劉 巖，徐俊杰，周 宇，孟 宇，楊永標(biāo)

(1 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院， 北京 100053；2 國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司， 南京 211106；3 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院， 南京 210096)

1 背景

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)正處于高速發(fā)展階段，國(guó)家電網(wǎng)提出了關(guān)于全面推進(jìn)智能電力計(jì)量體系建設(shè)的意見(jiàn)，推動(dòng)全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)建設(shè)、電力工業(yè)創(chuàng)新型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電力強(qiáng)國(guó)[1]。

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，不僅可以通過(guò)物物相連和人物相連實(shí)現(xiàn)信息交換，還能連接物品網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。嵌入式是一種綜合利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)、集成電路技術(shù)以及傳感器技術(shù)的綜合性技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)中起到了重要的作用。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，業(yè)務(wù)能力和應(yīng)用創(chuàng)新性成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電力計(jì)量是以用戶(hù)體驗(yàn)為核心的關(guān)鍵性改革。我國(guó)技術(shù)研究人員對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用方面的研究較晚，目前承擔(dān)的項(xiàng)目包括智能用電、智能家居、高壓電力檢測(cè)和無(wú)線(xiàn)抄表等8～10項(xiàng)。除此之外，國(guó)家電網(wǎng)承擔(dān)了多項(xiàng)相關(guān)的國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目，其中包括“面向智能電網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與應(yīng)用驗(yàn)證”“物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)中的應(yīng)用-智能電網(wǎng)”等[2]。在“十二五”期間，國(guó)家電網(wǎng)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)應(yīng)用中投入資金已達(dá)1 000億元左右，智能網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)度加快。截至2010年，我國(guó)已經(jīng)在九家電力公司試運(yùn)行了輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，8個(gè)試點(diǎn)工程建成投產(chǎn)了智能變電站。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電動(dòng)汽車(chē)充換電建設(shè)在全國(guó)多數(shù)地區(qū)進(jìn)行了探索性應(yīng)用，取得了良好的成效[3]。

基于無(wú)線(xiàn)嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電力計(jì)量是利于民生的重要應(yīng)用，但是由于我國(guó)對(duì)于這方面的研究仍處于一個(gè)起步的階段，對(duì)于具體的技術(shù)還沒(méi)有進(jìn)行更深入的研究，因此其發(fā)展面臨很大的挑戰(zhàn)。其中一個(gè)問(wèn)題是我國(guó)目前還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化體系，這在很大程度上限制了技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的規(guī)?；瘧?yīng)用。另一個(gè)亟待解決的問(wèn)題在于我國(guó)研發(fā)人員尚未建立起擁有我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)體系，使得本國(guó)產(chǎn)業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，不利于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。另外，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展水平尚沒(méi)有能力解決可能存在的一系列安全性問(wèn)題，而電力行業(yè)作為我國(guó)普及性、基礎(chǔ)性的行業(yè)，發(fā)展的重要前提是維持電力的安全[4]。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 新型電能計(jì)量芯片介紹(HLW8112)

HLW8112可以測(cè)量更全面的電能參數(shù)，包括漏電保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、免校準(zhǔn)、過(guò)零檢測(cè)、二通道檢測(cè)、智慧用電等多功能，精度更高。對(duì)于家電長(zhǎng)期使用可能造成的漏電現(xiàn)象，HLW8112芯片在單通道基礎(chǔ)上額外增加一路電流，用來(lái)檢測(cè)設(shè)備漏電狀況。對(duì)于家電使用不當(dāng)或者器件老化造成的工作電壓電流超負(fù)荷情況，HLW8112芯片內(nèi)部設(shè)置了電流、電壓、功率額定最大值，檢測(cè)到過(guò)載異常時(shí)，該芯片會(huì)對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行更新指示。HLW8112芯片自身測(cè)量誤差可以控制在2%以?xún)?nèi)，節(jié)省了設(shè)備、人工以及時(shí)間成本。HLW8112芯片具有電流、電壓信號(hào)過(guò)零檢測(cè)功能和通道測(cè)量功能，1個(gè)計(jì)量模塊可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)插孔的測(cè)量。HLW8112芯片還可以測(cè)量電壓驟降、峰值、相角、線(xiàn)頻率、功率因素等電能參數(shù)，建立完整的智能電力計(jì)量系統(tǒng)。HLW8112芯片性能參數(shù)如圖1所示，其特點(diǎn)是兩路電流采樣通道并行使用，一路通道用以檢測(cè)用電設(shè)備是否擁有完備的檢漏電功能，另一路通道檢測(cè)用電設(shè)備的用電量、功率以及過(guò)載判斷。

