周 曉,李永清,謝路耀

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

智能用電作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，其關(guān)鍵在于電網(wǎng)與用戶間信息流和能量流的靈活互動(dòng)[1]。負(fù)荷監(jiān)測(cè)作為智能用電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]，通過實(shí)時(shí)采集用戶用電數(shù)據(jù)完成電力負(fù)荷能耗的監(jiān)測(cè)，為用戶提供詳細(xì)的用電信息。用戶了解各負(fù)荷用電信息后，可合理分配負(fù)荷的使用時(shí)間及用電量來達(dá)到節(jié)能的效果；電力公司了解用戶側(cè)的負(fù)荷組成后，可進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)來推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展[3]。

電力負(fù)荷的監(jiān)測(cè)從數(shù)據(jù)的獲取方式上可分為侵入式和非侵入式[4-5]。前者需給每一個(gè)負(fù)荷安裝監(jiān)測(cè)裝置來實(shí)時(shí)采集負(fù)荷信息，數(shù)據(jù)精確，有助于負(fù)荷信息的細(xì)化，然而，該方式需要大量的監(jiān)測(cè)裝置，在采購(gòu)、安裝、維護(hù)時(shí)都會(huì)消耗大量成本。后者只需在電力供給入口端安裝一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置，就能實(shí)時(shí)采集用戶總負(fù)荷能耗，通過負(fù)荷識(shí)別算法對(duì)負(fù)荷類型細(xì)化，分別計(jì)算各負(fù)荷的用電量，最終完成總負(fù)荷能耗的分類計(jì)量，該方式成本低、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，適合電力負(fù)荷實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[6]。近年來，很多學(xué)者都針對(duì)后者開展了大量研究。文獻(xiàn)[7]采用NIUSB-6002數(shù)據(jù)采集卡，并設(shè)計(jì)對(duì)電壓、電流采集信號(hào)進(jìn)行降壓處理的前端信號(hào)調(diào)理電路，以達(dá)到負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)的目的。文獻(xiàn)[8]采用NI公司的NI6008搭配主要由型號(hào)為QNENG QBV200A02的電壓互感器和Chahua CSM100AP的電流互感器組成的負(fù)荷數(shù)據(jù)采集電路，以1 kHz的采樣頻率實(shí)現(xiàn)負(fù)荷監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[9]利用電壓、電流互感器及ATT7022C電能計(jì)量芯片組成電能計(jì)量模塊等，以S3C2440A處理器作為主控芯片，并結(jié)合其它輔助模塊完成負(fù)荷監(jiān)測(cè)。上述負(fù)荷數(shù)據(jù)采集方案中，大多采用易受磁場(chǎng)干擾的互感器來采集負(fù)荷數(shù)據(jù)，并且利用高成本的數(shù)據(jù)采集卡來處理數(shù)據(jù)。筆者提出一種低成本高精度的基于HLW8112的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案，通過采樣電阻和HLW8112電能計(jì)量芯片來采集負(fù)荷數(shù)據(jù)，選用高使用率的STM32芯片作為微處理器來處理數(shù)據(jù)，并通過WiFi將負(fù)荷數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本裝置主要分為數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、主控模塊和通信模塊，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)作為研究的重點(diǎn)，其采集數(shù)據(jù)的精度和輸出數(shù)據(jù)的種類直接影響本裝置性能，因此選用不受磁場(chǎng)干擾的采樣電阻來采集負(fù)荷電信號(hào)，選用新型單相電能計(jì)量芯片HLW8112來轉(zhuǎn)換電信號(hào)。電源模塊作為本裝置工作的基礎(chǔ)，其穩(wěn)壓程度直接影響裝置工作狀態(tài)，因此選用具有效率高、穩(wěn)定性好、體積小等特點(diǎn)的開關(guān)電源芯片來轉(zhuǎn)換電壓。主控模塊作為本裝置的核心，其調(diào)試、維護(hù)難度直接影響裝置的工程應(yīng)用價(jià)值，因此選用高使用率的STM32F103微處理器來處理數(shù)據(jù)采集模塊輸出的數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本裝置選用通信模塊將負(fù)荷數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái)(中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái))。

