利用無線嵌入式物聯網技術實現智能電力計量

劉 巖，徐俊杰，周 宇，孟 宇，楊永標

(1 國網冀北電力有限公司電力科學研究院， 北京 100053；2 國電南瑞南京控制系統有限公司， 南京 211106；3 東南大學電氣工程學院， 南京 210096)

1 背景

目前，我國經濟建設正處于高速發展階段，國家電網提出了關于全面推進智能電力計量體系建設的意見，推動全國統一電力市場建設、電力工業創新型發展，實現電力強國[1]。

物聯網作為新一代信息技術的重要組成部分，不僅可以通過物物相連和人物相連實現信息交換，還能連接物品網，實現遠程控制的功能。嵌入式是一種綜合利用了計算機技術、電子應用技術、集成電路技術以及傳感器技術的綜合性技術，在物聯網中起到了重要的作用。隨著信息技術的不斷發展以及人們對生活質量要求的不斷提高，業務能力和應用創新性成為物聯網發展的核心。利用物聯網技術實現智能電力計量是以用戶體驗為核心的關鍵性改革。我國技術研究人員對于物聯網技術應用方面的研究較晚，目前承擔的項目包括智能用電、智能家居、高壓電力檢測和無線抄表等8～10項。除此之外，國家電網承擔了多項相關的國家973計劃、國家科技重大專項等項目，其中包括“面向智能電網的傳感器網絡研發與應用驗證”“物聯網在各行業中的應用-智能電網”等[2]。在“十二五”期間，國家電網基于物聯網的智能電網應用中投入資金已達1 000億元左右，智能網的建設進度加快。截至2010年，我國已經在九家電力公司試運行了輸變電設備狀態監測系統，8個試點工程建成投產了智能變電站。基于物聯網技術的智能電動汽車充換電建設在全國多數地區進行了探索性應用，取得了良好的成效[3]。

基于無線嵌入式物聯網技術實現智能電力計量是利于民生的重要應用，但是由于我國對于這方面的研究仍處于一個起步的階段，對于具體的技術還沒有進行更深入的研究，因此其發展面臨很大的挑戰。其中一個問題是我國目前還沒有形成統一的標準化體系，這在很大程度上限制了技術的發展和產品的規模化應用。另一個亟待解決的問題在于我國研發人員尚未建立起擁有我國自主產權的核心技術體系，使得本國產業在國際競爭中處于劣勢，不利于實現可持續發展的目標。另外，我國物聯網技術的發展水平尚沒有能力解決可能存在的一系列安全性問題，而電力行業作為我國普及性、基礎性的行業，發展的重要前提是維持電力的安全[4]。

2 理論基礎

2.1 新型電能計量芯片介紹(HLW8112)

HLW8112可以測量更全面的電能參數，包括漏電保護、過載保護、免校準、過零檢測、二通道檢測、智慧用電等多功能，精度更高。對于家電長期使用可能造成的漏電現象，HLW8112芯片在單通道基礎上額外增加一路電流，用來檢測設備漏電狀況。對于家電使用不當或者器件老化造成的工作電壓電流超負荷情況，HLW8112芯片內部設置了電流、電壓、功率額定最大值，檢測到過載異常時，該芯片會對相應設備進行更新指示。HLW8112芯片自身測量誤差可以控制在2%以內，節省了設備、人工以及時間成本。HLW8112芯片具有電流、電壓信號過零檢測功能和通道測量功能，1個計量模塊可以實現2個插孔的測量。HLW8112芯片還可以測量電壓驟降、峰值、相角、線頻率、功率因素等電能參數，建立完整的智能電力計量系統。HLW8112芯片性能參數如圖1所示，其特點是兩路電流采樣通道并行使用，一路通道用以檢測用電設備是否擁有完備的檢漏電功能，另一路通道檢測用電設備的用電量、功率以及過載判斷。

圖1 HLW8112芯片性能參數

2.2系統整體方案介紹

電能是有功功率隨著時間的積累，是電做的功，即產生能量的能力，而P=U×I，因此電力的計量可以通過對電壓電流進行積分運算得到。各相的有功功率通過對去直流分量后的電流信號和電壓信號進行數學化等處理后能得到總的有功功率。由采樣定理可知，系統采集到的電流和電壓會包含2到21次的諧波數據信息[5]，因此：

