基于HLW8112的非侵入式電力負荷監測裝置

周 曉,李永清,謝路耀

(浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023)

智能用電作為智能電網的重要組成部分，其關鍵在于電網與用戶間信息流和能量流的靈活互動[1]。負荷監測作為智能用電的關鍵環節[2]，通過實時采集用戶用電數據完成電力負荷能耗的監測，為用戶提供詳細的用電信息。用戶了解各負荷用電信息后，可合理分配負荷的使用時間及用電量來達到節能的效果；電力公司了解用戶側的負荷組成后，可進一步優化電網的規劃和運營來推動智能電網的發展[3]。

電力負荷的監測從數據的獲取方式上可分為侵入式和非侵入式[4-5]。前者需給每一個負荷安裝監測裝置來實時采集負荷信息，數據精確，有助于負荷信息的細化，然而，該方式需要大量的監測裝置，在采購、安裝、維護時都會消耗大量成本。后者只需在電力供給入口端安裝一個監測裝置，就能實時采集用戶總負荷能耗，通過負荷識別算法對負荷類型細化，分別計算各負荷的用電量，最終完成總負荷能耗的分類計量，該方式成本低、安裝維護簡單，適合電力負荷實時在線監測[6]。近年來，很多學者都針對后者開展了大量研究。文獻[7]采用NIUSB-6002數據采集卡，并設計對電壓、電流采集信號進行降壓處理的前端信號調理電路，以達到負荷在線監測的目的。文獻[8]采用NI公司的NI6008搭配主要由型號為QNENG QBV200A02的電壓互感器和Chahua CSM100AP的電流互感器組成的負荷數據采集電路，以1 kHz的采樣頻率實現負荷監測。文獻[9]利用電壓、電流互感器及ATT7022C電能計量芯片組成電能計量模塊等，以S3C2440A處理器作為主控芯片，并結合其它輔助模塊完成負荷監測。上述負荷數據采集方案中，大多采用易受磁場干擾的互感器來采集負荷數據，并且利用高成本的數據采集卡來處理數據。筆者提出一種低成本高精度的基于HLW8112的非侵入式負荷監測裝置設計方案，通過采樣電阻和HLW8112電能計量芯片來采集負荷數據，選用高使用率的STM32芯片作為微處理器來處理數據，并通過WiFi將負荷數據上傳至云平臺，最終實現負荷的在線實時監測。

1 總體方案設計

本裝置主要分為數據采集模塊、電源模塊、主控模塊和通信模塊，總體設計框圖如圖1所示。數據采集模塊的設計作為研究的重點，其采集數據的精度和輸出數據的種類直接影響本裝置性能，因此選用不受磁場干擾的采樣電阻來采集負荷電信號，選用新型單相電能計量芯片HLW8112來轉換電信號。電源模塊作為本裝置工作的基礎，其穩壓程度直接影響裝置工作狀態，因此選用具有效率高、穩定性好、體積小等特點的開關電源芯片來轉換電壓。主控模塊作為本裝置的核心，其調試、維護難度直接影響裝置的工程應用價值，因此選用高使用率的STM32F103微處理器來處理數據采集模塊輸出的數據。為實現負荷的遠程在線實時監測，本裝置選用通信模塊將負荷數據上傳至OneNET云平臺(中國移動物聯網開放平臺)。

圖1 裝置總體設計框圖Fig.1 The overall design block diagram of the device

本裝置的總體工作流程是：在電力供給入口端安裝負荷監測裝置，電源模塊給各模塊提供工作電壓，負荷的總電壓、總電流經數據采集模塊的高精密電阻轉換為電信號，HLW8112將電信號轉換為電壓、電流有效值等負荷數據并存儲在相應寄存器內，主控模塊將負荷數據計算處理為電力負荷特性值，通信模塊將負荷特性值上傳至OneNET平臺，用戶通過PC端或移動端的瀏覽器登錄OneNET云平臺實現電力負荷的遠程在線實時監測。

2 模塊設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊電路原理圖如圖2所示，主要由HLW8112電能計量芯片和采樣電阻等器件組成。HLW8112是深圳合力為科技有限公司新推出的一款高精度單相電能計量芯片，內置了晶振和參考電源，只需要設計簡單的外圍電路和編寫簡單的軟件代碼，主控模塊就可以讀取芯片寄存器內的負荷數據，且在1 000∶1的動態范圍內，有效電流和有效電壓的測量誤差<1%，可實現高精度采集。模塊選用具有溫度特性好、成本低、精度高等特點的1 mΩ銅錳電阻和200 kΩ合金電阻作為采樣電阻，對電網中的電壓、電流進行采集并轉換為電信號，經HLW8112芯片內部的ADC，DIGITAL FILTER，DSP等處理后，電信號以數字量的形式存儲在芯片寄存器中。

