劉 巖，徐俊杰，周 宇，孟 宇，楊永標

(1 國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院， 北京 100053；2 國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司， 南京 211106；3 東南大學電氣工程學院， 南京 210096)

1 背景

目前，我國經(jīng)濟建設正處于高速發(fā)展階段，國家電網(wǎng)提出了關于全面推進智能電力計量體系建設的意見，推動全國統(tǒng)一電力市場建設、電力工業(yè)創(chuàng)新型發(fā)展，實現(xiàn)電力強國[1]。

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術的重要組成部分，不僅可以通過物物相連和人物相連實現(xiàn)信息交換，還能連接物品網(wǎng)，實現(xiàn)遠程控制的功能。嵌入式是一種綜合利用了計算機技術、電子應用技術、集成電路技術以及傳感器技術的綜合性技術，在物聯(lián)網(wǎng)中起到了重要的作用。隨著信息技術的不斷發(fā)展以及人們對生活質量要求的不斷提高，業(yè)務能力和應用創(chuàng)新性成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心。利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)智能電力計量是以用戶體驗為核心的關鍵性改革。我國技術研究人員對于物聯(lián)網(wǎng)技術應用方面的研究較晚，目前承擔的項目包括智能用電、智能家居、高壓電力檢測和無線抄表等8～10項。除此之外，國家電網(wǎng)承擔了多項相關的國家973計劃、國家科技重大專項等項目，其中包括“面向智能電網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡研發(fā)與應用驗證”“物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)中的應用-智能電網(wǎng)”等[2]。在“十二五”期間，國家電網(wǎng)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)應用中投入資金已達1 000億元左右，智能網(wǎng)的建設進度加快。截至2010年，我國已經(jīng)在九家電力公司試運行了輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，8個試點工程建成投產了智能變電站?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的智能電動汽車充換電建設在全國多數(shù)地區(qū)進行了探索性應用，取得了良好的成效[3]。

基于無線嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)智能電力計量是利于民生的重要應用，但是由于我國對于這方面的研究仍處于一個起步的階段，對于具體的技術還沒有進行更深入的研究，因此其發(fā)展面臨很大的挑戰(zhàn)。其中一個問題是我國目前還沒有形成統(tǒng)一的標準化體系，這在很大程度上限制了技術的發(fā)展和產品的規(guī)?；瘧谩Ａ硪粋€亟待解決的問題在于我國研發(fā)人員尚未建立起擁有我國自主產權的核心技術體系，使得本國產業(yè)在國際競爭中處于劣勢，不利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。另外，我國物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展水平尚沒有能力解決可能存在的一系列安全性問題，而電力行業(yè)作為我國普及性、基礎性的行業(yè)，發(fā)展的重要前提是維持電力的安全[4]。

2 理論基礎

2.1 新型電能計量芯片介紹(HLW8112)

HLW8112可以測量更全面的電能參數(shù)，包括漏電保護、過載保護、免校準、過零檢測、二通道檢測、智慧用電等多功能，精度更高。對于家電長期使用可能造成的漏電現(xiàn)象，HLW8112芯片在單通道基礎上額外增加一路電流，用來檢測設備漏電狀況。對于家電使用不當或者器件老化造成的工作電壓電流超負荷情況，HLW8112芯片內部設置了電流、電壓、功率額定最大值，檢測到過載異常時，該芯片會對相應設備進行更新指示。HLW8112芯片自身測量誤差可以控制在2%以內，節(jié)省了設備、人工以及時間成本。HLW8112芯片具有電流、電壓信號過零檢測功能和通道測量功能，1個計量模塊可以實現(xiàn)2個插孔的測量。HLW8112芯片還可以測量電壓驟降、峰值、相角、線頻率、功率因素等電能參數(shù)，建立完整的智能電力計量系統(tǒng)。HLW8112芯片性能參數(shù)如圖1所示，其特點是兩路電流采樣通道并行使用，一路通道用以檢測用電設備是否擁有完備的檢漏電功能，另一路通道檢測用電設備的用電量、功率以及過載判斷。

圖1 HLW8112芯片性能參數(shù)

2.2系統(tǒng)整體方案介紹

電能是有功功率隨著時間的積累，是電做的功，即產生能量的能力，而P=U×I，因此電力的計量可以通過對電壓電流進行積分運算得到。各相的有功功率通過對去直流分量后的電流信號和電壓信號進行數(shù)學化等處理后能得到總的有功功率。由采樣定理可知，系統(tǒng)采集到的電流和電壓會包含2到21次的諧波數(shù)據(jù)信息[5]，因此：

(1)

