俞海猛，隋仕偉，劉夢(mèng)爽，趙 艷

(1.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，南京 210000; 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊 830000; 3.南京工程學(xué)院，南京 210000)

0 引言

2012年初，國家發(fā)展改革委員會(huì)出臺(tái)了居民電價(jià)按照階梯電價(jià)進(jìn)行計(jì)費(fèi)的文件規(guī)定，目前全國除西藏和新疆以外，所有省份都實(shí)行居民階梯電價(jià)政策。居民階梯電價(jià)政策實(shí)施后，小區(qū)管理員和用戶要求及時(shí)測(cè)控電功率的消耗，以達(dá)到節(jié)約電力能源的目的。

鑒于階梯電價(jià)在實(shí)施過程中存在一些問題。所以2021年國家發(fā)展改革委員會(huì)提出了“要在不增加居民基本生活用水、用電、用氣負(fù)擔(dān)的前提下推進(jìn)資源能源價(jià)格改革，完善階梯電價(jià)”的改革措施，同時(shí)國家的“雙碳”戰(zhàn)略對(duì)電力能源管理也提出了更多的要求，因此如何圍繞階梯電價(jià)開展電力計(jì)量系統(tǒng)的改革就成為研究的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的電力抄表方式是人工抄表，需要工作人員來到用戶家中抄寫用電的數(shù)據(jù)，消耗了大量人力，同時(shí)存在誤差大的問題。后來出現(xiàn)了IC預(yù)付費(fèi)卡和射頻識(shí)別(RFID，radio frequency IDentification)卡抄表系統(tǒng)。但是基于IC預(yù)付費(fèi)卡和RFID卡的電力抄表系統(tǒng)只能顯示整體功率消耗情況，數(shù)據(jù)必須通過專業(yè)設(shè)備讀取，不具備報(bào)警提醒、階梯計(jì)價(jià)功能，需進(jìn)行改造[1]。

智能抄表系統(tǒng)(AMR，automatic meter reading system)的提出消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)的所有缺點(diǎn)。智能抄表系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，允許管理員在不訪問網(wǎng)站的情況下收集數(shù)據(jù)。AMR包括各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，如電力載波通信(PLC，power line commutation)、RFID和現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)等。AMR能夠幫助客戶和能源服務(wù)提供商從電表中獲取準(zhǔn)確和更新的數(shù)據(jù)[2]。AMR系統(tǒng)可以按小時(shí)、每月或按要求發(fā)送能耗。這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到中央系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)費(fèi)和故障排除，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，用于處理和記錄。AMR降低了勞動(dòng)力成本、收集時(shí)間、能源盜竊，避免了延遲付款[3]，提高了數(shù)據(jù)安全性，改善了客戶服務(wù)，減少了售電公司的收入損失。AMR不僅發(fā)送數(shù)據(jù)，還提供電源斷開/連接功能、斷電功能和異常報(bào)警功能。所有這些優(yōu)點(diǎn)使AMR具有巨大的使用優(yōu)勢(shì)。

近年來，基于AMR的電力抄表系統(tǒng)發(fā)展較快，特別是在應(yīng)用領(lǐng)域。解亞軍等在探討分析Zigbee應(yīng)用在AMR中的可能性后，提出了一種利用ZigBee傳輸協(xié)議的電力抄表系統(tǒng)解決方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)抄表和按需抄表功能，通信穩(wěn)定，但是需要增設(shè)太多的Zigbee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備，成本較高[4]。葉加星等提出了一種低成本寬量程低功耗無線AMR系統(tǒng)，該系統(tǒng)采取遠(yuǎn)程使用公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸、在線使用紅外接觸抄表相結(jié)合的方式，達(dá)到快捷電力能源管理的目標(biāo)，但是同樣存在成本較高，有數(shù)據(jù)安全隱患的問題[5]。劉卓鴻分析了110 kV以下小區(qū)使用智能抄表和非智能抄表前后的經(jīng)濟(jì)效益比，得到使用建設(shè)成本更低的AMR系統(tǒng)，后期經(jīng)濟(jì)效益更佳的重要結(jié)論[6]。

本文結(jié)合電力能源管理需要，提出了一種具備功率計(jì)量、階梯電價(jià)計(jì)費(fèi)、高電價(jià)報(bào)警及異常開閘功能的新型智能小區(qū)抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)屬于AMR，基于PLC關(guān)鍵技術(shù)，具有建設(shè)成本低、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工程方法是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的目的，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成元素、整體框架、數(shù)據(jù)流、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等開展分析的一種科學(xué)方法[7]。它應(yīng)用先進(jìn)的組織管理技術(shù)，使系統(tǒng)的整體與局部之間的關(guān)系協(xié)調(diào)最優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的總體最優(yōu)運(yùn)行。用系統(tǒng)工程方法劃分小區(qū)智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