圖1 HLW8112芯片性能參數(shù)

2.2系統(tǒng)整體方案介紹

電能是有功功率隨著時(shí)間的積累，是電做的功，即產(chǎn)生能量的能力，而P=U×I，因此電力的計(jì)量可以通過(guò)對(duì)電壓電流進(jìn)行積分運(yùn)算得到。各相的有功功率通過(guò)對(duì)去直流分量后的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)化等處理后能得到總的有功功率。由采樣定理可知，系統(tǒng)采集到的電流和電壓會(huì)包含2到21次的諧波數(shù)據(jù)信息[5]，因此：

(1)

式中：n是相數(shù)；U(k)是電壓；I(k)是電流。

對(duì)于無(wú)功功率的計(jì)量與此類(lèi)似，只是對(duì)于電壓信號(hào)進(jìn)行了90°的相位移向。相角、視在功率、功率因數(shù)等的測(cè)量是基于有功功率和無(wú)功功率，利用乘、除以及開(kāi)方等運(yùn)算計(jì)算得到的。有效值是利用電流和電壓采樣值，在這些數(shù)據(jù)上采用開(kāi)方運(yùn)算、平方運(yùn)算以及數(shù)字濾波等得到的。功率信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分得到電能量，運(yùn)算公式如下所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

按照美國(guó)的制裁規(guī)則，“過(guò)渡期”后新發(fā)生的違反制裁政策的業(yè)務(wù)會(huì)受到美國(guó)制裁。但對(duì)于正在運(yùn)行的項(xiàng)目，美國(guó)制裁政策并沒(méi)有要求徹底退出，而只是要求不得采取超出上述制裁規(guī)則所允許限額的諸如購(gòu)買(mǎi)原油、提供技術(shù)和資金支持等行為。特朗普政府在對(duì)伊朗制裁政策方面存在著極大不確定性，從商業(yè)角度來(lái)看，暫停伊朗業(yè)務(wù)并保留基本的業(yè)務(wù)存在，不失為一種既不違反美國(guó)制裁規(guī)則又保留未來(lái)商業(yè)可能性的做法。但項(xiàng)目是否真正暫停，還需要咨詢(xún)專(zhuān)業(yè)的制裁律師，并根據(jù)項(xiàng)目情況、合同條款以及伊朗方面態(tài)度進(jìn)行綜合判斷分析。

(6)

(7)

式中：Irms是電流有效值；Urms是電壓有效值；P是有功平均功率；PF是功率因數(shù)；Ep是有功能量；Eq是無(wú)功能量；t是瞬時(shí)時(shí)間；T是總時(shí)間；u(t)是瞬時(shí)電壓；i(t)是瞬時(shí)電流。功率P可表示如下：

u(tk)i(tk)+…+u(tn)i(tn)]=

(8)

令Δt=tk-tk-1，得到周期T內(nèi)的有功電能量的采樣數(shù)值W為

(9)

當(dāng)采樣間隔Δt→0時(shí)，式(9)可以寫(xiě)為

(10)

因此，可以得到：

(11)

(12)

圖2是該嵌入式開(kāi)發(fā)的電路設(shè)計(jì)，既能檢測(cè)負(fù)載的功率、用電量、電壓和電流等，又能進(jìn)行漏電檢測(cè)。智能電力計(jì)量系統(tǒng)對(duì)用電設(shè)備的狀態(tài)、能耗進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)與控制，從而掌握更加詳細(xì)的用戶(hù)負(fù)荷情況和用電規(guī)律，自動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化用電方案，達(dá)到智能化管理[6]。該電路檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)UART或SPI接口傳輸?shù)組CU，并顯示異常狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載設(shè)備漏電時(shí)，會(huì)通過(guò)INT2及時(shí)切掉電源進(jìn)行保護(hù)。

