肖文飚，吳 蓓，張 冬，史雪濤，王德全，鄔孝剛

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 淮安供電分公司，江蘇 淮安 223002；2.無錫市恒通電器有限公司，江蘇 無錫 214121)

0 引言

針對化工、制藥、鋼鐵、養(yǎng)殖廠等環(huán)保監(jiān)管類的廠區(qū)智能監(jiān)管改造項目，為有效監(jiān)控除塵脫硫、污水處理等用電設(shè)備的運(yùn)行情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時用電監(jiān)測、計量和管理，設(shè)計了一種三相用電設(shè)備監(jiān)測終端[1-4]。

該終端為模塊化設(shè)計的多功能三相電能計量裝置，具有三相正向、反向、組合有功電能計量和分相計量功能，能監(jiān)測各相電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、總有功功率、頻率等運(yùn)行參數(shù)，通過FFT可以得到三相電壓、電流的總諧波畸變率和各次諧波含有率；可用于三相電源或單相電源三個支路的電能計量和監(jiān)測；配置了RS485通信接口，通信協(xié)議采用Modbus-RTU規(guī)約；支持熱插拔各種無線通信模塊，可針對現(xiàn)場條件選擇適配，從而實(shí)現(xiàn)用戶用電信息的遠(yuǎn)傳與監(jiān)控。

1 硬件設(shè)計

1.1 監(jiān)控終端原理

監(jiān)測終端主要由采樣、計量、主控MCU、RS485通信接口、無線通信模塊、EEPROM存儲、LCD顯示、開關(guān)電源等功能模塊組成。它能提供標(biāo)準(zhǔn)RS485通信方式，滿足校驗(yàn)、現(xiàn)場抄讀和近端組網(wǎng)需要；特殊設(shè)計的無線模塊串口通信接口，適配相應(yīng)的無線通信模塊以滿足無線組網(wǎng)通信環(huán)境需求。

監(jiān)測終端原理框圖如圖1所示。

1.2 監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)

監(jiān)測終端由高精度開口式互感器、三相計量基表和可插拔式無線通信模塊構(gòu)成。外置的開口式電流互感器能夠?qū)崿F(xiàn)不停電接入；支持GPRS、Wi-Fi、NB-IOT的可插拔式無線通信模塊通過電子插針側(cè)面卡扣拼裝。終端外殼上設(shè)置了35 mm的DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌，便于安裝在現(xiàn)場各類配電箱中，實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷的電量監(jiān)測、電能計量、統(tǒng)計和分析。三相分相計量功能也適用于新能源發(fā)電并網(wǎng)端發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)載側(cè)，或者實(shí)施三個單相回路的分別計量和監(jiān)測。內(nèi)部工作電源采用寬電壓范圍的開關(guān)電源設(shè)計，三相四線制電路在相電壓100 V～265 V范圍內(nèi)均能正常工作。通過內(nèi)置的軟件設(shè)置可實(shí)現(xiàn)三相三線制供電模式的計量。實(shí)物外形如圖2所示，右邊為三相開口式電流互感器。

圖2 監(jiān)測終端外形圖

1.3 開關(guān)電源模塊

由于常用線性電源的工頻變壓器體積偏大，難以滿足現(xiàn)場應(yīng)用場景的安裝空間需求，因此本終端電源部分采用以國產(chǎn)超低功耗AC/DC芯片PN8130H為核心設(shè)計的開關(guān)電源方案，能提供兩路相互隔離的主控電路和無線通信電路的電源，電路簡潔可靠。

PN8130H內(nèi)部集成了脈寬調(diào)制控制器和功率MOSFET，具有性能優(yōu)異的智能化保護(hù)功能，通過優(yōu)化的脈沖功率調(diào)節(jié)和特殊器件低功耗結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超低的待機(jī)功耗以及全電壓范圍下的最佳效率。

開關(guān)電源主要包括三相半波整流輸入電路、RCD吸收電路、PN8130H的PWM控制輸出電路、光耦隔離電壓負(fù)反饋電路、輔助電源電路、高頻變壓器、兩路隔離輸出電源的整流濾波電路。采用了過流、過壓、過溫保護(hù)和EMI、EMC措施，提高了電路的工作穩(wěn)定性和可靠性。

1.4 三相計量模塊

計量模塊圍繞國產(chǎn)RN8302B型三相多功能計量芯片設(shè)計。高精度、低功耗三相計量芯片RN8302B具備高達(dá)5 000∶1的動態(tài)范圍，能夠同時測量基波和全波的有功功率、無功功率和視在功率，可提供功率因數(shù)、電壓電流有效值、電壓電流相角以及諧波計算等。三相計量模塊內(nèi)部原理框圖如圖3所示。

圖3 三相計量模塊內(nèi)部原理框圖

1.5 主控模塊

主控芯片采用日本瑞薩的低功耗RL78內(nèi)核的SOC芯片R7F0C004，具有128 kB Flash、8 kB RAM，LQFP80封裝，片內(nèi)集成了MCU處理器、帶溫度補(bǔ)償?shù)挠布?shí)時時鐘RTC、LCD驅(qū)動、4路獨(dú)立的硬件UART、2路獨(dú)立的硬件7816協(xié)議接口、2路硬件I2C接口及豐富的IO資源等。MCU處理器通過軟件模擬SPI口與計量芯片通信，通過I2C口與EEPROM芯片連接。通過獨(dú)立UART口分別與RS485接口芯片和無線通信模塊連接，并設(shè)置了光電隔離電路抑制噪聲干擾和防范強(qiáng)電侵入。

