面向能效管理的電流互感器無(wú)線傳輸技術(shù)研究

陜西省地方電力（集團(tuán)）有限公司咸陽(yáng)供電分公司 劉 歡 張宇翔 秦宏武 楊 偉

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展電力短缺日趨明顯，節(jié)能和減少排放已經(jīng)成為全社會(huì)的核心問(wèn)題。為此，經(jīng)營(yíng)者積極響應(yīng)國(guó)家要求加強(qiáng)推進(jìn)節(jié)能及污染物排放減少。為確保減排措施長(zhǎng)期有效，實(shí)時(shí)驗(yàn)測(cè)和持續(xù)檢測(cè)，評(píng)估降低節(jié)能排放措施的影響，制定了相應(yīng)的優(yōu)化措施。其中，基站能耗管理中存在許多問(wèn)題，如城市基站設(shè)備布局非常復(fù)雜、廣泛且具有氣候特性，網(wǎng)絡(luò)基站耗電量系數(shù)過(guò)大，各基站耗電量似乎無(wú)法共享。在這種情況下，基站的電力管理器需要及時(shí)確認(rèn)多個(gè)基站功耗[1]。

1 無(wú)線電流互感器裝置原理及關(guān)鍵技術(shù)

想要同步采集到基站內(nèi)的所有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息，其中最應(yīng)該注意到的就是如何讓異地鐘同步，以及非長(zhǎng)距離的無(wú)線傳輸，以上兩點(diǎn)可通過(guò)對(duì)電壓量和電流量的計(jì)算得出實(shí)時(shí)所用電量，將無(wú)線電流傳感器裝置制作出來(lái)。這也是此文在異地時(shí)鐘同步和非長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸技術(shù)都研究一番之后才做的抉擇，將本地網(wǎng)絡(luò)式定時(shí)同步方式與Zigbee無(wú)線傳輸方式合二為一，進(jìn)而達(dá)到同步傳輸?shù)男Ч?/p>

1.1 異地時(shí)鐘同步技術(shù)簡(jiǎn)介

時(shí)鐘技術(shù)領(lǐng)域以世界時(shí)間、協(xié)調(diào)世界時(shí)間與核時(shí)間為國(guó)際通用的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)只有規(guī)定了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，才能讓之后不同卻繁雜的時(shí)間節(jié)點(diǎn)得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，從而在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的同步。本文將時(shí)鐘的同步描述為一對(duì)行為，并將分布在整個(gè)系統(tǒng)不同位置的條帶。想要實(shí)現(xiàn)同步，就需要從時(shí)間同步以及頻率同步著手研究，頻率同步只需保證系統(tǒng)中拍頻相同。如果要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，不僅需確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)的周期頻率相同，還需確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)的周期相位相同[2]。

對(duì)于尋常的遠(yuǎn)程同步記錄系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的速度遠(yuǎn)高于掃描速率和掃描信號(hào)的頻率，則同步后產(chǎn)生的相位差對(duì)數(shù)據(jù)采集幾乎沒(méi)有影響。由此可見(jiàn)，節(jié)奏同步是指確保每個(gè)記錄節(jié)點(diǎn)的節(jié)奏相同；最經(jīng)典的時(shí)間同步莫過(guò)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，這也只是在時(shí)間精度方面嚴(yán)謹(jǐn)應(yīng)用的典范。

1.2 短距離無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)指標(biāo)

對(duì)網(wǎng)絡(luò)而言，無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)就是奠基的基礎(chǔ)。無(wú)線傳輸最突出的一面莫過(guò)于是節(jié)點(diǎn)眾多且密度極高，這就需任意一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)都要擁有適量存儲(chǔ)容量及計(jì)算能力。設(shè)置無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的幾個(gè)指標(biāo)，然后分析和比較典型的無(wú)線短距離傳輸技術(shù)進(jìn)行選擇。

