胡圣堯+關(guān)靜++楊子立++于海平

摘 要： 為了對用戶用電情況進行實時監(jiān)測，提高用電采集系統(tǒng)的準確性，及時發(fā)現(xiàn)用電異常，研究一種基于嵌入式的電量計量采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為高壓無線監(jiān)測模塊、用戶用電遠程監(jiān)測單元和監(jiān)控主站三大部分。通過對比高壓無線監(jiān)測模塊和用戶用電遠程監(jiān)測單元數(shù)據(jù)判別用戶用電是否存在異常，并將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控主站。通過實例對所研究的嵌入式電量計量采集系統(tǒng)進行分析，通過監(jiān)測對比某用戶用電信息，有關(guān)部門人員通過嵌入式電量計量采集系統(tǒng)監(jiān)測該用戶的用電規(guī)律，掌握其竊電行為的證據(jù)，對其進行竊電行為判定。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 電量計量； 采集系統(tǒng)； 竊電稽查

中圖分類號： TN915?34； TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0163?04

0 引 言

改革開放后，我國經(jīng)濟發(fā)展發(fā)生了翻天覆地的變化，人民的生活水平不斷提高，對于電力的需求越來越大，特別是天氣比較寒冷的冬天和比較炎熱的夏天，對于電的需求更是極速膨脹，可是由于電網(wǎng)建設(shè)不完善，經(jīng)常會出現(xiàn)缺電和斷電的現(xiàn)象。為了避免這樣的現(xiàn)象再次出現(xiàn)和滿足消費者的需求，相關(guān)部門就構(gòu)建了功能比較完善的用電信息采集系統(tǒng)。這個系統(tǒng)主要是為了解決供電高峰期時電力供應(yīng)不足的問題，對原有的電力資源進行重新的優(yōu)化配置，使其能夠得到更加合理和高效的使用，進一步減少用電高峰期缺電、斷電現(xiàn)象的發(fā)生，滿足消費者提高生活質(zhì)量的要求[1?2]。

用電信息采集系統(tǒng)的主要功能是通過采集用戶的用電信息，對這些信息進行處理和分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的異常情況，進而對這些異常情況進行監(jiān)控和檢測，與此同時用電信息采集系統(tǒng)還是電力支持系統(tǒng)的重要組成部分，還具有電能質(zhì)量檢測、分布式能源監(jiān)控等功能，保證了供電公司可以對用戶用電信息進行實時的監(jiān)控。用電信息采集系統(tǒng)的前身是原負控管理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的構(gòu)建主要是為了解決用電高峰期缺電現(xiàn)象和用戶的竊電問題，對電力資源進行重新的優(yōu)化配置，進一步提高能源的使用效率，為國家挽回經(jīng)濟損失。系統(tǒng)還具有進行遠程抄表、監(jiān)測和辨別竊電行為、對電能質(zhì)量進行監(jiān)測等功能[3?5]。

1 嵌入式電量采集系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體框架

電量采集系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

該系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，一是電量采集裝置，二是主站系統(tǒng)。其中電量采集裝置包括電網(wǎng)高壓無線檢測設(shè)備和用電端的遠程監(jiān)控模塊。工作原理是：電網(wǎng)高壓檢測設(shè)備對高壓側(cè)的電能數(shù)據(jù)進行采集，無線通信設(shè)備作為媒介傳輸采集到的數(shù)據(jù)，用電稽查終端接收由無線通信設(shè)備傳輸?shù)碾娋W(wǎng)高壓側(cè)的數(shù)據(jù)，同時電表數(shù)據(jù)由終端用電信息采集模塊進行讀取。根據(jù)用電數(shù)據(jù)判斷是否有竊電行為，共有兩種方式：一是直接的方式，用電遠程監(jiān)控終端判斷是否存在竊電行為，判斷結(jié)果發(fā)送到主站設(shè)備和用戶的手機；二是間接的方式，用電遠程監(jiān)控設(shè)備將收集到的高壓側(cè)的數(shù)據(jù)和讀取的電能表數(shù)據(jù)都發(fā)送到主站設(shè)備，然后主站根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判定是否有竊電行為。兩種方式各有優(yōu)缺點，第一種判定方式簡化了主站設(shè)備，能夠做到24 h數(shù)據(jù)監(jiān)測，但是用電遠程監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計變得復(fù)雜，該模塊所需的硬件成本也大大增加；第二種判定方式簡化了用電遠程監(jiān)控設(shè)備，但是主站必須在持續(xù)供電的情況下不斷工作。兩種判別方式因其具有不同優(yōu)缺點，可以應(yīng)用在不同的場合[6]。

