基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電表設(shè)計與研究

劉 沙，郭 瑞，穆羨瑛，徐 述

（國網(wǎng)烏魯木齊供電公司，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 838000）

1 研究背景與意義

1.1 電能表國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

智能電表是一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型電能計量裝置，具備實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制等功能。近年來，隨著能源管理和智能化的重要性不斷凸顯，智能電表在國內(nèi)外得到廣泛關(guān)注和應用。在國內(nèi)，中國智能電表產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了快速發(fā)展階段。政府部門支持政策的推動、能源監(jiān)管要求的提高以及用戶對用電信息透明的需求，推動了智能電表市場的發(fā)展。國內(nèi)企業(yè)積極參與研發(fā)，推出了多種類型的智能電表產(chǎn)品。這些產(chǎn)品不僅滿足了計量需求，還具備智能化功能，例如用電數(shù)據(jù)實時采集、遠程抄表、用電信息顯示等。在技術(shù)方面，智能電表逐漸采用了先進的通信技術(shù)，如NB-IoT、LoRa等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝c穩(wěn)定。同時，智能電表與用戶終端設(shè)備連接，實現(xiàn)了用電數(shù)據(jù)的共享與可視化，為用戶提供了更好的用電管理體驗。在國際市場上，智能電表同樣得到了廣泛應用。發(fā)達國家如美國、德國、日本等，智能電表已經(jīng)普及，并且逐步替代了傳統(tǒng)的電能計量設(shè)備。在一些歐洲國家，政府主導或支持智能電表的大規(guī)模部署，以推動能源的可持續(xù)發(fā)展和能源管理的優(yōu)化。智能電表在國外的應用也注重數(shù)據(jù)隱私保護和信息安全。各國智能電表標準和法規(guī)不斷完善，以確保用戶用電數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，防止數(shù)據(jù)泄露和濫用。

1.2 智能電表應用技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進和5G技術(shù)的普及，智能電表將在未來呈現(xiàn)更廣闊的發(fā)展前景。預計智能電表將更加智能化，不僅實現(xiàn)電能計量功能，還將融入更多智能功能，如自動負荷調(diào)整、用電優(yōu)化建議、電價動態(tài)調(diào)整等。這些功能將大大提高用戶對電能的實時了解和控制，進一步激發(fā)用戶對節(jié)能的意識和行動。同時，智能電表將與其他智能設(shè)備和能源系統(tǒng)相互連接，實現(xiàn)更智能化的家居和能源管理。例如，智能電表可以與智能家居系統(tǒng)相互配合，實現(xiàn)智能控制家電的用電行為，優(yōu)化能源消耗。智能電表還可以與智能能源網(wǎng)格相連接，實現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的共享和能源調(diào)度的優(yōu)化，為整個能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行做出貢獻。為了保持競爭優(yōu)勢，中國企業(yè)應加大研發(fā)投入，持續(xù)推進創(chuàng)新，提升產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平。同時，更加關(guān)注用戶需求，確保智能電表的功能和性能能夠切實滿足用戶的實際需求。智能電表在數(shù)據(jù)采集方面將更加高效和智能化。利用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，智能電表能夠?qū)崟r分析和處理海量數(shù)據(jù)，幫助用戶深入了解用電情況。優(yōu)化用電方案，并提供個性化的用電建議。

1.3 智能電表設(shè)計與研究的意義

隨著科技的不斷進步和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，智能電表作為電力行業(yè)的重要組成部分，具有重要的意義和深遠的影響。智能電表的設(shè)計與研究在以下幾個方面具有重要的意義。智能電表的設(shè)計與研究有助于實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化。而智能電表借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的自動采集、實時傳輸和智能處理，為電力系統(tǒng)的管理和運行提供了更加便捷高效的手段。通過智能電表的廣泛應用，可以實現(xiàn)對電力網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)測、故障檢測和快速響應，提高電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。通過對用電數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)用電中存在的浪費和異常情況，并提供相應的優(yōu)化建議和措施，幫助用戶降低能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。同時，智能電表還可以通過電能計量和計費功能，促使用戶形成節(jié)約用電的意識和行為習慣。智能電表的設(shè)計與研究對于電力行業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)和技術(shù)創(chuàng)新具有推動作用。隨著信息技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，智能電表可以與其他智能設(shè)備和系統(tǒng)進行互聯(lián)互通，形成智能家居、智慧城市等應用場景，實現(xiàn)電力系統(tǒng)與其他領(lǐng)域的融合與協(xié)同。智能電表的設(shè)計與研究促進了電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展，推動了電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化建設(shè)和提升。

