宋俊亮，袁 慧，錢 丹

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司電力營銷服務(wù)與運(yùn)營管理分公司電能計(jì)量中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)已逐漸發(fā)展成自動化水平程度較高的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，電能計(jì)量資產(chǎn)倉儲系統(tǒng)是電網(wǎng)中的電能資產(chǎn)信息采集與存儲單元，在云計(jì)算技術(shù)快速發(fā)展的背景下，國家電力部門為實(shí)現(xiàn)電能資產(chǎn)的自動化采集與存儲，提出了促進(jìn)多表合一的相關(guān)舉措。

目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對電能資產(chǎn)的自動化采集與倉儲系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了基于GPRS技術(shù)的電能計(jì)量資產(chǎn)自動化采集系統(tǒng)，利用GPRS 技術(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件與軟件環(huán)境，闡述了GPRS 技術(shù)在電能計(jì)量資產(chǎn)自動化采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能計(jì)量資產(chǎn)的自動化采集，但電能計(jì)量精度和綜合配置效率較低。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)基于電能計(jì)量相關(guān)因素的資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)堆垛機(jī)架構(gòu)，結(jié)合電能計(jì)量，優(yōu)化倉儲資產(chǎn)配置結(jié)構(gòu)，完成自動化倉儲。該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)電力計(jì)量自動化倉儲，但該系統(tǒng)的監(jiān)測平均作業(yè)頻率較低。

為了解決以上問題，該文設(shè)計(jì)了基于NB-IoT 技術(shù)的電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)，設(shè)計(jì)了倉儲系統(tǒng)的通信模塊，并對系統(tǒng)的其他硬件也進(jìn)行了具體的論述，給出了系統(tǒng)的軟件流程，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文設(shè)計(jì)的基于NB-IoT 技術(shù)的電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)的工作性能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件環(huán)境，主要由電能計(jì)量電路模塊、處理模塊、控制模塊、NB-IoT 通信模塊組成。

1.1 電能計(jì)量電路模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)電能計(jì)量電路的計(jì)量芯片為ADE2849B，該芯片具有較高的自校準(zhǔn)能力，是一種單相電能計(jì)量電路，可實(shí)現(xiàn)倉儲系統(tǒng)的電能資產(chǎn)的計(jì)量與防篡改監(jiān)測[3-4]。在電能計(jì)量電路芯片內(nèi)部，集成了兩個ADC，可對電能表內(nèi)的電壓、電流、有功功率進(jìn)行有效值計(jì)算，檢測電能表內(nèi)的電能質(zhì)量、過電流峰值與功率因數(shù)。

電能計(jì)量電路采用分壓電路方式進(jìn)行電能電壓的采集，計(jì)量芯片內(nèi)的電流通路測量電表內(nèi)的線路電流，再通過電流傳感器將測量的線路電流傳輸?shù)诫娏黩?qū)動器內(nèi)，電流驅(qū)動器的輸入端連接電流互感器的負(fù)載，電流互感器內(nèi)流過的線路電流通過芯片連接到接地管腳[5]。

1.2 處理模塊設(shè)計(jì)

處理模塊主要負(fù)責(zé)電能數(shù)據(jù)的處理。處理模塊的核心設(shè)備為TI 公司生產(chǎn)的AT76DB846 微處理器，該微處理器作為處理模塊的主控單元，具有較低的功耗和較好的數(shù)據(jù)處理能力。在微處理器的內(nèi)部設(shè)有24 MHz 的時(shí)鐘，其工作電壓最高為3.6 V，最低為2.0 V，在處理器的外部設(shè)有存儲容量為16 kB 的非易失存儲器，在工作模式下功耗為100 μA/1.8 V，當(dāng)微處理器處于掉電模式時(shí)，其功耗為6.2 μA/3 V，微處理器具有多個接口，包括I/O 端口、USB 接口等，處理模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 處理模塊結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1 可知，傳感器采集到的電能數(shù)據(jù)經(jīng)過I/O 接口和USB 接口傳輸至微處理器中，經(jīng)過連接器、分配器、功能元件和體連接器處理后，通過交換器傳輸至外部的監(jiān)測器中并進(jìn)行信號監(jiān)測，此時(shí)消耗的功耗約為8.3 μA/4.2 V[6-8]。

