智慧用能一體化量測終端的設(shè)計(jì)

摘 要：本文針對當(dāng)前在智慧用能設(shè)備的量測方面，存在采集計(jì)量節(jié)點(diǎn)分散、數(shù)據(jù)采集頻度低、通信信道單一、采集設(shè)備組網(wǎng)速度慢等問題，提出采用多?；旌辖M網(wǎng)通信方式的一種智慧用能一體化量測采集系統(tǒng)方案，并詳細(xì)闡述了面向多種業(yè)務(wù)需求的智慧用能測控終端的軟、硬件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：智慧用能;一體化量測;用能測控終端

目前，在國家電力體制改革、能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等宏觀形勢影響下，存在著水利發(fā)電、風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能設(shè)施等多種新能源，對各類用能設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測和感知，并最終實(shí)現(xiàn)綜合調(diào)控，將有助于降低不必要的能源消耗，實(shí)現(xiàn)能源有序管理，提高能源利用率。然而，在用能設(shè)備的智慧量測方面，存在采集計(jì)量節(jié)點(diǎn)分散、數(shù)據(jù)采集頻度低、通信信道單一、采集設(shè)備組網(wǎng)速度慢等問題，因此，需要對智慧用能一體化量測采集系統(tǒng)進(jìn)行研究，以滿足智慧用能服務(wù)體系的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)能源量測數(shù)據(jù)匯聚與共享，協(xié)同優(yōu)化調(diào)控管理。

智慧用能一體化量測系統(tǒng)在本質(zhì)上是對用戶用能信息的智能化采集、處理及應(yīng)用，通過用能測控終端并借助光纖、230MHz無線專網(wǎng)、4G無線通信、HPLC、微功率無線等通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)用能管理主站與用戶的信息互通，在系統(tǒng)末端設(shè)備中引入邊緣計(jì)算信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶能量管理，并運(yùn)用信息集成接口將采集處理后的分類數(shù)據(jù)與其他公共事業(yè)等社會(huì)化服務(wù)平臺(tái)共享。本文提出一種智慧用能一體化量測采集系統(tǒng)方案，并詳細(xì)闡述了面向多種電力業(yè)務(wù)需求的智慧用能測控終端的軟、硬件設(shè)計(jì)。

1 總體架構(gòu)

將智慧用能量測系統(tǒng)所涉及到的業(yè)務(wù)邏輯封裝到智能服務(wù)中，系統(tǒng)采用四層架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要分為主站層、通信層、終端層和設(shè)備層。主站層是整個(gè)量測系統(tǒng)統(tǒng)的控制中樞，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場的終端設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、控制命令下發(fā)、數(shù)據(jù)召測采集及云端大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析;通信層用于連接主站層和終端層，承擔(dān)上傳下達(dá)的信息高速傳輸橋梁，主要采用4G無線通信、光纖、230MHz無線數(shù)傳電臺(tái)專網(wǎng)通信等方式;終端層主要實(shí)現(xiàn)對下行設(shè)備層各類傳感器及專用計(jì)量設(shè)備等數(shù)據(jù)的采集，并能夠作為與遠(yuǎn)端主站層數(shù)據(jù)通信的信息網(wǎng)關(guān)，同時(shí)，可利用本地算法完成邊緣計(jì)算功能;設(shè)備層主要指系統(tǒng)末端的智能儀表、電動(dòng)汽車充電樁、分布式電站的匯流箱、逆變器、家庭智能插座、智能家居電器、港口岸電樁、岸電箱等各類設(shè)備。

系統(tǒng)設(shè)備層面的物理架構(gòu)以用電信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在配變臺(tái)區(qū)側(cè)安裝智慧用能測控終端，在配變低壓側(cè)出線開關(guān)或中間分支箱安裝分支箱監(jiān)測單元，在表箱內(nèi)安裝表箱監(jiān)測單元，用戶內(nèi)安裝智能插座或能量采集單元，在新能源裝置側(cè)安裝能量采集單元，現(xiàn)場采用多模混合組網(wǎng)通信方式，實(shí)現(xiàn)各類用電設(shè)備的泛在連接和信息感知，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)主站的同時(shí)接入。

2 硬件設(shè)計(jì)

按照模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的思想進(jìn)行終端硬件設(shè)計(jì)，以處理顯示模塊為控制核心，以USB作為內(nèi)部工作總線，橋接終端各擴(kuò)展模塊及部件。終端硬件原理框圖如圖2所示。