1.6 顯示模塊

終端基表采用8位段碼LCD屏顯示。電量顯示默認(rèn)為1位小數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過999 999.9時數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)，重新累計。由MCU控制自動翻屏，可顯示的參數(shù)見表1。

表1 液晶屏顯示項

1.7 RS485通信

RS485接口采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，能抑制共模干擾，具有良好的抗噪聲干擾能力。在總線上允許并聯(lián)連接多達(dá)128個收發(fā)器，便于用戶現(xiàn)場利用單一的RS485接口建立起設(shè)備監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

本終端配置的RS485標(biāo)準(zhǔn)接口的功能特點(diǎn)如下：

(1)通過應(yīng)用協(xié)議保持獨(dú)立性。通信時，電能表的計量、存儲等功能不會受到影響和改變。

(2)通信速率可設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)速率為1 200 b/s、2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s，缺省值為9 600 b/s。

(3)采用MODBUS-RTU協(xié)議，MODBUS通信地址(MODBUS ID):1～255用戶可設(shè)置,出廠時按用戶要求設(shè)定。

1.8 無線通信模塊

終端的主控模塊可以通過內(nèi)部UART接口實(shí)現(xiàn)嵌入式無線模塊遠(yuǎn)程通信，包括GPRS、NB-IOT、WiFi通信等。

GPRS是2G移動通信GSM的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，傳輸速率為幾十kb/s，信號覆蓋面積最廣，模塊啟動電流較大(約2 A)，對終端電源要求較高。

NB-IOT是一種新興的低功耗廣域網(wǎng)，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，部署成本低。

Wi-Fi最常見的是作為從網(wǎng)關(guān)到連接互聯(lián)網(wǎng)的路由器的鏈路，它也被用于要求高速和中距離的主要無線鏈路。大多數(shù)Wi-Fi版本工作在2.4 GHz免許可頻段，傳輸距離長達(dá)100 m，具體取決于其應(yīng)用環(huán)境。

主控模塊通過UART接口和簡單的AT指令操作，經(jīng)由嵌入式無線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)平臺的遠(yuǎn)程交互。嵌入式無線通信模塊按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，按照設(shè)定通信速率和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議工作，能工作于各種惡劣環(huán)境，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 軟件設(shè)計

2.1 計量功能程序設(shè)計

計量功能程序由主程序和中斷服務(wù)程序組成，程序流程如圖4所示。

圖4 計量功能程序流程圖

上電后，進(jìn)入初始化，配置計量功能、定時和中斷等參數(shù)；隨后進(jìn)入計量采樣循環(huán)周期，采樣頻率根據(jù)程序的初始化設(shè)定。

電能計量之外的電參數(shù)監(jiān)測功能同樣由計量芯片提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要是采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過離散的樣本點(diǎn)計算得電壓和電流有效值、功率、功率因數(shù)、諧波數(shù)據(jù)等電氣量參數(shù)，然后將這些數(shù)據(jù)存儲入EEPROM中，避免掉電后的數(shù)據(jù)丟失。每個采樣周期結(jié)束后重新開啟采樣并重復(fù)上述流程。

2.2 無線通信程序設(shè)計

無線通信程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成。其中通信主程序完成終端裝置的通信軟硬件初始化工作，然后進(jìn)入主循環(huán)中處理接收到的用戶平臺指令；無待處理指令時則使整個裝置進(jìn)入低功耗狀態(tài)等待中斷喚醒。通信中斷服務(wù)程序用于響應(yīng)通信接口接收中斷，將接收的字節(jié)進(jìn)行緩存組成完整的指令，并判斷該指令目標(biāo)是否為本機(jī)，是則存入指令隊列，否則將該指令丟棄。由于平臺指令發(fā)送速度不確定，當(dāng)裝置本體連續(xù)傳來多條指令時，如果直接傳輸給主控制芯片將會產(chǎn)生沖突，故設(shè)計了一個循環(huán)隊列用于通信指令緩存，解決了通信現(xiàn)場的高低速傳輸方式的配合問題。

通信中斷服務(wù)程序在主控芯片接收到上層控制平臺命令后觸發(fā)啟動，先確定是否為本機(jī)地址，如果是則進(jìn)行命令的判斷：若為數(shù)據(jù)上傳的命令，則把終端中存儲的計量監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線通信模塊上傳到遠(yuǎn)程平臺。

3 結(jié)語

本文介紹了研制的一種三相用電設(shè)備監(jiān)測終端，它具備數(shù)字信號處理與無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信功能，實(shí)現(xiàn)了精確的用電信息采集處理和可靠的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。其導(dǎo)軌式安裝與開合式互感器取樣設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了安裝的簡便快捷，以及通信模塊化的靈活配置，可適應(yīng)多種現(xiàn)場使用環(huán)境。

設(shè)計的智能監(jiān)測終端為無線通信聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建云端平臺監(jiān)測系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)[5]，使多樣的能效管控策略得以付諸實(shí)踐，為開展有效的綜合能效管理提供了新的方案途徑。