圖1 裝置總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The overall design block diagram of the device

本裝置的總體工作流程是：在電力供給入口端安裝負(fù)荷監(jiān)測(cè)裝置，電源模塊給各模塊提供工作電壓，負(fù)荷的總電壓、總電流經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊的高精密電阻轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，HLW8112將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓、電流有效值等負(fù)荷數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在相應(yīng)寄存器內(nèi)，主控模塊將負(fù)荷數(shù)據(jù)計(jì)算處理為電力負(fù)荷特性值，通信模塊將負(fù)荷特性值上傳至OneNET平臺(tái)，用戶通過PC端或移動(dòng)端的瀏覽器登錄OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖如圖2所示，主要由HLW8112電能計(jì)量芯片和采樣電阻等器件組成。HLW8112是深圳合力為科技有限公司新推出的一款高精度單相電能計(jì)量芯片，內(nèi)置了晶振和參考電源，只需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的外圍電路和編寫簡(jiǎn)單的軟件代碼，主控模塊就可以讀取芯片寄存器內(nèi)的負(fù)荷數(shù)據(jù)，且在1 000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有效電流和有效電壓的測(cè)量誤差<1%，可實(shí)現(xiàn)高精度采集。模塊選用具有溫度特性好、成本低、精度高等特點(diǎn)的1 mΩ銅錳電阻和200 kΩ合金電阻作為采樣電阻，對(duì)電網(wǎng)中的電壓、電流進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)HLW8112芯片內(nèi)部的ADC，DIGITAL FILTER，DSP等處理后，電信號(hào)以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)在芯片寄存器中。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊原理圖Fig.2 The schematic diagram of data acquisition module

HLW8112芯片引腳16腳接電源模塊提供的3.3 V工作電壓，為使芯片電壓穩(wěn)定，在電源處并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的濾波電容。工作中為避免芯片電壓浮空而燒壞，將電路中的GND和電網(wǎng)的零線作為同一個(gè)參考點(diǎn)。根據(jù)電功率定義：P=I2R，當(dāng)采樣電阻的阻值和功率分別為1 mΩ和2 W時(shí)，芯片能測(cè)量的最大電流為44.72 A。芯片引腳5采用4個(gè)200 kΩ和1個(gè)1 kΩ的貼片合金電阻完成分壓處理，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓信號(hào)的采集，其中利用4個(gè)相同電阻進(jìn)行串聯(lián)的方式來消除單個(gè)電阻耐壓不足及電網(wǎng)電壓波動(dòng)的問題。HLW8112芯片支持SPI和USART通信，為給后續(xù)非侵入式負(fù)荷識(shí)別系統(tǒng)研究提供更好的硬件支持，筆者選用高頻率的SPI通信方式來輸出芯片數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集模塊處于強(qiáng)電工作環(huán)境，主控模塊處于弱電工作環(huán)境，為保證主控模塊的安全，利用光耦隔離芯片將兩個(gè)模塊進(jìn)行隔離，由于HLW8112的最高輸出頻率為6 991 Hz，本裝置選用型號(hào)為EL357NB和PS8101的高速光耦進(jìn)行SPI通信，兩種光耦隔離原理圖如圖3所示。

圖3 兩種光耦隔離原理圖Fig.3 The isolation schematic diagram of two kind optocouplers

2.2 主控模塊

STM32F103以SPI通訊方式獲取存儲(chǔ)在HLW8112芯片寄存器內(nèi)的負(fù)荷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取流程如圖4所示。監(jiān)測(cè)裝置開啟，各模塊進(jìn)行初始化，HLW8112芯片12引腳置低，數(shù)據(jù)采集模塊開啟SPI通信方式；HLW8112芯片11引腳置低，芯片選中并進(jìn)入工作模式；HLW8112芯片10引腳置低，芯片時(shí)鐘信號(hào)默認(rèn)為0開始；HLW8112芯片9引腳置低，寫入芯片寄存器的值默認(rèn)為0。時(shí)鐘信號(hào)為上升沿時(shí),主控模塊給HLW8112芯片的命令寄存器寫入0XE5來打開寫使能，并給芯片的系統(tǒng)控制、計(jì)量控制等寄存器寫入初始值，然后通過向命令寄存器寫入0XDC來關(guān)閉寫使能；時(shí)鐘信號(hào)為下降沿時(shí)，主控模塊通過給HLW8112芯片寫入相應(yīng)寄存器的地址來完成負(fù)荷數(shù)據(jù)的讀取。主控模塊向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送讀寫命令時(shí)，通過判斷HLW8112芯片命令寄存器第7位的值來確定命令類型，若值為0，則為讀命令；若值為1，則為寫命令。主控模塊中負(fù)荷特性值計(jì)算方式為

