基于NB-IoT的遠(yuǎn)程電網(wǎng)諧波分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉賢德，王宜懷，彭 濤，孫亞軍

(蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215000)

0 引言

諧波是對(duì)非正弦周期量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，得到的頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦分量[1]，它源于電力或物理學(xué)概念。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，電力電子設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，但這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重影響，其中諧波問(wèn)題已經(jīng)成為不可忽視的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的研究已經(jīng)越來(lái)越廣泛[2]。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things,NB-IoT)是一種具有大連接、廣覆蓋、深穿透、低成本、低功耗等特點(diǎn)的遠(yuǎn)程通信技術(shù)[3]。文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套以ATT7022E為計(jì)量芯片，以MKL36Z64為MCU模塊，以ME3616為NB-IoT通信模組的電網(wǎng)諧波分析系統(tǒng)。系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的ADC+MCU電網(wǎng)諧波分析方案具有硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、諧波分析效果好等優(yōu)點(diǎn)[4]，相比傳統(tǒng)的采用GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)具有更高效的網(wǎng)絡(luò)支持[5]。

1 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，NB-IoT遠(yuǎn)程電網(wǎng)諧波分析系統(tǒng)由終端(ultimate-equipment,UE)、云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件(cloud server forwarding software,CSFS)和用戶服務(wù)器(user server,US)組成。終端UE包括電能計(jì)量芯片ATT7022E、MCU模塊MKL36Z64和NB-IoT通信模組ME3616 3部分，負(fù)責(zé)電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)的采集、處理和上傳；云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件CSFS運(yùn)行在云服務(wù)器上，負(fù)責(zé)終端UE和用戶服務(wù)器US的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；用戶服務(wù)器US是互聯(lián)網(wǎng)上的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)，目標(biāo)是獲取終端UE的電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 終端硬件設(shè)計(jì)

終端硬件主要包括電壓與電流采樣電路、ATT7022E硬件最小系統(tǒng)、MKL36Z64硬件最小系統(tǒng)和ME3616硬件最小系統(tǒng)等4個(gè)部分。

2.1 電壓與電流采樣電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，電壓采樣電路采用電阻進(jìn)行分壓，U用來(lái)接三相電壓的某相，P和N接電能計(jì)量芯片ATT7022E電壓輸入通道引腳。由歐姆定律可知，P和N兩端的電壓為

圖2 電壓采樣電路

如圖3所示，電流采樣電路采用電流互感器降流，I+與I-接三相電流的某相，P和N接電能計(jì)量芯片ATT7022E電流輸入通道引腳。R1和R2作為采樣電阻，用于將電流互感器的二次側(cè)電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，R3、C1與R4、C2分別構(gòu)成低通濾波器，用以去除高頻噪音。假定電流互感器一次側(cè)的電流為I，電流互感

器變比為K，由歐姆定律可知，P和N兩端電壓為

圖3 電流采樣電路

2.2 ATT7022E硬件最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ATT7022E[6]是一款高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。它具有同步采樣數(shù)據(jù)緩沖功能，可同時(shí)將三相電壓、三相電流和地線等7路ADC值存在的緩沖存儲(chǔ)器中，便于實(shí)現(xiàn)分次諧波功能。此外，ATT7022E提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU進(jìn)行7路同步緩沖數(shù)據(jù)的傳遞。其硬件最小系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 ATT7022E最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3 MKL36Z64硬件最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MKL36Z64[7]是一款基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的32位 MCU，具有高性能、體積小、低功耗、片上可選擇多種外設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中使用廣泛。該MCU內(nèi)部含有64 KB 的Flash和8 KB的SRAM，內(nèi)核頻率可達(dá)48 MHz。此外MKL36Z64擁有SPI、UART等外設(shè)，通過(guò)SPI可實(shí)現(xiàn)MCU與計(jì)量芯片ATT7022E的通信，進(jìn)而讀取7路同步緩沖數(shù)據(jù)；MCU對(duì)讀取到的緩沖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可通過(guò)UART將其傳給通信模組ME3616。其硬件最小系統(tǒng)如圖5所示。

2.4 ME3616硬件最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ME3616[8]是一款NB-IoT通信模組，提供最大66 Kbit/s上行速率和34 Kbit/s下行速率，專為低速率、低功耗、遠(yuǎn)距離、海量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它支持TCP/UDP、MQTT等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可應(yīng)用在智能表計(jì)、智能停車(chē)、資產(chǎn)追蹤和可穿戴設(shè)備等多種物聯(lián)網(wǎng)及M2M的應(yīng)用場(chǎng)景中。ME3616提供UART接口，可實(shí)現(xiàn)將MCU分析后的諧波數(shù)據(jù)傳給ME3616，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。其硬件最小系統(tǒng)如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為終端軟件、云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件和用戶服務(wù)器軟件。