(1)

式中：n是相數；U(k)是電壓；I(k)是電流。

對于無功功率的計量與此類似，只是對于電壓信號進行了90°的相位移向。相角、視在功率、功率因數等的測量是基于有功功率和無功功率，利用乘、除以及開方等運算計算得到的。有效值是利用電流和電壓采樣值，在這些數據上采用開方運算、平方運算以及數字濾波等得到的。功率信號對時間進行積分得到電能量，運算公式如下所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

按照美國的制裁規則，“過渡期”后新發生的違反制裁政策的業務會受到美國制裁。但對于正在運行的項目，美國制裁政策并沒有要求徹底退出，而只是要求不得采取超出上述制裁規則所允許限額的諸如購買原油、提供技術和資金支持等行為。特朗普政府在對伊朗制裁政策方面存在著極大不確定性，從商業角度來看，暫停伊朗業務并保留基本的業務存在，不失為一種既不違反美國制裁規則又保留未來商業可能性的做法。但項目是否真正暫停，還需要咨詢專業的制裁律師，并根據項目情況、合同條款以及伊朗方面態度進行綜合判斷分析。

(6)

(7)

式中：Irms是電流有效值；Urms是電壓有效值；P是有功平均功率；PF是功率因數；Ep是有功能量；Eq是無功能量；t是瞬時時間；T是總時間；u(t)是瞬時電壓；i(t)是瞬時電流。功率P可表示如下：

u(tk)i(tk)+…+u(tn)i(tn)]=

(8)

令Δt=tk-tk-1，得到周期T內的有功電能量的采樣數值W為

(9)

當采樣間隔Δt→0時，式(9)可以寫為

(10)

因此，可以得到：

(11)

(12)

圖2是該嵌入式開發的電路設計，既能檢測負載的功率、用電量、電壓和電流等，又能進行漏電檢測。智能電力計量系統對用電設備的狀態、能耗進行智能監測與控制，從而掌握更加詳細的用戶負荷情況和用電規律，自動設計優化用電方案，達到智能化管理[6]。該電路檢測到的數據通過UART或SPI接口傳輸到MCU，并顯示異常狀態。當負載設備漏電時，會通過INT2及時切掉電源進行保護。

圖2 開發電路設計

3 系統設計與實現

物聯網系統的控制、監控、數據處理等操作利用嵌入式技術實現。嵌入式系統對于理解物聯網本質有重要的作用，物聯網可以稱之為嵌入式產品的網絡化。微處理器的發展為計算機信息處理技術提供了歸一化的智能內核，另外，物聯網本身的智能性可以滿足不同用戶的需求，進而探索新的應用領域[7]。物聯網是提高不同行業核心競爭力，促進經濟發展方式進行轉變的推動力量，具有感知全面、傳遞可靠、控制智能化和數融合性等特點。

智能電力計量系統是一個利用終端傳感器整體提高電網的綜合效率的系統，主要在用電用戶之間、以及用電用戶和電網公司之間形成聯網互動，增加聯系的便捷性，提高工作和生活質量，具有高安全性、高效率和高電能質量的特點。智能電力系統能實現數據的高速、雙向互聯，實現用電用戶和電網公司的信息共享，促進交流方便自由[8]。信息采集的無損性、傳輸的流暢性、應用的有序性和信息的高效利用，對于電網系統的智能化決策水平起到了很大的作用，能提高電力系統的有效性、經濟性和安全性。在智能電網系統中，能源代替和兼容利用是其本質，而構建能進行自適應調節、實時采集和監控客戶的用電信息能最大化利用電能，對其進行最優化配置，同時還能提高國家和電網公司對用電用戶的管理[9]。

