電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)

黃宏章

（惠州中城電子科技有限公司，惠州 516006）

電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)

黃宏章

（惠州中城電子科技有限公司，惠州 516006）

介紹電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)旨在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與電能供需管理的有機結(jié)合進而建設(shè)電能物聯(lián)網(wǎng)，在核心理論與技術(shù)、系統(tǒng)、協(xié)議、軟硬件設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)等方面進行深入的研制與開發(fā)，為從全局的角度有效解決電能供需平衡及優(yōu)化配置與使用難題，發(fā)展電能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)；信息采集

0 引言

從電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備研制、電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)增值服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)、電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與示范應(yīng)用四個層面展開相關(guān)研究與開發(fā)工作，其目的是：突破電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)，研制其核心智能化軟硬件產(chǎn)品，建設(shè)企業(yè)級、區(qū)域級電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，解決電能物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化布局與配置、電能數(shù)據(jù)實時采集與傳輸、電能使用的智能化決策、全局監(jiān)控與管理服務(wù)等電能物聯(lián)網(wǎng)的核心問題，為實現(xiàn)企業(yè)、區(qū)域級電能的動態(tài)配置與優(yōu)化使用、提升用電效率、降低用電消耗、實現(xiàn)智能電網(wǎng)與節(jié)能環(huán)保奠定基礎(chǔ)，也為推動我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用提供技術(shù)支撐與解決方案。

（1）電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)及軟硬件產(chǎn)品研發(fā)符合國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略規(guī)劃。本項目旨在突破電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)，研制具備自主知識產(chǎn)權(quán)的信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)軟硬件產(chǎn)品，進而建設(shè)企業(yè)級、區(qū)域級電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，通過對電能數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸、電能使用的全局監(jiān)控與優(yōu)化決策，提升企業(yè)、區(qū)域的電能供需平衡與使用效率，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低能源成本，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，這符合我國的基本國策和戰(zhàn)略規(guī)劃。

（2）電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)及軟硬件產(chǎn)品研發(fā)符合珠三角企業(yè)能耗管理的實際需求。

珠三角地區(qū)能耗企業(yè)總體規(guī)模龐大，數(shù)目眾多，由于長期以來忽視對電能的有效監(jiān)控與管理，導(dǎo)致各用能企業(yè)的電能管理和節(jié)電技術(shù)力量薄弱，因此普遍存在電能利用效率低，節(jié)電技術(shù)應(yīng)用程度不高，電能空耗等急需解決的問題，導(dǎo)致電能浪費嚴(yán)重，陷入了“高能源消耗換取低效生產(chǎn)目標(biāo)”的困境；與此同時，由于缺乏合適的電能數(shù)據(jù)實時采集技術(shù)與手段以及電能供需動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)致用電企業(yè)與供電部門之間的信息脫節(jié)，不能從電能供需鏈的角度實現(xiàn)企業(yè)、區(qū)域電能的供需平衡和優(yōu)化配置，難以實現(xiàn)節(jié)能、增效、環(huán)保的目標(biāo)。本項目提出的“電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)及軟硬件產(chǎn)品研發(fā)”正是為解決上述難題而提出，從電能物聯(lián)網(wǎng)的角度實現(xiàn)珠三角電能供需的動態(tài)配置與全局優(yōu)化調(diào)度。

（3）電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)及軟硬件產(chǎn)品研發(fā)有利于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。當(dāng)前電能供需矛盾日益增加，供電部門為了保證用電企業(yè)電能消耗需求，不得不采取諸如錯峰用能、定點限電等非常措施，嚴(yán)重影響企業(yè)開工率。本項目通過采集電能消耗數(shù)據(jù)，監(jiān)控電能使用情況，一方面為實現(xiàn)用電企業(yè)的動態(tài)監(jiān)控，減少設(shè)備空轉(zhuǎn)、能源空耗等現(xiàn)象，節(jié)省企業(yè)用電成本提供支撐；另一方面也為實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)電能供需的平衡決策、電能的優(yōu)化分配，減少企業(yè)因“限電”造成的停工現(xiàn)象提供決策支持，最終提升區(qū)域內(nèi)電能的合理配置與使用，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)突破電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)，研制具備自主知識產(chǎn)權(quán)的核心智能化軟硬件產(chǎn)品，建設(shè)企業(yè)、區(qū)域級電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，解決電能物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化布局與配置、電能數(shù)據(jù)實時采集與傳輸、電能使用的智能化決策、全局監(jiān)控與管理服務(wù)等電能物聯(lián)網(wǎng)的核心問題，為實現(xiàn)企業(yè)、區(qū)域級電能的動態(tài)配置與優(yōu)化使用、提升用電效率、降低用電消耗、實現(xiàn)智能電網(wǎng)與節(jié)能環(huán)保奠定基礎(chǔ)。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

