朱成杰，周 亞

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

對(duì)于電能質(zhì)量的采集，傳統(tǒng)的方法是工作人員定期攜帶電能監(jiān)測(cè)設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和保存，這種采集方式消耗了大量的人力物力，還存在效率低、易受環(huán)境影響等缺點(diǎn)[1-3]。對(duì)于LPWAN來(lái)說(shuō)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有覆蓋面積更廣、連接的密度更大的特點(diǎn)[4-6]，被廣泛地應(yīng)用在了智能儀表方面，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的電能質(zhì)量采集與收集，相比于傳統(tǒng)模式更加安全、快捷、高效[7-10]。根據(jù)分析情況以及現(xiàn)實(shí)需求，本文采用以NB-IoT技術(shù)為基礎(chǔ)的高頻率采集電能質(zhì)量信息的遠(yuǎn)程采集分析系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以更快捷地對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)察，便于提升電能質(zhì)量。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合圖1所示的實(shí)際電能質(zhì)量采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，該系統(tǒng)涉及的軟硬件大致可以分為三個(gè)體系，即數(shù)據(jù)采集終端、無(wú)線傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理中心。采集終端PQAUE主要由兩部分組成，其中硬件以MCU為主控部分，NB-IoT作為通信部分，由eSIM卡協(xié)助完成通信，計(jì)量器采集數(shù)據(jù)并向主控部分傳輸數(shù)據(jù)；軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能是控制數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和算數(shù)運(yùn)算。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理中心由兩部分組成，即客戶端軟件和服務(wù)器軟件。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片硬件最小系統(tǒng)及外圍電路

主控芯片STM32F103C8T6能夠正常運(yùn)行，電源、復(fù)位電路、晶振電路是不可或缺的，共同組成了該硬件的最小系統(tǒng)。采用NB通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電線路電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，其中信號(hào)處理及信號(hào)運(yùn)算分析是由STM32F103C8T6控制系統(tǒng)完成。

2.2 電能計(jì)量芯片選型

三相電網(wǎng)中常用ATT7022E作為檢測(cè)電能的專(zhuān)用計(jì)量芯片，如圖2所示。該芯片由參考電壓電路、三相電壓電流差分輸入ADC模塊以及數(shù)字信號(hào)處理電路所集成，其主要功能是測(cè)量三相電網(wǎng)中的電流有效值、電壓有效值、視在功率、有功功率和無(wú)功功率等重要電力參數(shù)；由于該芯片不能直接測(cè)量大電壓電流，故實(shí)驗(yàn)中采用電壓采樣電路和電流采樣電路進(jìn)行采樣處理。ATT7022E上可以直接實(shí)現(xiàn)與MCU的串行通信，更高效準(zhǔn)確地讀取所測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，從功能和測(cè)量精度來(lái)說(shuō)，ATT7022E是最佳的電能計(jì)量芯片。

圖2 電能計(jì)量芯片

2.3 NB-IoT模塊選擇

采用新款BC26模塊，該模塊基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺(tái)研發(fā)，其頻率覆蓋率相較于BC95和BC28更廣，支持全球覆蓋，具有體積小的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，BC26的供電電壓一般為低壓供電2.1～3.63 V。設(shè)計(jì)方面兼容移遠(yuǎn)通信GPRS系列M26模組，方便用戶更快速靈活地切換至NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

2.4 系統(tǒng)供電模塊

傳統(tǒng)的供電方式有兩種，即高壓變電供電和太陽(yáng)能供電?？紤]天氣環(huán)境等多方面因素，本文采取太陽(yáng)能加鋰電池的方式進(jìn)行供電，當(dāng)白天光源充足時(shí)，太陽(yáng)能供電的同時(shí)向鋰電池進(jìn)行充電，當(dāng)遇到霧霾陰雨天時(shí)由鋰電池向設(shè)備供電。本系統(tǒng)使用DC-3.3 V供電，采用的設(shè)計(jì)方案是：220 V交流電轉(zhuǎn)5 V直流電，再將5 V直流電轉(zhuǎn)為3.3 V直流電；兩種芯片的選擇分別是HLK-PM01和TPS70933，二者都具有體積小、功耗低的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由主控制系統(tǒng)、電能采集模塊、NB-IoT通信模塊進(jìn)行初始化，經(jīng)過(guò)NB通信將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送至OneNET云平臺(tái)，設(shè)計(jì)手機(jī)APP或者PC端網(wǎng)頁(yè)，以方便遠(yuǎn)程用戶隨時(shí)查看測(cè)得數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主流程

3.2 云平臺(tái)

系統(tǒng)中采用OneNET云平臺(tái)，云平臺(tái)邏輯示意圖如圖4所示。云平臺(tái)不僅能夠通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)實(shí)時(shí)接收來(lái)自監(jiān)測(cè)終端的原始數(shù)據(jù)，還能夠通過(guò)其向現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送指令，并且能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)設(shè)備的原始數(shù)據(jù)記錄保存。

4 系統(tǒng)測(cè)試

監(jiān)測(cè)中心可以通過(guò)手機(jī)APP或者登錄網(wǎng)頁(yè)OneNET進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看與監(jiān)測(cè)。在OneNET和APP上設(shè)置了本設(shè)計(jì)的主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)—三相電壓和電流。通過(guò)手機(jī)APP得到了預(yù)期的效果，如圖5所示。

圖5 手機(jī)端測(cè)試效果

由于實(shí)驗(yàn)條件的局限性，對(duì)三相電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行調(diào)試，確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速并觀察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓值和電機(jī)輸入端電壓的真實(shí)值，并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)查看。如圖6所示，平均誤差為0.247 V，滿足本文實(shí)驗(yàn)要求。

圖6 電壓和電流曲線

表1所列為三相電壓真實(shí)值與測(cè)量值。從表中可以看出，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的三相電壓與真實(shí)三相電壓差距較小，相對(duì)誤差在0.6%之內(nèi)。

表1 三相電壓真實(shí)值與測(cè)量值對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于NB-IoT設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)電流采集裝置和電壓采集裝置將大電流和大電壓轉(zhuǎn)為ATT7022E所能承受的小電壓和小電流；將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)傳送至云平臺(tái)，再上傳至手機(jī)APP和網(wǎng)頁(yè)供工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，提高了輸電線路在電力傳輸過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。