1.3 控制模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的控制模塊主要負(fù)責(zé)對處理過的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。控制模塊的MCU 為TI 公司生產(chǎn)的MSP810F66 型微控制器，該款微控制器具有32 位指令集內(nèi)核，在對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行控制過程中其工作頻率為5.6 MHz。微控制器芯片的工作電壓最高可達(dá)3.6 V，最低為1.8 V，在正常工作電壓范圍下，電源模式可處于工作、待機(jī)、關(guān)閉與關(guān)斷狀態(tài)，可對異常電壓進(jìn)行監(jiān)控并采取限電措施。在微控制器的內(nèi)部設(shè)有硬件乘法器與定時(shí)器，在外部設(shè)有多個用來傳輸電能數(shù)據(jù)的通信接口，包括UART 接口、SPI 接口、SDI 通信接口等[9-10]?？刂颇K時(shí)鐘芯片管腳如圖2所示。

根據(jù)圖2 可知，電能數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后經(jīng)由SPI 通信接口傳輸至控制模塊的微控制器內(nèi)，調(diào)用32 位指令集對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并完成運(yùn)算。此時(shí)微控制器的功耗較低，工作頻率處于正常狀態(tài)，運(yùn)算完成后經(jīng)由SDI 通信接口傳輸?shù)接布朔ㄆ鲀?nèi)，通過硬件乘法器的指令提升電能數(shù)據(jù)的控制速度[11-12]，同時(shí)，通過定時(shí)器的RTC 功能實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的集中控制。

圖2 控制模塊時(shí)鐘芯片管腳

1.4 NB-IoT通信模塊設(shè)計(jì)

NB-IoT 通信模塊主要負(fù)責(zé)電能數(shù)據(jù)的無線通信。該模塊的核心為SARA-N2，NB-IoT 通信模塊的工作電壓范圍為3.6～4.8 V，外部設(shè)有串行通信接口UART，方便進(jìn)行電能數(shù)據(jù)的傳輸[13]。同時(shí)，為了與其他設(shè)備的外部數(shù)字接口進(jìn)行匹配，在NB-IoT 通信模塊內(nèi)部會提供一個1.2 A 的電流，外部的LDO 提供的工作電壓最低為3.6 V，以確保NB-IoT 通信模塊在正常工作時(shí)，其電壓可以保持穩(wěn)定。為保證電能信號的穩(wěn)定傳輸，NB-IoT 通信模塊的復(fù)位管腳連接SARA-N2 的管腳，SARA-N2 管腳具有開漏輸出功能，當(dāng)電能信號由于通信障礙等原因而無法進(jìn)行傳輸時(shí)，NB-IoT 的復(fù)位管腳保持邏輯0 狀態(tài)。

SARA-N2 通過串行通信接口UART 傳輸電能數(shù)據(jù)，其與控制模塊的微控制器進(jìn)行電能數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，由于兩者的工作電壓均為3.6 V 且均具有UART串行通信接口，因此兩者間不需要進(jìn)行高低電平的轉(zhuǎn)換[14]。NB-IoT 通信模塊的RXD 管腳連接微控制器的TXD 管腳，通過TXD 管腳向NB-IoT 通信模塊發(fā)送通信信號，發(fā)送過程中，通信線路與接地電容采用串聯(lián)方式進(jìn)行連接，以免中斷信號受到天線干擾，當(dāng)接地電容達(dá)到48 pF 時(shí)，證明通信信號已順利發(fā)出，則NB-IoT 通信模塊完成了一個階段的數(shù)據(jù)通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該文利用NB-IoT 技術(shù)，設(shè)計(jì)了電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)的軟件，該軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，在維護(hù)上較為簡單，系統(tǒng)軟件流程如圖3 所示。

圖3 基于NB-IoT技術(shù)的電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)流程

首先，初始化系統(tǒng)。將倉儲系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位，對控制模塊內(nèi)的定時(shí)器、微控制器、指令集內(nèi)核、時(shí)鐘、串口等進(jìn)行初始化操作，然后對微控制器的外部端口等設(shè)備進(jìn)行初始化，操作完畢后對電表內(nèi)的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量，根據(jù)控制模塊內(nèi)定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間估計(jì)電能數(shù)據(jù)收集程度，對收集的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)定電能電壓為U，電能容量S的計(jì)算公式為：

