智慧用能一體化量測終端的設計

摘 要：本文針對當前在智慧用能設備的量測方面，存在采集計量節點分散、數據采集頻度低、通信信道單一、采集設備組網速度慢等問題，提出采用多模混合組網通信方式的一種智慧用能一體化量測采集系統方案，并詳細闡述了面向多種業務需求的智慧用能測控終端的軟、硬件設計。

關鍵詞：智慧用能;一體化量測;用能測控終端

目前，在國家電力體制改革、能源互聯網建設等宏觀形勢影響下，存在著水利發電、風電、光伏、儲能設施等多種新能源，對各類用能設備的能耗數據和運行數據進行采集、監測和感知，并最終實現綜合調控，將有助于降低不必要的能源消耗，實現能源有序管理，提高能源利用率。然而，在用能設備的智慧量測方面，存在采集計量節點分散、數據采集頻度低、通信信道單一、采集設備組網速度慢等問題，因此，需要對智慧用能一體化量測采集系統進行研究，以滿足智慧用能服務體系的建設，實現能源量測數據匯聚與共享，協同優化調控管理。

智慧用能一體化量測系統在本質上是對用戶用能信息的智能化采集、處理及應用，通過用能測控終端并借助光纖、230MHz無線專網、4G無線通信、HPLC、微功率無線等通信技術實現用能管理主站與用戶的信息互通，在系統末端設備中引入邊緣計算信息處理技術，實現用戶能量管理，并運用信息集成接口將采集處理后的分類數據與其他公共事業等社會化服務平臺共享。本文提出一種智慧用能一體化量測采集系統方案，并詳細闡述了面向多種電力業務需求的智慧用能測控終端的軟、硬件設計。

1 總體架構

將智慧用能量測系統所涉及到的業務邏輯封裝到智能服務中，系統采用四層架構設計，主要分為主站層、通信層、終端層和設備層。主站層是整個量測系統統的控制中樞，負責對現場的終端設備進行參數設置、控制命令下發、數據召測采集及云端大數據統計分析;通信層用于連接主站層和終端層，承擔上傳下達的信息高速傳輸橋梁，主要采用4G無線通信、光纖、230MHz無線數傳電臺專網通信等方式;終端層主要實現對下行設備層各類傳感器及專用計量設備等數據的采集，并能夠作為與遠端主站層數據通信的信息網關，同時，可利用本地算法完成邊緣計算功能;設備層主要指系統末端的智能儀表、電動汽車充電樁、分布式電站的匯流箱、逆變器、家庭智能插座、智能家居電器、港口岸電樁、岸電箱等各類設備。

系統設備層面的物理架構以用電信息采集系統為基礎，在配變臺區側安裝智慧用能測控終端，在配變低壓側出線開關或中間分支箱安裝分支箱監測單元，在表箱內安裝表箱監測單元，用戶內安裝智能插座或能量采集單元，在新能源裝置側安裝能量采集單元，現場采用多模混合組網通信方式，實現各類用電設備的泛在連接和信息感知，并實現多個主站的同時接入。

2 硬件設計

按照模塊化、標準化的思想進行終端硬件設計，以處理顯示模塊為控制核心，以USB作為內部工作總線，橋接終端各擴展模塊及部件。終端硬件原理框圖如圖2所示。

（1）處理顯示模塊：由主控MPU單元、看門狗、實時時鐘、以太網PHY芯片、電源管理、LCD、安全加密單元等構成;其中主控MPU單元是硬件系統的核心，它主要由CPU、DDR3 RAM、NAND FLASH等電路組成;備用電源采用電池和超級電容并存方式，電池可更換，超級電容不需要更換。

（2）電源交采模塊：模塊化方式存在于終端內部，主要實現三相交流采樣及外部交流電源輸入轉換處理，從而為整個終端提供直流工作電源。終端交流采樣電路部分與電源模塊集成在一起，交采模塊可直接安裝在終端底殼，輸入信號采用導線方式固定在終端強電接線端子處，無需焊接，方便更換;交采模塊配置三相電能計量芯片、MCU、E2PROM（校表參數存儲），通過校檢表臺體，可完成獨立校驗;電壓、電流等交流模擬量通過CT、PT做好隔離和安全防護。

（3）功能模組：主要包括本地通信模塊、遙信采集模塊、MBUS通信模塊、RS-485通信模塊、4G通信模塊、CAN通信模塊等。接口型式及管腳定義統一，在一定范圍內，位置可互換，采用USB總線接口作為通信接口。

