徐茂鑫，余濤，徐豪

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

智能電網(wǎng)是一個完全自動化的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠監(jiān)視和控制每個用戶和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，保證從電廠到終端用戶的整個輸配電過程中所有節(jié)點(diǎn)之間的信號和電能的雙向流動［1］。它是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成新型電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的建設(shè)涵蓋發(fā)、輸、變、配、用全過程［2-3］。

在用電方面，智能電網(wǎng)的重要目標(biāo)是鼓勵和促進(jìn)用戶參與自身運(yùn)行和管理，實(shí)現(xiàn)用戶互動［4-5］。對電網(wǎng)公司，通過統(tǒng)計(jì)用戶的用電信息，掌握用戶的需求和規(guī)律，就可以個性化地指導(dǎo)用戶科學(xué)用電。用戶而言，可以通過實(shí)時獲取電網(wǎng)公司的實(shí)時電價和用電激勵信息，根據(jù)自身需求選擇合理的用電方案控制用電設(shè)備的用電時間，實(shí)現(xiàn)智能能量管理。對此，不少專家學(xué)者就用戶用電模式分析、用電策略分析、智能用電控制算法等問題進(jìn)行了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)［6］利用改進(jìn)k-means算法準(zhǔn)確、高效地挖掘出了海量智能用電數(shù)據(jù)的潛在的有價值信息，能夠?yàn)橄嚓P(guān)部門制定最優(yōu)用電策略，開展階梯電價等提供有利指導(dǎo)。文獻(xiàn)［7］基于家庭用戶的用電行為及用電特征時間段，運(yùn)用基于云計(jì)算的Apriori算法對用電行為進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并利用遺傳算法對家電的啟動時間進(jìn)行優(yōu)化，很好地達(dá)到了經(jīng)濟(jì)用電的目標(biāo)。

由上述可知，為了達(dá)到智能用電的目標(biāo)，關(guān)鍵是要獲得全面的用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù)并有效地實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)終端的用電設(shè)備進(jìn)行控制。由于電網(wǎng)中各種用電設(shè)備數(shù)量龐大，所以所需安裝的量測和控制設(shè)備數(shù)量是巨大的。要實(shí)現(xiàn)智能用電必須充分考慮設(shè)備成本以及當(dāng)前的電能供應(yīng)模式。

鑒于上述分析，并考慮到插座是傳統(tǒng)電網(wǎng)中最普遍的配電網(wǎng)終端，在不影響當(dāng)前配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)的前提下，本文將現(xiàn)代先進(jìn)測量、控制、通信技術(shù)等嵌入到傳統(tǒng)的插座中，提供了一種基于DSP數(shù)字信號處理技術(shù)和WiFi通信技術(shù)智能用電方案，可實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)下對市政、商區(qū)以及居民住宅等用電設(shè)備的高級用電監(jiān)測和遠(yuǎn)程用電控制。

1 智能用電終端應(yīng)用示例

智能用電終端是分布式用電設(shè)備與配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)能量流和信息流雙重交互的媒介。以家庭用電為例，智能終端的應(yīng)用構(gòu)架如圖1所示。各種分布式用電設(shè)備如空調(diào)、熱水器、冰箱、光伏發(fā)電設(shè)備等通過智能用電終端連接到配電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)與用電設(shè)備的能量連接；通過WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)，智能用電終端可以連接到本地用戶終端和數(shù)據(jù)服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)信息交互。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)中心可以是電網(wǎng)公司或?qū)ｉT的信息管理公司。

圖1 智能用電終端應(yīng)用示例Fig.1 Application example of smart power terminal

如果區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)所有的分布式用電設(shè)備均通過智能用電終端接入電網(wǎng)，便可以構(gòu)建一個云平臺對所有設(shè)備進(jìn)行管理。通過這個云平臺并采用有效的優(yōu)化算法和協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化用戶的用電模式，則可以在不影響用戶用電舒適度的同時充分利用這些分布式設(shè)備中的潛在可控負(fù)荷，參與電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度，從而達(dá)到削峰填谷、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等作用。同時，用戶也可以通過相關(guān)的節(jié)電分析軟件檢測出自身用電行為中存在的浪費(fèi)情況，并利用智能用電終端進(jìn)行自動斷電控制。

一個完整的智能用電管理系統(tǒng)建設(shè)中需要包括智能用電終端、信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲與分析、用戶端應(yīng)用軟件等單元，限于篇幅，下文主要介紹智能用電終端的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

智能用電終端的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括DSP處理核心單元、WiFi通信單元、信號測量單元、負(fù)荷控制單元、系統(tǒng)供電單元以及實(shí)時時鐘、溫度傳感、Flash存儲等擴(kuò)展功能單元。

圖2 智能用電終端結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the smart power terminal

