基于NB-IoT 無線通信的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐陽曾愷，劉 建，田正其

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，江蘇南京 210019；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103）

在電能電量使用過程中，為了方便電能用量的計(jì)量和電器正常工作的管理，專業(yè)人員發(fā)明了電表，電表在運(yùn)行過程中會(huì)時(shí)刻反映所連接電器的使用情況，如果電表的工作狀態(tài)發(fā)生異常，電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)向管理部門提交故障檢修消息，防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的智能電表監(jiān)測(cè)在外界特殊手段干擾的情況下，對(duì)于電器用電量的監(jiān)測(cè)精度達(dá)不到要求，使用戶的用電量數(shù)值不準(zhǔn)確，導(dǎo)致居民和電業(yè)局之間產(chǎn)生矛盾，帶來惡劣的影響[1-2]。

為了提高電表的監(jiān)測(cè)功能性，該文在NB-IoT 無線通信技術(shù)和電能采集總線通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能[3-4]。分別對(duì)智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域進(jìn)行分析，以提高系統(tǒng)的性能為目的，完成基于NB-IoT 無線通信的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最終通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，證明了該文設(shè)計(jì)的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用意義，有利于保障電表的正常工作。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于NB-IoT 無線通信的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 芯片設(shè)計(jì)

芯片是系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，只有保證芯片的時(shí)效性和技術(shù)性，才能使系統(tǒng)正常工作。為了達(dá)到該文研究的預(yù)期效果，選用ASM879 系列的芯片，此芯片自帶該系列附屬的主控板，使芯片的使用效果最佳。ASM879芯片的體積為5 cm3，正常工作溫度范圍是-55 ℃～125 ℃，芯片的工作模式為PSM和EDRX。根據(jù)系統(tǒng)的執(zhí)行命令，芯片的工作模式[5]可以自動(dòng)更換。ASM879芯片的最大輸出電流為90 mA，具有8個(gè)恒流源的輸出電路，節(jié)省了芯片本身的占用面積，芯片間的電流誤差率為60%，位間的電流誤差率為15%。此芯片在運(yùn)行過程中的頁面數(shù)據(jù)刷新率可以達(dá)到85 Hz，采用最新系列的數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘，時(shí)鐘移位鐘頻率為15 mHz[6-8]。

1.2 串口服務(wù)器設(shè)計(jì)

智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件區(qū)域的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)的目的是完成軟件區(qū)域電能采集總線操作協(xié)議的正常使用，并且電表器本身是一個(gè)雙向多串口的計(jì)量器件，通過串口服務(wù)器，保證電表計(jì)量通道與監(jiān)測(cè)方法一對(duì)一操作，使得電表內(nèi)電流和電壓的計(jì)量更加準(zhǔn)確[9-12]。串口服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 串口服務(wù)器結(jié)構(gòu)

串口服務(wù)器的串口接收端采用EVBM-110R 模塊，發(fā)送端為EVBM-107R，并且服務(wù)器內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)紅外控制模塊，保證服務(wù)器不受外界因素的干擾。串口服務(wù)器采用16 口結(jié)構(gòu)，其中最具代表性的是RS485、RS232、自適應(yīng)接口、端子接口4 個(gè)類型，服務(wù)器的發(fā)送率達(dá)到100%，串口服務(wù)器的默認(rèn)地址為192.168.0.0，器件依據(jù)TCP/IP 協(xié)議完成工作[13-14]。

1.3 電能采集器

電能采集器是智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件區(qū)域的核心器件，主要的工作是采集計(jì)量電能數(shù)據(jù)。