圖2 開(kāi)發(fā)電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的控制、監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理等操作利用嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)對(duì)于理解物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)有重要的作用，物聯(lián)網(wǎng)可以稱(chēng)之為嵌入式產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化。微處理器的發(fā)展為計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)提供了歸一化的智能內(nèi)核，另外，物聯(lián)網(wǎng)本身的智能性可以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求，進(jìn)而探索新的應(yīng)用領(lǐng)域[7]。物聯(lián)網(wǎng)是提高不同行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變的推動(dòng)力量，具有感知全面、傳遞可靠、控制智能化和數(shù)融合性等特點(diǎn)。

智能電力計(jì)量系統(tǒng)是一個(gè)利用終端傳感器整體提高電網(wǎng)的綜合效率的系統(tǒng)，主要在用電用戶(hù)之間、以及用電用戶(hù)和電網(wǎng)公司之間形成聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)，增加聯(lián)系的便捷性，提高工作和生活質(zhì)量，具有高安全性、高效率和高電能質(zhì)量的特點(diǎn)。智能電力系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、雙向互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)用電用戶(hù)和電網(wǎng)公司的信息共享，促進(jìn)交流方便自由[8]。信息采集的無(wú)損性、傳輸?shù)牧鲿承?、?yīng)用的有序性和信息的高效利用，對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化決策水平起到了很大的作用，能提高電力系統(tǒng)的有效性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，能源代替和兼容利用是其本質(zhì)，而構(gòu)建能進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控客戶(hù)的用電信息能最大化利用電能，對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)化配置，同時(shí)還能提高國(guó)家和電網(wǎng)公司對(duì)用電用戶(hù)的管理[9]。

圖3 智能電力系統(tǒng)平臺(tái)功能模塊

物聯(lián)網(wǎng)作為一種高效的信息傳輸工具，可以通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)處采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的作用相當(dāng)于具有高效計(jì)算、處理能力的云計(jì)算信息加工廠(chǎng)[10]。智能電力系統(tǒng)的功能模塊如圖3所示。從技術(shù)角度分析，智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能仍然在于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理。智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合全方位提高了智能電網(wǎng)每一個(gè)環(huán)節(jié)的信息感知廣度以及深度，更極大提高了數(shù)據(jù)處理的能力與效率[11]。智能電力計(jì)量系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特性，應(yīng)用無(wú)線(xiàn)嵌入式技術(shù)，給出了能實(shí)現(xiàn)智能電力計(jì)量的系統(tǒng)技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線(xiàn)嵌入式的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和電力采集和計(jì)量終端平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并給出了該智能電力計(jì)量系統(tǒng)的整體方案說(shuō)明。智能網(wǎng)關(guān)支持TCP/IP協(xié)議、PLC協(xié)議，采用HLW8112為控制核心，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧與PCL協(xié)議棧之間的轉(zhuǎn)換，在不同網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，智能網(wǎng)關(guān)硬件原理見(jiàn)圖4。管理系統(tǒng)軟件具有3層模式，自上而下分別是上位機(jī)管理程序、網(wǎng)關(guān)控制程序和控制終端程序3個(gè)部分，這3部分程序功能上互相協(xié)作，邏輯上互相獨(dú)立，系統(tǒng)軟件原理見(jiàn)圖5。