（1）處理顯示模塊：由主控MPU單元、看門狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、以太網(wǎng)PHY芯片、電源管理、LCD、安全加密單元等構(gòu)成;其中主控MPU單元是硬件系統(tǒng)的核心，它主要由CPU、DDR3 RAM、NAND FLASH等電路組成;備用電源采用電池和超級(jí)電容并存方式，電池可更換，超級(jí)電容不需要更換。

（2）電源交采模塊：模塊化方式存在于終端內(nèi)部，主要實(shí)現(xiàn)三相交流采樣及外部交流電源輸入轉(zhuǎn)換處理，從而為整個(gè)終端提供直流工作電源。終端交流采樣電路部分與電源模塊集成在一起，交采模塊可直接安裝在終端底殼，輸入信號(hào)采用導(dǎo)線方式固定在終端強(qiáng)電接線端子處，無需焊接，方便更換;交采模塊配置三相電能計(jì)量芯片、MCU、E2PROM（校表參數(shù)存儲(chǔ)），通過校檢表臺(tái)體，可完成獨(dú)立校驗(yàn);電壓、電流等交流模擬量通過CT、PT做好隔離和安全防護(hù)。

（3）功能模組：主要包括本地通信模塊、遙信采集模塊、MBUS通信模塊、RS-485通信模塊、4G通信模塊、CAN通信模塊等。接口型式及管腳定義統(tǒng)一，在一定范圍內(nèi)，位置可互換，采用USB總線接口作為通信接口。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件框架

為實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)處理與分析應(yīng)用，智慧用能一體化量測終端采用Linux操作系統(tǒng)，按照模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化思想，既實(shí)現(xiàn)了軟件層面的統(tǒng)一，又實(shí)現(xiàn)了硬件層面的個(gè)性化，同時(shí)完成用戶用能一體化量測的業(yè)務(wù)功能，如抄表、通信、安全等。在文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過基礎(chǔ)業(yè)務(wù)接口的方式提供業(yè)務(wù)相關(guān)的功能。業(yè)務(wù)模塊都是一些基礎(chǔ)的、原子的業(yè)務(wù)，可以分為以下幾類：

（1）設(shè)備驅(qū)動(dòng)類接口：網(wǎng)絡(luò)操作、串口操作、文件操作、共享緩沖區(qū)操作等;

（2）儲(chǔ)存操作接口：EEPROM操作、數(shù)據(jù)庫接口、XML文件操作、日志記錄操作等;

（3）基礎(chǔ)業(yè)務(wù)接口：表計(jì)驅(qū)動(dòng)、通信管理程序（以太網(wǎng)、GPRS、CDMA、4G等）、安全加密驅(qū)動(dòng)等。

基于面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)應(yīng)用軟件框架，用于一體化量測終端各模塊中的軟件均符合該框架，滿足新模塊即插即用要求。終端應(yīng)用軟件通過使用操作系統(tǒng)提供的“基本接口”和“通用基礎(chǔ)業(yè)務(wù)接口”實(shí)現(xiàn)。

終端軟件分為兩大部分：終端本體程序和各模組程序。終端本體程序設(shè)計(jì)按照面向接口編程的思路，規(guī)定了每個(gè)業(yè)務(wù)APP的啟動(dòng)方式、輸入、輸出功能。其中，包括交采模組在內(nèi)的各種模組由于硬件平臺(tái)相同，且軟件相似性很高，因此編寫程序時(shí)，所有模組軟件均在同一工程下進(jìn)行開發(fā)，通過預(yù)編譯、宏定義等方式進(jìn)行功能區(qū)分，便于修改、維護(hù)。以顯示模塊為例，它僅作為應(yīng)用軟件App的一個(gè)子模塊來運(yùn)行，要實(shí)現(xiàn)顯示模塊的所有功能，需要由若干業(yè)務(wù)模塊共同協(xié)作完成。為了簡化程序?qū)崿F(xiàn)難度，將常用業(yè)務(wù)功能模塊剝離出來構(gòu)成基礎(chǔ)功能APP進(jìn)程，高級(jí)應(yīng)用APP可以通過進(jìn)程間通信接口與基礎(chǔ)APP之間進(jìn)行交互。如圖3所示，為終端軟件功能總體框架。

