一種無線通信三相用電監測終端的設計

肖文飚，吳 蓓，張 冬，史雪濤，王德全，鄔孝剛

(1.國網江蘇省電力有限公司 淮安供電分公司，江蘇 淮安 223002；2.無錫市恒通電器有限公司，江蘇 無錫 214121)

0 引言

針對化工、制藥、鋼鐵、養殖廠等環保監管類的廠區智能監管改造項目，為有效監控除塵脫硫、污水處理等用電設備的運行情況，進行遠程實時用電監測、計量和管理，設計了一種三相用電設備監測終端[1-4]。

該終端為模塊化設計的多功能三相電能計量裝置，具有三相正向、反向、組合有功電能計量和分相計量功能，能監測各相電壓、電流、有功功率、功率因數、總有功功率、頻率等運行參數，通過FFT可以得到三相電壓、電流的總諧波畸變率和各次諧波含有率；可用于三相電源或單相電源三個支路的電能計量和監測；配置了RS485通信接口，通信協議采用Modbus-RTU規約；支持熱插拔各種無線通信模塊，可針對現場條件選擇適配，從而實現用戶用電信息的遠傳與監控。

1 硬件設計

1.1 監控終端原理

監測終端主要由采樣、計量、主控MCU、RS485通信接口、無線通信模塊、EEPROM存儲、LCD顯示、開關電源等功能模塊組成。它能提供標準RS485通信方式，滿足校驗、現場抄讀和近端組網需要；特殊設計的無線模塊串口通信接口，適配相應的無線通信模塊以滿足無線組網通信環境需求。

監測終端原理框圖如圖1所示。

1.2 監控終端結構

監測終端由高精度開口式互感器、三相計量基表和可插拔式無線通信模塊構成。外置的開口式電流互感器能夠實現不停電接入；支持GPRS、Wi-Fi、NB-IOT的可插拔式無線通信模塊通過電子插針側面卡扣拼裝。終端外殼上設置了35 mm的DIN標準導軌，便于安裝在現場各類配電箱中，實現三相負荷的電量監測、電能計量、統計和分析。三相分相計量功能也適用于新能源發電并網端發電側、電網側、負載側，或者實施三個單相回路的分別計量和監測。內部工作電源采用寬電壓范圍的開關電源設計，三相四線制電路在相電壓100 V～265 V范圍內均能正常工作。通過內置的軟件設置可實現三相三線制供電模式的計量。實物外形如圖2所示，右邊為三相開口式電流互感器。

圖2 監測終端外形圖

1.3 開關電源模塊

由于常用線性電源的工頻變壓器體積偏大，難以滿足現場應用場景的安裝空間需求，因此本終端電源部分采用以國產超低功耗AC/DC芯片PN8130H為核心設計的開關電源方案，能提供兩路相互隔離的主控電路和無線通信電路的電源，電路簡潔可靠。

PN8130H內部集成了脈寬調制控制器和功率MOSFET，具有性能優異的智能化保護功能，通過優化的脈沖功率調節和特殊器件低功耗結構技術實現了超低的待機功耗以及全電壓范圍下的最佳效率。

開關電源主要包括三相半波整流輸入電路、RCD吸收電路、PN8130H的PWM控制輸出電路、光耦隔離電壓負反饋電路、輔助電源電路、高頻變壓器、兩路隔離輸出電源的整流濾波電路。采用了過流、過壓、過溫保護和EMI、EMC措施，提高了電路的工作穩定性和可靠性。

1.4 三相計量模塊

計量模塊圍繞國產RN8302B型三相多功能計量芯片設計。高精度、低功耗三相計量芯片RN8302B具備高達5 000∶1的動態范圍，能夠同時測量基波和全波的有功功率、無功功率和視在功率，可提供功率因數、電壓電流有效值、電壓電流相角以及諧波計算等。三相計量模塊內部原理框圖如圖3所示。

圖3 三相計量模塊內部原理框圖

1.5 主控模塊

主控芯片采用日本瑞薩的低功耗RL78內核的SOC芯片R7F0C004，具有128 kB Flash、8 kB RAM，LQFP80封裝，片內集成了MCU處理器、帶溫度補償的硬件實時時鐘RTC、LCD驅動、4路獨立的硬件UART、2路獨立的硬件7816協議接口、2路硬件I2C接口及豐富的IO資源等。MCU處理器通過軟件模擬SPI口與計量芯片通信，通過I2C口與EEPROM芯片連接。通過獨立UART口分別與RS485接口芯片和無線通信模塊連接，并設置了光電隔離電路抑制噪聲干擾和防范強電侵入。