式中：n是相數(shù)；U(k)是電壓；I(k)是電流。

對于無功功率的計量與此類似，只是對于電壓信號進行了90°的相位移向。相角、視在功率、功率因數(shù)等的測量是基于有功功率和無功功率，利用乘、除以及開方等運算計算得到的。有效值是利用電流和電壓采樣值，在這些數(shù)據(jù)上采用開方運算、平方運算以及數(shù)字濾波等得到的。功率信號對時間進行積分得到電能量，運算公式如下所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

按照美國的制裁規(guī)則，“過渡期”后新發(fā)生的違反制裁政策的業(yè)務會受到美國制裁。但對于正在運行的項目，美國制裁政策并沒有要求徹底退出，而只是要求不得采取超出上述制裁規(guī)則所允許限額的諸如購買原油、提供技術和資金支持等行為。特朗普政府在對伊朗制裁政策方面存在著極大不確定性，從商業(yè)角度來看，暫停伊朗業(yè)務并保留基本的業(yè)務存在，不失為一種既不違反美國制裁規(guī)則又保留未來商業(yè)可能性的做法。但項目是否真正暫停，還需要咨詢專業(yè)的制裁律師，并根據(jù)項目情況、合同條款以及伊朗方面態(tài)度進行綜合判斷分析。

(6)

(7)

式中：Irms是電流有效值；Urms是電壓有效值；P是有功平均功率；PF是功率因數(shù)；Ep是有功能量；Eq是無功能量；t是瞬時時間；T是總時間；u(t)是瞬時電壓；i(t)是瞬時電流。功率P可表示如下：

u(tk)i(tk)+…+u(tn)i(tn)]=

(8)

令Δt=tk-tk-1，得到周期T內的有功電能量的采樣數(shù)值W為

(9)

當采樣間隔Δt→0時，式(9)可以寫為

(10)

因此，可以得到：

(11)

(12)

圖2是該嵌入式開發(fā)的電路設計，既能檢測負載的功率、用電量、電壓和電流等，又能進行漏電檢測。智能電力計量系統(tǒng)對用電設備的狀態(tài)、能耗進行智能監(jiān)測與控制，從而掌握更加詳細的用戶負荷情況和用電規(guī)律，自動設計優(yōu)化用電方案，達到智能化管理[6]。該電路檢測到的數(shù)據(jù)通過UART或SPI接口傳輸?shù)組CU，并顯示異常狀態(tài)。當負載設備漏電時，會通過INT2及時切掉電源進行保護。

圖2 開發(fā)電路設計

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的控制、監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理等操作利用嵌入式技術實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)對于理解物聯(lián)網(wǎng)本質有重要的作用，物聯(lián)網(wǎng)可以稱之為嵌入式產品的網(wǎng)絡化。微處理器的發(fā)展為計算機信息處理技術提供了歸一化的智能內核，另外，物聯(lián)網(wǎng)本身的智能性可以滿足不同用戶的需求，進而探索新的應用領域[7]。物聯(lián)網(wǎng)是提高不同行業(yè)核心競爭力，促進經(jīng)濟發(fā)展方式進行轉變的推動力量，具有感知全面、傳遞可靠、控制智能化和數(shù)融合性等特點。

智能電力計量系統(tǒng)是一個利用終端傳感器整體提高電網(wǎng)的綜合效率的系統(tǒng)，主要在用電用戶之間、以及用電用戶和電網(wǎng)公司之間形成聯(lián)網(wǎng)互動，增加聯(lián)系的便捷性，提高工作和生活質量，具有高安全性、高效率和高電能質量的特點。智能電力系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、雙向互聯(lián)，實現(xiàn)用電用戶和電網(wǎng)公司的信息共享，促進交流方便自由[8]。信息采集的無損性、傳輸?shù)牧鲿承浴玫挠行蛐院托畔⒌母咝Ю?，對于電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化決策水平起到了很大的作用，能提高電力系統(tǒng)的有效性、經(jīng)濟性和安全性。在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，能源代替和兼容利用是其本質，而構建能進行自適應調節(jié)、實時采集和監(jiān)控客戶的用電信息能最大化利用電能，對其進行最優(yōu)化配置，同時還能提高國家和電網(wǎng)公司對用電用戶的管理[9]。