電能采集器的工作原理是對(duì)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，完成電能的采集計(jì)量，該文選擇的電能采集器可以連接無線網(wǎng)絡(luò)，采集完成后，立即通過網(wǎng)絡(luò)傳回到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理中心。采集器的內(nèi)存為256 GB，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)INUX，重量為270 g，輸出電源適配器的DC 為5 V，并且電流恒大于1.5 A，輸入的AC 為100～240 V，頻率為50～60 Hz，采用的電源為3.7 V 2 300 MHz 容量的電源模塊。為了保證電能采集器的工作安全，此采集器可以排除半徑為15 km 范圍的空氣放電干擾與半徑為5 km 半徑的直接放電干擾[15-16]。

1.4 穩(wěn)壓器

穩(wěn)壓器電路如圖3 所示。

圖3 穩(wěn)壓器電路

系統(tǒng)硬件區(qū)域穩(wěn)壓器的工作目的一方面是保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接計(jì)算機(jī)的安全，另一方面是保證系統(tǒng)連接的電表工作安全，一旦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出電表存在異常運(yùn)行故障或者電表內(nèi)電壓出現(xiàn)異常，立刻觸發(fā)穩(wěn)壓器，將電表與其他串聯(lián)電表物理斷開。該文選擇三相穩(wěn)壓器SVC，穩(wěn)壓器的工作電壓為380 V，器件外圍采用雙線圈保護(hù)，純銅調(diào)壓線和補(bǔ)償線間接圍繞，匝線連接緊密，具有效率高、速度快的特點(diǎn)。穩(wěn)壓器的電壓頻率為50～60 Hz，可以在2 s 內(nèi)完成調(diào)壓，必要時(shí)采用自動(dòng)切斷輸出，器件耐壓為2 000 V/min，不會(huì)擊穿模型，絕緣電阻大于5 Ω。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電能采集總線操作協(xié)議所涉及的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件區(qū)域的器件主要是芯片、傳感器、串口服務(wù)器以及電能采集器，連通各個(gè)器件，輔助電表完成電能的采集，輔助電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成監(jiān)測(cè)操作。電能采集總線操作協(xié)議主要分為三部分，具體內(nèi)容如下：

1）對(duì)需要采集電能的電表箱進(jìn)行初始化設(shè)置，通過調(diào)用硬件區(qū)域的寄存器完成監(jiān)測(cè)芯片的復(fù)用處理，與智能電表內(nèi)的電流、電壓、電壓增益、補(bǔ)償值進(jìn)行初始化觸發(fā)，使得采集的電能具有穩(wěn)定性。2）協(xié)議獲取電表內(nèi)的單相電信號(hào)變化情況，根據(jù)信號(hào)波動(dòng)函數(shù)，完成信號(hào)與電表內(nèi)電流數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。3）完成電表箱內(nèi)電流和電壓的測(cè)試后，調(diào)整串口接口的協(xié)議通信通道口，此時(shí)協(xié)議迫使電表的寄存器工作模式為000[1:0]，采集器能采集到目標(biāo)通道內(nèi)有效的相位電能。

NB-IoT 無線通信技術(shù)也被稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，是目前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成技術(shù)之一，隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)部署于全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和通信領(lǐng)域。窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)用無線通信技術(shù)時(shí)，只需耗用180 kHz 的頻段，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，信號(hào)覆蓋半徑是GSMDE 的四倍，并且每周期的發(fā)射功率為23 dBm，傳統(tǒng)通信技術(shù)的發(fā)生功率為33 dBm，并且運(yùn)行成本低，如果調(diào)用過程中出現(xiàn)問題，可以實(shí)時(shí)終止調(diào)用。另外窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的遠(yuǎn)程通信靈敏度高于接收和發(fā)送順序，采用半雙工通信模式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)丟包的情況，保證數(shù)據(jù)的完整性。