1) 電流有效值=(電流有效值寄存器值×電流有效值系數(shù)寄存器值)/(電流系數(shù)×223)，由于本裝置選用1 mΩ銅錳電阻來采集負(fù)荷電流，根據(jù)采樣電阻阻值=電流系數(shù)×1 mΩ，可計(jì)算出電流系數(shù)為1。

2) 電壓有效值=(電壓有效值寄存器值×電壓有效值系數(shù)寄存器值)/(電壓系數(shù)×222)，由圖2可知，本研究中電壓分壓電阻比例實(shí)際為1∶1 000，根據(jù)電壓分壓電阻比例=(電壓系數(shù)×1 kΩ)/1 MΩ,可計(jì)算出電壓系數(shù)為1。

3) 有功功率值=(有功功率寄存器值×有功功率系數(shù)寄存器值)/(電流系數(shù)×電壓系數(shù)×231)。

圖4 主控模塊獲取負(fù)荷數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 The flow chart of the main control module to obtain load data

2.3 通信模塊

通信模塊選用樂鑫公司型號(hào)為ESP8266的WiFi芯片，其具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、成本低、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)裝置和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸過程中，筆者采用透明傳輸模式來保證負(fù)荷數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。為使通信模塊和OneNET平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，利用路由器作為網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁，實(shí)現(xiàn)模塊無(wú)線連接距離的延伸。在傳統(tǒng)配網(wǎng)方式中，通信模塊連接新路由器時(shí)，裝置需修改主控模塊的底層代碼來實(shí)現(xiàn)路由賬戶和密碼的修改，這種配網(wǎng)方式不利于裝置的工程應(yīng)用。因此，筆者通過網(wǎng)頁(yè)配網(wǎng)方式將賬戶和密碼存入EEPROM來實(shí)現(xiàn)新路由的動(dòng)態(tài)連接。網(wǎng)頁(yè)配網(wǎng)方式流程圖如圖5所示。WiFi通信模塊的路由用戶名和密碼驗(yàn)證成功后，模塊通過AT指令配置為

1) AT+RST:重啟WiFi模塊。

2) AT+WSKEY=WPA2PSK:配置網(wǎng)絡(luò)訪問密碼加密方式。

3) AT+CWMODE=STA:配置WiFi模塊為Station模式，其可以連接上當(dāng)前環(huán)境下的WiFi熱點(diǎn)。

4) AT+CIP-MUX=DISABLE:配置WiFi為單路連接模式。

5) AT+CIPSTART=”TCP”,”183.230.40.33”,”80”:建立TCP連接，配置OneNET云服務(wù)器IP地址。

6) AT+CIPSEND=”>”:模塊進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?，?dāng)收到的數(shù)據(jù)格式為”>”時(shí)向云平臺(tái)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

無(wú)線通信模塊和OneNET云平臺(tái)間的通訊方式為RESTful API，該方式是在HTTP和JSON數(shù)據(jù)格式基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，使得通信模塊和云平臺(tái)服務(wù)器建立短連接，便于數(shù)據(jù)傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 裝置性能測(cè)試

本裝置電路板實(shí)物圖如圖6所示，一個(gè)電源端子連接220 V市電來模擬電力供給入口端，一個(gè)電源端子連接插座來模擬電力負(fù)荷使用環(huán)境。選取功率為7 W的LED燈、功率為32 W的電風(fēng)扇、功率為23 W的液晶顯示器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別開啟3 種電力負(fù)荷，同時(shí)實(shí)時(shí)采集各負(fù)荷的瞬時(shí)電流有效值，并選用測(cè)量精度和能否檢測(cè)出多負(fù)荷的投切過程作為裝置性能指標(biāo)。

