一種無線電力儀表設(shè)計

張偉平

摘? 要：基于目前多場景的電力運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測的需求，該文開發(fā)設(shè)計了一種面向分布式、離散監(jiān)測場景的無線電力監(jiān)測單元，簡稱“G表”，提供解決該場景傳統(tǒng)電力監(jiān)測方案弊端的方案。該產(chǎn)品融合了傳統(tǒng)全電量電力監(jiān)測儀表的功能，同時還具備了無線數(shù)據(jù)傳輸、邊緣計算、溫度濕度監(jiān)測、漏電流監(jiān)測，復(fù)費(fèi)率計算、諧波監(jiān)測、需量監(jiān)測等功能，所有數(shù)據(jù)接入云平臺，有效覆蓋分布式、離散監(jiān)測場景電力監(jiān)測的各層次需求。

關(guān)鍵詞：無線通信;電力儀表;邊緣計算;云平臺

中圖分類號：TP216? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

為響應(yīng)習(xí)近平同志新時代中國特色社會主義指導(dǎo)思想，深入貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，國家電網(wǎng)提出“三型兩網(wǎng)、世界一流”的戰(zhàn)略目標(biāo)，其中泛在物聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展目標(biāo)的重要一環(huán)。協(xié)同推進(jìn)智慧物聯(lián)是泛在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的主線之一，打造“云邊協(xié)同”資源共享共用、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。智能電力監(jiān)測設(shè)備是未來泛在物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)協(xié)同的重要節(jié)點(diǎn)。

1 需求分析

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)覆蓋地理分布廣泛，供電對象的差異明顯，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)分布呈現(xiàn)“點(diǎn)”或“面”的分布狀況。傳統(tǒng)電力監(jiān)測方案較好地解決了“面”狀分布的電力設(shè)施的需求，采用儀表+管理機(jī)+SCADA系統(tǒng)的方式，集中采集多電力設(shè)施狀態(tài)，通過統(tǒng)一的傳輸路徑在SCADA系統(tǒng)中集中顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)?！包c(diǎn)”狀分布的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)分布式、離散化的特點(diǎn)，空間上不集中、數(shù)據(jù)間勾連性不強(qiáng)，采用傳統(tǒng)電力監(jiān)測方案存在施工難度大、系統(tǒng)造價高、無法用等效節(jié)點(diǎn)替代監(jiān)測的問題。接入無線通信是簡單有效解決問題的方法。

2 難點(diǎn)分析

傳統(tǒng)電力監(jiān)測方案，主要采用局域網(wǎng)以及有線的方式連接，數(shù)據(jù)采集受限于通信協(xié)議及總線設(shè)計。數(shù)據(jù)傳輸速率延遲最高可達(dá)百毫秒級，數(shù)據(jù)傳輸量無任何限制，滿足一般的供配電數(shù)據(jù)模型的描述精度要求。

基于無線通信的監(jiān)控方案，則面臨有別于傳統(tǒng)電力監(jiān)測的巨大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)傳輸路徑長，綜合傳輸延時比較嚴(yán)重，存在描述模型數(shù)據(jù)有效性的問題。另外，長期需要定期預(yù)付數(shù)據(jù)資費(fèi)，限制了數(shù)據(jù)的傳輸量，也不符合現(xiàn)有電力用戶的消費(fèi)習(xí)慣。由于通道的限制，不得不針對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸模式進(jìn)行優(yōu)化?！癎表”在設(shè)計過程充分考慮了無線監(jiān)控方案存在的痛點(diǎn)。

3 產(chǎn)品設(shè)計

“G表”在設(shè)計初始就需要考慮分布式、離散的應(yīng)用場景存在的通信問題與監(jiān)測內(nèi)容問題。采用集成化的思路，對電力系統(tǒng)運(yùn)行所需的相關(guān)領(lǐng)域的監(jiān)測信息進(jìn)行集成，形成單節(jié)點(diǎn)的綜合解決方案?！癎表”產(chǎn)品外觀如圖1所示。