低能耗。無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)是能量。本文研究的無(wú)線變壓器以能效管理為對(duì)象，耗能問(wèn)題十分嚴(yán)重。無(wú)特殊情況的話，電池才是無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的動(dòng)能，然而由于電池功率的問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)只能維持?jǐn)?shù)月、幾年或是盡其所能的延長(zhǎng)使用時(shí)間?，F(xiàn)今的基站無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，在一些節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多、人口卻稀少的惡劣環(huán)境中，想要更換電池的問(wèn)題非常強(qiáng)人所難，故而因?yàn)殡姵卮蠖嗍潜粺o(wú)線通信的設(shè)備所消耗電力，更快捷的解決辦法就是尋找適合的設(shè)備；容量大。由于現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，所以相應(yīng)的容量也必不可小。

通訊能力。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是由通信速率及通信范圍組成，也是無(wú)線通信能力最具分量的指標(biāo)。通常情況下，無(wú)線通信在經(jīng)過(guò)了無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)后都會(huì)消耗極多的電力。而現(xiàn)在通信容量增長(zhǎng)的越發(fā)迅速，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間可大大縮短，較少節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍可能更廣，但這也與射頻節(jié)點(diǎn)的能量消耗增加密切相關(guān)。隨著通信容量的降低，這讓系統(tǒng)越發(fā)密集，也讓其需提供的節(jié)點(diǎn)數(shù)量越龐大，這就讓整個(gè)系統(tǒng)的成本大幅度增多。所以對(duì)于通信容量及能源消耗的問(wèn)題如何解決，怎么才能使系統(tǒng)成本降低，甚至還能讓無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用壽命有所提升，都有待解決[3]。

傳輸距離。對(duì)于無(wú)線短途傳輸來(lái)說(shuō)質(zhì)量毋庸置疑，然而要是距離過(guò)遠(yuǎn)，對(duì)于傳輸質(zhì)量還是會(huì)有影響。若是傳輸距離過(guò)近又會(huì)導(dǎo)致設(shè)備可用性的節(jié)點(diǎn)密度被迫增加，這會(huì)造成成本大幅度提升，并不符合本文的中心思想；可擴(kuò)展性和靈活性。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量而進(jìn)行變化。所以在出現(xiàn)故障后極有可能造成節(jié)點(diǎn)故障，這樣一來(lái)就要以新?lián)Q舊。因此，為適應(yīng)不斷更新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有必要為無(wú)線通信選擇靈活、可擴(kuò)展的傳輸模式。此外，在不同的應(yīng)用中都能以更靈活、便捷的組合來(lái)配置組件，以便達(dá)到優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)的使用要求，這也讓其避開(kāi)了需為每個(gè)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)新硬件系統(tǒng)的問(wèn)題，對(duì)于節(jié)約成本來(lái)講是一種不錯(cuò)的選擇。

低成本。現(xiàn)今的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的需求是龐大的，唯有降低成本才是節(jié)約成本最好的選擇。而現(xiàn)今的情況表明，唯有低成本才能讓如此龐大的布局具現(xiàn)化，這體現(xiàn)了無(wú)線電源轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)。因此，文中對(duì)于系統(tǒng)所需芯片推薦成本更低的、只要保證功能不打折即可。另外，由于設(shè)計(jì)指標(biāo)并非獨(dú)成一體、都是相互聯(lián)系的，所以會(huì)出現(xiàn)某項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)浮動(dòng)后會(huì)聯(lián)動(dòng)其他的指標(biāo)也出現(xiàn)浮動(dòng)，這些就屬于具體情況具體分析的情況，在現(xiàn)實(shí)匯總以各項(xiàng)指標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做最好的設(shè)計(jì)。

2 無(wú)線同步模塊的硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線同步方案的設(shè)計(jì)

