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(gè)完全自動(dòng)化的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠監(jiān)視和控制每個(gè)用戶和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，保證從電廠到終端用戶的整個(gè)輸配電過(guò)程中所有節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)和電能的雙向流動(dòng)［1］。它是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)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(guò)程［2-3］。

在用電方面，智能電網(wǎng)的重要目標(biāo)是鼓勵(lì)和促進(jìn)用戶參與自身運(yùn)行和管理，實(shí)現(xiàn)用戶互動(dòng)［4-5］。對(duì)電網(wǎng)公司，通過(guò)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(gè)性化地指導(dǎo)用戶科學(xué)用電。用戶而言，可以通過(guò)實(shí)時(shí)獲取電網(wǎng)公司的實(shí)時(shí)電價(jià)和用電激勵(lì)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能能量管理。對(duì)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(wèn)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(jià)值信息，能夠?yàn)橄嚓P(guān)部門(mén)制定最優(yōu)用電策略，開(kāi)展階梯電價(jià)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(shí)間段，運(yùn)用基于云計(jì)算的Apriori算法對(duì)用電行為進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并利用遺傳算法對(duì)家電的啟動(dòng)時(shí)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(duì)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(cè)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(cè)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(hào)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(duì)市政、商區(qū)以及居民住宅等用電設(shè)備的高級(jí)用電監(jiān)測(cè)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(guò)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(guò)WiFi無(wú)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(mén)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(guò)智能用電終端接入電網(wǎng)，便可以構(gòu)建一個(gè)云平臺(tái)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行管理。通過(guò)這個(gè)云平臺(tái)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(shí)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(shí)，用戶也可以通過(guò)相關(guān)的節(jié)電分析軟件檢測(cè)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(dòng)斷電控制。

一個(gè)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(chǔ)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(hào)測(cè)量單元、負(fù)荷控制單元、系統(tǒng)供電單元以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫度傳感、Flash存儲(chǔ)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(guò)測(cè)量單元監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)采集的數(shù)據(jù)分擔(dān)部分的計(jì)算分析任務(wù)；同時(shí)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(hào)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(hào)處理等任務(wù)。相對(duì)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(hào)處理能力更是突出［8］。

DSP處理核心采用某公司的32實(shí)時(shí)處理器TMS320F28035。該處理器具有60 MHz主頻、128k Flash、20 k RAM、多達(dá)45個(gè)復(fù)用端口以及一個(gè)SCI、2個(gè)SPI、一個(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有安裝維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，因此在短距離局域通信領(lǐng)域中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越普及。目前短距離無(wú)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(wú)線通信技術(shù)，WiFi通信可以直接通過(guò)無(wú)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(kāi)發(fā)。同時(shí)該模塊同時(shí)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(hào)測(cè)量

本文的單相測(cè)量采用典型的電阻檢流、分壓再放大采樣的方式。具體的測(cè)量電路如圖5所示，用電設(shè)備的大電壓電流信號(hào)分別通過(guò)分壓電阻R1、R2以及檢流電阻R3轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，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(hào)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(hào)測(cè)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(hào)中的共模噪聲和地線電平電壓浮動(dòng)對(duì)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(gè)系列并廣泛應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

2.5 其他功能單元

為了方便系統(tǒng)取電，本文采用AC-DC開(kāi)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(duì)傳統(tǒng)的先變壓器降壓整流再到線性穩(wěn)壓的方式，開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)相對(duì)另一種常用交流取電方式—阻容分壓，開(kāi)關(guān)電源能夠提供更大的功率，可以滿足系統(tǒng)中WiFi無(wú)線通信所需的大功率。此外，為了滿足信號(hào)測(cè)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(guò)大功率繼電器（負(fù)荷開(kāi)關(guān)）實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了避免繼電器開(kāi)斷過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)系統(tǒng)造成影響，采用光耦隔離的方法用光耦開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)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(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)標(biāo)記時(shí)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(shí)時(shí)鐘的功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可用DS1302時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)。

最后，利用外部閃存芯片AT25FS040實(shí)現(xiàn)對(duì)重要的測(cè)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(chǔ)。

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(duì)GPIO端口、UART通信接口、內(nèi)部定時(shí)器等進(jìn)行初始化操作；（2）硬件自檢，如ADC采樣測(cè)試、WiFi通信信道測(cè)試、存儲(chǔ)測(cè)試、溫度測(cè)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(guò)PC端軟件或者用戶移動(dòng)終端的APP實(shí)現(xiàn)；（4）信號(hào)測(cè)量與計(jì)算，單相電壓電流信號(hào)的測(cè)量采用準(zhǔn)同步定時(shí)采樣的方式，數(shù)據(jù)的計(jì)算分析采用分時(shí)操作的方式，計(jì)算分析內(nèi)容包括過(guò)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(cè)試

本文研制的測(cè)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(cè)量性能測(cè)試

本文利用KS833電測(cè)量?jī)x表綜合校驗(yàn)裝置（出廠等級(jí)為0.05級(jí)）作為標(biāo)準(zhǔn)源，對(duì)樣機(jī)的測(cè)量性能進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差較小，測(cè)量精度較高。

表1 電壓、電流有效值測(cè)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(shí)序用電控制測(cè)試

時(shí)間序列用電控制即通過(guò)給智能用電終端發(fā)送一個(gè)開(kāi)關(guān)控制序列，定時(shí)地控制用電設(shè)備的用電時(shí)間。通過(guò)時(shí)間序列用電控制不僅可以測(cè)試智能終端的用電控制能力還可以檢驗(yàn)其用電監(jiān)測(cè)功能。本文以熱水壺為例，進(jìn)行時(shí)序列用電控制測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)景如圖9所示，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖9 測(cè)試場(chǎng)景Fig.9 Test scene

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

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

5 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)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(cè)試結(jié)果表明該智能終端不僅具有較高的測(cè)量精確度而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的穩(wěn)定控制與監(jiān)測(cè)。

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(kāi)發(fā)。