基于嵌入式的用電信息遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

(長江職業(yè)學院 數(shù)據(jù)信息學院，武漢 430074)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，各式各類電器與人類生活息息相關，尤其在寒冬、酷夏時節(jié)對取暖器、空調等設備更為依賴，這些電器的突增使用會直接對電力系統(tǒng)造成極大負荷，并且負荷波動明顯。為保證電力系統(tǒng)整體的穩(wěn)定，需要對用戶區(qū)域的用電信息進行收集，然后中心控制系統(tǒng)基于用戶用電信息，對整體電量進行合理分配，來應對電量不足時的突發(fā)狀況，保證用戶的正常使用及電網(wǎng)整體的平穩(wěn)運行[1-2]。

電力信息采集系統(tǒng)主要包含三大主要功能：采集信息、處理信息和監(jiān)控用戶。該系統(tǒng)可自動實現(xiàn)對用戶用電信息的采集、處理并判斷檢測用戶用電的異常狀態(tài)，以及實現(xiàn)電能質量的監(jiān)測、用電狀態(tài)的管理、用電相關信息的傳遞、監(jiān)控分布式能源和智能電器設備的信息傳遞等的管理功能，該系統(tǒng)已成為電力系統(tǒng)的重要組成成分之一。其作為負荷控制系統(tǒng)的重要部分之一，它的作用是不可替代的，具有的詳細功能如下：遠程記錄表數(shù)功能、線路損壞監(jiān)測功能、電能質量檢測功能、異常用電報警功能、有秩序用電和保證電網(wǎng)運行穩(wěn)定功能等[3]。

隨著電力信息采集系統(tǒng)的建設和完善，該平臺現(xiàn)已能對用電信息進行實時監(jiān)控，通過對用電系統(tǒng)進行數(shù)學建模，對用戶信息進行處理來監(jiān)測用戶用電的狀態(tài)，判斷其是否存在竊電等事件，通過詳細運算還可計算出竊電量的多少。準確用戶用電信息的采集，可以讓我們防患于未然，及時對電路系統(tǒng)中的異常情況進行處理，打擊違法亂紀事件，還可對電能進行合理分配，減少電能損耗。通過遠程監(jiān)控來實現(xiàn)對用戶用電信息的管理，可有效的記錄竊電信息，避免了工作人員到現(xiàn)場收集竊電證據(jù)的步驟，省時省力，減少了工作人員的工作量，同時還可以實現(xiàn)用戶供電狀態(tài)進行遠程控制，終止竊電行為，減小了電力企業(yè)的防竊成本，維護了電力市場的秩序和穩(wěn)定。

1 電量計量采集原理

計量電表又名電度表，是對用戶耗電量進行計量的主要裝置，它可以檢測用戶消耗的電能，并記錄數(shù)據(jù)，工作原理為：

(1)

式中,p(t)為瞬時功率u(t)為瞬時電壓；i(t)為瞬時電流；Wp為消耗的有功電能；從中我們可以看到，消耗有功電能是功率對時間的積分，無論何種類型的計量電表，其計算電能的核心就是一個乘法器和一個加法器[4]。

目前，現(xiàn)有的計量電表接線方式主要分為以下兩種：三相三線制、三相四線制。以三相三線制接入方式為研究對象。由于在高壓系統(tǒng)中三相載荷呈對稱分布，故電壓范圍在小于等于35 kV時，三相三線制電表常通過TA和TV接頭來計量電量，如圖1所示。

圖1 三相三線的計量方式電路圖

目前竊電行為的常用檢測方法是檢測計量電表的電流感應線圈，對通過感應線圈的三相電流進行矢量相加，如果電流的矢量和為零，則該用戶不存在竊電行為。反之，如果電流的矢量和不為零，則該用戶存在竊電行為。具體實施步驟如下，將檢測裝置電流互感器安裝在電流流入計量電表的電流線上，由于三項電的本身對稱特性，當線路正常工作時，這種對稱平衡就不會被打破，感應線圈感應出來的三相電流矢量和為零，同時檢測裝置顯示示數(shù)為零。如果存在竊電行為時，三項電的對稱特性就被打破，矢量和不為零，此種檢測方法可以準確的記錄竊電時間和竊電次數(shù)。另外一種竊電行為檢測裝置原理與上述講的電流檢測原理相似，為電壓竊電檢測。此兩種檢測方法都只能應用于單項或者兩項竊電行為檢測，工作原理都為計算三項電流、電壓的矢量和來進行判斷是否存在竊電行為。如果存在三項竊電行為時，由于三項電還保持對稱特性，故上述兩者的檢測方法都不適用，無法準確判斷出是否有竊電行為[5-6]。另外上述兩種檢測裝置都必須安裝在計量電表位置處，需要通過低壓電源提供電能，安裝位置暴露，極易受到人為動作的干涉和破壞，故上述兩種檢測方法的推廣受到了極大的限制。因此研究基于嵌入式的電量計量采集系統(tǒng)，主要由安裝于用戶端的嵌入式電量計量系統(tǒng)和安裝于供電中心的監(jiān)控主站兩個部分組成，通過對比高壓側和低壓側的電量信息，從而提高用戶用電電量信息采集的準確性以及竊電行為的精準判別。