3.1 終端軟件設(shè)計(jì)

在終端硬件的基礎(chǔ)上，終端軟件主要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)的獲取，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。終端軟件執(zhí)行過(guò)程如圖7所示，由于MCU模塊MKL36Z64與電能計(jì)量芯片ATT7022E采用SPI通信，MCU模塊MKL36Z64與通信模組ME3616采用UART通信，MCU模塊MKL36Z64存儲(chǔ)配置信息、定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，所以首先對(duì)UART、SPI、Flash和Timer進(jìn)行初始化，并使能UART和Timer中斷；接著從Flash讀出校表參數(shù)并將其寫(xiě)入ATT7022E相關(guān)寄存器中，完成校表操作；最后進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中不斷檢測(cè)是否觸發(fā)了Timer中斷，如果觸發(fā)了Timer中斷，則MCU模塊MKL36Z64讀取7路同步緩沖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，通信模組ME3616執(zhí)行初始化、連接基站、上傳數(shù)據(jù)操作；如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則通信模組ME3616再次執(zhí)行初始化、連接基站、上傳數(shù)據(jù)操作，如果發(fā)送成功，則再次檢測(cè)是否觸發(fā)了Timer中斷。系統(tǒng)的這種“數(shù)據(jù)發(fā)送失敗重傳”機(jī)制，有利于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖5 MKL36Z64最小系統(tǒng)

圖7 終端軟件執(zhí)行過(guò)程

圖8是MCU讀取7路同步緩沖數(shù)據(jù)并分析的過(guò)程，具體如下：

(1)開(kāi)啟同步采樣數(shù)據(jù)緩沖功能。用戶發(fā)送命令(0xC5+0x0002)啟動(dòng)自動(dòng)同步采樣功能，ATT7022E根據(jù)內(nèi)部計(jì)量的頻率信息自動(dòng)調(diào)整采樣頻率，每周期固定采集64個(gè)點(diǎn)，并將7路ADC的電壓和電流同步采樣數(shù)據(jù)保存到緩沖存儲(chǔ)器中，直到存滿為止。

(2)判斷同步采樣數(shù)據(jù)緩沖是否完成。等待相應(yīng)的采樣時(shí)間間隔以完成數(shù)據(jù)緩沖。

(3)讀采樣數(shù)據(jù)。在讀采樣數(shù)據(jù)前，通過(guò)C1命令指定要讀的緩沖存儲(chǔ)器的起始地址；讀取緩沖數(shù)據(jù)寄存器，每讀一次，該地址會(huì)自動(dòng)加1。

(4)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。由于每讀一次緩沖數(shù)據(jù)寄存器返回3字節(jié)格式的數(shù)據(jù)，且低兩字節(jié)是數(shù)據(jù)有效位，所以要進(jìn)行預(yù)處理操作。

(5)將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換。進(jìn)行FFT變換后可得到A、B、C三相的基波和2～21次諧波的電壓與電流采樣幅值。

(6)讀基波、全波的電壓和電流有效值。通過(guò)讀取有效值寄存器可得到A、B、C三相基波和全波的電壓與電流有效值。

(7)計(jì)算諧波參數(shù)。由于A相與B、C相的諧波參數(shù)計(jì)算過(guò)程類(lèi)似，所以這里只列出A相諧波參數(shù)的計(jì)算方法。假定步驟(5)計(jì)算到的A相基波電壓采樣幅值為Aua，A相第h次諧波電壓采樣幅值為Auah，A相基波電流采樣幅值為Aia，A相第h次諧波電流采樣幅值A(chǔ)iah；假定步驟(6)讀到的A相基波電壓有效值為UA，A相全波電壓有效值為UAall，A相基波電流有效值為IA，A相全波電流有效值IAall。

A相第h次諧波電壓含有率HRUah：

A相第h次諧波電流含有率HRIah：

A相電壓總諧波畸變率[9]THDua：

A相電流總諧波畸變率THDia：

A相第h次諧波電壓有效值Uah：

Uah=HRUah×UA

A相第h次諧波電流有效值Iah：

Iah=HRIah×IA

圖8 諧波分析流程圖

FFT是離散傅里葉變換的快速算法，有些信號(hào)在時(shí)域上很難看出什么特征，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征，它可以將一個(gè)時(shí)域信號(hào)變換成頻域信號(hào)。根據(jù)頻域信號(hào)可計(jì)算出各次諧波的幅值，進(jìn)而完成諧波分析功能。

