電力載波通信的電能計量遠程在線監控系統設計

曹 瑞

（國網青銅峽市供電公司，寧夏 吳忠 751100）

0 引 言

電力載波通信作為一種新型信息傳輸方式，具有高效率、低功耗特點，被廣泛應用于電力行業。在電力負荷管理領域，電力載波通信可以實時監測和控制電網中的各個節點，有效降低整個電網的運行成本，提高供電質量[1]。本文旨在開發一種基于電力載波通信的電能計量遠程在線監控系統，通過無線信號傳輸將發電機、變壓器等關鍵設備之間的數據傳輸到云端服務器，實現對這些設備的遠程監測與控制。

1 電能計量遠程在線監控系統通信協議的基礎理論

1.1 電力載波通信的概念

電力載波通信基于電力網絡傳輸數據，將電網中的電壓信號和電流信號作為載體，實現對電力系統的實時監測和控制。它具有高效率、低成本、高可靠性等優點，被廣泛應用于電力行業。電力載波通信將電信號轉換為電源信號，再通過電力網絡進行傳輸。傳輸過程中，由于電力網絡本身的特點（如高阻抗、非線性等），需要采用特殊的調制方式保證信道性能，同時需要考慮電力網絡中存在的干擾因素、安全問題等影響，采取相應的措施。電力負荷的變化會對電力網絡產生影響，而電能計量是一種用于測量電力負荷的方法。電能計量遠程在線監控系統可以通過電力載波通信實現對電力負荷的實時監測和管理，從而提高能源效率和降低運營成本[2]。

1.2 電力載波通信的特點

在電力負荷管理中，電力載波通信被廣泛應用于遠程監測和控制領域。第一，測量精度高。電力載波通信可以實現對電流、電壓等參數的精確測量，并能夠提供實時數據反饋。相比傳統的電纜傳輸方式，電力載波通信更加靈活易用，可以在不同距離范圍內連接，且不受地形、地貌等因素的影響。第二，低功耗。電力載波通信采用非線性調制技術，功率消耗相對較少。與傳統通信方式相比，電力載波通信不僅降低了通信成本，還提高了能源利用效率。第三，抗干擾性能強。電力載波通信采用特殊的信號處理算法，能夠有效抵御外界電磁干擾因素的影響。第四，可靠性高。電力載波通信是一種可靠的通信方式，可以通過多種途徑進行備份保護，保障系統的穩定性和安全性。第五，可擴展性好。電力載波通信設備可以與其他通信設備兼容，形成一個完整的通信網絡體系[3]。

1.3 電力載波通信的工作原理

電力載波通信的電能計量遠程在線監控系統，利用電力載波通信技術，實現對電網中電量的實時監測和控制。該系統主要由電源模塊、信號處理模塊和數據傳輸模塊組成。其中：電源模塊負責供電電路的設計與調試；信號處理模塊包括功率計算器、電壓計以及電流計等多種傳感器設備，用于采集并分析電信號；數據傳輸模塊則將采集的數據發送至遠程服務器進行進一步處理和存儲。在電力載波通信中，常用的通信方式有單向通信和雙向通信2種。單向通信是指從電源端向終端傳輸數據，而雙向通信則是兩者同時傳輸數據。在這種情況下，電源端需要具備一定的通信能力來與其他終端連接。此外，電力載波通信需要考慮一些如頻率偏移、時延誤差等因素的影響。為了保證系統的穩定性和可靠性，必須采取相應的措施[4-5]。

2 電能計量遠程在線監控系統硬件設計

2.1 系統整體結構

基于電力載波通信的電能計量遠程在線監控系統的設計方案，需要考慮系統的總體結構，因此采用了一種多層架構的設計模式來實現系統的功能和性能需求。該系統主要由電源模塊、數據采集模塊、傳輸模塊和控制模塊4部分組成，且每個部分都有其特定的功能和作用，如圖1所示。電源模塊是整個系統的核心部件，主要負責供電和調節電壓，確保系統的穩定性。為了滿足不同的環境條件和負荷變化的要求，電源模塊采用雙穩壓變換電路設計。輸出端采用全橋整流逆變器，提供穩定的交流電壓源。輸入端采用直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換電路，為系統提供合適的直流電壓源。此外，電源模塊具有自動調整電壓的功能，能夠根據負載的變化動態調節電壓值。數據采集模塊的任務是在線監測并記錄發電機電流、電壓以及其他相關參數。采用高精度三相四線制電流互感器進行測量，同時通過RS-485標準接口將采集的數據發送至傳輸模塊。傳輸模塊采用傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），將采集的數據傳輸至控制中心或云平臺進行實時分析和處理。控制模塊則是整個系統的大腦，采用ARM Cortex-A8處理器，實現對整個系統的管理和控制。它可以接收來自傳輸模塊的數據，并將其轉化為用戶可理解的信息形式。此外，可以設置報警機制，以便及時發現異常并采取相應的應對措施。