（1）電能物聯(lián)網(wǎng)信息采集技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備研制。主要解決電能終端（測量點）的用電相關(guān)數(shù)據(jù)（包括電能消耗數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)等）的采集、雙向高速（無線）傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備問題，為各級電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的智能決策與監(jiān)控管理服務(wù)提供數(shù)據(jù)源。

（2）電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)增值服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)。基于已采集的復(fù)雜電能數(shù)據(jù)，本部分主要解決電能物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)增值服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能監(jiān)管、節(jié)能診斷與用電優(yōu)化等目標(biāo)。

（3）電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建模與開發(fā)。根據(jù)以上兩方面的研究內(nèi)容，本部分主要解決面向不同企業(yè)/區(qū)域范圍的電能監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的方案設(shè)計、框架建設(shè)與模塊分析、軟硬件配置以及系統(tǒng)開發(fā)等方面的問題，實現(xiàn)電能物聯(lián)網(wǎng)的有效運行。

（4）電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)示范應(yīng)用。根據(jù)以上三點所取得的技術(shù)、設(shè)備與系統(tǒng)研究與開發(fā)所取得的成果，本部分主要解決電能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的示范應(yīng)用與推廣問題，推動電能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計主要包含：RS-485電表與采集器進行通信；采集器、載波單相表和載波簡易多功能表通過電力載波與集中器進行通信；集中器通過GSM和GPRS網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)主站進行通信，或者通過PDA(掌機)實現(xiàn)電表與系統(tǒng)主站的通信；數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站、Web服務(wù)器、MIS（管理信息系統(tǒng)）與系統(tǒng)主站進行通信。

2.1 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)通信主要是實現(xiàn)集中器與主站之間的通信，我們采用最常見的以太網(wǎng)芯片DM9161AEP來進行設(shè)計。DM9161AEP是一款完全集成的和符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng)PHY，是采用較小工藝0.25um的10/100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)收發(fā)器。DM9161AEP通過可變電壓的MII或RMII標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口連接到MAC層，支持HP Auto-MDIX。是目前常見的一款物理層收發(fā)器，由于全球的MCU集成度不斷提高，由早先的MAC+PHY+MII的衍生到現(xiàn)在的PHY，在以太網(wǎng)部分的成本，逐漸降低。

在應(yīng)用過程中，DM9161AEP常出現(xiàn)的錯誤是，晶振的連接，以及網(wǎng)絡(luò)變壓器的匹配，所以應(yīng)該慎重選擇。在2010年，中國政府借鑒奧巴馬政府提出大力建設(shè)智能電網(wǎng)，以技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)能源高效化，電力智能化，用戶與供電企業(yè)之間互動化，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。國家電網(wǎng)在2009年底，提出智能電網(wǎng)中的相關(guān)設(shè)備的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，明確的把以太網(wǎng)網(wǎng)口作為標(biāo)準(zhǔn)配置寫入文件。DAVICOM率先看到巨大的市場，聯(lián)合多位專家，推出高性能的DM9161CEP，迅速得到MCU眾多廠家的認(rèn)可，成為抄表終端上的標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計。

圖2 以太網(wǎng)模塊電路圖設(shè)計

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2.2 開關(guān)電源設(shè)計

電路中的CX1和CX2是安規(guī)電容，是指用于這樣的場合，即電容器失效后，不會導(dǎo)致電擊，不危及人身安全。圖中是X電容，X電容是跨接在電力線兩線（LN）之間的電容，一般選用金屬薄膜電容。X電容一般是uF級的，用來抑制差模干擾。電阻RD1至RD6是給電容兩端放電的。