1.2 高壓無線檢測模塊

高壓無線檢測模塊由四個子模塊單元構(gòu)成，分別是采樣、控制、通信和電源。工作原理是：互感器變換高壓側(cè)的電能數(shù)據(jù)，采樣模塊對變換后的電能數(shù)據(jù)進行采集，同時簡單處理采集到的數(shù)據(jù)；控制單元控制整個檢測模塊的操作順序；通信單元傳輸采樣單元輸出的數(shù)據(jù)；電源單元保證整個檢測單元的正常運轉(zhuǎn)。

ZigBee方式是高壓無線檢測單元和用電遠程監(jiān)控之間采用的主要通信協(xié)議，該協(xié)議在開放式互聯(lián)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)每層通信，向更高層提供服務(wù)的功能。IEEE 802.15.4是ZigBee通信協(xié)議物理層采用的標準，ZigBee聯(lián)盟定義應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，其中應(yīng)用程序框架構(gòu)成了應(yīng)用層，Z?Stack協(xié)議堆棧使得ZigBee上層協(xié)議成為可能。

高壓無線檢測單元的功能是實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的采樣、數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制遠程終端接收電能數(shù)據(jù)。高壓無線檢測單元開始工作時，第一步是對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化，對硬件設(shè)備進行復(fù)位；第二步是無線檢測單元中的通信單元向用電遠程監(jiān)控設(shè)備發(fā)送指令和網(wǎng)絡(luò)地址；第三步是控制采樣模塊周期性的工作，有利于節(jié)省功耗；第四步是采樣模塊處于保持狀態(tài)時，通信設(shè)備采用ZigBee的通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息；第五步是主站發(fā)送查看工作狀態(tài)的命令到用電遠程監(jiān)控終端，此時監(jiān)控終端發(fā)送指令到采樣單元，采樣單元進入對電能數(shù)據(jù)進行采集處理周期，然后采樣單元進入保持狀態(tài)，等待下一個采樣指令。

當(dāng)電網(wǎng)高壓側(cè)出現(xiàn)短路故障時，高壓側(cè)的短路電流往往比正常工作時的負荷電流大很多，短路電流會使得沒有任何安全措施保護的無線檢測設(shè)備出現(xiàn)故障，以致檢測失靈。因此在設(shè)置采樣單元的數(shù)據(jù)采集量程時，需要考慮最大短路電流。電網(wǎng)正常工作時，羅氏線圈互感器檢測到的電壓比較小，這里為了檢測裝置的靈敏度，需要在羅氏線圈前端添加電壓放大電路。同時，還需要添加低通濾波器電路和隔直流電路，從而過濾高頻分量和直流分量對羅氏線圈電壓變化的影響。

高壓檢測中的控制單元采用ATmega128型單片機，該單片機內(nèi)置了一個8通道10位精度的增益可編程ADC，這樣就避免了單獨的ADC電路，集成度變高，電路得以簡化，整體電路成本也得以降低。不過ATmega128單片機是單極輸入輸出的，輸出電壓與其工作電壓存在失配，可以在單片機輸出端和DSP之間添加加法器，解決單片機工作電壓與輸出電壓不匹配的問題，加法器電路如圖2所示。ZigBee單元采用CC2530芯片，其正常工作電壓是2～3.6 V，但是ATmega128 單片機的工作電壓為 4.5～5.5 V，所以還需要電平轉(zhuǎn)換電路作為橋梁，使得在相同的電源供電情況下各個單元電路都能正常工作。