2 基于嵌入式的電量計量采集系統(tǒng)

2.1 嵌入式電量計量采集系統(tǒng)整體結構

嵌入式電量計量采集系統(tǒng)整體結構如圖2所示。

圖2 嵌入式電量計量采集系統(tǒng)整體結構

嵌入式電量計量采集系統(tǒng)主要由安裝于用戶端的嵌入式電量計量系統(tǒng)和安裝于供電中心的監(jiān)控主站兩個部分組成。其中嵌入式電量計量系統(tǒng)的構成有兩部分：高壓側用電信息無線監(jiān)測裝置和低壓側用電信息遠程監(jiān)測裝置。高壓側用電信息無線監(jiān)測裝置的工作原理為對高壓側的電路信息進行采集，之后通過發(fā)射模塊將信息傳遞至遠程監(jiān)控單元，監(jiān)測人員可通過監(jiān)控中心直接對電路信息進行遠距離實時讀取。低壓側用電信息遠程監(jiān)測裝置對各個用電用戶的用電信息進行直接識別，而后將識別分析結果輸送到監(jiān)控主站的信息庫中。該種方式將識別系統(tǒng)從主站的控制范圍中跳脫出來，可獨立進行竊電監(jiān)測，實現(xiàn)全天候監(jiān)測。該種檢測方法具有簡化主站裝置和減弱主站工作負擔的優(yōu)勢，當主站發(fā)生通訊故障時，依舊可以進行竊電監(jiān)測。

2.2 高壓側用電信息無線監(jiān)測裝置

高壓側用電信息無線監(jiān)測裝置主要由4大模塊組成。1)電源模塊。該模塊的主要作用給其他3個模塊供能，它可以對家用電流進行屬性轉變，將交流電流轉化為直流電流；2)控制模塊。該模塊作為高壓無線檢測器的大腦，扮演著至關重要的角色。他可以對獲得到的數(shù)據(jù)進行處理、分析，同時對其他3個模塊的動作進行協(xié)調控制；3)采集模塊。該模塊主要用于電信號特征信息采集，通過A/D轉換器轉化，將電信號轉化為數(shù)字信號，之后再將數(shù)字信號傳送到控制模塊數(shù)據(jù)庫中；4)通訊模塊。該模塊的主要作用是人機相互的連接通道，將采集模塊獲得的數(shù)據(jù)傳送到用戶監(jiān)測界面，而后工作人員可以依照數(shù)據(jù)對整個監(jiān)測系統(tǒng)下達動作指令。

高壓側用電信息無線監(jiān)測裝置電量信息檢測與竊電行為的判定依據(jù)都是基于上述檢測模塊獲得的電信號數(shù)據(jù)而判斷的。故為保證用電信息檢測準確度，必須選用精度高、工作穩(wěn)定的互感器。由于檢測位置的高壓條件限定，需要應用互感線圈將大電流轉化為小電流，而后對感應出來的小電流進行監(jiān)測。目前，常用的互感器主要有鐵芯的互感器和沒有鐵芯的羅可夫斯基線圈互感器兩種。前者，由于裝置結構帶有鐵芯，盡管檢測精度高、靈敏度大，但是鐵芯直接加大了檢測裝置的質量，直接限制了此類互感器的推廣使用。后者羅可夫斯基線圈互感器，由于缺少了鐵芯的存在，整體結構相對前者質量較小。同時該種互感器，將線圈纏繞在非磁性材料上，呈空心線圈結構，直接避免了鐵磁諧振以及磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生，從而確保了互感器的檢測精度，同時也增大了互感器的檢測范圍。所以，研究對象為帶有羅可夫斯基線圈互感器的防竊電檢測裝置。羅可夫斯基線圈互感器結構如圖3所示。

圖3 羅可夫斯基線圈示意圖

使用羅可夫斯基線圈來測量時，導線穿過線圈，通過電磁感應原理可得：

(2)

式中,φ是線圈的磁通量；M是線圈互感系數(shù)。

通過對羅可夫斯基線圈電路結構分析可知，線圈流過的電流和線圈兩端的電壓具有微分關系，故如果想獲得線圈兩端的電壓信息，只需對所測到的電流進行積分運算即可。羅可夫斯基線圈根據(jù)工作條件的不同，他的工作狀態(tài)也會不同，詳細分為自積分狀態(tài)和微分狀態(tài)兩種[7]。

由于高壓無線檢測模塊安裝位置位于高壓側，故為保證其檢測的準確性、可行性，需要采取舉措以應對任何突發(fā)狀況。當發(fā)生短路事故時，線路中的電路會急劇增大，遠遠超過正常電流大小，故對積分電路添加低通濾波和隔離直流環(huán)節(jié)以消除高頻和直流分量的影響，保證其正常工作。