基于NB-IoT 無線通信的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。

首先將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)接入智能電表管理系統(tǒng)中，在系統(tǒng)與智能電表箱可以無誤差地連接后（此過程大概3 min），系統(tǒng)硬件區(qū)域的串口服務(wù)器觸發(fā)電能采集器，調(diào)用電能采集總線操作協(xié)議打開電流的相應(yīng)通信通道，采集并記錄準(zhǔn)確的有效電流、電壓等其他變量參數(shù)，與接下來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)調(diào)用NB-IoT 無線通信技術(shù)導(dǎo)入流經(jīng)電箱的電壓和電流，當(dāng)電流經(jīng)過系統(tǒng)硬件區(qū)域的芯片時(shí)，記錄電流值，根據(jù)有效電流的定義和電流波動(dòng)函數(shù)，計(jì)算出電表所連接的各個(gè)用戶的電流值，最終與電表值進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，一旦數(shù)據(jù)匹配錯(cuò)誤，立即復(fù)檢，復(fù)檢無誤后，向電業(yè)局提交電表箱故障維修申請(qǐng)，停止電表的工作，保障多方權(quán)益。

3 實(shí)驗(yàn)分析

該文選擇基于人工智能識(shí)別的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（傳統(tǒng)系統(tǒng)一）和基于電路轉(zhuǎn)換分析的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（傳統(tǒng)系統(tǒng)二）作為傳統(tǒng)的對(duì)照系統(tǒng)，共同完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以上兩個(gè)系統(tǒng)都是通過專業(yè)審核的電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

選擇的測(cè)試樣本是某街區(qū)一號(hào)樓六單元的智能電表箱，實(shí)驗(yàn)前將該文實(shí)驗(yàn)測(cè)試的3 個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與測(cè)試的智能電表進(jìn)行連接，電表的另一端連接的是數(shù)據(jù)分析儀，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)檢。

預(yù)處理操作后，實(shí)驗(yàn)正式開始，在實(shí)驗(yàn)過程中，同一時(shí)間觸發(fā)3 個(gè)智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且工作人員通過手持式專業(yè)的電能電表監(jiān)測(cè)儀同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理。測(cè)試時(shí)間為12 小時(shí)，4 組工作人員每隔2 小時(shí)記錄3 種系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果并與手持式專業(yè)監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。12 小時(shí)后結(jié)束實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的匯總，完成實(shí)驗(yàn)分析，得出測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。經(jīng)過以上的實(shí)驗(yàn)操作，匯總3 種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 匯總監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(kW·h)

監(jiān)測(cè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 監(jiān)測(cè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性如圖5 所示。

圖5 監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，該文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)智能電表進(jìn)行監(jiān)測(cè)的電表結(jié)果的波動(dòng)性遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以直觀地得出該文系統(tǒng)對(duì)于智能電表的電能監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性較好。在完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，該文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)硬件器件的溫度也在器件的正常運(yùn)行范圍內(nèi)，并沒有由于負(fù)載壓力，導(dǎo)致系統(tǒng)器件出現(xiàn)附加損耗。

另一方面，實(shí)驗(yàn)前在電表的一端連接的數(shù)據(jù)分析儀表明，基于NB-IoT 無線通信的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)比其他兩個(gè)傳統(tǒng)的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電表數(shù)據(jù)出現(xiàn)變更的情況下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間也是最快的，具有較高的靈敏性。

綜上所述，基于NB-IoT 無線通信的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效縮短監(jiān)測(cè)時(shí)間，提高監(jiān)測(cè)過程的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

該文在智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件區(qū)域設(shè)計(jì)了智能芯片、串口服務(wù)器、電能采集器、無線通信器以及穩(wěn)壓器，在軟件區(qū)域植入了電能采集總線操作協(xié)議和NB-IoT 無線通信技術(shù)，最后通過協(xié)議和軟件集成了基于NB-IoT 無線通信的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)智能電表時(shí)，具有較短的監(jiān)測(cè)時(shí)間，僅為0.04 s，并且有效提高了在監(jiān)測(cè)智能電表過程中的穩(wěn)定性。相信通過該文智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以提高電表對(duì)于電資源的精確識(shí)別，保障電表工作的效率。