利用無線物聯網技術實現智能電力計量

牛倩楠 張建強 劉江田 閆峰 常剛

（國網山西省電力公司沁水縣供電公司，山西 晉城 048200）

智能電表采用數字化和信息化技術，能夠較為準確地對負載的電壓、電流等數據進行準確計量，具有安全性好、準確度高的優點。智能電表可在結合通信技術的前提下實現將計量數據傳送至遠程站點等功能，為電力計費、負載響應以及故障監測等電力應用提供了高質量的實時數據。因此，智能電表作為智能電網建設重要基礎設施，能夠促進電網建設的可負擔性并降低用電數據采集的成本。在低壓供電層面，供電公司面臨的問題除了低壓集抄外還有防止電力偷竊。

一、智能電表設計

（一）硬件設計

Arduino Mega 2560能夠以非常高的轉換率執行多項任務，因此本設計采用Arduino Mega 2560作為核心控制板。智能電表系統主要由Arduino Mega 2560控制板、LCD顯示模塊以及GSM模塊組成。其中GSM模塊被用于智能電表與遠程站點進行通信所用，每5秒向遠程站點發送更新讀數。設計中采用三端穩壓集成電路LM7805作為電源模塊的核心部件。LM7805使用的是TO-220封裝，內含過流和過載保護電路，通過安裝散熱片的方式能夠為智能電表控制板持續和穩定的輸出1A的電流。

（二）軟件設計

智能電表的軟件主要是進行電力偷竊檢測。低壓用戶電力偷竊的主要形式是阻止負載電流進入電表，導致電表無法準確計量所消耗電能。為了減少這種類型的電力偷竊，本設計使用兩個相同的霍爾電流互感器來測量和檢測離開和進入儀表的電流，即相線和中性線上電流，并將測量值饋送至微控制器對這兩個值進行比較。如果兩個值之間的差值超過閾值，則微控制器將其檢測為存在電力偷竊，則輸出控制信號將電源斷開，同時信號通過SMS發送給供電公司的遠程站點并顯示。

二、LoRa模塊組件

為了連接智能電表進行數據讀取和通信，本文采用了LoRa模塊。該模塊由兩個主要接口組件組成：一個微控制器和連接RF的LoRa模塊。該模塊可從電表和LoRa模網關中獲取相關信息?？梢詫⑽⒖刂破鲏K視為整個電路的核心模塊，因為它被編程為控制所有組件以執行所需的操作。在本文的研究中，ARMCor-tex微控制器與SemtechSX1272LoRa擴展板一起使用ArmMbedOS平臺進行編程。智能電表使用與電表串行端口兼容的串行轉換器設備與微控制器連接。類似地，LoRa模調制解調器使用接口連接器和電纜與微控制器連接到GPIO引腳。

三、系統實施和分析

實驗采用基于DLMS的智能電表，將其與基于微控制器的模塊連接，該模塊可以將智能電表參數傳輸到控制器并通過LoRaRF模塊傳輸?；A模塊通過接口模塊和串行端口連接與能量計連接。LoRa模塊可以通過串行通信設備從儀表讀取串行數據，然后使用OBIS代碼將其轉換為機器可讀值。儀表的初始設置包括配置波特率（9600B/s）和Rx、Tx引腳，以進行后續通信。通過Rx、Tx端口從微控制器接收的數據使用LoRa通信接口傳輸。微控制器需要通過發送obis請求與智能電表建立連接。在完成與智能電表通信連接后，向智能電表發送所需的OBIS代碼以獲取各種數據參數。從電表接收的值不是機器可讀格式，因為這些數據是按照DLMS協議中的規定進行編碼的。需要使用OBIS代碼參考模型將編碼數據轉換為可讀格式，然后將數據傳送到LoRa網關進行進一步處理。

此后，從LoRa塊接收的數據被傳送到LoRa網關，以便在云中上傳該數據。網關和模塊之間的距離配置為網關可以在4-5km的區域內處理10個以上的LoRa模塊，每個LoRa模塊可以連接至少10m。在網關上接收的數據被傳輸到云設置，并將它們放入預測模型中。然后將來自云的數據傳輸到兩個地方，首先進入電力公司控制中心，并將命令發送回微控制器，另一個提供給網頁或app以顯示給客戶。電力私有云能夠將數據轉換回LoRa模塊，以便根據分析進行激活。電力私有云還存儲從網關收集的數據，這些數據是可實時訪問和可用的。Web頁面與電力私有云連接，以從LoRa模網關獲取實時更新并顯示相同內容。Web頁面還顯示了對存儲數據運行的預測模型的結果。這些結果有助于消費者追蹤他們的使用情況，并對設備進行有限的控制。Web門戶的管理部分由電力公司控制中心操作。

總結：本文的研究可以將電力計量數據移動到云進行存儲，并生成特定于消費者的推薦。電壓、電流頻率，功率因數和功耗等智能電能表參數可以通過Web頁面直接訪問，也可以通過移動應用程序定向到終端電力用戶手機，用于決策、控制或實時了解用電信息使用。本文所提出方案可以在實時環境中輕松擴展，為客戶和電力公司提供利用智能電表的無線接入和數據管理解決方案。