配電網安全經濟運行的無線監測終端設計

李思如 陳玉杰 陳江波 姜寶華 公 鑫

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配電網安全經濟運行的無線監測終端設計

李思如1陳玉杰2陳江波2姜寶華2公 鑫1

（1. 山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島 266590； 2. 青島黃海學院，山東青島 266427）

為提高電能采集的精確度，確保配電系統的安全經濟運行，本文設計了一款改進型電力監測終端。采用三相多功能高精度計量芯片ADE7880采集多種模式下的電能信息，通過GPRS-DTU模塊與用電管理中心服務器進行數據的雙向通信，并對TEA通信加密算法進行改進，確保了系統通信數據的安全性。通過實際測試，將采集到的不同模式下的電流、電壓、諧波、功率等電力參數通過無線終端上傳到用電管理中心服務器，其精度已滿足配電網安全經濟運行的要求。

ADE7880；配電網；TEA；安全經濟運行；監測終端

隨著科技的發展，人類對電力能源的需求量越來越大，因此對配電網電能信息的監測精度提出了更高的要求[1]。另外，了解具體的負載和電網質量信息，對保障電力系統安全經濟運行和電網質量惡化造成不必要的損失具有重要意義[2]。

文獻[1]采用三相高精度計量芯片ADE7878測量電力參數[3]，雖然確保了電壓、電流、功率的精確度，但是沒有監測諧波的相關參數，而本設計選取的ADE7880芯片進一步引入了全新的諧波測量引擎，可以同時給出基波以及諧波相關測量值。文獻[2]將GSM作為系統的通信方式[4]，采用電路交換模式傳輸數據，用戶即使不傳送數據也獨自占有無線通道浪費了大量資源，而本文設計的GPRS-DTU模塊采用分組交換傳輸模式，用戶只有在傳輸數據期間才占用資源，從而提高資源的利用率，并且通信時將數據量作為計費依據，降低了通信費用，能夠實現配電網的安全經濟運行[5]。

1　監測終端的系統組成及功能簡介

本設計主要由單片機STM32F103ZET6、前端采樣及濾波電路、三相多功能計量芯片ADE7880、GPRS-DTU模塊、LCD觸摸屏等組成，如圖1所示。

STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，作為本系統的控制核心，搭載高運行效率的多任務管理系統mC/OS-Ⅲ[6]，并在此平臺上建立GUI界面通過LCD觸摸屏顯示出來，使人機界面更加友好。ADE7880是由美國ADI公司推出的高精度三相多功能計量IC，采用串行接口通信，其性能結構逾越了工業上對電能計量0.2S級別的精度和動態范圍的要求。此外，ADE7880可以計算所有相別的諧波畸變和總諧波失真（THD），還可以分析任意次諧波，對每次諧波的計算準確度限制在0.1%之內。通過GPRS-DTU模塊完成將采集到的三相電壓、負載電流、電壓電流諧波等電力參數傳輸給用電管理中心服務器[7]。

2　監測終端的硬件設計

2.1前端采樣及濾波電路設計

前端采樣電路位于硬件系統的最前端，必須按照設計標準規范嚴格設計[8]。前端采樣及濾波電路將配電網一次側的電壓電流信號轉換為電壓信號，然后通過接口傳輸到ADE7880中，實現抗混疊濾波的功能。圖2、圖3為前端采樣及濾波電路[9]，1、2、3、4為磁珠，可抑制信號線上的高頻噪聲和尖峰干擾。由4、4和10、10構成的抗混疊濾波器實現高精度采樣。1、2為22kW/3W的金屬膜電阻，T2是1∶1的電壓互感器，具有很好的隔離效果。該電路具有外圍電路簡單，精度高等優點。

2.2ADE7880最小系統

ADE7880內部有4個電流通道和3個電壓通道。其中，電流通道的4對差分電壓輸入分別為IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN；INP，INN。其最大的差分信號電壓范圍為±0.5V。電壓通道為單端輸入：VAP，VBP及VCP。此外ADE7880還提供3種串行通信口（I2C接口、SPI接口以及HSDC接口）以及系統校準功能。ADE7880的電源模式見表1，由PM0和PM1的引腳狀態決定模式的不同，其原理圖如圖4所示。

表1 電源模式

2.3GPRS-DTU模塊

本系統通信單元采用濟南有人物聯網技術有限公司生產的型號為USR-GPRS232-700的GPRS- DTU模塊。該模塊不僅同時支持數據透明傳輸模式和AT指令模式，而且還支持透明傳輸和AT指令模式在線切換，可以在不斷電、不重起的情況下切換兩種狀態，只需向串口發送“+++”，如果3s內返回“a”，就表示切換成功。GPRS芯片采用SIMCOM公司生產的SIM900A芯片，其主要部件有基帶引擎、射頻電路、存儲器、SIM卡接口、串口以及一些外圍電路。該芯片內部封裝了TCP/IP協議棧以及PPP撥號協議，具有TCP/IP數據通信以及GPRS撥號上網功能，可直接與Internet網絡連接[10]。單片機通過RS232串口發送AT命令給SIM900A，從而實現對SIM900A的控制。GPRS的基本原理圖如圖5所示。