圖3 智能電力系統(tǒng)平臺功能模塊

物聯(lián)網(wǎng)作為一種高效的信息傳輸工具，可以通過對傳感器節(jié)點處采集的數(shù)據(jù)進行存儲和處理，每個節(jié)點的作用相當于具有高效計算、處理能力的云計算信息加工廠[10]。智能電力系統(tǒng)的功能模塊如圖3所示。從技術角度分析，智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡功能仍然在于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理。智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的結合全方位提高了智能電網(wǎng)每一個環(huán)節(jié)的信息感知廣度以及深度，更極大提高了數(shù)據(jù)處理的能力與效率[11]。智能電力計量系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，本文針對物聯(lián)網(wǎng)應用的特性，應用無線嵌入式技術，給出了能實現(xiàn)智能電力計量的系統(tǒng)技術方案，實現(xiàn)了基于無線嵌入式的物聯(lián)網(wǎng)架構和電力采集和計量終端平臺的設計，并給出了該智能電力計量系統(tǒng)的整體方案說明。智能網(wǎng)關支持TCP/IP協(xié)議、PLC協(xié)議，采用HLW8112為控制核心，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧與PCL協(xié)議棧之間的轉換，在不同網(wǎng)絡中實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，智能網(wǎng)關硬件原理見圖4。管理系統(tǒng)軟件具有3層模式，自上而下分別是上位機管理程序、網(wǎng)關控制程序和控制終端程序3個部分，這3部分程序功能上互相協(xié)作，邏輯上互相獨立，系統(tǒng)軟件原理見圖5。

圖4 智能網(wǎng)絡硬件原理圖

圖5 系統(tǒng)軟件原理

由圖5可知，上位機部分由3個模塊組成，分別是監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和同步程序，分別實現(xiàn)了監(jiān)控終端系統(tǒng)、保存并更新傳輸數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)庫的作用。智能網(wǎng)關控制器部分采用多線程的方式，其中主線程監(jiān)視RJ45的下載數(shù)據(jù)，另外3個監(jiān)視線程分別監(jiān)視GPRS下載線程、PLC Modem上報線采集器，可以記錄用戶實時用電情況，并保存數(shù)據(jù)進行規(guī)律探尋，利用現(xiàn)有電壓輸電線路，以GPRS作為通信載體，制定合理的用電方案，達到技術節(jié)能、減少企業(yè)和用戶時間的目的，實現(xiàn)大范圍的集中管理?，F(xiàn)場終端部分進行消息的轉發(fā)，在施工過程中該部分已經(jīng)開始向組網(wǎng)發(fā)送消息，并將消息路徑作為該終端的路由過程。

4 性能評估

為了更好地對上述智能計量系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測，利用計量設備的計量特性進行分析。計量系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，供電可靠性好，電能利用率高，自動化和數(shù)字化水平高，可以實時監(jiān)控接入設備，從而進行遠程操作，掌握其工作狀態(tài)和運行情況。該無線嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能電力計量系統(tǒng)可以實現(xiàn)同步監(jiān)控、安全穩(wěn)定、精確感知、搭建靈活、精準操作、使用便捷、精細管理，過程跟蹤、效果評估和易于維護等功能[12]。除此之外，該系統(tǒng)還能從以下性能方面進行評估：

1) 能耗低。我國電力網(wǎng)電能損耗管理規(guī)定指出，電力網(wǎng)電能損耗率是國家考核電力部門的重要指標，本文所提出的利用無線嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對智能電力的計量系統(tǒng)符合國家規(guī)定的條件，電能表合格率、校驗率、故障率等都符合考核標準。

2) 準確率/精度。假設擁有m個樣本個體，那么該樣本的錯誤率為

(13)

即測試中不準確計量數(shù)占總計量數(shù)的個數(shù)。其中f(xi)為統(tǒng)計分類器預測出來的結果，yi為真實結果，即1-e。測驗表明，該計量系統(tǒng)精度達到99.5%以上，電表故障率遠小于1%，檢驗率達到100%。

3) 可靠性。該智能電力計量系統(tǒng)具有良好的電網(wǎng)基礎體系和技術支撐體系，不僅可以防御外部干擾，還可以接入清潔能源和可再生能源，實現(xiàn)節(jié)能減排，降低損耗。通過將多種現(xiàn)代化信息技術(比如傳感器技術等)與電網(wǎng)基礎設施相融合，可以對系統(tǒng)進行個性化管理，及時發(fā)現(xiàn)故障并檢修。

5 結束語

隨著無線電力影響力的擴大，物聯(lián)網(wǎng)將改變大眾的生活運作方式。隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，智能化生活對數(shù)據(jù)的需求必將越來越大。智能交互終端作為未來家庭實現(xiàn)智能化用戶服務的重要終端設備，可以通過無線互聯(lián)的方式，利用先進的通信技術，對家庭所有用電設備統(tǒng)一監(jiān)控管理，還能對家庭用電信息、電能質量、供電規(guī)律等數(shù)據(jù)進行采集和分析，指導用戶合理用電，調節(jié)電網(wǎng)峰谷負荷，節(jié)省國家電力資源和用戶電費，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間智能用電。同時，還能給國家個社會帶來良好的經(jīng)濟效益，智能用電已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展和社會進步的必然趨勢。通過實驗驗證，本文設計的智能電力計量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的準確性高、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詮?、電力計量與系統(tǒng)管理方面性能表現(xiàn)優(yōu)異，對于構建基于嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的智能電力管理系統(tǒng)有普遍的現(xiàn)實指導意義。