2 智能電表系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

2.1 智能電表系統(tǒng)設(shè)計功能

①數(shù)據(jù)持久化存儲功能：為解決傳統(tǒng)智能電表數(shù)據(jù)丟失問題，可采用先進的存儲技術(shù)。在電能數(shù)據(jù)檢測模塊中，引入閃存芯片，以確保電能數(shù)據(jù)在斷電或其他故障情況下仍能持久保存。每次檢測到電能變化，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)立即存儲在閃存中，避免數(shù)據(jù)的意外丟失。②雙向數(shù)據(jù)備份與冗余：為進一步保障數(shù)據(jù)的安全性，在電能存儲模塊中引入了雙向數(shù)據(jù)備份機制。除了將數(shù)據(jù)存儲在本地閃存中，系統(tǒng)還通過加密通道將數(shù)據(jù)備份到云服務器上。云服務器也會定期備份數(shù)據(jù)到多個地理位置，確保數(shù)據(jù)的冗余性和可恢復性。③異常檢測與自修復功能：針對服務器宕機問題，在數(shù)據(jù)傳輸模塊中引入了異常檢測與自修復功能。數(shù)據(jù)傳輸過程中，中央采集器不僅負責采集多個用戶的用電數(shù)據(jù)，還會監(jiān)測服務器的狀態(tài)。④數(shù)據(jù)傳輸分布化：設(shè)計采用數(shù)據(jù)傳輸分布化方式，優(yōu)化數(shù)據(jù)抖動問題。中央采集器將采集到的數(shù)據(jù)按地理位置進行分組，然后通過多個可用網(wǎng)絡(luò)通道傳輸數(shù)據(jù)至供電公司服務器。這樣可以避免單一網(wǎng)絡(luò)通道的故障影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.2 智能電表系統(tǒng)的主要模塊

①電能檢測模塊：該子模塊通過協(xié)調(diào)硬件和軟件模塊的工作，完成電能數(shù)據(jù)的實時采集。電能過濾子模塊在智能電表中的作用是通過軟件部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)的過濾，以消除由電子元器件抖動引起的噪聲，并提高電能數(shù)據(jù)的準確性。通過該子模塊的精確處理，能夠獲得可靠的電能信息，確保用戶獲取準確而可信的用電數(shù)據(jù)，為能源管理和電力系統(tǒng)優(yōu)化提供可靠的基礎(chǔ)。②電能顯示模塊：電能計算子模塊對電能采集子模塊獲取的數(shù)據(jù)進行計算。該子模塊負責將原始數(shù)據(jù)進行處理和分析，以獲得用戶的實際用電情況。電能顯示子模塊將計算得到的數(shù)據(jù)以用戶可讀的形式進行顯示。系統(tǒng)還需要考慮人眼視覺暫留特性等因素，在實際顯示時進行一些額外的處理。③電能傳輸模塊：電能存儲子模塊用于存儲客戶端采集到的數(shù)據(jù)。該子模塊負責將數(shù)據(jù)進行存儲，以便后續(xù)使用。數(shù)據(jù)存儲模塊可采用合適的存儲介質(zhì)，如閃存。數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊將存儲在數(shù)據(jù)集中器中的數(shù)據(jù)發(fā)送至供電公司的服務器。服務器端對接收的數(shù)據(jù)進行解包，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭的標識符識別用戶，以實現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2.3 軟件與硬件模塊化的設(shè)計方法

針對智能電表系統(tǒng)的設(shè)計需求，采用了模塊化的思維，分別對軟件和硬件的各個部分都分解成不同具體功能的子結(jié)構(gòu)，便于快速開發(fā)同時增加產(chǎn)品的便捷性。硬件部分主要以STM32F103芯片為主處理器，包含主電路、通信電路、顯示電路、按鍵電路、計算電路、光伏電路、保護電路以及存儲電路等。在軟件部分，主要涵蓋了幾個關(guān)鍵模塊。其中，主程序軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心。主要負責控制硬件部分的各項功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。按鍵掃描軟件設(shè)計負責對按鍵電路進行掃描，實時檢測用戶的操作，以便響應相應的指令或功能。數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計負責通過通信電路將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給外部設(shè)備或服務器，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。同時，數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計系統(tǒng)還設(shè)計了存儲電路，以確保電能數(shù)據(jù)能夠持久化存儲，防止數(shù)據(jù)因系統(tǒng)故障而丟失。這樣的設(shè)計保證了數(shù)據(jù)的可靠性和持久性，使得智能電表系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)交流和存儲，為用戶提供準確的用電信息和數(shù)據(jù)分析支持。電能統(tǒng)計軟件設(shè)計負責對電能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)對用戶用電情況的監(jiān)測和記錄。通過采用硬件與軟件模塊化的設(shè)計方法，系統(tǒng)在開發(fā)過程中能夠更加高效地進行部署和調(diào)試，降低了開發(fā)成本和風險。同時，該模塊化設(shè)計還為后續(xù)的系統(tǒng)維護和升級提供了便利，使系統(tǒng)具備更好的可擴展性和靈活性。總體而言，硬件與軟件的模塊化設(shè)計將有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，使智能電表系統(tǒng)能夠更好地滿足市場需求。

