基于嵌入式的用電信息遠程智能監控系統研究

摘要：隨著時代的發展，各式各類電器與人類生活息息相關，尤其在寒冬、酷夏時節對取暖器、空調等設備更為依賴，這些電器的突增使用會直接對電力系統造成極大負荷，并且負荷波動明顯。為保證電力系統整體的穩定，需要對用戶區域的用電信息進行收集，然后中心控制系統基于用戶用電信息，對整體電量進行合理分配，來應對電量不足時的突發狀況，保證用戶的正常使用及電網整體的平穩運行。

關鍵詞：嵌入式；電量計量；無線監測；

一、電量計量采集原理

計量電表又名電度表，是對用戶耗電量進行計量的主要裝置，它可以檢測用戶消耗的電能，并記錄數據，工作原理為：

式中，戶。為瞬時功率‰，為瞬時電壓；‰為瞬時電流；w聲為消耗的有功電能；從中我們可以看到，消耗有功電能是功率對時間的積分，無論何種類型的計量電表，其計算電能的核心就是一個乘法器和一個加法器。

目前，現有的計量電表接線方式主要分為以下兩種：三相三線制、三相四線制。以三相三線制接入方式為研究對象。由于在高壓系統中三相載荷呈對稱分布，故電壓范圍在小于等于35kV時，三相三線制電表常通過TA和TV接頭來計量電量，如圖1所示。

目前竊電行為的常用檢測方法是檢測計量電表的電流感應線圈，對通過感應線圈的三相電流進行矢量相加，如果電流的矢量和為零，則該用戶不存在竊電行為。反之，如果電流的矢量和不為零，則該用戶存在竊電行為。具體實施步驟如下，將檢測裝置電流互感器安裝在電流流人計量電表的電流線上，由于三項電的本身對稱特性，當線路正常工作時，這種對稱平衡就不會被打破，感應線圈感應

出來的三相電流矢量和為零，同時檢測裝置顯示示數為零。如果存在竊電行為時，三項電的對稱特性就被打破，矢量和不為零，此種檢測方法可以準確的記錄竊電時問和竊電次數。另外一種竊電行為檢測裝置原理與上述講的電流檢測原理相似，為電壓竊電檢測。此兩種檢測方法都只能應用于單項或者兩項竊電行為檢測，工作原理都為計算三項電流、電壓的矢量和來進行判斷是否存在竊電行為。如果

存在三項竊電行為時，由于三項電還保持對稱特性，故上述兩者的檢測方法都不適用，無法準確判斷出是否有竊電行為。

二、基于嵌入式的電量計量采集系統

2.1嵌入式電量t計量采集系統整體結構

嵌人式電量計量采集系統整體結構如圖2所示。

嵌入式電量計量采集系統主要由安裝于用戶端的嵌入式電量計量系統和安裝于供電中心的監控主站兩個部分組成。其中嵌入式電量計量系統的構成有兩部分：高壓側用電信息無線監測裝置和低壓側用電信息遠程監測裝置。高壓側用電信息無線監測裝置的工作原理為對高壓側的電路信息進行采集，之后通過發射模塊將信息傳遞至遠程監控單元，監測人員可通過監控中心直接對電路信息進行遠距離實時讀取。低壓側用電信息遠程監測裝置對各個用電用戶的用電信息進行直接識別，而后將識別分析結果輸送到監控主站的信息庫中。該種方式將識別系統從主站的控制范圍中跳脫出來，可獨立進行竊電監測，實現全天候監測。該種檢測方法具有簡化主站裝置和減弱主站工作負擔的優勢，當主站發生通訊故障時，依舊可以進行竊電監測。