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

用能一體化量測終端軟件主要功能如下：

（1）PLC、4G、以太網(wǎng)、CAN總線、RS485總線、藍(lán)牙等多種通信信道及網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)的管理。

（2）終端同時(shí)接入多個(gè)主站連接管理，支持主站的參數(shù)下發(fā)、任務(wù)執(zhí)行，召測數(shù)據(jù)等操作。

（3）各級(jí)節(jié)點(diǎn)分鐘級(jí)能量數(shù)據(jù)同步采集、臺(tái)區(qū)各分段線路阻抗數(shù)據(jù)采集;用戶日凍結(jié)、月凍結(jié)、曲線能量數(shù)據(jù)采集。

（4）事件上報(bào)：臺(tái)區(qū)下任一節(jié)點(diǎn)停電事件、臺(tái)區(qū)下各級(jí)開關(guān)分合閘狀態(tài)、計(jì)量異常事件實(shí)時(shí)主動(dòng)上報(bào)。

（5）時(shí)鐘管理：測控終端自身對時(shí)管理，臺(tái)區(qū)下分支箱、表箱監(jiān)測單元的時(shí)鐘同步管理。

（6）臺(tái)區(qū)完整供電路徑物理拓?fù)渥R(shí)別功能。

（7）配變監(jiān)測的功能：變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、低壓開關(guān)位置信息采集、分布式電源信息采集、智能充電樁接入管理、港口岸電設(shè)備接入管理等。

3.3 功能模組通信流程設(shè)計(jì)

所有終端功能在終端內(nèi)部為組合關(guān)系，大多數(shù)情況下，他們通過數(shù)據(jù)庫訪問層來進(jìn)行業(yè)務(wù)耦合，而對于單個(gè)功能模塊的功能是完全獨(dú)立的，很顯然，這種獨(dú)立是不包含業(yè)務(wù)的鏈?zhǔn)疥P(guān)系的，例如，鏈路管理APP只用于鏈路管理，至于鏈路上的數(shù)據(jù)內(nèi)容由規(guī)約APP進(jìn)行處理，如果沒有下載規(guī)約app至終端內(nèi)，鏈路管理APP只是找不到鏈?zhǔn)疥P(guān)系，并不影響其自身的正常運(yùn)行。

終端上電后，由shell腳本啟動(dòng)守護(hù)進(jìn)程，再由守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)終端管理進(jìn)程，終端管理進(jìn)程創(chuàng)建4個(gè)線程，分別是模組維護(hù)與啟動(dòng)線程、模組運(yùn)行心跳監(jiān)控線程、模組IPC消息接收線程及模組IPC消息發(fā)送線程。模組注冊與信息傳遞軟件流程如圖4所示，當(dāng)功能模組被插入終端硬件本體上的USB槽位后，終端軟件T-LANUCH線程檢測到后，自動(dòng)向內(nèi)核注冊，并由T-LANUCH線程喚醒相應(yīng)的業(yè)務(wù)進(jìn)程;同時(shí)，相應(yīng)的業(yè)務(wù)進(jìn)程和模組MCU通信，統(tǒng)一由T-POOL_R和T-POOL_S線程進(jìn)行集中轉(zhuǎn)發(fā)。最后，由T-HEART線程對每個(gè)運(yùn)行的APP進(jìn)行心跳監(jiān)控，以保證線程處于正常狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)介紹智慧用能一體化量測采集終端的硬件、軟件設(shè)計(jì)，在終端軟、硬件方面深入貫徹模組化理念，實(shí)現(xiàn)模組即插即用、模塊自動(dòng)識(shí)別、檔案信息自動(dòng)同步、臺(tái)區(qū)智能識(shí)別、遠(yuǎn)程安全升級(jí)等業(yè)務(wù)功能。用能一體化量測終端通過運(yùn)用高頻采集的用能數(shù)據(jù)，能夠在終端側(cè)實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥宰R(shí)別、分段分相線損計(jì)算、電能表相位識(shí)別、停電范圍研判、三相不平衡治理等邊緣計(jì)算分析能力;進(jìn)一步支撐電力體制改革、能源互聯(lián)網(wǎng)等宏觀形勢下，家庭智慧用電、公共事業(yè)數(shù)據(jù)采集、智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集等業(yè)務(wù)的開展。

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作者簡介：李振國（1979-），男，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)嵌入式產(chǎn)品開發(fā)及研發(fā)團(tuán)隊(duì)管理工作。