公茂法，公鑫，張敏，接怡冰，滕文輝

（山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266510）

0 引 言

目前，文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］中提出的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅能現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，無法遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；而文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］中提出的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，但是不能實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)；雖然文獻(xiàn)［5］中提出的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，但是需要定期維護(hù)服務(wù)器、支付服務(wù)器租金、運(yùn)行維護(hù)成本較高。

針對(duì)上述存在的問題，在“互聯(lián)網(wǎng)+”、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的背景下，本文設(shè)計(jì)了一種基于中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)的電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由電力監(jiān)測(cè)終端、OneNet平臺(tái)和監(jiān)測(cè)中心三大部分組成（見圖1）。其中，電力監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置信息進(jìn)行采集，并將得到的數(shù)據(jù)通過WiFi上傳到OneNet平臺(tái)。OneNet平臺(tái)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。監(jiān)測(cè)中心采用B/S架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理模式，支持多用戶機(jī)制，用戶可以用計(jì)算機(jī)、平板或手機(jī)中的瀏覽器，通過網(wǎng)頁在任何時(shí)間、不受地域限制地對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電力監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)

電力監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，采用STM32F103ZET6芯片，工作頻率72 MHz，芯片內(nèi)部集成了USART串口、SPI接口等功能，方便外部模塊直接調(diào)用。采用ATT7022B電能計(jì)量芯片完成相關(guān)電力信號(hào)的采集。GPS定位模塊完成對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的定位。ESP8266 WiFi模塊將監(jiān)測(cè)終端的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至OneNet平臺(tái)。

圖1 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure diagram of power monitoring system

圖2 電力監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Terminal hardware structure diagram of power monitoring

2.2 電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)

電能計(jì)量模塊的核心采用ATT7022B電能計(jì)量專用芯片。該芯片能夠測(cè)量基波、諧波等各種模式下的各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)，充分滿足本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要［6］。電能計(jì)量電路原理圖如圖3所示，三相（A相）電壓信號(hào)采集電路中，本文使用電流型電壓互感器采集電壓信號(hào)，因此UA需先經(jīng)過電阻R1變成2 mA電流信號(hào)，經(jīng)過2mA/2mA電壓互感器T1、電阻R2變成ATT7022B量程范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，電路中電阻R3、R4和電容C1、C2對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)作濾波處理，最后接入ATT7022B電壓輸入通道V2P、V2N引腳端，由 ATT7022B完成各種電參數(shù)計(jì)算。三相（A相）電流信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)原理與三相（A相）電壓采集電路原理類似，此處不再贅述。

圖3 電能計(jì)量電路原理圖Fig.3 Principle diagram of electricity metering circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電力監(jiān)測(cè)終端的軟件設(shè)計(jì)

電力監(jiān)測(cè)終端程序流程圖如圖4所示。電力監(jiān)測(cè)終端開機(jī)后，首先完成系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、各個(gè)模塊的I/O端口初始化等。其次，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行GPS定位，并將定位后的數(shù)據(jù)放入寄存器中等待WiFi發(fā)送。接著，對(duì) ATT7022B芯片進(jìn)行校表。然后，ATT7022B芯片開始進(jìn)行電力參數(shù)的采集。之后，STM32F103ZET6對(duì)WiFi模塊進(jìn)行初始化，發(fā)送指令如下：

WiFi與 OneNet平臺(tái)之間的通信分為 EDP和RestFul API兩種方式，其中EDP方式基于TCP協(xié)議，EDP協(xié)議一般適合于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)連接上報(bào)、透?jìng)?、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)主動(dòng)下發(fā)等場(chǎng)景；RestFul API基于HTTP協(xié)議和json數(shù)據(jù)格式，適合平臺(tái)資源管理、平臺(tái)與平臺(tái)之間數(shù)據(jù)對(duì)接、使用短連接上報(bào)終端數(shù)據(jù)及時(shí)間序列化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等場(chǎng)景［7］。本系統(tǒng)需要平臺(tái)下傳指令到監(jiān)測(cè)終端，故采用EDP方式傳輸。WiFi模塊按照TCP協(xié)議與OneNet平臺(tái)之間建立連接，最后STM32F103ZET6微處理器通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺(tái)。