參照模塊化硬件、軟件開發(fā)規(guī)范，將小區(qū)智能抄表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案分為用戶終端、小區(qū)管理員終端兩部分。

如圖1，用戶終端通過功率智能計(jì)量設(shè)備計(jì)量電功率并處理，后由PLC調(diào)制器編碼，經(jīng)普通供電線路傳輸?shù)叫^(qū)管理員終端，PLC解調(diào)器解碼數(shù)據(jù)傳輸至上位PC機(jī)，小區(qū)管理員通過操作上位PC機(jī)軟件完成階梯電價(jià)計(jì)算、異常分析、開閘合閘等測(cè)控操作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)電力資源的智能管控。

圖1 方案總體示意圖

1.2 PLC原理

PLC是一種使用現(xiàn)有電纜(如電力線、同軸電纜、雙絞線等)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。PLC通過使用現(xiàn)有電纜作為傳輸介質(zhì)，可以以低成本快速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)[8]。在使用電力線的情況下，電力和數(shù)據(jù)傳輸可以用一根電纜完成，這可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和建設(shè)成本。

PLC是電力系統(tǒng)特有的專用通信模式，它通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)，在電力線中進(jìn)行高速傳輸。因?yàn)樗恍枰匦虏季€，所以具有很強(qiáng)的便捷性和成本優(yōu)勢(shì)。

PLC的調(diào)制方法是正交頻分復(fù)用(OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)。如圖2，它將數(shù)據(jù)信號(hào)和高頻的載波信號(hào)sin(x)/x在頻域上進(jìn)行波形疊加運(yùn)算，實(shí)際傳輸時(shí)每個(gè)載波的帶寬大約為24.4 kHz。PLC發(fā)送信號(hào)過程模數(shù)轉(zhuǎn)換(DAC，digital to analog converter)是核心：調(diào)制芯片將數(shù)據(jù)先進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，再將OFDM的子載波進(jìn)行分離，做后通過反傅立葉運(yùn)算，將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)。為了避免傳輸過程中的疊頻干擾，混頻會(huì)把子載波升高到對(duì)應(yīng)的傳輸頻率，最后合成發(fā)送信號(hào)。PLC接收信號(hào)的過程是上述步驟的逆向過程，不同的是在混頻之后還有濾波環(huán)節(jié)，目的也是為了減小干擾。

圖2 PLC基本原理

如圖2，在兩個(gè)設(shè)備之間傳輸和接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)在發(fā)射器上進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號(hào)疊加在交流或直流電源電壓上。在接收器中，通過使用濾波器分離電源電壓和調(diào)制信號(hào)并解調(diào)調(diào)制信號(hào)來提取數(shù)據(jù)[9]。PLC可以用于交流電源線，也可以用于直流電源線。

綜上所述：PLC是一種新型的寬帶接入技術(shù)，在這種傳輸模式下，多媒體業(yè)務(wù)信號(hào)(包括高速數(shù)據(jù)、語音和視頻)都可以通過電力線傳輸。PLC最大的優(yōu)點(diǎn)是作為一種有線通信技術(shù)，它可以連接到任何測(cè)量和控制點(diǎn)，信號(hào)可以通過電力線傳輸，利用的是電力線路，不需要增加另外架設(shè)線路的成本。但是PLC最大的缺點(diǎn)是如傳輸速度不高，對(duì)干擾、非線性失真、電力線路通道之間的交叉調(diào)制干擾較為敏感。在設(shè)計(jì)的時(shí)候通常使用容量較大的電容和電感構(gòu)成抗干擾電路，以彌補(bǔ)以上缺點(diǎn)。

1.3 B/S構(gòu)架

本設(shè)計(jì)采用的B/S架構(gòu)即為瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。瀏覽器是指用戶端的采集終端硬件，采集終端硬件在小區(qū)呈分布式排列，它只實(shí)現(xiàn)的電力數(shù)據(jù)采集的事務(wù)邏輯。主要的事務(wù)邏輯在服務(wù)器端，即小區(qū)管理員上位PC機(jī)端實(shí)現(xiàn)的。用戶端的采集終端硬件、小區(qū)管理員上位PC機(jī)端和數(shù)據(jù)庫端組成的三層架構(gòu)。B/S的系統(tǒng)無需特殊安裝。B/S架構(gòu)將電力數(shù)據(jù)的處理管理等事務(wù)邏輯放到小區(qū)管理員上位PC機(jī)端上，從而減輕了客戶端的數(shù)據(jù)計(jì)算壓力。

采用B/S架構(gòu)的主要原因和優(yōu)點(diǎn)是：(1)它是一個(gè)開放的廣域網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，通過一定程度的權(quán)限控制，就可以達(dá)到多客戶接入、強(qiáng)交互的目的。這對(duì)于用戶隨時(shí)在增減的小區(qū)非常實(shí)用；(2)B/S架構(gòu)的功能升級(jí)非常簡(jiǎn)單，在服務(wù)器端口進(jìn)行即可，不需要升級(jí)多個(gè)客戶端。這對(duì)于未來改變小區(qū)階梯電價(jià)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)等也很容易。