圖6 本裝置電路板實(shí)物圖Fig.6 The physical drawing of circuit board of this device

裝置測(cè)量精度的測(cè)試中，筆者利用型號(hào)為VICTOR VC890D的數(shù)字型萬(wàn)用表測(cè)量的數(shù)據(jù)作為對(duì)比，該萬(wàn)用表的分辨率和基本精度分別為三位半(分辨率為量程的1/2 000)和±2.0%。分別利用本裝置和萬(wàn)用表對(duì)3 種電力負(fù)荷的工作電流進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)計(jì)算測(cè)量次數(shù)分別為1，50，100次時(shí)的電流平均值，并通過兩者間的相對(duì)誤差來計(jì)算本裝置的測(cè)量精度。本裝置和萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 本裝置和萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果對(duì)比Table 1 The comparison of the measurement results of the device and the multimeter

由表1可知：在多次測(cè)量后，本裝置和萬(wàn)用表之間平均電流值的相對(duì)誤差小于1%，即測(cè)量精度可達(dá)99%以上，由此說明本裝置能實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的高精度測(cè)量。

在另一個(gè)性能指標(biāo)測(cè)試中，依次開啟LED燈、電風(fēng)扇和液晶顯示器，同時(shí)實(shí)時(shí)采集它們的瞬時(shí)電流有效值，根據(jù)電流波形的變化情況來測(cè)試本裝置能否檢測(cè)出多負(fù)荷投切過程。本裝置采集的3種電力負(fù)荷電流波形變化情況如圖7所示。由圖7可知：本裝置能監(jiān)測(cè)負(fù)荷從開啟到穩(wěn)定運(yùn)行的暫態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可很好地描述各電力負(fù)荷工作時(shí)所表現(xiàn)的電氣特性，能很好地為非侵入式負(fù)荷識(shí)別系統(tǒng)研究提供數(shù)據(jù)支持。

圖7 3種電力負(fù)荷電流波形數(shù)據(jù)變化圖Fig.7 The diagram of three kinds of electric load current waveform data changes

3.2 云平臺(tái)在線監(jiān)測(cè)測(cè)試

OneNET是中國(guó)移動(dòng)開發(fā)的一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，能幫助負(fù)荷監(jiān)測(cè)裝置輕松實(shí)現(xiàn)接入與連接，快速完成監(jiān)測(cè)裝置開發(fā)部署，為負(fù)荷監(jiān)測(cè)裝置提供完善的物聯(lián)網(wǎng)方案。電力負(fù)荷數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面如圖8所示，左側(cè)的折線圖展示了電力負(fù)荷的歷史負(fù)荷信息，右側(cè)的儀表盤展示了電力負(fù)荷的實(shí)時(shí)信息。用戶通過瀏覽器登錄云平臺(tái)后，在監(jiān)測(cè)界面可實(shí)時(shí)在線瀏覽電力負(fù)荷的電壓、電流及功率信息，分析負(fù)荷歷史信息后可了解負(fù)荷的歷史工況。

圖8 電力負(fù)荷數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面Fig.8 The interface of power load data monitoring

4 結(jié) 論

筆者設(shè)計(jì)的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)裝置利用新型單相電能計(jì)量芯片HLW8112將采樣電阻采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量形式的負(fù)荷數(shù)據(jù)，具有精度高、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)易、不易受磁場(chǎng)干擾等特點(diǎn)，適合單負(fù)荷和多負(fù)荷工況的監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度可達(dá)到99%以上。該裝置不僅可以獲取負(fù)荷的電壓、電流、有功功率等電力負(fù)荷有效值，還可以獲取電壓和電流的峰峰值、瞬時(shí)值、波形圖等電力參數(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸方面，本裝置設(shè)計(jì)了串口和WiFi兩種通信方式，通過串口可打印負(fù)荷電力參數(shù)，通過WiFi用戶可登錄OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本裝置為非侵入式負(fù)荷識(shí)別系統(tǒng)研究打好硬件基礎(chǔ)，有望實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能優(yōu)化調(diào)度。