由于本地網(wǎng)絡(luò)式的時(shí)間同步方式，方案的組成中電壓測(cè)量主站無(wú)線模塊與若干個(gè)電流測(cè)量節(jié)點(diǎn)終端無(wú)線模塊分別一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)主控中心、也就是主站無(wú)線模塊將區(qū)域記錄的電壓信號(hào)作為參考信號(hào)后，對(duì)于時(shí)間脈沖和每個(gè)周期的時(shí)間信號(hào)提取就成為了時(shí)間信號(hào)上升方向發(fā)送無(wú)線電發(fā)射模塊、并發(fā)送時(shí)間順序。先將將發(fā)送時(shí)間排序，后將所收集到的本地電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行有效值的計(jì)算。在下次發(fā)送時(shí)間信號(hào)之前，測(cè)量值將會(huì)發(fā)往每個(gè)終端無(wú)線電模塊。這也是每個(gè)終端無(wú)線電模塊收到獨(dú)立國(guó)家時(shí)間信號(hào)時(shí)、使用硬件序列號(hào)探測(cè)器接收時(shí)間信號(hào)，激活終端并接收時(shí)間信號(hào)時(shí)接收每個(gè)分支的當(dāng)前信號(hào)。

在主控中心處，主站無(wú)線模塊以本地采集的電壓信號(hào)作為參考信號(hào)，提取定時(shí)脈沖，每周期提取一個(gè)定時(shí)信號(hào)，以定時(shí)信號(hào)的上升沿觸發(fā)無(wú)線發(fā)送模塊，發(fā)送定時(shí)序列。當(dāng)定時(shí)序列發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)本地電壓數(shù)據(jù)采集并計(jì)算其有效值。待下次發(fā)送定時(shí)信號(hào)時(shí)，再將測(cè)量值發(fā)送到電流測(cè)量處的各終端無(wú)線模塊。同時(shí)各終端無(wú)線模塊接收主站發(fā)送的定時(shí)序列，采用硬件序列檢測(cè)器檢測(cè)定時(shí)信號(hào)，當(dāng)收到定時(shí)信號(hào)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)各終端采集信號(hào)采集各分支的電流信號(hào)。

由于距離較近，無(wú)線傳輸時(shí)間可以忽略不計(jì)，這樣各終端模塊采集電流的時(shí)間即可以與電壓模塊的采集時(shí)間保持同步。并根據(jù)計(jì)算出的電流有效值以及第一點(diǎn)的電流瞬時(shí)值，即可以確定電流信號(hào)與參考電壓信號(hào)的相位差。從而保證精確計(jì)算出各分支的能量信息。

通過(guò)這種方法，各終端模塊根據(jù)采集的分支電流，以及主站模塊發(fā)送的參考電壓信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算各分支的有功功率、無(wú)功功率、統(tǒng)計(jì)分支電度數(shù)。并根據(jù)要求，定時(shí)向主站模塊發(fā)送各分支的電能信息等技術(shù)參數(shù)[4]。

圖1 無(wú)線同步模塊總體軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.2 無(wú)線同步模塊總體軟件設(shè)計(jì)

打開(kāi)無(wú)線同步調(diào)制器，初始化LPC2214主處理器與Zigbee無(wú)線電模塊包括以下環(huán)節(jié)：系統(tǒng)速度、IampO端口、ADC、外部中斷與UART的初始化。經(jīng)以上步驟再次啟動(dòng)后，測(cè)量的過(guò)程中主無(wú)線模塊將以電壓信號(hào)作為參考值，產(chǎn)生的脈沖時(shí)間與各地每周定時(shí)信號(hào)和提取時(shí)間信號(hào)保持一致性。無(wú)線傳輸模塊通過(guò)上邊緣時(shí)間信號(hào)來(lái)激發(fā)傳輸同步碼序列，同時(shí)無(wú)線端模塊也開(kāi)始搜尋同步碼序列，同步后將發(fā)送，且無(wú)線傳輸模塊將及時(shí)對(duì)局部電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。終端無(wú)線電模塊也將對(duì)同步代碼序列進(jìn)行掃描，之后同步實(shí)時(shí)信息。在傳輸下一個(gè)同步編碼同步時(shí)，將前一段時(shí)間的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫總€(gè)無(wú)線終端模塊，計(jì)算并恢復(fù)同步采集的電壓和電流數(shù)據(jù)。

