智能電力監(jiān)測(cè)儀研究

劉曄

摘要：電力監(jiān)測(cè)儀是電力系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)生，無(wú)人值守的智能監(jiān)測(cè)儀得到了較快的發(fā)展。文章對(duì)電力參數(shù)測(cè)量進(jìn)行介紹，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力監(jiān)測(cè)儀展開(kāi)研究，并設(shè)計(jì)出在移動(dòng)終端工作的監(jiān)測(cè)軟件。

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)測(cè)儀；物聯(lián)網(wǎng)；智能化；移動(dòng)終端；電力系統(tǒng)；電力設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933 文章編號(hào)：1009-2374（2016）31-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.014

電力和人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，但是在電力傳輸和使用的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)參數(shù)的突變，導(dǎo)致電流波形的不穩(wěn)定和電壓的畸變。這種突變?nèi)菀自斐砂踩鹿实陌l(fā)生，對(duì)于人們的生產(chǎn)和生活影響意義重大。目前的電力監(jiān)測(cè)設(shè)備基本都是在供電所、變電站等電力供應(yīng)廠商處，用來(lái)對(duì)電力系統(tǒng)維護(hù)和維修，但是大部分電力監(jiān)測(cè)設(shè)備體積較大，而且功能結(jié)構(gòu)單一，必須放置在使用現(xiàn)場(chǎng)，工作人員在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)刻觀察，記錄參數(shù)，使用非常不便。近年來(lái)由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，硬件設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)當(dāng)中，這為智能電力監(jiān)測(cè)儀的發(fā)展提供了新的思路。

1 電力參數(shù)的測(cè)量方式

目前的電力參數(shù)測(cè)量常用的方式有三種，分別是交流采樣、直流采樣、FFT采樣。（1）交流采樣是按一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)交流電氣信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，獲得用數(shù)字量表示的離散時(shí)間采樣值序列，并通過(guò)對(duì)采樣值序列進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算獲取被測(cè)信號(hào)的信息；（2）直流采樣即采集經(jīng)過(guò)變送器整流后得直流量；（3）FFT采樣是將離散的采樣值經(jīng)過(guò)離散傅立葉變換（DFT）轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和諧波分量，再求出有效值及功率，實(shí)際使用中可以采用快速傅立葉變換（FFT）以提高運(yùn)算速度。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)RS232或RS485傳輸給儀器控制界面，控制界面可以采用工控機(jī)、嵌入式主板等來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和處理，計(jì)算出電流有效值、電壓有效值、諧波分量、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電力監(jiān)測(cè)儀的應(yīng)用

基于傳統(tǒng)電力監(jiān)測(cè)儀的攜帶不便、功能結(jié)構(gòu)單一的弊端，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是能夠研究出智能化電力監(jiān)測(cè)設(shè)備的。近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，物聯(lián)網(wǎng)是三網(wǎng)融合的關(guān)鍵，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)可以將硬件設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠了解到測(cè)試的數(shù)據(jù)和信息。系統(tǒng)在采集到數(shù)據(jù)以后，數(shù)據(jù)在傳輸給監(jiān)測(cè)儀的同時(shí)利用Zig Bee無(wú)線傳感器和網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)器中。網(wǎng)絡(luò)包括了有線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，必須建立各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。外部網(wǎng)絡(luò)主要是指互聯(lián)網(wǎng)，利用互聯(lián)網(wǎng)可以將數(shù)據(jù)快速地傳輸給用戶；內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主要是在智能電力監(jiān)測(cè)儀的內(nèi)部傳感器，可以將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊（例如NRF2401芯片）傳輸給網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)在進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)以后，用戶可以利用計(jì)算機(jī)訪問(wèn)系統(tǒng)（使用B/S模式），也可以利用智能手機(jī)訪問(wèn)系統(tǒng)（使用C/S模式），系統(tǒng)地提供數(shù)據(jù)支持和服務(wù)。這樣用戶就能夠?qū)崟r(shí)接收數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置數(shù)據(jù)的報(bào)警界限，隨時(shí)隨地關(guān)注監(jiān)測(cè)的結(jié)果。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力監(jiān)測(cè)儀的研究