3 軟件設計

3.1 軟件框架

為實現海量數據處理與分析應用，智慧用能一體化量測終端采用Linux操作系統，按照模塊化、標準化思想，既實現了軟件層面的統一，又實現了硬件層面的個性化，同時完成用戶用能一體化量測的業務功能，如抄表、通信、安全等。在文件系統基礎上通過基礎業務接口的方式提供業務相關的功能。業務模塊都是一些基礎的、原子的業務，可以分為以下幾類：

（1）設備驅動類接口：網絡操作、串口操作、文件操作、共享緩沖區操作等;

（2）儲存操作接口：EEPROM操作、數據庫接口、XML文件操作、日志記錄操作等;

（3）基礎業務接口：表計驅動、通信管理程序（以太網、GPRS、CDMA、4G等）、安全加密驅動等。

基于面向對象方法設計應用軟件框架，用于一體化量測終端各模塊中的軟件均符合該框架，滿足新模塊即插即用要求。終端應用軟件通過使用操作系統提供的“基本接口”和“通用基礎業務接口”實現。

終端軟件分為兩大部分：終端本體程序和各模組程序。終端本體程序設計按照面向接口編程的思路，規定了每個業務APP的啟動方式、輸入、輸出功能。其中，包括交采模組在內的各種模組由于硬件平臺相同，且軟件相似性很高，因此編寫程序時，所有模組軟件均在同一工程下進行開發，通過預編譯、宏定義等方式進行功能區分，便于修改、維護。以顯示模塊為例，它僅作為應用軟件App的一個子模塊來運行，要實現顯示模塊的所有功能，需要由若干業務模塊共同協作完成。為了簡化程序實現難度，將常用業務功能模塊剝離出來構成基礎功能APP進程，高級應用APP可以通過進程間通信接口與基礎APP之間進行交互。如圖3所示，為終端軟件功能總體框架。

3.2 軟件功能設計

用能一體化量測終端軟件主要功能如下：

（1）PLC、4G、以太網、CAN總線、RS485總線、藍牙等多種通信信道及網絡通訊狀態的管理。

（2）終端同時接入多個主站連接管理，支持主站的參數下發、任務執行，召測數據等操作。

（3）各級節點分鐘級能量數據同步采集、臺區各分段線路阻抗數據采集;用戶日凍結、月凍結、曲線能量數據采集。

（4）事件上報：臺區下任一節點停電事件、臺區下各級開關分合閘狀態、計量異常事件實時主動上報。

（5）時鐘管理：測控終端自身對時管理，臺區下分支箱、表箱監測單元的時鐘同步管理。

（6）臺區完整供電路徑物理拓撲識別功能。

（7）配變監測的功能：變壓器狀態數據采集、低壓開關位置信息采集、分布式電源信息采集、智能充電樁接入管理、港口岸電設備接入管理等。

3.3 功能模組通信流程設計

所有終端功能在終端內部為組合關系，大多數情況下，他們通過數據庫訪問層來進行業務耦合，而對于單個功能模塊的功能是完全獨立的，很顯然，這種獨立是不包含業務的鏈式關系的，例如，鏈路管理APP只用于鏈路管理，至于鏈路上的數據內容由規約APP進行處理，如果沒有下載規約app至終端內，鏈路管理APP只是找不到鏈式關系，并不影響其自身的正常運行。

終端上電后，由shell腳本啟動守護進程，再由守護進程啟動終端管理進程，終端管理進程創建4個線程，分別是模組維護與啟動線程、模組運行心跳監控線程、模組IPC消息接收線程及模組IPC消息發送線程。模組注冊與信息傳遞軟件流程如圖4所示，當功能模組被插入終端硬件本體上的USB槽位后，終端軟件T-LANUCH線程檢測到后，自動向內核注冊，并由T-LANUCH線程喚醒相應的業務進程;同時，相應的業務進程和模組MCU通信，統一由T-POOL_R和T-POOL_S線程進行集中轉發。最后，由T-HEART線程對每個運行的APP進行心跳監控，以保證線程處于正常狀態。

4 結語

本文重點介紹智慧用能一體化量測采集終端的硬件、軟件設計，在終端軟、硬件方面深入貫徹模組化理念，實現模組即插即用、模塊自動識別、檔案信息自動同步、臺區智能識別、遠程安全升級等業務功能。用能一體化量測終端通過運用高頻采集的用能數據，能夠在終端側實現臺區網絡拓撲自識別、分段分相線損計算、電能表相位識別、停電范圍研判、三相不平衡治理等邊緣計算分析能力;進一步支撐電力體制改革、能源互聯網等宏觀形勢下，家庭智慧用電、公共事業數據采集、智慧農業數據采集等業務的開展。

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作者簡介：李振國（1979-），男，高級工程師，從事電力系統嵌入式產品開發及研發團隊管理工作。