3.1 外部接口設(shè)計

“G表”硬件接口設(shè)計包括三相電能采集、漏電流監(jiān)測、開入量監(jiān)測、開出量控制、溫濕度采集5類基礎(chǔ)項目，如圖2所示。

三相電能及漏電流采集采用計量專用IC，獨(dú)立計算電能的基礎(chǔ)信息。避免占用MCU資源，減少外圍A/D電路環(huán)節(jié)存在的元件品質(zhì)差異問題，在減少硬件設(shè)計的同時，又提高了采集精度。在實現(xiàn)常規(guī)電能信息采集的基礎(chǔ)上，利用計量IC資源進(jìn)行復(fù)費(fèi)率、需量等能效管理應(yīng)用的計算，以及諧波、三相不平衡度等電能質(zhì)量管理應(yīng)用的計算。同時利用計量IC漏電流檢測資源，設(shè)計漏電流采集功能。

設(shè)計多路開入、開出量，并使其具備可編程能力。既可以單獨(dú)采集開入信號，遠(yuǎn)程控制開出量動作，又可以進(jìn)行開入、開出量功能的關(guān)聯(lián)設(shè)置。既滿足了常規(guī)監(jiān)測的需要，又可滿足一般的聯(lián)動控制需求。

溫濕度采集采用數(shù)字通信接口接駁專用的溫濕度傳感器，溫濕度采集的A/D轉(zhuǎn)換在傳感器內(nèi)部實現(xiàn)，方便根據(jù)使用環(huán)境更換不同的傳感器。

接口功能滿足了常規(guī)電能的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、能效管理、電能質(zhì)量、電氣安全的功能要求。同時充足的開關(guān)量監(jiān)測接口，既滿足開關(guān)柜狀態(tài)監(jiān)測要求，又可以滿足其他監(jiān)測裝置的狀態(tài)接入要求。

3.2 通信設(shè)計

分布式、離散場景的供電、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)是傳統(tǒng)電力監(jiān)控方案中的難點(diǎn)。存在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計復(fù)雜、通信施工難度較大、成本高等問題。無線通信的引入使該場景的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集變得十分便利，借助密布的運(yùn)營商基站，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)在無形的通道中暢通無阻的傳輸。

但是無線通信由于資費(fèi)問題，存在傳輸數(shù)據(jù)量受限的問題。電力設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)具備典型的大數(shù)據(jù)特征，主要體現(xiàn)在4個方面。1）數(shù)據(jù)來源多。2）數(shù)據(jù)體量大、增長快。3）數(shù)據(jù)類型異構(gòu)多樣。4）數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)復(fù)雜。其與通信資費(fèi)控制的思想相悖[1]。為了解決該問題，“G表”對數(shù)據(jù)列表進(jìn)行了區(qū)分，將數(shù)據(jù)分類成了凍結(jié)數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)以及瞬變數(shù)據(jù)3種。凍結(jié)數(shù)據(jù)為按照一定規(guī)則計算保存、一定時效內(nèi)固定不變的數(shù)值，例如月度能耗、最大需量。累計數(shù)據(jù)受時間因素的影響，隨著時間的變化而累加變化，例如實時電能。瞬變數(shù)據(jù)為不受時間因素影響的數(shù)據(jù)，主要有電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)等，每一時刻的數(shù)據(jù)均存在波動可能性。

凍結(jié)數(shù)據(jù)采取云平臺主動采集的策略。按預(yù)設(shè)時間自動執(zhí)行數(shù)據(jù)召喚或者進(jìn)行手動召喚，丟失或無響應(yīng)時，重新進(jìn)行召喚，確保數(shù)據(jù)能夠成功采集。

累計數(shù)據(jù)由“G表”按時上送云平臺，用戶根據(jù)管理所需采集精度，自行在“G表”中設(shè)定上送時間。這樣可以減少云平臺下發(fā)的任務(wù)，減輕云平臺的運(yùn)行壓力。

針對瞬變數(shù)據(jù)，除了可以選擇定時上送云平臺，還可以選擇數(shù)據(jù)突變上送。其原理是單次數(shù)據(jù)采集變化區(qū)間超過設(shè)定閾值時，將數(shù)據(jù)主動上報云平臺，當(dāng)數(shù)據(jù)變化未超過設(shè)定閾值時，則不進(jìn)行數(shù)據(jù)上報。依照對數(shù)據(jù)觀測的敏感度，用戶可以改變閾值設(shè)定，從而獲得所需精度的數(shù)據(jù)變化，以此來描述電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

