基于OneNet平臺的電力負荷監測系統的研究*

公茂法，公鑫，張敏，接怡冰，滕文輝

（山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266510）

0 引 言

目前，文獻［1］和文獻［2］中提出的電力監測系統僅能現場監測，無法遠程監測；而文獻［3］和文獻［4］中提出的電力監測系統通過局域網實現了遠程監測，但是不能實現廣域網范圍內的監測；雖然文獻［5］中提出的電力監測系統實現了廣域網范圍內的遠程監測，但是需要定期維護服務器、支付服務器租金、運行維護成本較高。

針對上述存在的問題，在“互聯網+”、工業物聯網迅速發展的背景下，本文設計了一種基于中國移動物聯網開放平臺的電力負荷監測系統。

1 系統總體設計

電力負荷監測系統的總體結構由電力監測終端、OneNet平臺和監測中心三大部分組成（見圖1）。其中，電力監測終端負責對電力數據進行采集、分析和處理，對監測設備的位置信息進行采集，并將得到的數據通過WiFi上傳到OneNet平臺。OneNet平臺對接收的數據進行處理和存儲。監測中心采用B/S架構網絡管理模式，支持多用戶機制，用戶可以用計算機、平板或手機中的瀏覽器，通過網頁在任何時間、不受地域限制地對監測數據進行查看。

2 系統硬件設計

2.1 電力監測終端硬件結構

電力監測終端硬件結構圖如圖2所示，采用STM32F103ZET6芯片，工作頻率72 MHz，芯片內部集成了USART串口、SPI接口等功能，方便外部模塊直接調用。采用ATT7022B電能計量芯片完成相關電力信號的采集。GPS定位模塊完成對監測設備的定位。ESP8266 WiFi模塊將監測終端的信息通過無線網絡上傳至OneNet平臺。

圖1 電力監測系統總體結構圖Fig.1 General structure diagram of power monitoring system

圖2 電力監測終端硬件結構圖Fig.2 Terminal hardware structure diagram of power monitoring

2.2 電能計量電路設計

電能計量模塊的核心采用ATT7022B電能計量專用芯片。該芯片能夠測量基波、諧波等各種模式下的各相電流、電壓有效值、功率因數、頻率等參數，充分滿足本監測系統的需要［6］。電能計量電路原理圖如圖3所示，三相（A相）電壓信號采集電路中，本文使用電流型電壓互感器采集電壓信號，因此UA需先經過電阻R1變成2 mA電流信號，經過2mA/2mA電壓互感器T1、電阻R2變成ATT7022B量程范圍內的電壓信號，電路中電阻R3、R4和電容C1、C2對轉換后的電壓信號作濾波處理，最后接入ATT7022B電壓輸入通道V2P、V2N引腳端，由 ATT7022B完成各種電參數計算。三相（A相）電流信號采集電路設計原理與三相（A相）電壓采集電路原理類似，此處不再贅述。

圖3 電能計量電路原理圖Fig.3 Principle diagram of electricity metering circuit

3 系統軟件設計

3.1 電力監測終端的軟件設計

電力監測終端程序流程圖如圖4所示。電力監測終端開機后，首先完成系統時鐘初始化、各個模塊的I/O端口初始化等。其次，對監測設備進行GPS定位，并將定位后的數據放入寄存器中等待WiFi發送。接著，對 ATT7022B芯片進行校表。然后，ATT7022B芯片開始進行電力參數的采集。之后，STM32F103ZET6對WiFi模塊進行初始化，發送指令如下：

WiFi與 OneNet平臺之間的通信分為 EDP和RestFul API兩種方式，其中EDP方式基于TCP協議，EDP協議一般適合于數據的長連接上報、透傳、轉發、存儲及數據主動下發等場景；RestFul API基于HTTP協議和json數據格式，適合平臺資源管理、平臺與平臺之間數據對接、使用短連接上報終端數據及時間序列化數據存儲等場景［7］。本系統需要平臺下傳指令到監測終端，故采用EDP方式傳輸。WiFi模塊按照TCP協議與OneNet平臺之間建立連接，最后STM32F103ZET6微處理器通過WiFi模塊將數據上傳至OneNet平臺。

3.2 監測中心的軟件設計

監測中心軟件設計基于中國移動物聯網開放平臺。該平臺不僅提供高性能免費云端服務，而且適配各種網絡環境和協議類型，支持各類智能硬件的快速接入，能夠很好地實現服務器的所有功能，并且還能夠滿足監測網絡領域的協議適配、海量存儲和計算、數據安全及大數據分析等平臺級服務需求，為開發人員提供了很好的開發環境，大大降低了研發、運營和運維成本［8-9］。根據OneNet平臺提供的基本框架，創建一個網絡電力負荷監測項目，便可建立起對指定設備的電力參數進行實時遠程監測的監控顯示平臺。

OneNet平臺的資源管理層次結構圖如圖5所示［10］。在 OneNet平臺下有用戶、產品、設備、APIKey、設備應用、觸發器及數據流等組織結構。根據OneNet平臺的資源管理層次結構，在創建的網絡電力負荷監測項目下，添加一個電力監測終端設備和監測中心的應用。在電力終端設備中，添加需要監測的位置信息、電壓、電流等各種電力參數信息的數據流。在監測中心應用中創建各種數據流和下傳指令的顯示窗口、命令按鍵和操作說明等應用模塊。至此，便完成了電力監測儀監測中心的構建。

圖5 OneNet平臺的資源管理層次結構圖Fig.5 Resource management hierarchy structure diagram of the OneNet platform

4 實驗結果

4.1 軟件校表功能的驗證

將該電力負荷監測系統通過國內某公司生產的電能表檢定裝置進行軟件校表。校正結果圖如圖6所示，軟件校正值與芯片數據手冊相應計算結果一致，測量結果精確度滿足系統測量要求。

圖6 校正結果圖Fig.6 Calibration result chart

4.2 結果顯示與精度分析

4.2.1 實驗參數結果顯示

將該電力負荷監測系統放置在山東科技大學電氣自動化學院實驗室內的國內某公司生產的電能表檢定設備中進行實驗，實驗結果如圖7、圖8所示。

設備運行時的各項電力參數的顯示值（見圖7），GPS定位模塊成功的將設備位置定位到山東科技大學校園內（見圖8）。

圖7 電力參數結果顯示Fig.7 Results display of power parameters

圖8 設備位置信息顯示Fig.8 Location information display of equipment

4.2.2 實驗結果精確度分析

利用國內某公司生產的電能表檢定設備對電力監測儀輸出不同幅值的電流信號和電壓信號進行測量驗證，測試結果如表1、表2所示。

試驗結果表明（見表1、表2），通過多次對測試不同幅值的電壓和電流信號，各相電壓、電流相對誤差幅值均小于0.5%，即滿足電力監測技術指標中的電壓電流測量精度0.5級以內的指標要求。

表1 電壓測量結果與誤差分析Tab.1 Voltage measurement results and error analysis

表2 電流測量結果與誤差分析Tab.2 Current measurement results and error analysis

5 結束語

提出了一種基于OneNet平臺的電力負荷監測系統的設計方案，該方案結合遠程網絡電力監測的客觀需求，基于中移物聯網有限公司打造的OneNet開放平臺，很好地實現了電力數據準確、實時的采集和傳輸，系統所提供B/S架構的網絡管理模式能夠方便用戶隨時隨地了解設備運行情況。

隨著“互聯網+”時代的到來，未來基于這種開放物聯網平臺的電力負荷監測系統，將在電力參數監測領域發揮越來越重要的作用。