基于WiFi通信的智能用電監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)＊

堅(jiān)葆林，姜毅龍，李許軍

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水741001）

1 引言

智能電網(wǎng)已經(jīng)成為目前世界電力發(fā)展的新趨勢(shì)。智能用電作為我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了電力資源的優(yōu)化配置，對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重要的意義［1－2］。本文以智能用電服務(wù)體系中的用戶用電服務(wù)系統(tǒng)為指導(dǎo)，分析市政、商區(qū)和家庭的小型用電設(shè)備對(duì)智能用電系統(tǒng)的要求，并結(jié)合電量參數(shù)采集和遠(yuǎn)程控制要求［3、4］，設(shè)計(jì)了一種智能用電無線監(jiān)控裝置。該裝置通過智能交互終端實(shí)現(xiàn)普通的電力用戶對(duì)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，能較好地解決公共場(chǎng)所、家庭等小型用電設(shè)備的智能用電問題。

以家庭用電為例，如圖1所示，將各種分布式用電設(shè)備如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐等用電設(shè)備通過智能用電終端連接到配電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)與用電設(shè)備的能量連接；通過WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)，智能用電終端可以連接到本地用戶監(jiān)控終端和數(shù)據(jù)服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)信息交互［5］。同時(shí)電力用戶可以根據(jù)自己的用電環(huán)境、用電習(xí)慣以及當(dāng)前的電價(jià)水平，按照自己的需求預(yù)設(shè)用電設(shè)備的參數(shù)，智能優(yōu)化用電設(shè)備的運(yùn)行方式，這樣可以使用電設(shè)備在滿足電力用戶需求的前提下達(dá)到其最佳的用電效果，不但可以提高用電設(shè)備的電能使用效率，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電節(jié)能的目的。

圖1 智能用電終端應(yīng)用示例

2 總體設(shè)計(jì)框架

智能用電終端裝置可以對(duì)用電設(shè)備的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波含量進(jìn)行測(cè)量，并且也可以對(duì)有功電量累積消耗進(jìn)行計(jì)算，在得出測(cè)量和計(jì)算結(jié)果后通過WiFi模塊向監(jiān)控終端提供電能數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)等待監(jiān)控終端的指令，一旦接收到監(jiān)控終端的相應(yīng)指令就可以通過智能用電終端中繼電器模塊實(shí)現(xiàn)電源的開啟和關(guān)斷，從而控制與其相連接的用電設(shè)備。智能用電終端具有自身保護(hù)的功能，如過壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)等功能［6］。

智能用電終端的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括ARM微處理器單元、WiFi通信單元、信號(hào)測(cè)量單元、負(fù)荷控制單元、系統(tǒng)供電單元以及時(shí)鐘、Flash存儲(chǔ)等擴(kuò)展功能單元［7］。在微處理單元的協(xié)調(diào)控制下，智能終端首先通過測(cè)量單元監(jiān)測(cè)接入的用電設(shè)備的電量信息，然后利用WiFi通信單元實(shí)現(xiàn)與用戶終端和數(shù)據(jù)服務(wù)中心的信息傳輸。負(fù)荷控制單元可以根據(jù)電網(wǎng)公司或者用戶自身下達(dá)的指令對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制［8］。

圖2 智能用電裝置的系統(tǒng)框圖

3 智能用電終端電路設(shè)計(jì)

3.1 微處理器控制模塊

系統(tǒng)控制模塊作為智能用電終端的核心模塊，該終端以ARM微處理器STM32F103RBT6為系統(tǒng)控制核心，主要實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的快速采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)上傳和接受指令等工作［9］。圖3所示為處理器與其他模塊的接口電路，當(dāng)微處理器接收到采集模塊的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行快速正確的處理和計(jì)算，并將處理和計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存記錄，與此同時(shí)通過WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控終端；另一方面接受來自監(jiān)控終端的指令信息，控制用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)控制模塊原理圖

3.2 電壓和電流檢測(cè)電路

電能參數(shù)采集與調(diào)理模塊作為對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理的模塊時(shí)，在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，電壓和電流采樣電路采用典型的電阻檢流、分壓再放大采樣的方式。具體的測(cè)量電路如圖4和圖5所示，用電設(shè)備的電壓電流信號(hào)分別通過分壓電阻和檢流電阻轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，再利用運(yùn)算放大器TLC2254進(jìn)行調(diào)理放大后，輸出到微處理器的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器端。

