蔡穎凱

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司營銷服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110000)

21世紀(jì)以來我國電力工業(yè)隨著社會主義市場的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢大力展開，這時(shí)電能計(jì)量表的精準(zhǔn)度影響著多方利益[1]。在過去，電能計(jì)量表沒有一套計(jì)算精準(zhǔn)的計(jì)量系統(tǒng)，容易出現(xiàn)計(jì)量效率低、準(zhǔn)確度差等問題[2]。因此，為了保證電能計(jì)量表能夠得到有效測量，需要對電能計(jì)量表系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。楊倩[3]等人提出基于Labview的船用能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，通過一個(gè)基于虛擬儀器Labview平臺，構(gòu)建能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再建立一個(gè)現(xiàn)代化船舶信息系統(tǒng)，從硬件設(shè)計(jì)和軟件程序兩方面對系統(tǒng)進(jìn)行了簡略介紹，該系統(tǒng)沒有使用數(shù)字溫補(bǔ)晶振作為系統(tǒng)內(nèi)電能表的核心，導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)行過程中較慢，存在月能耗數(shù)據(jù)采集時(shí)間長的問題。任磊磊[4]等人提出基于以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集與雙模式管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為了解決系統(tǒng)在接收信號時(shí)出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象，提出以太網(wǎng)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和管理方法，并用以太網(wǎng)接口對采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于對數(shù)據(jù)的采集和接收，在集中管理系統(tǒng)中設(shè)置多線程網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和管理雙模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)沒有將數(shù)字溫補(bǔ)晶振用作系統(tǒng)時(shí)鐘，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗采集的過程中精準(zhǔn)度較低，存在測量數(shù)值與實(shí)際數(shù)值誤差高的問題。崔永俊[5]等人提出分布式遠(yuǎn)程模擬量信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過上機(jī)位、背板、總節(jié)點(diǎn)和分節(jié)點(diǎn)四部分對系統(tǒng)進(jìn)行組件，利用RS485總線對數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，并將芯片轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)模塊最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)沒有采用源晶振置于系統(tǒng)核心內(nèi)，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗系數(shù)高，存在系統(tǒng)日能耗高的問題。

為了解決上述系統(tǒng)中存在的問題，提出并設(shè)計(jì)分布式電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，傳統(tǒng)電能計(jì)量表在能耗數(shù)據(jù)采集時(shí)已經(jīng)不能準(zhǔn)確進(jìn)行有效計(jì)量，所以采用分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]。根據(jù)分布式電能計(jì)量表的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)分布式電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出，分布式電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由能耗計(jì)量數(shù)據(jù)平臺、能耗數(shù)據(jù)采集終端等組成。能耗計(jì)量數(shù)據(jù)平臺位于能耗計(jì)量監(jiān)測中心內(nèi)，由計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備組成，可以進(jìn)行能耗計(jì)算量數(shù)據(jù)的存儲與分析處理。能耗計(jì)量數(shù)據(jù)平臺通過網(wǎng)絡(luò)與能耗數(shù)據(jù)采集終端相連接，采集終端被安置在能耗使用單位內(nèi)，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采集能耗計(jì)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲與下一步傳輸。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的主要功能層次分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)資源層、傳輸業(yè)務(wù)支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集與傳輸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系以及數(shù)據(jù)安全防護(hù)體系。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件整體構(gòu)架

分布式電能計(jì)量表的能耗數(shù)據(jù)采集共分為采樣、通信2部分結(jié)構(gòu)[7]。系統(tǒng)中，電網(wǎng)的時(shí)間需要高精度采樣，這時(shí)就需要使用采樣部分進(jìn)行操作，將采樣后的數(shù)據(jù)通過SPI接口傳輸?shù)酵ㄐ挪糠植⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解碼操作，此時(shí)它的總體硬件框架如圖2所示。

圖2 電能計(jì)量表系統(tǒng)硬件總體框架Fig.2 Hardware framework of electric energy meter system

2.2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

(1)電源電路模塊。在整個(gè)分布式電能計(jì)量表中，電源電路是電能計(jì)量表可以正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上將電能輸送到芯片內(nèi)部，令系統(tǒng)可以正常使用[8-10]。本系統(tǒng)采用的芯片中具有多個(gè)領(lǐng)域的電源供電引腳，那么電源引腳的主要說明見表1。

表1 電源引腳說明Tab.1 Pin description of power supply

電源電路中，2.0～3.6 V是VDD和VSSA供應(yīng)的電壓的主要范圍。其中，VBAT的引腳電壓在1.8～3.6 V。此時(shí)芯片對控制器提供電能時(shí)的供應(yīng)電路如圖3所示。