圖3 智能電力系統平臺功能模塊

物聯網作為一種高效的信息傳輸工具，可以通過對傳感器節點處采集的數據進行存儲和處理，每個節點的作用相當于具有高效計算、處理能力的云計算信息加工廠[10]。智能電力系統的功能模塊如圖3所示。從技術角度分析，智能電網的網絡功能仍然在于數據采集、數據傳輸以及數據處理。智能電網與物聯網的結合全方位提高了智能電網每一個環節的信息感知廣度以及深度，更極大提高了數據處理的能力與效率[11]。智能電力計量系統是智能電網的重要組成部分，本文針對物聯網應用的特性，應用無線嵌入式技術，給出了能實現智能電力計量的系統技術方案，實現了基于無線嵌入式的物聯網架構和電力采集和計量終端平臺的設計，并給出了該智能電力計量系統的整體方案說明。智能網關支持TCP/IP協議、PLC協議，采用HLW8112為控制核心，實現TCP/IP協議棧與PCL協議棧之間的轉換，在不同網絡中實現數據互通，智能網關硬件原理見圖4。管理系統軟件具有3層模式，自上而下分別是上位機管理程序、網關控制程序和控制終端程序3個部分，這3部分程序功能上互相協作，邏輯上互相獨立，系統軟件原理見圖5。

圖4 智能網絡硬件原理圖

圖5 系統軟件原理

由圖5可知，上位機部分由3個模塊組成，分別是監控系統、數據庫和同步程序，分別實現了監控終端系統、保存并更新傳輸數據、同步數據庫的作用。智能網關控制器部分采用多線程的方式，其中主線程監視RJ45的下載數據，另外3個監視線程分別監視GPRS下載線程、PLC Modem上報線采集器，可以記錄用戶實時用電情況，并保存數據進行規律探尋，利用現有電壓輸電線路，以GPRS作為通信載體，制定合理的用電方案，達到技術節能、減少企業和用戶時間的目的，實現大范圍的集中管理。現場終端部分進行消息的轉發，在施工過程中該部分已經開始向組網發送消息，并將消息路徑作為該終端的路由過程。

4 性能評估

為了更好地對上述智能計量系統進行狀態監測，利用計量設備的計量特性進行分析。計量系統的穩定性好，供電可靠性好，電能利用率高，自動化和數字化水平高，可以實時監控接入設備，從而進行遠程操作，掌握其工作狀態和運行情況。該無線嵌入式物聯網技術下的智能電力計量系統可以實現同步監控、安全穩定、精確感知、搭建靈活、精準操作、使用便捷、精細管理，過程跟蹤、效果評估和易于維護等功能[12]。除此之外，該系統還能從以下性能方面進行評估：

1) 能耗低。我國電力網電能損耗管理規定指出，電力網電能損耗率是國家考核電力部門的重要指標，本文所提出的利用無線嵌入式物聯網技術實現對智能電力的計量系統符合國家規定的條件，電能表合格率、校驗率、故障率等都符合考核標準。

2) 準確率/精度。假設擁有m個樣本個體，那么該樣本的錯誤率為

(13)

即測試中不準確計量數占總計量數的個數。其中f(xi)為統計分類器預測出來的結果，yi為真實結果，即1-e。測驗表明，該計量系統精度達到99.5%以上，電表故障率遠小于1%，檢驗率達到100%。

3) 可靠性。該智能電力計量系統具有良好的電網基礎體系和技術支撐體系，不僅可以防御外部干擾，還可以接入清潔能源和可再生能源，實現節能減排，降低損耗。通過將多種現代化信息技術(比如傳感器技術等)與電網基礎設施相融合，可以對系統進行個性化管理，及時發現故障并檢修。

5 結束語

隨著無線電力影響力的擴大，物聯網將改變大眾的生活運作方式。隨著物聯網和大數據的飛速發展，智能化生活對數據的需求必將越來越大。智能交互終端作為未來家庭實現智能化用戶服務的重要終端設備，可以通過無線互聯的方式，利用先進的通信技術，對家庭所有用電設備統一監控管理，還能對家庭用電信息、電能質量、供電規律等數據進行采集和分析，指導用戶合理用電，調節電網峰谷負荷，節省國家電力資源和用戶電費，實現電網與用戶之間智能用電。同時，還能給國家個社會帶來良好的經濟效益，智能用電已經成為電網發展和社會進步的必然趨勢。通過實驗驗證，本文設計的智能電力計量系統，數據采集的準確性高、數據傳輸的可靠性強、電力計量與系統管理方面性能表現優異，對于構建基于嵌入式物聯網的智能電力管理系統有普遍的現實指導意義。