如圖9所示，首先對(duì)長(zhǎng)度為N的序列x(n)進(jìn)行倒序運(yùn)算，而后使用三層循環(huán)完成剩余運(yùn)算。

第一層循環(huán)：從輸入端開(kāi)始(第一級(jí))開(kāi)始，逐級(jí)進(jìn)行，共作M=log2(N)級(jí)運(yùn)算[10]，本循環(huán)用于控制運(yùn)算的級(jí)數(shù)；

圖9 FFT程序流程圖

第二層循環(huán)：在作第L級(jí)運(yùn)算時(shí)，依次求出不同的旋轉(zhuǎn)因子，本層循環(huán)用于求出旋轉(zhuǎn)因子并供第三層循環(huán)使用；

第三層循環(huán)：每求出一個(gè)旋轉(zhuǎn)因子，就計(jì)算完它對(duì)應(yīng)的所有2M-L個(gè)蝶形,本循環(huán)用于計(jì)算同一旋轉(zhuǎn)因子的所有蝶形。

3.2 云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件設(shè)計(jì)

云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件CSFS作為終端UE和用戶服務(wù)器US的通信橋梁，負(fù)責(zé)它們的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件采用C#編寫(xiě)，運(yùn)行界面如圖10所示，其具體功能如下：

(1)云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件根據(jù)連接的端口號(hào)確定連接是來(lái)自終端還是用戶服務(wù)器，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

(2)每個(gè)終端都有一個(gè)固定的IMSI號(hào)(international mobile subscriber identity,IMSI)，并包含在每一幀發(fā)送數(shù)據(jù)中，云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件根據(jù)幀中的IMSI號(hào)確定這個(gè)連接來(lái)自哪一個(gè)終端。

(3)用戶服務(wù)器發(fā)給云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件的每一幀中也帶有一個(gè)IMSI號(hào)，表示用戶服務(wù)器想把該幀數(shù)據(jù)發(fā)給這個(gè)IMSI號(hào)對(duì)應(yīng)的終端，云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件根據(jù)該IMSI號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)給對(duì)應(yīng)的終端。

圖10 云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件界面

3.3 用戶服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

用戶服務(wù)器軟件是系統(tǒng)的人機(jī)交互軟件，它是終端數(shù)據(jù)最直接的展示方式。用戶服務(wù)器軟件同樣采用C#編寫(xiě)，運(yùn)行界面如圖11所示，窗口分為諧波電壓和諧波電流2部分。諧波電壓部分可顯示A、B、C相的各次諧波電壓含有率，A、B、C相的各次諧波電壓有效值，A、B、C相的電壓總諧波畸變率，A、B、C相的諧波電壓有效值；諧波電流部分可顯示A、B、C相的各次諧波電流含有率，A、B、C相的各次諧波電流有效值，A、B、C相的電流總諧波畸變率，A、B、C相的諧波電流有效值。

圖11 用戶服務(wù)器軟件界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分為NB-IoT通信實(shí)驗(yàn)和電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)2部分，前者為電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供依據(jù)，后者驗(yàn)證了電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)的測(cè)量精度。

4.1 NB-IoT通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在整個(gè)系統(tǒng)供電正常和NB-IoT基站信號(hào)良好的前提下，分別對(duì)終端UE與云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件CSFS之間，云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)軟件CSFS與用戶服務(wù)器US之間的通信穩(wěn)定性測(cè)試100次。NB-IoT通信成功率如表1所示，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)采用的“數(shù)據(jù)發(fā)送失敗重傳”機(jī)制效果明顯，成功率達(dá)到100%。

表1 NB-IoT通信成功率

4.2 電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)使用精度等級(jí)為 0.05%的三相程控標(biāo)準(zhǔn)源(JH3030A)，以A相電壓和電流為例，設(shè)置三相標(biāo)準(zhǔn)源A相電壓和電流進(jìn)行諧波輸出，取部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中實(shí)際值為三相程控標(biāo)準(zhǔn)源(JH3030A)的輸出結(jié)果，測(cè)量值為系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差基本在0.5%左右，滿足一般工業(yè)應(yīng)用需求。

表2 諧波測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一套基于NB-IoT的遠(yuǎn)程電網(wǎng)諧波分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)是采用了NB-IoT作為終端UE與服務(wù)器云轉(zhuǎn)發(fā)軟件CSFS的通信方式，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)的傳輸減少了布線和安裝成本。此外，系統(tǒng)測(cè)量的各次諧波數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在0.5%左右，為電網(wǎng)諧波分析提供有力的參考。