電路中LB1是一個共模電感，又稱共模扼流圈，常用于開關(guān)電源中過濾共模的電磁干擾信號。共模電感實際上是一個雙向濾波器：一方面濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。共模電感有兩個繞組，其間有相當(dāng)大的間隙，就會產(chǎn)生磁通泄露，并形成差模電感。因此，共模電感也具有一定的差模干擾衰減能力。

DN107S一個橋式整流橋整流橋后面接了兩個儲能電容CE1和CE2用來濾波，在整流全橋之后加上濾波電容，從整流全橋輸出的單向脈動電壓信號在上升段給電容充電，而在其下降時電容向負(fù)載放電而不會使電壓馬上掉下來，相當(dāng)于濾波之后輸出一個直流電壓信號。而電阻RD7、RD8、RD9和RD10用于分壓，可以使CE1和CE2兩端電壓更趨近于相等，因為一般電容的誤差為20%而貼片電阻的誤差為5%，用1%的精密電阻可以實現(xiàn)電壓值更趨近于相等。

D3和D9是高效整流二極管，通常導(dǎo)通電壓低，恢復(fù)時間短，但是反向漏電流比較大，反向擊穿電壓低，適用于低壓、大電流的整流電路。電阻RD17-20為1206封裝的貼片電阻，其功率為0.25W，額定電壓為12V，電流為20mA，采用4個電阻并聯(lián)的方式，就可以通過80mA的電流。

電感 L1，電容 CE6、電容 CE8和電感 L2，電容CE4、CE9構(gòu)成了π型濾波電路，之所以叫π型濾波電路是因為兩個電容和電感呈“π”型排列。電容CE4實現(xiàn)了儲能電容濾波，直流電壓信號初步形成。因為前級輸入的直流信號中還有一些小的波動，而電感L2的特性是阻止電流的變化，于是它抑制了這些波動。最后電容CE9的隔直通交特性把一些仍然頑固存在的交流導(dǎo)到地線中，最終輸出的直流電壓信號質(zhì)量較使用單純的儲能電容濾波的好。

用芯片SG5841J搭建一個PWM控制電路，控制PMOS的通斷，開控制電壓的大小。NPN三極管起電壓保護作用，當(dāng)電壓過大時導(dǎo)通，將集電極電壓引至發(fā)射極的地端。

2.3 主站軟件

圖3 開關(guān)電源電路圖設(shè)計

3 結(jié)語

電力遠程抄表系統(tǒng)是一個智能化的系統(tǒng)，它解決了以往落后的人工抄表效率不高的問題，節(jié)省了人力成本，而且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，全國很多城市都在進行試點工作。特別是在北京、上海、廣州和深圳進行了很過前瞻性的實驗，深圳瀅水山莊，一個有著上千戶人的住宅小區(qū)，就進行著關(guān)于遠程自動抄表的實驗，一個集中器通過電力載波抄錄九百多臺電表，基本上可以實現(xiàn)90%的抄表率，并通過GPRS模塊實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)上傳?，F(xiàn)在電力遠程自動抄表還存在一些問題，主要是抄表數(shù)量和抄表率還是比較低，未來隨著電力遠程抄表技術(shù)的不斷發(fā)展，我國將會普遍實施這種自動化的抄表模式。

[1]楊順濤.電力遠程抄表集中器設(shè)計[C].廣東工業(yè)大學(xué),2015,7.

[2]劉濤，王洋.一種基于ARM和GPRS的遠程抄表集中器的設(shè)計[J].機械管理開發(fā),2011,10(5).

[3]熊磊.電力遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計[J].江大學(xué)學(xué)報,2007,4(2).

Information Gathering and Data Service System of Electric Energy Internet of Things

HUANG Hong-zhang
（Huizhou Midtown Electronic Technology Co.,Ltd.，Huizhou 516006）

Introduces the power of networking information acquisition and data service system to achieve networking and power supply management and the construction of the organic combination of power in the Internet of things,the core theory and technology,system,protocol,hard?ware and software equipment and application system and other aspects of in-depth research and development from a global perspective,to effectively solve the power supply and demand balance and optimize the allocation and utilization problems,development of power network?ing technology.

1007-1423（2017）23-0075-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.018

黃宏章（1975-），男，副總經(jīng)理，從事領(lǐng)域為電能表行業(yè)的儀器儀表研發(fā)與管理

2017-07-20

2017-08-10

Internet of Things;Information Acquisition