利用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電力計(jì)量

牛倩楠 張建強(qiáng) 劉江田 閆峰 常剛

（國網(wǎng)山西省電力公司沁水縣供電公司，山西 晉城 048200）

智能電表采用數(shù)字化和信息化技術(shù)，能夠較為準(zhǔn)確地對負(fù)載的電壓、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，具有安全性好、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。智能電表可在結(jié)合通信技術(shù)的前提下實(shí)現(xiàn)將計(jì)量數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程站點(diǎn)等功能，為電力計(jì)費(fèi)、負(fù)載響應(yīng)以及故障監(jiān)測等電力應(yīng)用提供了高質(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此，智能電表作為智能電網(wǎng)建設(shè)重要基礎(chǔ)設(shè)施，能夠促進(jìn)電網(wǎng)建設(shè)的可負(fù)擔(dān)性并降低用電數(shù)據(jù)采集的成本。在低壓供電層面，供電公司面臨的問題除了低壓集抄外還有防止電力偷竊。

一、智能電表設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

Arduino Mega 2560能夠以非常高的轉(zhuǎn)換率執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，因此本設(shè)計(jì)采用Arduino Mega 2560作為核心控制板。智能電表系統(tǒng)主要由Arduino Mega 2560控制板、LCD顯示模塊以及GSM模塊組成。其中GSM模塊被用于智能電表與遠(yuǎn)程站點(diǎn)進(jìn)行通信所用，每5秒向遠(yuǎn)程站點(diǎn)發(fā)送更新讀數(shù)。設(shè)計(jì)中采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805作為電源模塊的核心部件。LM7805使用的是TO-220封裝，內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路，通過安裝散熱片的方式能夠?yàn)橹悄茈姳砜刂瓢宄掷m(xù)和穩(wěn)定的輸出1A的電流。

（二）軟件設(shè)計(jì)

智能電表的軟件主要是進(jìn)行電力偷竊檢測。低壓用戶電力偷竊的主要形式是阻止負(fù)載電流進(jìn)入電表，導(dǎo)致電表無法準(zhǔn)確計(jì)量所消耗電能。為了減少這種類型的電力偷竊，本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)相同的霍爾電流互感器來測量和檢測離開和進(jìn)入儀表的電流，即相線和中性線上電流，并將測量值饋送至微控制器對這兩個(gè)值進(jìn)行比較。如果兩個(gè)值之間的差值超過閾值，則微控制器將其檢測為存在電力偷竊，則輸出控制信號(hào)將電源斷開，同時(shí)信號(hào)通過SMS發(fā)送給供電公司的遠(yuǎn)程站點(diǎn)并顯示。

二、LoRa模塊組件

為了連接智能電表進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和通信，本文采用了LoRa模塊。該模塊由兩個(gè)主要接口組件組成：一個(gè)微控制器和連接RF的LoRa模塊。該模塊可從電表和LoRa模網(wǎng)關(guān)中獲取相關(guān)信息?？梢詫⑽⒖刂破鲏K視為整個(gè)電路的核心模塊，因?yàn)樗痪幊虨榭刂扑薪M件以執(zhí)行所需的操作。在本文的研究中，ARMCor-tex微控制器與SemtechSX1272LoRa擴(kuò)展板一起使用ArmMbedOS平臺(tái)進(jìn)行編程。智能電表使用與電表串行端口兼容的串行轉(zhuǎn)換器設(shè)備與微控制器連接。類似地，LoRa模調(diào)制解調(diào)器使用接口連接器和電纜與微控制器連接到GPIO引腳。

三、系統(tǒng)實(shí)施和分析

實(shí)驗(yàn)采用基于DLMS的智能電表，將其與基于微控制器的模塊連接，該模塊可以將智能電表參數(shù)傳輸?shù)娇刂破鞑⑼ㄟ^LoRaRF模塊傳輸。基礎(chǔ)模塊通過接口模塊和串行端口連接與能量計(jì)連接。LoRa模塊可以通過串行通信設(shè)備從儀表讀取串行數(shù)據(jù)，然后使用OBIS代碼將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器可讀值。儀表的初始設(shè)置包括配置波特率（9600B/s）和Rx、Tx引腳，以進(jìn)行后續(xù)通信。通過Rx、Tx端口從微控制器接收的數(shù)據(jù)使用LoRa通信接口傳輸。微控制器需要通過發(fā)送obis請求與智能電表建立連接。在完成與智能電表通信連接后，向智能電表發(fā)送所需的OBIS代碼以獲取各種數(shù)據(jù)參數(shù)。從電表接收的值不是機(jī)器可讀格式，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是按照DLMS協(xié)議中的規(guī)定進(jìn)行編碼的。需要使用OBIS代碼參考模型將編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可讀格式，然后將數(shù)據(jù)傳送到LoRa網(wǎng)關(guān)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

此后，從LoRa塊接收的數(shù)據(jù)被傳送到LoRa網(wǎng)關(guān)，以便在云中上傳該數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)和模塊之間的距離配置為網(wǎng)關(guān)可以在4-5km的區(qū)域內(nèi)處理10個(gè)以上的LoRa模塊，每個(gè)LoRa模塊可以連接至少10m。在網(wǎng)關(guān)上接收的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)皆圃O(shè)置，并將它們放入預(yù)測模型中。然后將來自云的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻蓚€(gè)地方，首先進(jìn)入電力公司控制中心，并將命令發(fā)送回微控制器，另一個(gè)提供給網(wǎng)頁或app以顯示給客戶。電力私有云能夠?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回LoRa模塊，以便根據(jù)分析進(jìn)行激活。電力私有云還存儲(chǔ)從網(wǎng)關(guān)收集的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是可實(shí)時(shí)訪問和可用的。Web頁面與電力私有云連接，以從LoRa模網(wǎng)關(guān)獲取實(shí)時(shí)更新并顯示相同內(nèi)容。Web頁面還顯示了對存儲(chǔ)數(shù)據(jù)運(yùn)行的預(yù)測模型的結(jié)果。這些結(jié)果有助于消費(fèi)者追蹤他們的使用情況，并對設(shè)備進(jìn)行有限的控制。Web門戶的管理部分由電力公司控制中心操作。

總結(jié)：本文的研究可以將電力計(jì)量數(shù)據(jù)移動(dòng)到云進(jìn)行存儲(chǔ)，并生成特定于消費(fèi)者的推薦。電壓、電流頻率，功率因數(shù)和功耗等智能電能表參數(shù)可以通過Web頁面直接訪問，也可以通過移動(dòng)應(yīng)用程序定向到終端電力用戶手機(jī)，用于決策、控制或?qū)崟r(shí)了解用電信息使用。本文所提出方案可以在實(shí)時(shí)環(huán)境中輕松擴(kuò)展，為客戶和電力公司提供利用智能電表的無線接入和數(shù)據(jù)管理解決方案。