黃國(guó)政，鄧瑞麒，王海柱，易晉，梁社潮

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 江門(mén)供電局， 廣東 江門(mén) 529000;2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力調(diào)度控制中心， 廣東 廣州 510600)

0 引言

近年來(lái)，電力事業(yè)發(fā)展迅速，電力管理逐漸向規(guī)范化、市場(chǎng)化發(fā)展，各個(gè)電力市場(chǎng)逐步建立，電能信息越來(lái)越多，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)和管理提出了更高的要求。目前電能信息采集方法多依靠人工抄表的方式，這種采集方法工作人員多、效率低，并且電能信息采集時(shí)間較長(zhǎng)，常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，難以滿足電能信息采集需求。為此設(shè)計(jì)一種面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電能信息采集終端，物聯(lián)網(wǎng)是指將全部物體利用射頻鑒別等信息傳感設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)銜接起來(lái)，可做到智能化判斷和監(jiān)管。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)等領(lǐng)域中，物聯(lián)網(wǎng)終端是物聯(lián)網(wǎng)底層的設(shè)別，主要工作是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化和傳輸信息等作用，是物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備。因此將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在電能信息采集終端設(shè)計(jì)中，設(shè)置電能信息轉(zhuǎn)換與采集，才能夠?qū)⒏鞣N電能相關(guān)信息匯集與處理。轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)人工抄表，手工錄入的現(xiàn)狀，將電能信息采集的各個(gè)流程結(jié)合在一起，一步到位，提高電能信息采集工作效率，對(duì)供電企業(yè)影響工作具有十分重要的意義。

1 電能信息采集終端硬件設(shè)計(jì)

此次研究的電能信息采集終端以微處理器[1]為設(shè)計(jì)核心，通過(guò)微處理器進(jìn)行邏輯計(jì)算、邏輯控制。硬件框架，如圖1所示。

考慮到電能信息采集硬件的靈活性以及易維護(hù)性，將終端的硬件電路與其他模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)。

1.1 微處理器設(shè)計(jì)

因?yàn)殡娔苄畔⒉杉K端涉及到的運(yùn)行任務(wù)較多，主要包括數(shù)據(jù)采集[2]、處理、存儲(chǔ)和管理，所以微處理器采用STM32L152系列，該存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間大，范圍為8 K-80Kbytes，與STM32F103系列完全兼容，系統(tǒng)升級(jí)簡(jiǎn)單。并包含5種運(yùn)行模式，動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式、低功耗運(yùn)行模式、睡眠模式、停機(jī)模式和待機(jī)模式，在微處理器動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，消耗的功耗較高，在待機(jī)模式下功耗消耗較低，在微處理器運(yùn)行狀態(tài)過(guò)程中可隨意切換，并包含2-4個(gè)串口模塊、4個(gè)定時(shí)器和硬件乘法器等，采用非標(biāo)準(zhǔn)接口、哈弗架構(gòu)和32位精簡(jiǎn)指令集兼容16位THUMB指令集。

圖1 電能信息采集終端硬件結(jié)構(gòu)

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電能信息采集終端需要將交流電轉(zhuǎn)化為DC15 V、DC5 V、DC3.3 V的電源[3]，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源方案和線性穩(wěn)壓電源方法結(jié)合的方式。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源方案采用中電化星電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電力儀表設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源，在DC80～650 V或AC65～460 V超寬輸入電壓下工作，輸出電壓為12 V和15 V。線性穩(wěn)壓電源方案采用A6115芯片，分別輸出5 V、3.3 V電壓。在電源斷電時(shí)，其中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放電，終端還能夠繼續(xù)工作，能夠保證電能數(shù)據(jù)中的重要數(shù)據(jù)的處理與保存。

1.3 計(jì)量芯片設(shè)計(jì)

采用ATT7022三相電能專用計(jì)量芯片，該芯片適用于三相四線和三相三線的應(yīng)用，其中集成七路ADC，其中三路用于三相電流采樣[4]，三路用于三相電壓采樣，采用采樣防竊電參數(shù)或零線電流，并集成參考電壓、功率因數(shù)以及所有功率，并且各相電壓電流有效值、相角和功率因數(shù)等，以滿足電能信息采集終端的研制要求。該芯片支持全時(shí)數(shù)字域的增益，即具有軟件校準(zhǔn)功能，從而進(jìn)行計(jì)量誤差校正，其中脈沖輸出的CF3提供有功功率信息，用于校正基波誤差，并提供SPI串行接口，方便與電能信息采集終端中其他外部處理器之間的計(jì)量數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)參數(shù)的傳遞。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)計(jì)量芯片[5]中的計(jì)量電路，其中主要包括衰減網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)兩部分，負(fù)荷電壓與電流信號(hào)的衰減工作由衰減網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)，由電壓互感器、電流互感器組成。濾波網(wǎng)絡(luò)主要時(shí)間抗混疊濾波，由電容、電感和電阻等器件組成。由于這兩種網(wǎng)絡(luò)組合，會(huì)出現(xiàn)混疊[6]現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是采樣中的特有現(xiàn)象，會(huì)影響測(cè)量精度和結(jié)果，所以在負(fù)荷電壓信號(hào)和電流信號(hào)衰減后，對(duì)濾波處理。

1.4 GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)是保證電能信息采集終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，該模塊通過(guò)TCP/IP通信，可以根據(jù)用戶不同的需要，進(jìn)行固定地址與動(dòng)態(tài)IP地址切換。在電能信息采集終端進(jìn)行通信時(shí)，監(jiān)控中心設(shè)置固定的IP地址，然后采集終端可直接向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)起建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，保證采集終端的運(yùn)行穩(wěn)定性。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 固定IP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

