分布式電能計量表能耗數據采集與傳輸系統

蔡穎凱

(國網遼寧省電力有限公司營銷服務中心，遼寧 沈陽 110000)

21世紀以來我國電力工業隨著社會主義市場的經濟發展趨勢大力展開，這時電能計量表的精準度影響著多方利益[1]。在過去，電能計量表沒有一套計算精準的計量系統，容易出現計量效率低、準確度差等問題[2]。因此，為了保證電能計量表能夠得到有效測量，需要對電能計量表系統進行設計。楊倩[3]等人提出基于Labview的船用能耗數據采集與傳輸系統，通過一個基于虛擬儀器Labview平臺，構建能耗數據采集系統對數據進行采集，再建立一個現代化船舶信息系統，從硬件設計和軟件程序兩方面對系統進行了簡略介紹，該系統沒有使用數字溫補晶振作為系統內電能表的核心，導致系統在運行過程中較慢，存在月能耗數據采集時間長的問題。任磊磊[4]等人提出基于以太網的分布式數據采集與雙模式管理系統，該系統為了解決系統在接收信號時出現的干擾現象，提出以太網分布式數據采集系統和管理方法，并用以太網接口對采集模塊進行設計，便于對數據的采集和接收，在集中管理系統中設置多線程網絡通信技術，實現數據采集和管理雙模式的系統設計，該系統沒有將數字溫補晶振用作系統時鐘，導致系統能耗采集的過程中精準度較低，存在測量數值與實際數值誤差高的問題。崔永俊[5]等人提出分布式遠程模擬量信號采集系統，該系統通過上機位、背板、總節點和分節點四部分對系統進行組件，利用RS485總線對數據采集網絡進行構建，并將芯片轉換為系統模塊最終實現系統的整體設計，該系統沒有采用源晶振置于系統核心內，導致系統能耗系數高，存在系統日能耗高的問題。

為了解決上述系統中存在的問題，提出并設計分布式電能計量表能耗數據采集與傳輸系統。

1 系統總體設計

隨著時代的進步，傳統電能計量表在能耗數據采集時已經不能準確進行有效計量，所以采用分布式結構進行數據采集與傳統數據系統設計[6]。根據分布式電能計量表的優點設計分布式電能計量表能耗數據采集與傳輸系統，其總體結構如圖1所示。

從圖1中可以看出，分布式電能計量表能耗數據采集與傳輸系統由能耗計量數據平臺、能耗數據采集終端等組成。能耗計量數據平臺位于能耗計量監測中心內，由計算機、服務器等設備組成，可以進行能耗計算量數據的存儲與分析處理。能耗計量數據平臺通過網絡與能耗數據采集終端相連接，采集終端被安置在能耗使用單位內，通過內部網絡采集能耗計量數據，并進行存儲與下一步傳輸。

圖1 系統總體結構Fig.1 Overall structure of the system

電能計量表能耗數據采集與傳輸系統的主要功能層次分為基礎設施層、數據采集層、數據資源層、傳輸業務支撐層、業務應用層，并結合數據采集與傳輸標準規范體系以及數據安全防護體系。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件整體構架

分布式電能計量表的能耗數據采集共分為采樣、通信2部分結構[7]。系統中，電網的時間需要高精度采樣，這時就需要使用采樣部分進行操作，將采樣后的數據通過SPI接口傳輸到通信部分并進行數據處理和解碼操作，此時它的總體硬件框架如圖2所示。

圖2 電能計量表系統硬件總體框架Fig.2 Hardware framework of electric energy meter system

2.2 系統硬件模塊設計

(1)電源電路模塊。在整個分布式電能計量表中，電源電路是電能計量表可以正常運行的基礎，在此基礎上將電能輸送到芯片內部，令系統可以正常使用[8-10]。本系統采用的芯片中具有多個領域的電源供電引腳，那么電源引腳的主要說明見表1。