在DSP處理核心單元的協(xié)調(diào)控制下，智能終端首先通過測量單元監(jiān)測接入的用電設(shè)備的電量信息，然后利用WiFi通信單元實(shí)現(xiàn)與用戶終端和數(shù)據(jù)服務(wù)中心的信息傳輸。負(fù)荷控制單元可以根據(jù)電網(wǎng)公司或者用戶自身下達(dá)的指令對用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制等操作。

2.2 DSP處理核心

為了緩解遠(yuǎn)端服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理壓力，智能用電終端需要對采集的數(shù)據(jù)分擔(dān)部分的計(jì)算分析任務(wù)；同時智能用電終端還應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較多的附加功能，因此在智能終端的處理器選型上，本文采用DSP作為處理單元。

DSP（Digital Signal Processor）即數(shù)字信號處理器，通常采用哈佛流水線構(gòu)架并配備專用的硬件乘法器，因此其運(yùn)算速度非常快，可以輕松完成FFT、矢量控制、圖像信號處理等任務(wù)。相對于單片機(jī)、PLC等微處理器，DSP不僅具有較強(qiáng)的控制性能，其數(shù)字信號處理能力更是突出［8］。

DSP處理核心采用某公司的32實(shí)時處理器TMS320F28035。該處理器具有60 MHz主頻、128k Flash、20 k RAM、多達(dá)45個復(fù)用端口以及一個SCI、2個SPI、一個ECAN網(wǎng)絡(luò)接口等。DSP與其他模塊的接口如圖3所示。

圖3 DSP的接口示意圖Fig.3 Interface schematic diagram of DSP

2.3 WiFi通信模塊

相比有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)具有安裝維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)，因此在短距離局域通信領(lǐng)域中無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越普及。目前短距離無線通信的主流技術(shù)有：433 MHz等小于1 GHz的射頻技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)和WiFi通信技術(shù)。相比其他無線通信技術(shù)，WiFi通信可以直接通過無線路由器接入Internet網(wǎng)而不需要重新布置網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；WiFi模塊是筆記本、平板電腦和智能手機(jī)等互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置［9-10］。因此采用WiFi技術(shù)進(jìn)行通信的智能用電終端不僅可以實(shí)現(xiàn)信息交換上的“即插即用”，而且還可以降低設(shè)備推廣的成本。

WiFi通信采用USR-WIFI232-T模塊實(shí)現(xiàn)。這是一款具有低功耗、低成本、小體積等特點(diǎn)的WiFi轉(zhuǎn)串口模塊，其在硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元、TCP／IP協(xié)議棧以及功率放大器，非常便于在智能家居、智能電網(wǎng)、手持設(shè)備等領(lǐng)域進(jìn)行二次開發(fā)。同時該模塊同時支持UART、PWM、GPIO數(shù)據(jù)通信，可直接嵌入到MCU系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的透明數(shù)據(jù)傳輸，如圖4所示。

圖4 WiFi雙向透明傳輸示意圖Fig.4 Two-way transparent transmission schematic diagram ofWiFi

2.4 信號測量

本文的單相測量采用典型的電阻檢流、分壓再放大采樣的方式。具體的測量電路如圖5所示，用電設(shè)備的大電壓電流信號分別通過分壓電阻R1、R2以及檢流電阻R3轉(zhuǎn)換成弱電壓信號，然后利用運(yùn)算放大器U1、U2進(jìn)行調(diào)理放大。其中輸出信號Uo、Io通常放大到ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器滿量程的2／3左右。

圖5 信號測量電路Fig.5 Signal measurement circuit

運(yùn)算放大器采用集成差分運(yùn)放INA129。與普通放大器相比，差分放大器可以有效抑制輸入信號中的共模噪聲和地線電平電壓浮動對電路的影響。ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用某公司推出的并行14位8通道雙極性同步采集的A／D轉(zhuǎn)換芯片MAX1321，該芯片與MAX1320同屬一個系列并廣泛應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)測。

2.5 其他功能單元

為了方便系統(tǒng)取電，本文采用AC-DC開關(guān)電源的方式將輸電線路上的交流220 V電源轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓。相對傳統(tǒng)的先變壓器降壓整流再到線性穩(wěn)壓的方式，開關(guān)電源具有體積小、重量輕和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。同時相對另一種常用交流取電方式—阻容分壓，開關(guān)電源能夠提供更大的功率，可以滿足系統(tǒng)中WiFi無線通信所需的大功率。此外，為了滿足信號測量單元的負(fù)電壓需求，采用TPS60403電荷泵將＋5 V轉(zhuǎn)換成－5 V電壓；并采用TPS73633線性穩(wěn)壓器將＋5 V轉(zhuǎn)換成＋3.3 V以滿足DSP系統(tǒng)的供電需求。