圖4 電壓檢測(cè)

圖5 電流檢測(cè)

3.3 電源電路

系統(tǒng)電源包括220V交流輸出電源和終端系統(tǒng)供電電源，其中220V交流輸出電源由繼電器控制用電設(shè)備的開啟和關(guān)斷；控制系統(tǒng)供電電源包括了多電平輸出，包括＋12V輸出電路、＋5V輸出電路，以及二次電平變換電路，包括－5V輸出電路、＋3.3V輸出電路等，各電平轉(zhuǎn)換電路如圖6、7、8所示。

圖6 電源變換電路

圖7 3.3V轉(zhuǎn)換電路

圖8 －5V電源轉(zhuǎn)換電路

3.4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

考慮到用電設(shè)備的性質(zhì)，繼電器關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生高電壓脈沖，可能會(huì)損壞元器件或者干擾微處理器，導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常，對(duì)電源電路進(jìn)行了如圖9所示的電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)電源和繼電器電源相互隔離，微處理器對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)是通過光耦隔離的，可消除外部電路對(duì)處理器的干擾。

圖9 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

3.5 WiFi模塊電路

WiFi通信USR－C215模塊，該模塊上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元、以及功率放大器；內(nèi)置低功耗運(yùn)行機(jī)制，可以有效實(shí)現(xiàn)模塊的低功耗運(yùn)行；支持 WiFi協(xié)議以及 TCP／IP協(xié)議，非常便于在智能家居、智能電網(wǎng)、手持設(shè)備等領(lǐng)域進(jìn)行二次開發(fā)。同時(shí)該模塊同時(shí)支持UART、PWM、I／O數(shù)據(jù)通信，可直接嵌入到MCU系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的透明數(shù)據(jù)傳輸。WiFi模塊電源為3.3V，和微處理器MCU3.3V電源電平兼容，只需要將模塊的TXD加到MCU的RXD，將模塊的RXD接到MCU的TXD上即可，電路接口如圖10所示。

圖10 USR－C215模塊接口電路

4 程序設(shè)計(jì)

智能用電終端的主程序上電后完成的工作有：

（1）DSP初始化，包括對(duì) I／O 端口、UART 通信接口、內(nèi)部定時(shí)器等進(jìn)行初始化操作；

（2）硬件自檢，如ADC采樣測(cè)試、WiFi通信信道測(cè)試、存儲(chǔ)測(cè)試等；

（3）信號(hào)測(cè)量與計(jì)算，單相電壓、電流信號(hào)的測(cè)量采用準(zhǔn)同步定時(shí)采樣的方式，數(shù)據(jù)的計(jì)算分析采用分時(shí)操作的方式，計(jì)算分析內(nèi)容包括過負(fù)荷判斷、CIC數(shù)字濾波、有效值計(jì)算、功率計(jì)算、頻譜分析等；

（4）信息交互，微處理器利用UART中斷與WiFi模塊建立數(shù)據(jù)和命令的傳送，然后根據(jù)數(shù)據(jù)解析后得到有效指令執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，比如數(shù)據(jù)上傳、設(shè)備控制、頻譜分析、節(jié)電控制等。

5 測(cè)量性能測(cè)試

對(duì)樣機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證，測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果如表1和表2所示。結(jié)果表明智能用電終端測(cè)試數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差較小，測(cè)量精度較高。

表1 電壓、電流有效值測(cè)量

表2 電壓、電流諧波含有率

6 結(jié)束語

在智能電網(wǎng)中，智能用電技術(shù)涵蓋了高速實(shí)時(shí)通信、智能電表、智能采集、雙向交互以及需方響應(yīng)等多方面技術(shù)，是計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代通信技術(shù)、高級(jí)測(cè)量技術(shù)、控制理論和圖形可視化等學(xué)科交叉的技術(shù)集群。本文以ARM單片機(jī)作為處理器，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)下對(duì)分布式用電設(shè)備進(jìn)行用電信息采集和協(xié)調(diào)控制的智能用電終端，測(cè)試結(jié)果表明該智能終端具有較高的測(cè)量精確度，可實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備用電情況的監(jiān)控。