表1 電源引腳說明Tab.1 Pin description of power supply

電源電路中，2.0～3.6 V是VDD和VSSA供應的電壓的主要范圍。其中，VBAT的引腳電壓在1.8～3.6 V。此時芯片對控制器提供電能時的供應電路如圖3所示。

圖3 LM1117-3.3供電電路設計Fig.3 Design of LM1117-3.3 power supply circuit

圖3是一個電路調節器，它可以利用外部電阻滿足1.25～13.8 V的電壓要求，此時應使用電路型號為3.3 V的電路。

(2)時鐘源電路設計。在分布式電能計量表中，時鐘系統就是整個電能計量表的核心，它可以使系統能夠正常運行[11-12]。STM32F407ZGT6的時鐘系統主要通過內部時鐘和外部時鐘驅動。為了提高能耗數據采集的精準度，將DX2121C-10.000 0 MHz數字溫補晶振外部時鐘用作主要系統時鐘。此時晶振電路設計如圖4所示。DX2121C-10.0000 MHz晶振屬于源晶振，它在工作狀態下需要向外接3.3 V的電壓供電，將0.1 μF的去耦電容接入到3.3 V電壓和大地之間，并在接電后將一個10 MHz的時鐘信號提供給芯片用作系統時鐘源。

圖4 晶振電路設計圖Fig.4 Crystal oscillator circuit design

(3)數據傳輸及通信部分電路設計。為了使分布式電能計量表實現數據傳輸，設計了數據在傳輸和交互過程中需要使用的SPI硬件電路[13]。

當計量能耗數據被采集后，需要將采樣數據輸送到控制芯片內進行數據處理，在此選擇成本較低且輸送速度快的SPI接口，該接口僅包含4根控制線，便于布線。

在所有通信總線中，SPI總線是同步數據傳輸速率最高的，從以往的傳輸速率來看，SPI控制器的最高速率已經達到50 MB/s，4條控制線的主要工作模式為主從模式，在傳輸的過程中由主機初始化完成[14-16]。

SCLK是一種保證數據在輸送過程中持續性同步的串行時鐘線。MOSI和MISO主要用來傳輸數據，屬于數據線，而SS是片選線，可以在同一條總線中連接多個設備[17]。

在同一時鐘周期內，主機發送SCLK的時間脈沖，并在MOSI和MISO僅能實現一位數據傳輸，大約在16次時鐘信號變化后實現一組16位的數據傳輸。

3 系統軟件設計

完成系統硬件設計后，還需要對系統軟件進行設計，最終實現分布式電能計量表能耗數據采集與傳輸系統的整體設計。

3.1 系統軟件整體構架

為了方便維護系統和使用系統，采用B/S技術對用戶界面、應用邏輯和數據庫進行有效分離。在系統中所有系統平臺都可以用于交換數據，有效避免病毒的入侵和文件的共享[18]。系統軟件主要通過系統層、支持層和應用層3種層次結構組成。該系統模式可以使業務邏輯獨立，便于數據訪問。中間業務層用來與數據庫交換數據，有利于業務的升級。數據庫服務器層主要用來操作數據庫中的數據，減少數據的改動，提升了系統的安全性。此時系統軟件的邏輯構建如圖5所示。

圖5 系統軟件邏輯Fig.5 Software logic of system

3.2 軟件程序設計

(1)數據采集傳輸系統軟件設計。采集軟件如圖6所示。

系統中的模塊和接口主要由NET技術開發，并且達到人機交互的需求，系統內的數據需要通過采集設備、數據中心等對其進行調試，最終令整個系統達到完美結合的目的[19-20]。

(2)數據庫結構設計。數據庫中需要記錄的信息過多，因此挑選出最重要的4類信息分別進行記錄，這些數據為：計量表信息、數據信息、終端信息和管理信息，所以數據庫的主要結構如圖7所示。①能源計量儀表信息：首先設計一個信息表用來記錄儀表信息，表中包含準確值和最大測量值，便于管理者查看和管理。②信息管理：用來對能耗數據進行記錄和管理。③終端設置信息管理：設計一個終端參數信息表，表內用來記錄設置的參數及人員信息。④數據庫內全部管理信息：設計數據庫表格信息表，對數據庫中的表格名稱和數據類型進行有效記錄。