3.2 監(jiān)測(cè)中心的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)基于中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)。該平臺(tái)不僅提供高性能免費(fèi)云端服務(wù)，而且適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類智能硬件的快速接入，能夠很好地實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的所有功能，并且還能夠滿足監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的協(xié)議適配、海量存儲(chǔ)和計(jì)算、數(shù)據(jù)安全及大數(shù)據(jù)分析等平臺(tái)級(jí)服務(wù)需求，為開發(fā)人員提供了很好的開發(fā)環(huán)境，大大降低了研發(fā)、運(yùn)營(yíng)和運(yùn)維成本［8-9］。根據(jù)OneNet平臺(tái)提供的基本框架，創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，便可建立起對(duì)指定設(shè)備的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的監(jiān)控顯示平臺(tái)。

OneNet平臺(tái)的資源管理層次結(jié)構(gòu)圖如圖5所示［10］。在 OneNet平臺(tái)下有用戶、產(chǎn)品、設(shè)備、APIKey、設(shè)備應(yīng)用、觸發(fā)器及數(shù)據(jù)流等組織結(jié)構(gòu)。根據(jù)OneNet平臺(tái)的資源管理層次結(jié)構(gòu)，在創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)項(xiàng)目下，添加一個(gè)電力監(jiān)測(cè)終端設(shè)備和監(jiān)測(cè)中心的應(yīng)用。在電力終端設(shè)備中，添加需要監(jiān)測(cè)的位置信息、電壓、電流等各種電力參數(shù)信息的數(shù)據(jù)流。在監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用中創(chuàng)建各種數(shù)據(jù)流和下傳指令的顯示窗口、命令按鍵和操作說明等應(yīng)用模塊。至此，便完成了電力監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)中心的構(gòu)建。

圖5 OneNet平臺(tái)的資源管理層次結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Resource management hierarchy structure diagram of the OneNet platform

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 軟件校表功能的驗(yàn)證

將該電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過國內(nèi)某公司生產(chǎn)的電能表檢定裝置進(jìn)行軟件校表。校正結(jié)果圖如圖6所示，軟件校正值與芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)相應(yīng)計(jì)算結(jié)果一致，測(cè)量結(jié)果精確度滿足系統(tǒng)測(cè)量要求。

圖6 校正結(jié)果圖Fig.6 Calibration result chart

4.2 結(jié)果顯示與精度分析

4.2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)結(jié)果顯示

將該電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)放置在山東科技大學(xué)電氣自動(dòng)化學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的國內(nèi)某公司生產(chǎn)的電能表檢定設(shè)備中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)電力參數(shù)的顯示值（見圖7），GPS定位模塊成功的將設(shè)備位置定位到山東科技大學(xué)校園內(nèi)（見圖8）。

圖7 電力參數(shù)結(jié)果顯示Fig.7 Results display of power parameters

圖8 設(shè)備位置信息顯示Fig.8 Location information display of equipment

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度分析

利用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的電能表檢定設(shè)備對(duì)電力監(jiān)測(cè)儀輸出不同幅值的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明（見表1、表2），通過多次對(duì)測(cè)試不同幅值的電壓和電流信號(hào)，各相電壓、電流相對(duì)誤差幅值均小于0.5%，即滿足電力監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)中的電壓電流測(cè)量精度0.5級(jí)以內(nèi)的指標(biāo)要求。

表1 電壓測(cè)量結(jié)果與誤差分析Tab.1 Voltage measurement results and error analysis

表2 電流測(cè)量結(jié)果與誤差分析Tab.2 Current measurement results and error analysis

5 結(jié)束語

提出了一種基于OneNet平臺(tái)的電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)合遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)電力監(jiān)測(cè)的客觀需求，基于中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司打造的OneNet開放平臺(tái)，很好地實(shí)現(xiàn)了電力數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的采集和傳輸，系統(tǒng)所提供B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)管理模式能夠方便用戶隨時(shí)隨地了解設(shè)備運(yùn)行情況。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，未來基于這種開放物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將在電力參數(shù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。