其中，k表示信號調(diào)制比，I表示電表內(nèi)的電流。

調(diào)用處理模塊內(nèi)的存儲器存儲計(jì)算完的電能容量數(shù)據(jù)，調(diào)用NB-IoT 通信程序判斷TXD 管腳是否發(fā)送通信信號，確定發(fā)送通信信號后，再次調(diào)用NBIoT 通信程序，將存儲的電能參數(shù)數(shù)據(jù)通過串行通信接口UART 發(fā)送到NB-IoT 無線通信設(shè)備內(nèi)，向NB-IoT 基站遠(yuǎn)程傳輸電能數(shù)據(jù)。如果NB-IoT 基站沒有接收到來自NB-IoT 無線通信設(shè)備的電能數(shù)據(jù)，則需要對NB-IoT 通信程序進(jìn)行更新，并再次嘗試發(fā)送電能參數(shù)數(shù)據(jù)。

然后，對電能計(jì)量程序中的芯片進(jìn)行控制。電能計(jì)量芯片作為電能計(jì)量程序的核心設(shè)備，可對流經(jīng)電表的二次側(cè)電壓進(jìn)行處理，二次側(cè)電壓U0的計(jì)算公式為：

其中，I0表示流經(jīng)電表的二次側(cè)電流，P表示電表功率。

獲得二次側(cè)電壓后，通過上式計(jì)算系統(tǒng)中的電能能量，以便芯片進(jìn)行傳輸，電能能量的計(jì)算公式為：

其中，W表示電能能量，C表示電容。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將電能能量數(shù)據(jù)交由內(nèi)部存儲器進(jìn)行保存，在與片外其他設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，芯片通過SDI 傳輸電能能量數(shù)據(jù)。通過控制程序的微控制器讀取傳輸?shù)碾娔軈?shù)數(shù)據(jù)，讀取完成后通過中斷方式傳輸?shù)絅B-IoT 通信程序內(nèi)，NB-IoT 通信程序通過云平臺、移動終端等獲得電能參數(shù)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，在獲取過程中電能參數(shù)數(shù)據(jù)不會發(fā)生丟失情況，有效保證了電能數(shù)據(jù)的完整性[15-16]。

最后，采用C++語言對NB-IoT 通信基站監(jiān)測的電能參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。C++語言可利用UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)NB-IoT 通信基站與移動終端設(shè)備的通信，讀取NB-IoT 通信基站監(jiān)測的電能參數(shù)數(shù)據(jù)并在移動終端上進(jìn)行顯示。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于NB-IoT 技術(shù)的電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)的有效性，選用該文系統(tǒng)和文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分別判定不同系統(tǒng)的平均作業(yè)頻率和綜合配置效率。

為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，該文選用10 個監(jiān)測特征點(diǎn)，分別采用三種系統(tǒng)對10 個監(jiān)測特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，得到的監(jiān)測平均作業(yè)頻率如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測平均作業(yè)頻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖4 可知，不同電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)對于不同特征點(diǎn)的平均作業(yè)頻率存在明顯的差異性。該文系統(tǒng)的監(jiān)測平均作業(yè)頻率為88%，而文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的基于GPRS 技術(shù)的電能計(jì)量資產(chǎn)自動化采集系統(tǒng)的監(jiān)測平均作業(yè)頻率為62%，文獻(xiàn)[2]基于電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)的監(jiān)測平均作業(yè)頻率為75%。由此可知，該文系統(tǒng)的平均作業(yè)頻率高于文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)。

為了更好地完成驗(yàn)證，對三種系統(tǒng)的綜合配置效率進(jìn)行對比，得到不同系統(tǒng)綜合配置效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 綜合配置效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖5 可知，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)綜合配置效率穩(wěn)定在98%，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的基于GPRS 技術(shù)的電能計(jì)量資產(chǎn)自動化采集系統(tǒng)的綜合配置效率低于80%，文獻(xiàn)[2]基于電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)的綜合配置效率低于95%，但是在監(jiān)測點(diǎn)2 和監(jiān)測點(diǎn)7 綜合配置效率出現(xiàn)明顯下降。由此可知，該文提出的系統(tǒng)具備更高的可行性，能夠很好地提高倉儲配置效率。

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)出現(xiàn)的監(jiān)測平均作業(yè)頻率和綜合配置效率低的問題，該文設(shè)計(jì)了基于NB-IoT 技術(shù)的電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲系統(tǒng)。通過NB-IoT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量資產(chǎn)自動化倉儲，該系統(tǒng)能夠有效提高監(jiān)測平均作業(yè)頻率和綜合配置效率，為電力系統(tǒng)中電能計(jì)量提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在電力系統(tǒng)的電能資產(chǎn)計(jì)量倉儲上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。但該文研究的計(jì)量系統(tǒng)采集時(shí)間較長，未來需要將重點(diǎn)放在系統(tǒng)硬件采集設(shè)備設(shè)計(jì)中。