2.2高壓側用電信息無線監測裝置

高壓側用電信息無線監測裝置主要由4大模塊組成。

1)電源模塊。該模塊的主要作用給其他3個模塊供能，它可以對家用電流進行屬性轉變，將交流電流轉化為直流電流；2)控制模塊。該模塊作為高壓無線檢測器的大腦，扮演著至關重要的角色。他可以對獲得到的數據進行處理、分析，同時對其他3個模塊的動作進行協調控制；3)采集模塊。該模塊主要用于電信號特征信息采集，通過A／D轉換器轉化，將電信號轉化為數字信號，之后再將數字信號傳送到控制模塊數據庫中；4)通訊模塊。該模塊的主要作用是人機相互的連接通道，將采集模塊獲得的數據傳送到用戶監測界面，而后工作人員可以依照數據對整個監測系統下達動作指令。

高壓側用電信息無線監測裝置電量信息檢測與竊電行為的判定依據都是基于上述檢測模塊獲得的電信號數據而判斷的。故為保證用電信息檢測準確度，必須選用精度高、工作穩定的互感器。由于檢測位置的高壓條件限定，需要應用互感線圈將大電流轉化為小電流，而后對感應出來的小電流進行監測。目前，常用的互感器主要有鐵芯的互感器和沒有鐵芯的羅可夫斯基線圈互感器兩種。前者，由于裝置結構帶有鐵芯，盡管檢測精度高、靈敏度大，但是鐵芯直接加大了檢測裝置的質量，直接限制了此類互感器的推廣使用。后者羅可夫斯基線圈互感器，由于缺少了鐵芯的存在，整體結構相對前者質量較小。同時該種互感器，將線圈纏繞在非磁性材料上，呈空心線圈結構，直接避免了鐵磁諧振以及磁飽和現象的發生，從而確保了互感器的檢測精度，同時也增大了互感器的檢測范圍。所以，研究對象為帶有羅可夫斯基線圈互感器的防竊電檢測裝置。

使用羅可夫斯基線圈來測量時，導線穿過線圈，通過電磁感應原理可得：

式中，妒是線圈的磁通量；M是線圈互感系數。通過對羅可夫斯基線圈電路結構分析可知，線圈流過的電流和線圈兩端的電壓具有微分關系，故如果想獲得線圈兩端的電壓信息，只需對所測到的電流進行積分運算即可。羅可夫斯基線圈根據工作條件的不同，他的工作狀態也會不同，詳細分為自積分狀態和微分狀態兩種。

由于高壓無線檢測模塊安裝位置位于高壓側，故為保證其檢測的準確性、可行性，需要采取舉措以應對任何突發狀況。當發生短路事故時，線路中的電路會急劇增大，遠遠超過正常電流大小，故對積分電路添加低通濾波和隔離直流環節以消除高頻和直流分量的影響，保證其正常工作。

控制模塊在正常工作時需要接收采集模塊收集到的電流信息，期間需要A／D轉換器對電信號進行轉換，故研究的控制模塊內部放置了一個ATmegal28型單片機，內部采用的是8路可調增益A／D轉換電路。選用的單片機為單極性，為使其工作電壓與采集模塊電壓相匹配，在兩者連接處安置了一個加法器。另外，ZigBee無線通訊模塊按規定只能安裝在高壓無線檢測模塊與用戶監測單元兩者之間，作為無線通訊模塊的重要單元CC2530，其工作電壓為2～3．6VDC，由于單片機的工作電壓為4．5～5．5V，故需添加電平轉換電路。

2.3用戶用電遠程監測單元

用戶用電遠程監測單元主要由RS485收發器、采集節點、匯聚節點三部分構成。RS485收發器作為計量電表的關鍵模塊，主要功能為收集電表信息和接受采集節點下達的采集指令。采集節點的主要功能為將計量電表的信息傳遞至匯聚節點。匯聚節點的主要功能為接受采集節點發送

[1]霍堯.基于用電信息采集的智能反竊電系統開發與應用[D].華北電力大學，2014.

[2]陳騰飛，基于用電信息采集系統的竊電在線稽查裝置的開發應用[D].華北電力大學，2013.

[3]王艷紅，基于ARM聯合DE算法的監控方案設計與實現[J].計算機測量與控制，2018，26(4):85-87.

白哲丞（1993.01.24）；男；內蒙古包頭市；漢；大學本科；助理工程師；職務：用電檢查員；研究方向：用戶側用電管。