牛倩楠 張建強 劉江田 閆峰 常剛

（國網(wǎng)山西省電力公司沁水縣供電公司，山西 晉城 048200）

智能電表采用數(shù)字化和信息化技術(shù)，能夠較為準確地對負載的電壓、電流等數(shù)據(jù)進行準確計量，具有安全性好、準確度高的優(yōu)點。智能電表可在結(jié)合通信技術(shù)的前提下實現(xiàn)將計量數(shù)據(jù)傳送至遠程站點等功能，為電力計費、負載響應(yīng)以及故障監(jiān)測等電力應(yīng)用提供了高質(zhì)量的實時數(shù)據(jù)。因此，智能電表作為智能電網(wǎng)建設(shè)重要基礎(chǔ)設(shè)施，能夠促進電網(wǎng)建設(shè)的可負擔性并降低用電數(shù)據(jù)采集的成本。在低壓供電層面，供電公司面臨的問題除了低壓集抄外還有防止電力偷竊。

一、智能電表設(shè)計

（一）硬件設(shè)計

Arduino Mega 2560能夠以非常高的轉(zhuǎn)換率執(zhí)行多項任務(wù)，因此本設(shè)計采用Arduino Mega 2560作為核心控制板。智能電表系統(tǒng)主要由Arduino Mega 2560控制板、LCD顯示模塊以及GSM模塊組成。其中GSM模塊被用于智能電表與遠程站點進行通信所用，每5秒向遠程站點發(fā)送更新讀數(shù)。設(shè)計中采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805作為電源模塊的核心部件。LM7805使用的是TO-220封裝，內(nèi)含過流和過載保護電路，通過安裝散熱片的方式能夠為智能電表控制板持續(xù)和穩(wěn)定的輸出1A的電流。

（二）軟件設(shè)計

智能電表的軟件主要是進行電力偷竊檢測。低壓用戶電力偷竊的主要形式是阻止負載電流進入電表，導致電表無法準確計量所消耗電能。為了減少這種類型的電力偷竊，本設(shè)計使用兩個相同的霍爾電流互感器來測量和檢測離開和進入儀表的電流，即相線和中性線上電流，并將測量值饋送至微控制器對這兩個值進行比較。如果兩個值之間的差值超過閾值，則微控制器將其檢測為存在電力偷竊，則輸出控制信號將電源斷開，同時信號通過SMS發(fā)送給供電公司的遠程站點并顯示。

二、LoRa模塊組件

為了連接智能電表進行數(shù)據(jù)讀取和通信，本文采用了LoRa模塊。該模塊由兩個主要接口組件組成：一個微控制器和連接RF的LoRa模塊。該模塊可從電表和LoRa模網(wǎng)關(guān)中獲取相關(guān)信息?？梢詫⑽⒖刂破鲏K視為整個電路的核心模塊，因為它被編程為控制所有組件以執(zhí)行所需的操作。在本文的研究中，ARMCor-tex微控制器與SemtechSX1272LoRa擴展板一起使用ArmMbedOS平臺進行編程。智能電表使用與電表串行端口兼容的串行轉(zhuǎn)換器設(shè)備與微控制器連接。類似地，LoRa模調(diào)制解調(diào)器使用接口連接器和電纜與微控制器連接到GPIO引腳。

三、系統(tǒng)實施和分析

實驗采用基于DLMS的智能電表，將其與基于微控制器的模塊連接，該模塊可以將智能電表參數(shù)傳輸?shù)娇刂破鞑⑼ㄟ^LoRaRF模塊傳輸。基礎(chǔ)模塊通過接口模塊和串行端口連接與能量計連接。LoRa模塊可以通過串行通信設(shè)備從儀表讀取串行數(shù)據(jù)，然后使用OBIS代碼將其轉(zhuǎn)換為機器可讀值。儀表的初始設(shè)置包括配置波特率（9600B/s）和Rx、Tx引腳，以進行后續(xù)通信。通過Rx、Tx端口從微控制器接收的數(shù)據(jù)使用LoRa通信接口傳輸。微控制器需要通過發(fā)送obis請求與智能電表建立連接。在完成與智能電表通信連接后，向智能電表發(fā)送所需的OBIS代碼以獲取各種數(shù)據(jù)參數(shù)。從電表接收的值不是機器可讀格式，因為這些數(shù)據(jù)是按照DLMS協(xié)議中的規(guī)定進行編碼的。需要使用OBIS代碼參考模型將編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可讀格式，然后將數(shù)據(jù)傳送到LoRa網(wǎng)關(guān)進行進一步處理。

此后，從LoRa塊接收的數(shù)據(jù)被傳送到LoRa網(wǎng)關(guān)，以便在云中上傳該數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)和模塊之間的距離配置為網(wǎng)關(guān)可以在4-5km的區(qū)域內(nèi)處理10個以上的LoRa模塊，每個LoRa模塊可以連接至少10m。在網(wǎng)關(guān)上接收的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)皆圃O(shè)置，并將它們放入預測模型中。然后將來自云的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻蓚€地方，首先進入電力公司控制中心，并將命令發(fā)送回微控制器，另一個提供給網(wǎng)頁或app以顯示給客戶。電力私有云能夠?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回LoRa模塊，以便根據(jù)分析進行激活。電力私有云還存儲從網(wǎng)關(guān)收集的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是可實時訪問和可用的。Web頁面與電力私有云連接，以從LoRa模網(wǎng)關(guān)獲取實時更新并顯示相同內(nèi)容。Web頁面還顯示了對存儲數(shù)據(jù)運行的預測模型的結(jié)果。這些結(jié)果有助于消費者追蹤他們的使用情況，并對設(shè)備進行有限的控制。Web門戶的管理部分由電力公司控制中心操作。

總結(jié)：本文的研究可以將電力計量數(shù)據(jù)移動到云進行存儲，并生成特定于消費者的推薦。電壓、電流頻率，功率因數(shù)和功耗等智能電能表參數(shù)可以通過Web頁面直接訪問，也可以通過移動應(yīng)用程序定向到終端電力用戶手機，用于決策、控制或?qū)崟r了解用電信息使用。本文所提出方案可以在實時環(huán)境中輕松擴展，為客戶和電力公司提供利用智能電表的無線接入和數(shù)據(jù)管理解決方案。