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)智能電力監(jiān)測(cè)儀的研究，采用B/S和C/S混合開(kāi)發(fā)的模式是比較理想的，用戶可以使用計(jì)算機(jī)登錄互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)系統(tǒng)，也可以通過(guò)手機(jī)軟件訪問(wèn)系統(tǒng)。B/S模式劃分為四層，即客戶層、頁(yè)面層、業(yè)務(wù)層以及EIS層，各層在系統(tǒng)中承擔(dān)著不同的任務(wù)。C/S模式劃分為三層，即軟件界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件應(yīng)該包括采集部分、處理模塊和無(wú)線發(fā)射模塊，由于采集部分和處理模塊設(shè)計(jì)非常成熟，但是需要使用的無(wú)線發(fā)射模塊必須設(shè)計(jì)，選用的無(wú)線模塊是NRF2401，這種無(wú)線發(fā)射模塊傳輸速度快、效率高、距離遠(yuǎn)，在室內(nèi)布置無(wú)線接收點(diǎn)以后就能夠接收到產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。同時(shí)硬件的無(wú)線傳輸關(guān)鍵是制定通信協(xié)議，只有良好的通信協(xié)議才能夠完成數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)共涉及四種電力參數(shù)，設(shè)定格式為<校驗(yàn)位，電力參數(shù)1，電力參數(shù)2，電力參數(shù)3，電力參數(shù)4，校驗(yàn)位>。通過(guò)固定格式參數(shù)的發(fā)送，可以有效避免錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，為防止誤報(bào)，上位機(jī)實(shí)行三次連續(xù)偵聽(tīng)的機(jī)制，判讀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。硬件電路的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要有兩個(gè)版本：一是在計(jì)算機(jī)中使用的程序（基于web訪問(wèn)）；二是基于Android系統(tǒng)使用的APP軟件。PC機(jī)系統(tǒng)采用的是B/S訪問(wèn)模式，具有系統(tǒng)登錄、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、即時(shí)測(cè)量、報(bào)警界限設(shè)置、故障預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)查詢六大功能。（1）系統(tǒng)登錄。用戶憑借用戶名和密碼登錄系統(tǒng)。如果用戶名和密碼不正確，不能登錄系統(tǒng)；（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)；（3）即時(shí)測(cè)量功能。用戶使用該功能能夠即時(shí)對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)；（4）報(bào)警界限設(shè)置。用戶可以設(shè)置報(bào)警的界限值；（5）故障報(bào)警。當(dāng)電力設(shè)備出現(xiàn)故障、電力傳輸設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)故障報(bào)警；（6）歷史數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)能夠存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中，用戶可以根據(jù)記錄的日期查詢監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。基于Android的App軟件采用的是C/S模式。具有三大功能：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。可以利用手機(jī)軟件實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并查看這些數(shù)據(jù)；（2）故障報(bào)警。能夠在出現(xiàn)異常的時(shí)候報(bào)警，提醒用戶注意電力參數(shù)突變；（3）歷史數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在手機(jī)中，可以根據(jù)記錄的日期查看監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)的傳輸設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的，首先通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸給接收終端，然后利用Zig Bee技術(shù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Zig Bee技術(shù)屬于近距離、復(fù)雜程度較小、低功耗的無(wú)線雙向通信技術(shù)，能夠在多個(gè)頻段實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和傳輸，具有多個(gè)支節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳遞以后最終通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到服務(wù)器當(dāng)中，由于采用了混合的開(kāi)發(fā)模式，用戶根據(jù)模式的不同可以選擇不同的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式。其中B/S模式基于WEB API訪問(wèn)，必須具有訪問(wèn)接口，利用接口來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。C/S模式的訪問(wèn)系統(tǒng)利用移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)，獲取其中的數(shù)據(jù)。

4 智能電力監(jiān)測(cè)儀的特點(diǎn)

智能電力監(jiān)測(cè)儀的使用非常廣泛，發(fā)展也很迅速，尤其是近年來(lái)由于移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了嵌入式設(shè)備的進(jìn)一步更新。例如中電科技四十一所的手持式電力監(jiān)測(cè)儀就屬于其中的一種，可以移動(dòng)操作，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?？傮w來(lái)說(shuō)，智能電力監(jiān)測(cè)儀具有以下特點(diǎn)：（1）使用便利、功能豐富。智能電力監(jiān)測(cè)儀是一整套系統(tǒng)，由多個(gè)模塊和子系統(tǒng)組成，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的功能；（2）智能化程度高。未來(lái)三網(wǎng)融合已經(jīng)成為大的趨勢(shì)，電力監(jiān)測(cè)、煤氣監(jiān)測(cè)、光照監(jiān)測(cè)逐步融入到物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中；（3）可靠性高。系統(tǒng)出現(xiàn)故障就會(huì)提示用戶注意，相比傳統(tǒng)設(shè)備來(lái)說(shuō)可靠性程度更高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電力監(jiān)測(cè)儀的采樣模式進(jìn)行了研究和分析，基于這個(gè)思路提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的電力監(jiān)測(cè)儀的觀點(diǎn)，并針對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。智能化的電力監(jiān)測(cè)儀不僅僅具有電力參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能，而且是一個(gè)完整的系統(tǒng)，可以將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給用戶，而本文提出的觀點(diǎn)正是結(jié)合了這個(gè)理念，為電力監(jiān)測(cè)儀的發(fā)展提供了探索。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱少民.軟件測(cè)試方法和技術(shù)[M].北京：清華大學(xué) 出版社，2005.

[2] Meng-Shiuan Pan，Ping-Lin Liu.Low latency scheduling for convergecast in ZigBee tree-based wireless sensor networks[J].Journal of Network and Computer Applications，2014，321.

[3] 俊峰.基于B/S模式的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器系統(tǒng)模型 [J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用，2013，5（5）.

[4] Wissam Razouk，Garth V.Crosby，Abderrahim Sekkaki. New Security Approach for ZigBee Weaknesses[J]. Procedia Computer Science，2014，37.

[5] 王譯平.電子式電能表的特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].寧夏電 力，2007，（2）.

[6] Francesca Cuomo.Cross-layer network formation for energy-efficient IEEE 802.15.4/ZigBee Wireless Sensor Networks[J].Ad Hoc Networks，2013，11（2）.