圖3 LM1117-3.3供電電路設(shè)計(jì)Fig.3 Design of LM1117-3.3 power supply circuit

圖3是一個(gè)電路調(diào)節(jié)器，它可以利用外部電阻滿足1.25～13.8 V的電壓要求，此時(shí)應(yīng)使用電路型號為3.3 V的電路。

(2)時(shí)鐘源電路設(shè)計(jì)。在分布式電能計(jì)量表中，時(shí)鐘系統(tǒng)就是整個(gè)電能計(jì)量表的核心，它可以使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行[11-12]。STM32F407ZGT6的時(shí)鐘系統(tǒng)主要通過內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘驅(qū)動。為了提高能耗數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度，將DX2121C-10.000 0 MHz數(shù)字溫補(bǔ)晶振外部時(shí)鐘用作主要系統(tǒng)時(shí)鐘。此時(shí)晶振電路設(shè)計(jì)如圖4所示。DX2121C-10.0000 MHz晶振屬于源晶振，它在工作狀態(tài)下需要向外接3.3 V的電壓供電，將0.1 μF的去耦電容接入到3.3 V電壓和大地之間，并在接電后將一個(gè)10 MHz的時(shí)鐘信號提供給芯片用作系統(tǒng)時(shí)鐘源。

圖4 晶振電路設(shè)計(jì)圖Fig.4 Crystal oscillator circuit design

(3)數(shù)據(jù)傳輸及通信部分電路設(shè)計(jì)。為了使分布式電能計(jì)量表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)在傳輸和交互過程中需要使用的SPI硬件電路[13]。

當(dāng)計(jì)量能耗數(shù)據(jù)被采集后，需要將采樣數(shù)據(jù)輸送到控制芯片內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在此選擇成本較低且輸送速度快的SPI接口，該接口僅包含4根控制線，便于布線。

在所有通信總線中，SPI總線是同步數(shù)據(jù)傳輸速率最高的，從以往的傳輸速率來看，SPI控制器的最高速率已經(jīng)達(dá)到50 MB/s，4條控制線的主要工作模式為主從模式，在傳輸?shù)倪^程中由主機(jī)初始化完成[14-16]。

SCLK是一種保證數(shù)據(jù)在輸送過程中持續(xù)性同步的串行時(shí)鐘線。MOSI和MISO主要用來傳輸數(shù)據(jù)，屬于數(shù)據(jù)線，而SS是片選線，可以在同一條總線中連接多個(gè)設(shè)備[17]。

在同一時(shí)鐘周期內(nèi)，主機(jī)發(fā)送SCLK的時(shí)間脈沖，并在MOSI和MISO僅能實(shí)現(xiàn)一位數(shù)據(jù)傳輸，大約在16次時(shí)鐘信號變化后實(shí)現(xiàn)一組16位的數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，還需要對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)分布式電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)軟件整體構(gòu)架

為了方便維護(hù)系統(tǒng)和使用系統(tǒng)，采用B/S技術(shù)對用戶界面、應(yīng)用邏輯和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有效分離。在系統(tǒng)中所有系統(tǒng)平臺都可以用于交換數(shù)據(jù)，有效避免病毒的入侵和文件的共享[18]。系統(tǒng)軟件主要通過系統(tǒng)層、支持層和應(yīng)用層3種層次結(jié)構(gòu)組成。該系統(tǒng)模式可以使業(yè)務(wù)邏輯獨(dú)立，便于數(shù)據(jù)訪問。中間業(yè)務(wù)層用來與數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)，有利于業(yè)務(wù)的升級。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器層主要用來操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)的改動，提升了系統(tǒng)的安全性。此時(shí)系統(tǒng)軟件的邏輯構(gòu)建如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件邏輯Fig.5 Software logic of system

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。采集軟件如圖6所示。

系統(tǒng)中的模塊和接口主要由NET技術(shù)開發(fā)，并且達(dá)到人機(jī)交互的需求，系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)需要通過采集設(shè)備、數(shù)據(jù)中心等對其進(jìn)行調(diào)試，最終令整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到完美結(jié)合的目的[19-20]。