通過以上的數(shù)據(jù)分類管理策略，“G表”減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量，依然可以確?？蛻羲钄?shù)據(jù)的精度。

3.3 邊緣計算

無線通信為了壓縮數(shù)據(jù)量，發(fā)送給后臺的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)電力監(jiān)測方案相比有限。同時通信連接也受到比有線通信更多的干擾因素的影響，而丟失數(shù)據(jù)導(dǎo)致判據(jù)不足，出現(xiàn)無法進(jìn)行計算的情況?；谖锫?lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計思路，“G表”具備邊緣計算功能。在邊緣計算模型中，網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備具有足夠的計算能力，以此來實現(xiàn)源數(shù)據(jù)的本地處理，并將結(jié)果發(fā)送給云計算中心。邊緣計算模型不僅可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘瑫r也能較好地保護(hù)隱私數(shù)據(jù)，降低終端敏感數(shù)據(jù)隱私泄露的風(fēng)險。解決了一部分?jǐn)?shù)據(jù)有效性及降低數(shù)據(jù)發(fā)送量的問題[2]。

“G表”采集所得的數(shù)據(jù)直接由MCU進(jìn)行計算，可以實時或更快地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。而不像傳統(tǒng)的電力監(jiān)測手段，數(shù)據(jù)的處理分析全部依靠后臺系統(tǒng)執(zhí)行。

在某些場景下需要立刻對信息做出反饋時，經(jīng)由無線傳輸數(shù)據(jù)后，再由云平臺下發(fā)命令，解決了存在較高綜合延時的問題。此外，存在多種原因?qū)е聰?shù)據(jù)或命令無法正確傳送，造成反饋任務(wù)失敗的問題。因此，邊緣計算對于無線傳輸方式來說十分重要。

3.4 配套管理平臺

平臺設(shè)計基于兩點(diǎn)中心思想構(gòu)建，即設(shè)備管理和大數(shù)據(jù)監(jiān)測分析。

設(shè)備管理是描述“G表”與對應(yīng)管理組織的勾連關(guān)系，包括了用戶組織架構(gòu)下“G表”的添加、修改、刪除，同時還具備設(shè)備流量監(jiān)管功能。用戶通過簡單的數(shù)據(jù)錄入，就可以很方便地對儀表使用進(jìn)行管理。

將“G表”的管理方式抽象成組織架構(gòu)的管理模式，適用于絕大多數(shù)的分級管理方案，例如按地域劃分管理、按部門劃分管理、按產(chǎn)線劃分管理等?；谠撍枷朐O(shè)計的架構(gòu)，可以方便地進(jìn)行離散單點(diǎn)的橫、縱向數(shù)據(jù)對比，組織結(jié)構(gòu)之間的橫、縱向?qū)Ρ?。此外，還針對主流關(guān)注的參量信息，制定了不同的分析策略。用戶可以根據(jù)需要自行進(jìn)行便捷的數(shù)據(jù)分析。

4 結(jié)語

該文提出的無線電力監(jiān)測單元“G表”，提供了分布式、離散監(jiān)測場景的全套電力監(jiān)測解決方案。其功能滿足了常規(guī)電能運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、能效管理、電能質(zhì)量、電氣安全、狀態(tài)監(jiān)測的需求，并在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了分類數(shù)據(jù)的無線通信以及邊緣計算的功能。同時，該產(chǎn)品配套定制開發(fā)的管理平臺，為用戶解決了一站式數(shù)據(jù)存儲的問題。產(chǎn)品有別于傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)煩瑣的建設(shè)、調(diào)試過程，安裝即用，滿足分布式、離散場景電力監(jiān)控的絕大多數(shù)需求，具有一定的創(chuàng)新意義和市場前景。

參考文獻(xiàn)

[1]江秀臣，盛戈皞.電力設(shè)備狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析的研究和應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2018，44（4）：1041-1050.

[2]施巍松，孫輝，曹杰，等.邊緣計算：萬物互聯(lián)時代新型計算模型[J].計算機(jī)研究與發(fā)展，2017，54（5）：907-924.