圖4為高壓無線檢測模塊的數(shù)據(jù)流程圖，高壓無線檢測單元進入數(shù)據(jù)采樣周期時，采樣單元上電，開始采集電能數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行一定的處理，通信設(shè)備傳輸采樣單元處理的數(shù)據(jù)，采樣單元進入保持狀態(tài)，遠程監(jiān)控設(shè)備接收通信設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)?？紤]到數(shù)據(jù)采樣模塊從開始數(shù)據(jù)采樣到保持過程之間轉(zhuǎn)換會有一定的延遲，這種延遲主要是由于主站發(fā)送下一個周期的數(shù)據(jù)采樣指令所引起的延遲造成的，因此用電遠程監(jiān)測設(shè)備需要設(shè)定一定的延遲，延遲時間等于主站發(fā)送指令到采樣單元接收到指令的延遲時間。

本文的互感器采用羅可夫斯基型線圈，該線圈的主要特征是：線圈繞制在無磁性的空心材料上，避免了鐵磁諧振和磁飽和的問題，它的反應(yīng)速度也比較快，抗漏電性能優(yōu)良，可探測的電能數(shù)據(jù)量程范圍大，測試精度精準，應(yīng)用在對較大電流測量場合。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，測量羅可夫斯基線圈可得[7]：

[et=-d?dt=-Mdidt]

式中：[?]表示線圈的磁通量；[M]表示線圈互感系數(shù)。

1.3 用戶用電遠程監(jiān)測單元

反竊電裝置的重要部分是用電遠程監(jiān)控單元，在RS 485的基礎(chǔ)上，用電遠程監(jiān)控單元和智能化的電表進行對接，一方面讀取電表上的數(shù)據(jù)，另一方面接收無線檢測單元的通信設(shè)備發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端對比收集到的兩渠道數(shù)據(jù)，判定竊電行為是否發(fā)生。用電遠程監(jiān)控設(shè)備的主要特點是數(shù)據(jù)容量大、判斷結(jié)果準確度高和數(shù)據(jù)及時分析發(fā)送。

用電遠程監(jiān)控設(shè)備的具體功能是：接收高壓無線檢測模塊發(fā)送的電能采樣數(shù)據(jù)；在接收到主站對時命令后，能在規(guī)定時間內(nèi)自主采集智能電表上的數(shù)據(jù)；對采集到的電表數(shù)據(jù)和接收到的高壓電能采樣數(shù)據(jù)能及時判定是否存在竊電行為；具有數(shù)據(jù)儲存的能力；具有抗外界干擾的能力。

單片機、GPRS和ZigBee通信類芯片、時鐘芯片和數(shù)據(jù)儲存單元等構(gòu)成了監(jiān)測終端。監(jiān)測終端一方面通過RS 485通信芯片采集智能電表上的電能數(shù)據(jù)，另一方面通過ZigBee通信協(xié)議接收高壓無線檢測單元發(fā)送的高壓電能采樣數(shù)據(jù)，然后監(jiān)測終端對比上述兩類數(shù)據(jù)，若兩者數(shù)據(jù)失配較大，經(jīng)過第三次確認后將判定結(jié)果和接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站端，主站再次分析監(jiān)測終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，確認存在竊電行為后發(fā)送短信通知電力稽查人員，從而有利于電力檢測部門盡早采取措施，阻止竊電行為的發(fā)生。

圖5是應(yīng)用于GPRS通信芯片的G24模塊與S3C2440型單片機的電路連接原理圖。

用電稽查終端一般設(shè)置USB通信接口，這樣電力稽查人員就能通過USB接口拷貝監(jiān)測終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有利于電力稽查人員及時做到現(xiàn)場查驗，防止錯誤判斷錯誤操作的發(fā)生。

ARM9內(nèi)置兩個USB接口，均支持USB 1.1和USB 2.0的兩個通信協(xié)議，本文設(shè)計的監(jiān)測終端將這兩個USB接口引出，并充分加以應(yīng)用，如圖6所示。