圖7 數據庫結構Fig.7 Database structure diagram

(3)定時器中斷子程序設計。在采樣數據的過程中，利用定時器計算采樣時長，并通過采樣率對時間間隔進行計算，因此定時器ARR寄存器的重裝載參數用方程定義如下。

(1)

式中，Tout為采樣時間間隔；Tclk為輸入時鐘頻率；psc為時鐘分頻系數。

首先啟動定時器對數據進行采樣，并將采樣后的數據輸送到定時器終端內，自動對ARR值進行裝載，并從第一個點開始轉換，轉換后從AD芯片中獲取高電平脈沖，從而達到開啟AD讀書的目的，并讀取到第一個點的數據。經采樣間隔時間抵達后，開始對第二個點的數據進行采集，重復此操作，直到獲取到數據點為止，將定時器關閉。

4 實驗與分析

為了驗證分布式電能計量表能耗數據采集與傳輸系統方法的整體有效性，需要對分布式電能計量表能耗數據采集與傳輸系統方法進行有效測試。測試現場所用的儀器設備如圖8所示。

圖8 實驗儀器設備Fig.8 Experimental instruments and equipment

連接上述儀器，進行分布式電能計量表能耗數據采集與傳輸，以完成系統性能的驗證。

對電能計量表中的數值進行讀取，共進行10次測試，電能計量中的實際電量測試結果見表2。

表2 測試數據Tab.2 Test data

完成數據采集后，設置能耗系數為α，它的區間取值為[0，1]，其中能耗系數越高，說明系統耗能越多；能耗系數越低，表明系統能耗越小。所設計系統的日能耗系數如圖9所示。

圖9 被測電能計量表日能耗系數Fig.9 Daily energy consumption coefficient of measured electric energy meter

分析圖9中的數據可知，所設計系統在進行日能耗測試時，數據波動都較為平穩，可以看出隨著時間的變化它的能耗始終處于0.41以下，說明所設計系統的能耗系數低且日能耗低。

上述結果說明，所設計系統的能耗系數較低，這是因為所設計系統利用數字溫補晶振作為系統時鐘，大大的提高了采集能耗數據的精準度，使系統能夠正常運行，進而降低了系統能耗。

為了驗證實驗的準確性，在進行日能耗測試后，采用所設計系統對月能耗數據進行采集時間測試，實驗結果如圖10所示。設置采集時間為6個月，并采集系統內的數據，能耗數據越多，說明系統能耗數據采集的越快，反之系統能耗數據采集的越慢。

根據圖10中的數據可知，從總體來看，所設計系統在第4個月時就已經實現6 000個能耗數據采集的目標，可見所設計系統的采集速度不僅快，它的能耗數據采集性能同樣較為優秀。

圖10 月能耗數據采集性能Fig.10 Monthly energy consumption data acquisition performance

5 結語

在我國電力工業強勁的發展下，電能計量表在電能中占據著重要地位。隨著時間的飛逝，傳統的電能計量系統已經不能滿足于現狀，計量效果差的問題始終居于其中，為了解決這一現象，這時就需要對電能計量表能耗數據采集與傳輸系統進行有效設計。通過研究發現，傳統的電能計量表能耗數據采集與傳輸系統存在日能耗高、月能耗數據采集速度慢和測量數值與實際數值誤差多的問題。針對上述問題，設計分布式電能計量表能耗數據采集與傳統系統，首先對系統的總體結構進行設計，再對系統內各個模塊、電路進行設計，從而完成系統硬件的設計；完成設計后，建立系統軟件整體構架，進而實現系統軟件設計，最終實現系統總體設計。該系統對電能計量表的精準度有著顯著的提升，為今后的系統研究奠定了重要的基礎。