1.6 顯示模塊

終端基表采用8位段碼LCD屏顯示。電量顯示默認為1位小數，當數據超過999 999.9時數據翻轉，重新累計。由MCU控制自動翻屏，可顯示的參數見表1。

表1 液晶屏顯示項

1.7 RS485通信

RS485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，能抑制共模干擾，具有良好的抗噪聲干擾能力。在總線上允許并聯連接多達128個收發器，便于用戶現場利用單一的RS485接口建立起設備監測網絡。

本終端配置的RS485標準接口的功能特點如下：

(1)通過應用協議保持獨立性。通信時，電能表的計量、存儲等功能不會受到影響和改變。

(2)通信速率可設置，標準速率為1 200 b/s、2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s，缺省值為9 600 b/s。

(3)采用MODBUS-RTU協議，MODBUS通信地址(MODBUS ID):1～255用戶可設置,出廠時按用戶要求設定。

1.8 無線通信模塊

終端的主控模塊可以通過內部UART接口實現嵌入式無線模塊遠程通信，包括GPRS、NB-IOT、WiFi通信等。

GPRS是2G移動通信GSM的一種移動數據業務，傳輸速率為幾十kb/s，信號覆蓋面積最廣，模塊啟動電流較大(約2 A)，對終端電源要求較高。

NB-IOT是一種新興的低功耗廣域網，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，部署成本低。

Wi-Fi最常見的是作為從網關到連接互聯網的路由器的鏈路，它也被用于要求高速和中距離的主要無線鏈路。大多數Wi-Fi版本工作在2.4 GHz免許可頻段，傳輸距離長達100 m，具體取決于其應用環境。

主控模塊通過UART接口和簡單的AT指令操作，經由嵌入式無線通信模塊實現數據與互聯網平臺的遠程交互。嵌入式無線通信模塊按照工業標準設計，按照設定通信速率和標準協議工作，能工作于各種惡劣環境，具有較強的穩定性和可靠性。

2 軟件設計

2.1 計量功能程序設計

計量功能程序由主程序和中斷服務程序組成，程序流程如圖4所示。

圖4 計量功能程序流程圖

上電后，進入初始化，配置計量功能、定時和中斷等參數；隨后進入計量采樣循環周期，采樣頻率根據程序的初始化設定。

電能計量之外的電參數監測功能同樣由計量芯片提供基礎數據，主要是采集后進行數據處理，通過離散的樣本點計算得電壓和電流有效值、功率、功率因數、諧波數據等電氣量參數，然后將這些數據存儲入EEPROM中，避免掉電后的數據丟失。每個采樣周期結束后重新開啟采樣并重復上述流程。

2.2 無線通信程序設計

無線通信程序主要由主程序和中斷服務程序組成。其中通信主程序完成終端裝置的通信軟硬件初始化工作，然后進入主循環中處理接收到的用戶平臺指令；無待處理指令時則使整個裝置進入低功耗狀態等待中斷喚醒。通信中斷服務程序用于響應通信接口接收中斷，將接收的字節進行緩存組成完整的指令，并判斷該指令目標是否為本機，是則存入指令隊列，否則將該指令丟棄。由于平臺指令發送速度不確定，當裝置本體連續傳來多條指令時，如果直接傳輸給主控制芯片將會產生沖突，故設計了一個循環隊列用于通信指令緩存，解決了通信現場的高低速傳輸方式的配合問題。

通信中斷服務程序在主控芯片接收到上層控制平臺命令后觸發啟動，先確定是否為本機地址，如果是則進行命令的判斷：若為數據上傳的命令，則把終端中存儲的計量監測數據通過無線通信模塊上傳到遠程平臺。

3 結語

本文介紹了研制的一種三相用電設備監測終端，它具備數字信號處理與無線數據遠程通信功能，實現了精確的用電信息采集處理和可靠的數據遠傳功能。其導軌式安裝與開合式互感器取樣設計,實現了安裝的簡便快捷，以及通信模塊化的靈活配置，可適應多種現場使用環境。

設計的智能監測終端為無線通信聯網構建云端平臺監測系統打下了基礎[5]，使多樣的能效管控策略得以付諸實踐，為開展有效的綜合能效管理提供了新的方案途徑。