1.4 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)包括計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和系統(tǒng)管理軟件，其中系統(tǒng)管理軟件起到在主站開始運轉(zhuǎn)后各個模塊實現(xiàn)其對應(yīng)功能的作用，另外系統(tǒng)管理軟件實時接收用戶用電量數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)及時保存到數(shù)據(jù)庫中。主站系統(tǒng)主要功能如下：接收用電監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的異常數(shù)據(jù)和異常結(jié)果；及時發(fā)現(xiàn)竊電用戶；發(fā)送異?；驁缶畔?；通知電力稽查人員處理竊電用戶[8]。

2 實例分析

本文通過實例對所研究的嵌入式電量計量采集系統(tǒng)進行分析。針對某用電大戶的用電情況，使用用電計量采集系統(tǒng)進行監(jiān)測，其中一段時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

曲線可以看出，該用電用戶的用電信息存在異常，即在某一段時間內(nèi)變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)（二次側(cè)）的數(shù)據(jù)不能吻合，說明該用電用戶存在竊電行為，該用戶一般在夜間至凌晨這段時間內(nèi)變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)的數(shù)據(jù)不能吻合，而在早上7點至下午6點期間，變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)的數(shù)據(jù)恢復(fù)一致，說明該用電用戶為了躲避白天稽查人員的突擊檢測，主要在夜間進行竊電行為。

有關(guān)部門人員通過嵌入式電量計量采集系統(tǒng)監(jiān)測該用戶的用電規(guī)律，掌握了其竊電行為的證據(jù)，對其進行竊電行為判定。

3 結(jié) 論

本文研究了一種基于嵌入式電量計量采集系統(tǒng)，其主要作用如下：

（1） 挽回更高經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的檢察竊電情況的方式不僅成本高，而且只能發(fā)現(xiàn)出一部分竊電行為，性價比過低。而本文研究的防竊電檢測裝置是自動檢測的，大部分的竊電行為都難逃法眼，增加了國家的財政收入。

（2） 震懾竊電用戶停止竊電行為。竊電用戶之所以敢明目張膽的竊電，主要是因為其竊電行為難以被發(fā)現(xiàn)，而隨著防竊電檢測裝置的安裝，他們的竊電行為得到了有效的監(jiān)控，可以促使他們不再竊電，調(diào)查結(jié)果顯示，防竊電裝置安裝以后，很多竊電用戶的用電量都回到了正常的水平。

（3） 提高了防竊電的工作效率。供電公司的工作人員不可能整天守在一個地方來檢測這個地區(qū)的用電情況，竊電用戶正是抓住這個漏洞進行竊電。而供電公司常用的檢查方法無非是安排檢測人員進行突擊檢查或者定期檢查，可是這些傳統(tǒng)的方法是需要很大的人力資源和財力資源作支撐的，更為重要的是這些方法所起到的效果是非常有限的，性價比非常低。而隨著防竊電檢測裝置的安裝和使用，對于用戶用電信息的監(jiān)測已經(jīng)變成了全天候全方位的，一旦用戶用電出現(xiàn)異常，檢測裝置就能夠自動的進行檢測和辨別，可以及時地發(fā)現(xiàn)用戶是否存在竊電行為，不但提高了工作效率，挽回了更多的經(jīng)濟損失，而且還降低了監(jiān)測成本，減輕了工作人員的工作負擔(dān)。

參考文獻

[1] 黃宇.基于嵌入式處理器控制的電量計量系統(tǒng)的研制[D].大連：大連交通大學(xué)，2008.

[2] 劉穎穎.基于嵌入式Web服務(wù)器的電量采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].濟南：山東大學(xué)，2008.

[3] 朱偉.基于以太網(wǎng)的負載電能計量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 黃宇，鄭士富.基于嵌入式處理器控制的電量計量系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2008（12）：63?65.

[5] 鄭哲欣.嵌入式電能計量裝置運行狀態(tài)智能分析系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學(xué)，2009.

[6] 霍堯.基于用電信息采集的智能反竊電系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[7] 陳騰飛.基于用電信息采集系統(tǒng)的竊電在線稽查裝置的開發(fā)應(yīng)用[D].保定：華北電力大學(xué)，2013.

[8] 曹英華.用電信息采集系統(tǒng)在智能反竊電工作中的應(yīng)用[J].通信世界，2015（13）：216?217.