(2)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫中需要記錄的信息過多，因此挑選出最重要的4類信息分別進(jìn)行記錄，這些數(shù)據(jù)為：計(jì)量表信息、數(shù)據(jù)信息、終端信息和管理信息，所以數(shù)據(jù)庫的主要結(jié)構(gòu)如圖7所示。①能源計(jì)量儀表信息：首先設(shè)計(jì)一個(gè)信息表用來記錄儀表信息，表中包含準(zhǔn)確值和最大測量值，便于管理者查看和管理。②信息管理：用來對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和管理。③終端設(shè)置信息管理：設(shè)計(jì)一個(gè)終端參數(shù)信息表，表內(nèi)用來記錄設(shè)置的參數(shù)及人員信息。④數(shù)據(jù)庫內(nèi)全部管理信息：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫表格信息表，對數(shù)據(jù)庫中的表格名稱和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行有效記錄。

圖7 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.7 Database structure diagram

(3)定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)。在采樣數(shù)據(jù)的過程中，利用定時(shí)器計(jì)算采樣時(shí)長，并通過采樣率對時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算，因此定時(shí)器ARR寄存器的重裝載參數(shù)用方程定義如下。

(1)

式中，Tout為采樣時(shí)間間隔；Tclk為輸入時(shí)鐘頻率；psc為時(shí)鐘分頻系數(shù)。

首先啟動定時(shí)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)輸送到定時(shí)器終端內(nèi)，自動對ARR值進(jìn)行裝載，并從第一個(gè)點(diǎn)開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后從AD芯片中獲取高電平脈沖，從而達(dá)到開啟AD讀書的目的，并讀取到第一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。經(jīng)采樣間隔時(shí)間抵達(dá)后，開始對第二個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，重復(fù)此操作，直到獲取到數(shù)據(jù)點(diǎn)為止，將定時(shí)器關(guān)閉。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證分布式電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)方法的整體有效性，需要對分布式電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)方法進(jìn)行有效測試。測試現(xiàn)場所用的儀器設(shè)備如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備Fig.8 Experimental instruments and equipment

連接上述儀器，進(jìn)行分布式電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸，以完成系統(tǒng)性能的驗(yàn)證。

對電能計(jì)量表中的數(shù)值進(jìn)行讀取，共進(jìn)行10次測試，電能計(jì)量中的實(shí)際電量測試結(jié)果見表2。

表2 測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data

完成數(shù)據(jù)采集后，設(shè)置能耗系數(shù)為α，它的區(qū)間取值為[0，1]，其中能耗系數(shù)越高，說明系統(tǒng)耗能越多；能耗系數(shù)越低，表明系統(tǒng)能耗越小。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的日能耗系數(shù)如圖9所示。

圖9 被測電能計(jì)量表日能耗系數(shù)Fig.9 Daily energy consumption coefficient of measured electric energy meter

分析圖9中的數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在進(jìn)行日能耗測試時(shí)，數(shù)據(jù)波動都較為平穩(wěn)，可以看出隨著時(shí)間的變化它的能耗始終處于0.41以下，說明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能耗系數(shù)低且日能耗低。

上述結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能耗系數(shù)較低，這是因?yàn)樗O(shè)計(jì)系統(tǒng)利用數(shù)字溫補(bǔ)晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，大大的提高了采集能耗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，進(jìn)而降低了系統(tǒng)能耗。

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行日能耗測試后，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對月能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)間測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。設(shè)置采集時(shí)間為6個(gè)月，并采集系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，能耗數(shù)據(jù)越多，說明系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)采集的越快，反之系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)采集的越慢。

根據(jù)圖10中的數(shù)據(jù)可知，從總體來看，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在第4個(gè)月時(shí)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6 000個(gè)能耗數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)，可見所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采集速度不僅快，它的能耗數(shù)據(jù)采集性能同樣較為優(yōu)秀。

圖10 月能耗數(shù)據(jù)采集性能Fig.10 Monthly energy consumption data acquisition performance

5 結(jié)語

在我國電力工業(yè)強(qiáng)勁的發(fā)展下，電能計(jì)量表在電能中占據(jù)著重要地位。隨著時(shí)間的飛逝，傳統(tǒng)的電能計(jì)量系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足于現(xiàn)狀，計(jì)量效果差的問題始終居于其中，為了解決這一現(xiàn)象，這時(shí)就需要對電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。通過研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)存在日能耗高、月能耗數(shù)據(jù)采集速度慢和測量數(shù)值與實(shí)際數(shù)值誤差多的問題。針對上述問題，設(shè)計(jì)分布式電能計(jì)量表能耗數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)系統(tǒng)，首先對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再對系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊、電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)；完成設(shè)計(jì)后，建立系統(tǒng)軟件整體構(gòu)架，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)對電能計(jì)量表的精準(zhǔn)度有著顯著的提升，為今后的系統(tǒng)研究奠定了重要的基礎(chǔ)。