由圖2可知，電能信息采集終端可自動(dòng)撥號(hào)登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)[7]，獲取移動(dòng)地址后，與接入互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建立連接，從而實(shí)現(xiàn)終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸。該GPRS通信模塊的通訊工作模式主要有3種。

被動(dòng)激活方式。在終端[8]開(kāi)啟后，終端等待監(jiān)控中心的激活信息，激活后連接主站；

時(shí)段在線模塊。終端根據(jù)監(jiān)控中心設(shè)置的允許在線時(shí)段主動(dòng)連接網(wǎng)站；

永久在線模式。終端開(kāi)啟后，通過(guò)存儲(chǔ)在終端的主要IP地址和電能信息采集終端連接，并通過(guò)一定的間隔時(shí)間發(fā)送相應(yīng)信息[9]，保持與監(jiān)控中心之間的鏈路信息，若發(fā)生掉線[10]情況，GPRS自動(dòng)連接監(jiān)控中心。

2 電能信息采集終端軟件設(shè)計(jì)

電能信息采集終端軟件設(shè)計(jì)的主要目的是防止電能信息采集終端的數(shù)據(jù)發(fā)生丟失現(xiàn)象[11]。數(shù)字脈沖信號(hào)的方式與模擬信號(hào)采集方式不同，數(shù)字脈沖信號(hào)的采集通過(guò)終端方式計(jì)數(shù)，通過(guò)終端獲取的值放入到硬件中的備份寄存器中，通過(guò)獲取寄存器的值獲取脈沖信號(hào)。其數(shù)據(jù)采集流程，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)脈沖信號(hào)采集流程

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，創(chuàng)建相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)程序，采集函數(shù)與備份寄存器[12]的值是相對(duì)應(yīng)存在的。數(shù)據(jù)采集時(shí)根據(jù)電能信息采集終端的配置信息和讀取的數(shù)字脈沖的數(shù)值共同確定真實(shí)采樣值，并將處理后的數(shù)據(jù)放入到待存儲(chǔ)鏈表中。

由于數(shù)字脈沖數(shù)據(jù)與真實(shí)采樣值[13]存在不匹配現(xiàn)象，則代表數(shù)據(jù)存在丟失現(xiàn)象，因此將數(shù)字脈沖信號(hào)分解成若干信息塊，將分解后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到保護(hù)節(jié)點(diǎn)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密[14]處理。然后將分解完成的數(shù)據(jù)塊向量進(jìn)行統(tǒng)一整理，以此與真實(shí)采樣值匹配[15]，由此獲得所有的電能信息采集終端采樣值，避免數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象發(fā)生，以此完成電能信息采集終端的軟件設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證此設(shè)計(jì)的信息采集終端的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)丟失量作為衡量面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電能信息采集終端有效性的衡量指標(biāo)。將傳統(tǒng)采集終端與此次設(shè)計(jì)的采集終端對(duì)比，對(duì)比兩個(gè)終端的數(shù)據(jù)丟失量。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)電能信息采集終端的測(cè)試需求，測(cè)試平臺(tái)需要的硬件設(shè)備，如表1所示。

在Keil MDK4.7.2環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際的測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

由用戶向電能信息采集終端發(fā)送短消息，用戶在實(shí)際過(guò)程中一般都通過(guò)發(fā)送短信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端，在數(shù)據(jù)采集終端接收到采集參數(shù)后，返回手機(jī)終端相應(yīng)信息。短消息發(fā)送內(nèi)容為set success，共有100個(gè)用戶向電能信息采集終端發(fā)送信息。將100名用戶隨機(jī)分為10組，信息發(fā)送內(nèi)容，如表2所示。

表1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)備

圖4 測(cè)試平臺(tái)

表2 實(shí)驗(yàn)信息

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

10組用戶發(fā)送的信息如表2所示，分別使用兩種電能信息采集終端采集信息，對(duì)比兩種終端的丟失信息量，如表3所示。

表3 丟失信息對(duì)比

由表3可知，傳統(tǒng)電能信息采集終端的數(shù)據(jù)丟失量基本為10條以上，而此次設(shè)計(jì)的采集終端丟失的數(shù)據(jù)量在5條以下。經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，傳統(tǒng)終端的最多數(shù)據(jù)丟失量比此次設(shè)計(jì)終端的數(shù)據(jù)丟失量多25條。因此通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明，此次設(shè)計(jì)的電能信息采集終端比傳統(tǒng)采集終端數(shù)據(jù)丟失情況上，證明了此次設(shè)計(jì)的終端的有效性。此次設(shè)計(jì)的電能信息采集終端數(shù)據(jù)丟失量少的原因是該終端應(yīng)用的微處理器具有較高的數(shù)據(jù)處理能力，計(jì)量芯片與通信模塊又能夠?yàn)榻K端提供計(jì)量功能與實(shí)時(shí)通信功能，同時(shí)在電能信息采集終端軟件設(shè)計(jì)中，為防止數(shù)據(jù)丟失，將采集到的信息分為信息流，與真實(shí)采樣值匹配，從而減少了數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生。

4 總結(jié)

從物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)出發(fā)，通過(guò)硬件與軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了電能信息采集終端，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此次設(shè)計(jì)的終端的可行性。此次設(shè)計(jì)的終端抗干擾性強(qiáng)、可靠性好，具有良好的應(yīng)用前景，可為電能產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一定的幫助。綜上，此次設(shè)計(jì)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)，但是此次設(shè)計(jì)的電能信息采集終端仍存在一定局限性，在數(shù)據(jù)采集時(shí)，沒(méi)有充分考慮數(shù)據(jù)的安全性，電能信息的安全性直接與電力行業(yè)相關(guān)部門(mén)與用戶的利益密切相關(guān)，因此，在下一步的研究中，重點(diǎn)研究數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸中的安全性。