圖2 數據采集模塊原理圖Fig.2 The schematic diagram of data acquisition module

HLW8112芯片引腳16腳接電源模塊提供的3.3 V工作電壓，為使芯片電壓穩定，在電源處并聯一個0.1 μF的濾波電容。工作中為避免芯片電壓浮空而燒壞，將電路中的GND和電網的零線作為同一個參考點。根據電功率定義：P=I2R，當采樣電阻的阻值和功率分別為1 mΩ和2 W時，芯片能測量的最大電流為44.72 A。芯片引腳5采用4個200 kΩ和1個1 kΩ的貼片合金電阻完成分壓處理，實現負荷電壓信號的采集，其中利用4個相同電阻進行串聯的方式來消除單個電阻耐壓不足及電網電壓波動的問題。HLW8112芯片支持SPI和USART通信，為給后續非侵入式負荷識別系統研究提供更好的硬件支持，筆者選用高頻率的SPI通信方式來輸出芯片數據。

數據采集模塊處于強電工作環境，主控模塊處于弱電工作環境，為保證主控模塊的安全，利用光耦隔離芯片將兩個模塊進行隔離，由于HLW8112的最高輸出頻率為6 991 Hz，本裝置選用型號為EL357NB和PS8101的高速光耦進行SPI通信，兩種光耦隔離原理圖如圖3所示。

圖3 兩種光耦隔離原理圖Fig.3 The isolation schematic diagram of two kind optocouplers

2.2 主控模塊

STM32F103以SPI通訊方式獲取存儲在HLW8112芯片寄存器內的負荷數據，數據獲取流程如圖4所示。監測裝置開啟，各模塊進行初始化，HLW8112芯片12引腳置低，數據采集模塊開啟SPI通信方式；HLW8112芯片11引腳置低，芯片選中并進入工作模式；HLW8112芯片10引腳置低，芯片時鐘信號默認為0開始；HLW8112芯片9引腳置低，寫入芯片寄存器的值默認為0。時鐘信號為上升沿時,主控模塊給HLW8112芯片的命令寄存器寫入0XE5來打開寫使能，并給芯片的系統控制、計量控制等寄存器寫入初始值，然后通過向命令寄存器寫入0XDC來關閉寫使能；時鐘信號為下降沿時，主控模塊通過給HLW8112芯片寫入相應寄存器的地址來完成負荷數據的讀取。主控模塊向數據采集模塊發送讀寫命令時，通過判斷HLW8112芯片命令寄存器第7位的值來確定命令類型，若值為0，則為讀命令；若值為1，則為寫命令。主控模塊中負荷特性值計算方式為

1) 電流有效值=(電流有效值寄存器值×電流有效值系數寄存器值)/(電流系數×223)，由于本裝置選用1 mΩ銅錳電阻來采集負荷電流，根據采樣電阻阻值=電流系數×1 mΩ，可計算出電流系數為1。

2) 電壓有效值=(電壓有效值寄存器值×電壓有效值系數寄存器值)/(電壓系數×222)，由圖2可知，本研究中電壓分壓電阻比例實際為1∶1 000，根據電壓分壓電阻比例=(電壓系數×1 kΩ)/1 MΩ,可計算出電壓系數為1。

3) 有功功率值=(有功功率寄存器值×有功功率系數寄存器值)/(電流系數×電壓系數×231)。

圖4 主控模塊獲取負荷數據流程圖Fig.4 The flow chart of the main control module to obtain load data

2.3 通信模塊

通信模塊選用樂鑫公司型號為ESP8266的WiFi芯片，其具有組網簡單、成本低、傳輸速率高等優點。在監測裝置和云平臺的數據傳輸過程中，筆者采用透明傳輸模式來保證負荷數據的傳輸質量。為使通信模塊和OneNET平臺進行遠距離通訊，利用路由器作為網絡連接的橋梁，實現模塊無線連接距離的延伸。在傳統配網方式中，通信模塊連接新路由器時，裝置需修改主控模塊的底層代碼來實現路由賬戶和密碼的修改，這種配網方式不利于裝置的工程應用。因此，筆者通過網頁配網方式將賬戶和密碼存入EEPROM來實現新路由的動態連接。網頁配網方式流程圖如圖5所示。WiFi通信模塊的路由用戶名和密碼驗證成功后，模塊通過AT指令配置為