圖5 GPRS的基本原理圖

3　監測終端的軟件設計

3.1 ADE7880的初始化

軟件部分首先應該完成單片機對ADE7880的驅動，然后完成對配電網電力參數的讀取、處理及通信模塊的設計。由于MCU會將ADE7880的PM0和PM1引腳保持為高電平，所以ADE7880始終在休眠模式（PSM3）中執行上電。然后，MCU分別通過將PM0置為高電平、PM1置為低電平使ADE7880進入正常模式（PSM0）[11]。圖6為ADE7880的初始化流程圖。

圖6 ADE7880初始化流程圖

3.2 TEA通信加密算法的改進

數據在傳輸過程中有可能受到網絡攻擊，嚴重影響配電網經濟運行，因此本文引入TEA加密算 法[12]，并在該算法中加入交織算法確保數據的安全性。TEA算法包括加密和解密兩個過程。首先使用128位的密鑰對64位（8個字節）的數據明文加密，進而產生一個64位的密文。循環加密的次數越多，加密強度越大，本文將該算法的迭代次數定義為16次，該條件下，TEA就具有較強的抗暴力破解和抗差分攻擊能力。在加密過程中，64位明文被分兩部分，128位密鑰被分為四部分。其中來源于黃金分割率的加密算子delta計算，即

加密過程運用的所有運算都是可逆的，解密過程與加密過程相反。

為防止128位密鑰泄露后通信加密信息被輕易破解，在TEA算法中加入交織算法。交織算法是將數據明文進行分組，每組為8個字節，將第一組明文與8字節的初始向量進行異或運算，并對運算結果進行TEA加密產生第一組密文；第一組密文與第二組明文進行倒序異或運算后產生新的第二組明文，然后對第二組明文進行TEA加密，按上述步驟循環到最后一組。其中初始向量為用戶自定義的8字節常數。在密鑰失竊的情況下，改進型TEA算法比TEA算法的破解難度大，增強了通信信息的安全性。圖7為改進型的TEA算法示意圖，每個小方塊表示1字節，8字節為一組明文。

4　終端的實驗測試結果與分析

本設計通過監測終端對電壓、電流和電壓電流諧波進行了實際測試，測試結果見表2至表5。其中表2、表3給出了A、C兩相的電壓電流測試數據。

通過對實驗測試數據的分析，電壓的測量誤差小于0.08%；電流的測量誤差小于0.09%；電壓諧波的測量誤差小于0.484%；電流諧波的測量誤差小于0.546%，結果顯示ADE7880在測量精度上具有巨大優勢。

表2 電壓測試數據

表3 電流測試數據

表4 含量為5%的電壓諧波

表5 含量為5%的電流諧波

5 結論

本設計利用計量芯片ADE7880能夠準確全面監測電力參數，通過不同的模式轉換降低功率損耗，并且采用GPRS-DTU模塊能夠高效率地將數據儲存和下載。引入TEA加密算法并對其改進，確保了配電網通信數據信息的安全性。通過對監測終端的實驗測試，測量基本誤差能夠滿足監測終端對配電網電能信息測量精度的要求。該終端對實現配電系統的安全經濟運行具有重要價值。

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Design of Wireless Monitoring Terminal for Safe and Economic Operation of Distribution Network

Li Siru1Chen Yujie2Chen Jiangbo2Jiang Baohua2Gong Xin1

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shangdong266590; 2. Qingdao Huanghai University, Qingdao, Shangdong266427)

In order to improve the accuracy of electric energy acquisition and to ensure the safe and economical operation of distribution system, an improved power monitoring terminal is designed.Three phase multi-function high-precision measurement chip ADE7880 acquire electric power information under various modes. Bidirectional communication between data is finished from the GPRS-DTU module and a power management center server and improve the TEA communication encryption algorithm to ensure the security of the system communication data. Through the actual test, the current, voltage, harmonic, power and other power parameters in different modes are uploaded to the power management center server through the wireless terminal. Its accuracy has reached the requirements of the safety and economic operation of the distribution network.

ADE7880; distribution network; TEA; safe and economic operation; monitoring terminal

山東省自然科學基金項目（ZR2012EEM021）

李思如（1993-），女，山東省棗莊人，碩士研究生，從事電力系統自動化方面的研究。