控制模塊在正常工作時需要接收采集模塊收集到的電流信息，期間需要A/D轉換器對電信號進行轉換，故研究的控制模塊內部放置了一個ATmega128型單片機，內部采用的是8路可調增益A/D轉換電路。選用的單片機為單極性，為使其工作電壓與采集模塊電壓相匹配，在兩者連接處安置了一個加法器。加法電路如圖4所示。另外，ZigBee無線通訊模塊按規(guī)定只能安裝在高壓無線檢測模塊與用戶監(jiān)測單元兩者之間，作為無線通訊模塊的重要單元CC2530，其工作電壓為2～3.6VDC，由于單片機的工作電壓為4.5～5.5V，故需添加電平轉換電路。

圖4 加法器電路

2.3 用戶用電遠程監(jiān)測單元

用戶用電遠程監(jiān)測單元主要由RS485收發(fā)器、采集節(jié)點、匯聚節(jié)點三部分構成。RS485收發(fā)器作為計量電表的關鍵模塊，主要功能為收集電表信息和接受采集節(jié)點下達的采集指令。采集節(jié)點的主要功能為將計量電表的信息傳遞至匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點的主要功能為接受采集節(jié)點發(fā)送來的電表信息，并對信息數(shù)據(jù)進行初步處理和保存，使用網(wǎng)絡將信息實時分享給管理中心。用戶用電遠程監(jiān)測單元系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 用戶用電遠程監(jiān)測單元系統(tǒng)框圖

監(jiān)控系統(tǒng)主要由計量電能表、485總線、采集節(jié)點、匯聚節(jié)點和上位機等幾部分組成。以STM32F103開發(fā)板、CC2420 無線通信模塊和 RS485 收發(fā)器等模塊為基礎，來對監(jiān)控系統(tǒng)整體進行設計。485總線作為計量電能表和采集節(jié)點的連接通道，為兩者間的數(shù)據(jù)通信和信息采集提供保障。其中485收發(fā)器主要執(zhí)行收集計量電表的電能信息任務，其中包括有功電量與無功電量等各類信息；采集節(jié)點間的信息傳遞是基于 ZigBee 技術實現(xiàn)。

STM32F103 開發(fā)板通過 SPI 同步串行接口來實現(xiàn)與CC2420模塊的連接，從而實現(xiàn)對無線通訊的讀寫操作，筆者將SPI 接口設置為主、雙工模式，給CC2420模塊添加通信時鐘(SCK)工具，并采用STM32 的通用 I/O 管腳來對無線通訊模塊進行全方位控制[8-10]。無線通信模塊與嵌入式STM32連接電路如圖6所示。

圖6 無線通信模塊與嵌入式STM32連接電路

3 實驗研究

通過實驗方法對所研究的基于嵌入式的電量計量采集系統(tǒng)以及竊電監(jiān)測效果進行驗證。分別在高壓側安裝高壓側用電信息無線監(jiān)測裝置，在低壓側安裝用戶用電遠程監(jiān)測單元。人為實現(xiàn)竊電操作，使用常規(guī)的電量采集裝置和所設計的電量計量采集裝置進行對比分析。兩種電量采集裝置監(jiān)測到的用電數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

竊電行為判別結果如圖8所示。

圖8 竊電行為判別結果

分析兩種電量采集裝置監(jiān)測到的用電數(shù)據(jù)，使用常規(guī)的電量采集裝置得到的用電數(shù)據(jù)曲線和本文設計的電量計量采集裝置中的低壓側無線檢測裝置得到的數(shù)據(jù)曲線完全一致。然而高壓無線檢測裝置檢測到的數(shù)據(jù)通過換算后得到的用戶用電情況曲線卻不能和壓側無線檢測裝置得到的數(shù)據(jù)曲線重合，說明該裝置能夠檢測到人為竊電操作，驗證了本文研究的嵌入式電量計量采集系統(tǒng)能夠實現(xiàn)竊電的精確識別。

4 結論

研究一種基于嵌入式的電量計量采集系統(tǒng)。

1)嵌入式電量計量系統(tǒng)的構成有兩部分：高壓側用電信息無線監(jiān)測裝置和低壓側用電信息遠程監(jiān)測裝置。高壓側用電信息無線監(jiān)測裝置的工作原理為對高壓側的電路信息進行采集，之后通過發(fā)射模塊將信息傳遞至遠程監(jiān)控單元，監(jiān)測人員可通過監(jiān)控中心直接對電路信息進行遠距離實時讀取。低壓側用電信息遠程監(jiān)測裝置對各個用電用戶的用電信息進行直接識別，而后將識別分析結果輸送到監(jiān)控主站的信息庫中。

2)實驗結果表明：使用常規(guī)的電量采集裝置得到的用電數(shù)據(jù)曲線和所設計的電量計量采集裝置中的低壓側無線檢測裝置得到的數(shù)據(jù)曲線完全一致

3)高壓無線檢測裝置檢測到的數(shù)據(jù)通過換算后得到的用戶用電情況曲線卻不能和低壓側無線檢測裝置得到的數(shù)據(jù)曲線重合，說明該裝置能夠檢測到人為竊電操作，驗證了本文研究的嵌入式電量計量采集系統(tǒng)能夠實現(xiàn)竊電的精確識別。