数据的计算分析和控制核心，可以根据测量数据，实现与主机电压/电流测量的同步性，协助主机维护功率和电能表测量的准确性。
(2)无线同步模块：采用Zigbee无线同步模块，实现主机与高压钳之间的同步采样测量和测量数据的交互。
(3)供电模块：内部采用完善的锂电池充电管理与电压转换电路，为仪器正常工作提供保障和工作动力。
3系统测试
3.1测试验证
针对本文提出的针对性方案及应用技术所设计的新型无线双高压钳多功能用电检查装置，基于以上操作流程对现场小区进行了功能测试及验证。
（1）2017年12月，在郑州昆仑华府小区，测试高供高计检查，分别做了电能表错误接线检查和带高压CT综合误差测试，没有发现异常。
（2）2017年12月，在郑州煤炭工业集团测试高供高计检查，分别做了电能表错误接线检查和带高压CT综合误差测试，发现经高压CT分2根线进入，没有发现异常。
4结语
该装置采用无线通讯（WIFI）技术、无线同步（Zigbee）技术、主机/平板及主机/高压钳信息交互技术等多种技术手段进行开发研制。该装置能够在高供高计的故障排查和诊断中，有效地解决实际问题，检查出隐形问题，提高排查效率，并为高压测量时提供足够的安全保障。该装置创新了高供高计故障排查和诊断的思路和方法，可大幅提高工作效率，推动行业发展。
参考文献：
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[2]彭增良.根据变流比选择电流互感器时应注意的问题[J].电工技术，2012，06：59~60.
[3]陈奕.基于计量系统的客户用电信息智能化分析系统[D].华南理工大学,2013(5).
[4]杨国卫,程斌,豆龙江.基于在线监测的用电稽查系统研究与应用[J].电力信息与通信技术,2014(2).