綜上，本文深入分析了時(shí)鐘同步和無(wú)線傳輸?shù)脑瓌t，并監(jiān)控基于能源效率管理的實(shí)時(shí)無(wú)線同步獲取系統(tǒng)中的電力。考慮到系統(tǒng)的可能性、能源消耗和成本，設(shè)計(jì)了無(wú)線同步采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了最終測(cè)量數(shù)據(jù)的完美效果。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證是否達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。同時(shí)利用仿真軟件分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)判。系統(tǒng)測(cè)試可分為部分測(cè)試和整體測(cè)試兩部分，部分測(cè)試主要包括網(wǎng)絡(luò)傳輸測(cè)試、同步測(cè)試、存儲(chǔ)測(cè)試三個(gè)方面。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

本文針對(duì)于部分測(cè)試的內(nèi)容多從實(shí)際觀察角度即可得知、在此不做具體的分析，主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體測(cè)試進(jìn)行分析，本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體得測(cè)試即為對(duì)電能的測(cè)試。從狹義的角度又可將電能測(cè)試分為電壓測(cè)試、電流測(cè)試和電能測(cè)試。對(duì)一個(gè)終端進(jìn)行分析，針對(duì)于本文不在同一點(diǎn)進(jìn)行電能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相應(yīng)的建設(shè)了同點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)照。即在每個(gè)終端安裝測(cè)電壓裝置，設(shè)置與數(shù)據(jù)中心相同的頻率。在每次接收到數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)同時(shí)會(huì)在終端處測(cè)定一下實(shí)際的電壓數(shù)據(jù)，以此作為對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中測(cè)定10000個(gè)點(diǎn)，兩電壓對(duì)比圖如圖3所示，將結(jié)果數(shù)據(jù)分析，對(duì)終端實(shí)時(shí)電能的消耗進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖3 電壓數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 電能數(shù)據(jù)對(duì)比

可以看出，通過(guò)此種方法所測(cè)得的電能消耗與真實(shí)數(shù)據(jù)之間偏差較小，偏差與實(shí)際數(shù)據(jù)的比值＜3%、在允許范圍之內(nèi)，本文提出的方法可行。分析出現(xiàn)偏差的原因，主要是因?yàn)椋航K端收到的電壓數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)中心整理的有效電壓、與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的電壓偏差。另外，電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳輸后到達(dá)終端，在此雖然時(shí)間較短，但也并不能是的數(shù)據(jù)完全同步，可能會(huì)引起數(shù)據(jù)的偏差。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題在開(kāi)始階段，通過(guò)閱讀大量的相關(guān)文獻(xiàn)，從時(shí)鐘同步和無(wú)線傳輸?shù)脑?、發(fā)展和國(guó)際水平等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和研究，面向能效管理的需求做出了特殊環(huán)境下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量的無(wú)線同步采集系統(tǒng)。基于方案可能性、系統(tǒng)功耗大小、系統(tǒng)成本高低等多方面考慮，最終確定了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量的無(wú)線同步采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)兩年的研究和設(shè)計(jì)，最終測(cè)量數(shù)據(jù)完美達(dá)到效果。

本課題完成的工作主要有以下幾個(gè)方面：結(jié)合我國(guó)能源緊缺的現(xiàn)狀，并查閱分析了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外在時(shí)鐘同步和無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)調(diào)查了解明確了課題的實(shí)用價(jià)值以及研究意義，并最終確定了可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量的無(wú)線同步采集系統(tǒng)的具體方案；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于LPC2214核心處理器的無(wú)線同步模塊各部分硬件電路的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無(wú)線同步模塊各部分軟件電路的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。