圖4 智能網(wǎng)絡(luò)硬件原理圖

圖5 系統(tǒng)軟件原理

由圖5可知，上位機(jī)部分由3個(gè)模塊組成，分別是監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和同步程序，分別實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控終端系統(tǒng)、保存并更新傳輸數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)庫(kù)的作用。智能網(wǎng)關(guān)控制器部分采用多線(xiàn)程的方式，其中主線(xiàn)程監(jiān)視RJ45的下載數(shù)據(jù)，另外3個(gè)監(jiān)視線(xiàn)程分別監(jiān)視GPRS下載線(xiàn)程、PLC Modem上報(bào)線(xiàn)采集器，可以記錄用戶(hù)實(shí)時(shí)用電情況，并保存數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律探尋，利用現(xiàn)有電壓輸電線(xiàn)路，以GPRS作為通信載體，制定合理的用電方案，達(dá)到技術(shù)節(jié)能、減少企業(yè)和用戶(hù)時(shí)間的目的，實(shí)現(xiàn)大范圍的集中管理?，F(xiàn)場(chǎng)終端部分進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)，在施工過(guò)程中該部分已經(jīng)開(kāi)始向組網(wǎng)發(fā)送消息，并將消息路徑作為該終端的路由過(guò)程。

4 性能評(píng)估

為了更好地對(duì)上述智能計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用計(jì)量設(shè)備的計(jì)量特性進(jìn)行分析。計(jì)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，供電可靠性好，電能利用率高，自動(dòng)化和數(shù)字化水平高，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控接入設(shè)備，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，掌握其工作狀態(tài)和運(yùn)行情況。該無(wú)線(xiàn)嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能電力計(jì)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)控、安全穩(wěn)定、精確感知、搭建靈活、精準(zhǔn)操作、使用便捷、精細(xì)管理，過(guò)程跟蹤、效果評(píng)估和易于維護(hù)等功能[12]。除此之外，該系統(tǒng)還能從以下性能方面進(jìn)行評(píng)估：

1) 能耗低。我國(guó)電力網(wǎng)電能損耗管理規(guī)定指出，電力網(wǎng)電能損耗率是國(guó)家考核電力部門(mén)的重要指標(biāo)，本文所提出的利用無(wú)線(xiàn)嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電力的計(jì)量系統(tǒng)符合國(guó)家規(guī)定的條件，電能表合格率、校驗(yàn)率、故障率等都符合考核標(biāo)準(zhǔn)。

2) 準(zhǔn)確率/精度。假設(shè)擁有m個(gè)樣本個(gè)體，那么該樣本的錯(cuò)誤率為

(13)

即測(cè)試中不準(zhǔn)確計(jì)量數(shù)占總計(jì)量數(shù)的個(gè)數(shù)。其中f(xi)為統(tǒng)計(jì)分類(lèi)器預(yù)測(cè)出來(lái)的結(jié)果，yi為真實(shí)結(jié)果，即1-e。測(cè)驗(yàn)表明，該計(jì)量系統(tǒng)精度達(dá)到99.5%以上，電表故障率遠(yuǎn)小于1%，檢驗(yàn)率達(dá)到100%。

3) 可靠性。該智能電力計(jì)量系統(tǒng)具有良好的電網(wǎng)基礎(chǔ)體系和技術(shù)支撐體系，不僅可以防御外部干擾，還可以接入清潔能源和可再生能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低損耗。通過(guò)將多種現(xiàn)代化信息技術(shù)(比如傳感器技術(shù)等)與電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相融合，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)性化管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并檢修。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)線(xiàn)電力影響力的擴(kuò)大，物聯(lián)網(wǎng)將改變大眾的生活運(yùn)作方式。隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，智能化生活對(duì)數(shù)據(jù)的需求必將越來(lái)越大。智能交互終端作為未來(lái)家庭實(shí)現(xiàn)智能化用戶(hù)服務(wù)的重要終端設(shè)備，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)互聯(lián)的方式，利用先進(jìn)的通信技術(shù)，對(duì)家庭所有用電設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理，還能對(duì)家庭用電信息、電能質(zhì)量、供電規(guī)律等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，指導(dǎo)用戶(hù)合理用電，調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷負(fù)荷，節(jié)省國(guó)家電力資源和用戶(hù)電費(fèi)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶(hù)之間智能用電。同時(shí)，還能給國(guó)家個(gè)社會(huì)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，智能用電已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的必然趨勢(shì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的智能電力計(jì)量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性高、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詮?qiáng)、電力計(jì)量與系統(tǒng)管理方面性能表現(xiàn)優(yōu)異，對(duì)于構(gòu)建基于嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的智能電力管理系統(tǒng)有普遍的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。