負(fù)荷控制通過大功率繼電器（負(fù)荷開關(guān)）實(shí)現(xiàn)。同時為了避免繼電器開斷過程中產(chǎn)生的電磁干擾對系統(tǒng)造成影響，采用光耦隔離的方法用光耦開關(guān)來驅(qū)動大功率電器。

溫度傳感器可用于感知智能用的終端周圍的環(huán)境溫度，為用戶的用電模式分析提高外界環(huán)境的信息參考。本文的溫度傳感采用DS18B20實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)對測量的數(shù)據(jù)標(biāo)記時間信息，以提高數(shù)據(jù)分析的效果，本文在智能用電終端中增加了實(shí)時時鐘的功能，實(shí)時時鐘可用DS1302時鐘芯片實(shí)現(xiàn)。

最后，利用外部閃存芯片AT25FS040實(shí)現(xiàn)對重要的測量數(shù)據(jù)、用戶本地信息以及設(shè)備的ID信息等的掉電存儲。

3 程序設(shè)計(jì)

智能用電終端的主程序設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of the main program

系統(tǒng)上電后程序的執(zhí)行步驟是：（1）DSP初始化，包括對GPIO端口、UART通信接口、內(nèi)部定時器等進(jìn)行初始化操作；（2）硬件自檢，如ADC采樣測試、WiFi通信信道測試、存儲測試、溫度測試等；（3）激活，如果智能用電終端是首次使用，則需要激活。激活的內(nèi)容包括設(shè)備ID、用戶賬戶關(guān)聯(lián)信息等，激活操作可通過PC端軟件或者用戶移動終端的APP實(shí)現(xiàn)；（4）信號測量與計(jì)算，單相電壓電流信號的測量采用準(zhǔn)同步定時采樣的方式，數(shù)據(jù)的計(jì)算分析采用分時操作的方式，計(jì)算分析內(nèi)容包括過負(fù)荷判斷、FIR數(shù)字濾波、有效值計(jì)算、功率計(jì)算、FFT頻譜分析等；（5）信息交互，DSP利用UART中斷接收WiFi模塊傳遞的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)解析后得到的有效指令執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，比如數(shù)據(jù)上傳、設(shè)備控制、頻譜分析、節(jié)電控制等。

4 樣機(jī)研制與測試

本文研制的測試樣機(jī)如圖7、圖8所示。圖7是基于DSP的智能用電終端的電路實(shí)物圖，圖8是智能用電終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其外觀設(shè)計(jì)實(shí)物圖。

圖7 智能用電終端電路實(shí)物圖Fig.7 Circurit figure of smart power terminal

圖8 樣機(jī)結(jié)構(gòu)及外觀Fig.8 Fa?ade and structure of prototype

4.1 測量性能測試

本文利用KS833電測量儀表綜合校驗(yàn)裝置（出廠等級為0.05級）作為標(biāo)準(zhǔn)源，對樣機(jī)的測量性能進(jìn)行驗(yàn)證。測試項(xiàng)目及結(jié)果如表1～表2所示。由表1～表2可知，智能用電終端測試數(shù)據(jù)的相對誤差較小，測量精度較高。

表1 電壓、電流有效值測量Tab.1 RMS measurement of the voltage and current

表2 電壓、電流諧波含有率Tab.2 Harmonic ratio of the voltage and current

4.2 時序用電控制測試

時間序列用電控制即通過給智能用電終端發(fā)送一個開關(guān)控制序列，定時地控制用電設(shè)備的用電時間。通過時間序列用電控制不僅可以測試智能終端的用電控制能力還可以檢驗(yàn)其用電監(jiān)測功能。本文以熱水壺為例，進(jìn)行時序列用電控制測試。測試場景如圖9所示，測試結(jié)果如圖10所示。

圖9 測試場景Fig.9 Test scene

由圖10可知，智能用電終端可以及時響應(yīng)設(shè)定的開關(guān)信號，控制用電設(shè)備的通斷；同時用電設(shè)備的功率信息也可以被實(shí)時采集。由此可以驗(yàn)證智能用電終端的通信、測量、控制的有效性。

圖10 序列用電控制測試結(jié)果Fig.10 Test result of sequence power control

5 結(jié)束語

以DSP作為處理核心，設(shè)計(jì)并研制了一種可實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)下對廣域內(nèi)的分布式用電設(shè)備進(jìn)行用電信息采集和協(xié)調(diào)控制的智能用電終端。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測試結(jié)果表明該智能終端不僅具有較高的測量精確度而且可實(shí)現(xiàn)對用電設(shè)備的穩(wěn)定控制與監(jiān)測。

為了進(jìn)一步推進(jìn)智能用電終端的應(yīng)用，下一步的研究重點(diǎn)在于基于智能用電終端的應(yīng)用軟件的開發(fā)。