圖1 電能計量遠程在線監控系統整體結構

2.2 集中器硬件設計

在電力負荷監測中，集中器是至關重要的設備之一。它可以將多個傳感器的數據進行匯總和處理，并輸出一個統一的標準信號來反映整個電網的狀態。因此，研究采用的是基于現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）的集中器設計方案。首先，需要確定集線器的輸入端口數和輸出端口數。一般來說，集線器的輸入端口數量應該大于或等于其輸出端口數量。為了滿足系統需求，在集線器上設置8個輸入端口和4個輸出端口。其次，需要選擇合適的器件用于數據采集和傳輸。設計中，采用ADS12920芯片作為數字溫度計和電流測量模塊。此外，使用一些通用型串行接口電路板實現數據的傳輸。最后，需要考慮電源供應的問題。因為集中器是一個高功率耗能設備，所以必須使用可靠且穩定的電源供電。

2.3 遠程監控中心硬件設計

基于電力載波通信的電能計量遠程在線監控中心作為整個系統的核心，其硬件設計是實現系統功能的關鍵。為了保證遠程監控中心的數據傳輸質量和穩定性，采用ZigBee網絡的遙控方式進行數據傳輸。為了提高系統的可靠性和安全性，遠程監控中心加入了防火墻、入侵檢測器等多種安全措施。在硬件方面，遠程監控中心主要由服務器、存儲設備、電源供應設備以及監測儀表等組成。其中：服務器主要用于處理數據并提供服務；存儲設備用于存儲大量的實時數據；電源供應設備負責供電保障；監測儀表則是對現場情況進行實時監測與反饋。此外，為了方便用戶管理和維護，遠程監控中心添加了遠程控制終端和故障診斷工具等輔助設施。遠程監控中心的設計充分考慮了系統的實際應用場景和需求，為后續軟件開發提供了堅實的基礎。

3 電能計量遠程在線監控系統軟件設計

3.1 系統軟件總體結構

電力載波通信的電能計量遠程在線監測軟件系統，主要分為數據采集模塊、傳輸模塊和控制中心3個模塊，如圖2所示。其中：數據采集模塊負責對發電機、變壓器等設備進行實時采集并存儲數據；傳輸模塊通過ZigBee網絡將采集的數據發送到控制中心；控制中心則是整個系統的核心，可以實現對采集數據的分析和處理。在數據采集模塊，采用基于模數轉換器（Analogto Digital Converter，ADC）的采樣方式獲取電壓信號，具有高精度、低成本的特點。為了保證數據的準確性和可靠性，采集過程中加入了一些校驗措施。傳輸模塊使用ZigBee無線協議作為傳輸媒介，以確保數據傳輸的速度快、穩定且安全可靠。在控制中心方面，采用Python語言開發了一套完整的監控程序，可以通過Web界面向用戶提供直觀的用戶友好界面，方便用戶查看和管理系統的狀態。此外，系統增加了一個報警機制，當檢測到異常情況時會自動發出警報通知操作人員及時采取相應的措施。

圖2 系統軟件總體結構

3.2 電能計量模塊程序設計

電力載波通信的電能計量遠程在線監控系統的電能計量模塊的程序設計，是整個系統的重要部分。該模塊的主要功能是實時監測發電機和負載之間的電流，記錄以供后續分析使用。模塊采用ADC實現電流測量。具體來說，將電壓信號輸入一個模擬/數字轉換器后得到數字化輸出信號，再通過數據采集卡將其存儲至計算機進行處理。為了保證系統的穩定性和可靠性，該模塊對電路進行了一定的優化和保護。例如，采用過流保護裝置防止過大的電流流入，以及采用漏磁保護裝置防止磁場干擾。在實際應用過程中，電能計量模塊程序需要能夠快速響應變化中的電流值，并且能夠準確記錄。因此，程序設計時特別注重算法的精度和速度控制等問題。設計的電能計量模塊程序實現了對電流的實時監測和記錄功能，可為后續的數據分析奠定基礎。

3.3 人機交互界面設計

在界面的設計過程中，不僅要關注界面美觀度和實用性，還要兼顧安全性等。為了方便用戶操作，需要設計一個易于使用的人機交互界面。該界面主要包括主頁、菜單欄、數據分析模塊、參數設置模塊、報警管理模塊以及歷史記錄模塊6個部分。在主頁面中，主要顯示當前監測點的狀態及實時數據，同時切換監測點以查看其他監測點的數據。菜單欄中的各項功能可以通過單擊按鈕實現，如查詢歷史數據、設定警報閾值等。數據分析模塊提供了多種統計圖表和趨勢線圖等工具，可方便用戶快速了解監測點的情況。參數設置模塊允許用戶修改監測點的名稱、地址、頻率等，并保存這些參數到數據庫。報警管理模塊用于處理各種類型的警報事件，包括緊急警報、警告警報和異常警報等。歷史記錄模塊可查看監測點的歷史數據記錄。除了基本功能外，還需要考慮不同設備之間的兼容性和跨平臺問題。例如：當用戶登錄時需要驗證身份；當用戶進入某個模塊時，應該有相應的權限控制機制。因此，在界面設計過程中需要充分考慮各種因素，確保系統的穩定性和可靠性。

4 結 論

通過分析電力載波通信的電能計量遠程在線監控系統通信協議基礎理論，采用基于ZigBee網絡的遙控方式進行數據傳輸，并結合無線傳感器和電源監測模塊，實現了對發電機電壓、電流、功率以及負載等方面參數的實時采集，提出了一種電力載波通信的電能計量遠程在線監控系統。此外，針對系統的硬件和軟件進行設計，提高了系統的可靠性和準確性。