1) AT+RST:重啟WiFi模塊。

2) AT+WSKEY=WPA2PSK:配置網絡訪問密碼加密方式。

3) AT+CWMODE=STA:配置WiFi模塊為Station模式，其可以連接上當前環境下的WiFi熱點。

4) AT+CIP-MUX=DISABLE:配置WiFi為單路連接模式。

5) AT+CIPSTART=”TCP”,”183.230.40.33”,”80”:建立TCP連接，配置OneNET云服務器IP地址。

6) AT+CIPSEND=”>”:模塊進入透傳模式，當收到的數據格式為”>”時向云平臺服務器發送數據。

無線通信模塊和OneNET云平臺間的通訊方式為RESTful API，該方式是在HTTP和JSON數據格式基礎上產生的，使得通信模塊和云平臺服務器建立短連接，便于數據傳輸。

3 實驗結果及分析

3.1 裝置性能測試

本裝置電路板實物圖如圖6所示，一個電源端子連接220 V市電來模擬電力供給入口端，一個電源端子連接插座來模擬電力負荷使用環境。選取功率為7 W的LED燈、功率為32 W的電風扇、功率為23 W的液晶顯示器作為實驗對象，分別開啟3 種電力負荷，同時實時采集各負荷的瞬時電流有效值，并選用測量精度和能否檢測出多負荷的投切過程作為裝置性能指標。

圖6 本裝置電路板實物圖Fig.6 The physical drawing of circuit board of this device

裝置測量精度的測試中，筆者利用型號為VICTOR VC890D的數字型萬用表測量的數據作為對比，該萬用表的分辨率和基本精度分別為三位半(分辨率為量程的1/2 000)和±2.0%。分別利用本裝置和萬用表對3 種電力負荷的工作電流進行測量，同時計算測量次數分別為1，50，100次時的電流平均值，并通過兩者間的相對誤差來計算本裝置的測量精度。本裝置和萬用表測量結果如表1所示。

表1 本裝置和萬用表測量結果對比Table 1 The comparison of the measurement results of the device and the multimeter

由表1可知：在多次測量后，本裝置和萬用表之間平均電流值的相對誤差小于1%，即測量精度可達99%以上，由此說明本裝置能實現電力負荷數據的高精度測量。

在另一個性能指標測試中，依次開啟LED燈、電風扇和液晶顯示器，同時實時采集它們的瞬時電流有效值，根據電流波形的變化情況來測試本裝置能否檢測出多負荷投切過程。本裝置采集的3種電力負荷電流波形變化情況如圖7所示。由圖7可知：本裝置能監測負荷從開啟到穩定運行的暫態過程和穩態過程數據，該數據可很好地描述各電力負荷工作時所表現的電氣特性，能很好地為非侵入式負荷識別系統研究提供數據支持。

圖7 3種電力負荷電流波形數據變化圖Fig.7 The diagram of three kinds of electric load current waveform data changes

3.2 云平臺在線監測測試

OneNET是中國移動開發的一個物聯網開放平臺，能幫助負荷監測裝置輕松實現接入與連接，快速完成監測裝置開發部署，為負荷監測裝置提供完善的物聯網方案。電力負荷數據監測界面如圖8所示，左側的折線圖展示了電力負荷的歷史負荷信息，右側的儀表盤展示了電力負荷的實時信息。用戶通過瀏覽器登錄云平臺后，在監測界面可實時在線瀏覽電力負荷的電壓、電流及功率信息，分析負荷歷史信息后可了解負荷的歷史工況。

圖8 電力負荷數據監測界面Fig.8 The interface of power load data monitoring

4 結 論

筆者設計的非侵入式負荷監測裝置利用新型單相電能計量芯片HLW8112將采樣電阻采集的電信號轉換為數字量形式的負荷數據，具有精度高、成本低、維護簡易、不易受磁場干擾等特點，適合單負荷和多負荷工況的監測，測量精度可達到99%以上。該裝置不僅可以獲取負荷的電壓、電流、有功功率等電力負荷有效值，還可以獲取電壓和電流的峰峰值、瞬時值、波形圖等電力參數。在數據傳輸方面，本裝置設計了串口和WiFi兩種通信方式，通過串口可打印負荷電力參數，通過WiFi用戶可登錄OneNET云平臺實現用電負荷的在線實時監測。本裝置為非侵入式負荷識別系統研究打好硬件基礎，有望實現電網智能優化調度。