3 智能電表軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計主要包括OLED顯示程序、電能計量驅(qū)動程序、I2C、WIFI、SPI等通信程序設(shè)計，并采用串口方法進行調(diào)試以檢測程序運行狀態(tài)。智能電表具備多項功能，在這里使用了C代碼進行軟件編寫。三相智能電表的主程序結(jié)構(gòu)，包括三大模塊：顯示模塊、電能計量模塊和通信模塊。此外，還包括繼電器控制模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和系統(tǒng)初始化模塊。為了應對智能電表中子模塊較多的情況，選擇使用Keil C語言編輯環(huán)境進行開發(fā)。Keil編程開發(fā)環(huán)境支持軟件算法的模塊化編程，能夠?qū)崿F(xiàn)代碼的逐步調(diào)試，并且對STM32軟件開發(fā)提供了優(yōu)良的支持。通過使用這樣的開發(fā)環(huán)境，能夠更加高效地開發(fā)和調(diào)試智能電表的軟件部分，確保其穩(wěn)定運行和功能完善。

4 實驗測試結(jié)果

為了確保實驗結(jié)果的可靠性和準確度，在本實驗中采用了三相標準源作為電力信號發(fā)生器。這款三相標準源具有極高的功率精度，非常適合用于電力檢測。將三相智能電表連接到三相標準源上，以測試電表的各項性能。本設(shè)計的三相智能電表具有以下具體特點：①高精度功率測量：能夠準確測量和計算電能消耗，確保測量結(jié)果的精確性。②可調(diào)節(jié)的相位和幅度：工作頻率范圍42～65 Hz，相位和幅度可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。③寬范圍的電壓輸出：0～420 V的交流電壓輸出范圍，調(diào)節(jié)精度為0.05% RG。④寬范圍的電流輸出：0～20 A的交流電流輸出范圍，調(diào)節(jié)精度為0.05% RG。⑤諧波輸出功能：能夠輸出2～50次諧波波形，滿足特定需求。

在本設(shè)計的三相智能電表的硬件電路中，進行了電能計量實驗，并得到了表1的實驗結(jié)果。

表1 電流電壓測試結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)顯示，智能電表的測量誤差非常小，且實驗結(jié)果十分穩(wěn)定。為了進一步評估智能電表的精確度，進行了與市用電表的精確測量對比，文章設(shè)計的RN8302智能電表相較于市面上常用的電表，具有更高的測量精確度和更強的穩(wěn)定性。這種顯著的改進主要得益于在設(shè)計中采用了濾波電路，用于消除電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波信號。此外，RN8302智能電表本身具備出色的降噪能力，進一步提高了測量的準確性。

根據(jù)上表的實驗數(shù)據(jù)，可以得出測量誤差非常小且實驗結(jié)果非常穩(wěn)定的結(jié)論。這一顯著改進的主要原因在于采用了濾波電路來消除電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波信號，并且RN8302本身具備出色的降噪能力，從而使測量結(jié)果更加精準。本設(shè)計的三相智能電表系統(tǒng)不僅滿足了設(shè)計要求，而且在測量精確度方面優(yōu)于市面上常用的電表，具備更高的穩(wěn)定性。這得益于采用濾波電路消除高次諧波信號以及RN8302本身的降噪能力。因此，可以確信本設(shè)計的三相智能電表能夠達到預期的功能，并為電力系統(tǒng)的優(yōu)化和能源管理提供更加精確可靠的數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進和5G技術(shù)的普及，智能電表將在未來呈現(xiàn)更廣闊的發(fā)展前景。文章闡述了智能電表的整體設(shè)計方案，包括智能電表系統(tǒng)的主要模塊、智能電表系統(tǒng)設(shè)計功能、軟件與硬件模塊化的設(shè)計方法；對系統(tǒng)的軟件部分進行設(shè)計，主要包括OLED顯示程序、電能計量驅(qū)動程序、WIFI、I2C、SPI等通信程序設(shè)計，并采用串口進行調(diào)試以檢測程序運行狀態(tài)；在本設(shè)計的三相智能電表的硬件電路中，進行了電能計量實驗，通過實驗結(jié)果可得出本次設(shè)計方案有效果。