2 用戶端設(shè)計(jì)

用戶終端主要由功率計(jì)量模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、測(cè)控主機(jī)、PLC轉(zhuǎn)串口模塊組成。其主要功能是準(zhǔn)確采集用戶的用電數(shù)據(jù)，調(diào)制后傳輸?shù)焦芾韱T端。設(shè)計(jì)的基本原則是在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下盡可能的考慮抗干擾措施，同時(shí)降低成本。

2.1 功率計(jì)量模塊

功率計(jì)量模塊易于使用、準(zhǔn)確，是廣泛應(yīng)用中成本效益高的功率測(cè)量解決方案的首選儀器，例如：電氣設(shè)備的生產(chǎn)線測(cè)試、大電流設(shè)備的評(píng)估、電池或直流驅(qū)動(dòng)設(shè)備的評(píng)估，質(zhì)量保證，工業(yè)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的效率測(cè)量，用于安裝和維護(hù)任務(wù)，部分用于研發(fā)，它還用于測(cè)量電網(wǎng)功率[10]。本設(shè)計(jì)中的功率計(jì)量模塊本質(zhì)是一個(gè)實(shí)時(shí)在線的系統(tǒng)，系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集與處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警、通信功能。設(shè)計(jì)需求是：配備1個(gè)測(cè)量通道，可測(cè)量交流(AC，alternating current)系統(tǒng)中的所有參數(shù)，如視在功率、有功和無功功率、電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、視在能量、有功和無功能量。

功率計(jì)量模塊專用芯片較多，普通居民用電一戶一表總電流一般小于50 A[11]，考慮裕量后選用最大電流量程為50 A的專用功率計(jì)量芯片AD7755。AD7755芯片是常用的標(biāo)準(zhǔn)化電力參數(shù)測(cè)量芯片，其參數(shù)指標(biāo)精度高，測(cè)量和采樣結(jié)果符合GB/T17215-1998國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC 62052-11、IEC 62053-21國際標(biāo)準(zhǔn)。

AD7755芯片的測(cè)量原理是通過預(yù)設(shè)的多根Pin引腳引入電流、電壓數(shù)據(jù)。AD7755芯片內(nèi)置兩個(gè)ADC都是16位二階模擬轉(zhuǎn)換器(ADC，analog-to-digital converter)對(duì)引入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，將內(nèi)部相對(duì)匹配電路的預(yù)設(shè)數(shù)值和引入電流、電壓數(shù)據(jù)的相位進(jìn)行匹配，待匹配誤差無線接近零值的時(shí)候，預(yù)設(shè)數(shù)值即為測(cè)量結(jié)果。AD7755芯片內(nèi)部設(shè)置了的空載伐值特性，以避免零漂等現(xiàn)象的發(fā)生。AD7755芯片采樣速率達(dá)900 kHz，滿足本設(shè)計(jì)的需求。

使用24腳DIP封裝的AD7755芯片，搭建圖3所示外圍電路。

圖3 功率計(jì)量電路

外圍電路包括電流采樣、電壓采樣、晶體振蕩三大部分。采樣后的電流Ic輸入V1P和V1N引腳，另通過電阻網(wǎng)絡(luò)將電壓Vc采樣結(jié)果送至V2P和V2N引腳。Ic、Vc經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換、相乘后得到有功功率瞬時(shí)值Pc。Pc從引腳CF以較高頻率輸出至測(cè)控主機(jī)。

功率計(jì)量電路的安全性是計(jì)量模塊的重要問題。按照《GB/T 5226.1電氣設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)要求》[12]，本功率計(jì)量電路中間用NEC PS2501光電耦合器隔離以保證信號(hào)安全。NEC PS2501-1K晶體管輸出光耦光耦合隔離器，由一個(gè)砷化鎵發(fā)光二極管和一個(gè)NPN硅光電晶體管組成，內(nèi)含一個(gè)5 kV的1通道。砷化鎵發(fā)光二極管將輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并將其傳輸?shù)絅PN硅光電晶體管，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出[13]。由于沒有直接的電氣連接，它不僅耦合和傳輸信號(hào)，而且隔離干擾。

根據(jù)電網(wǎng)的國家標(biāo)準(zhǔn)[12]和普通家庭電力能源消耗的普遍情況，實(shí)際使用時(shí)對(duì)模塊作如下設(shè)定：輸入電壓220 V AC，Imax=50 A，Ib=5 A，分流器R=10 mΩ，S1= 1，S0= 0，G1=0，G0= 1, 增益G=8。

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

計(jì)量模塊獲得的功率數(shù)據(jù)最后要傳輸?shù)叫^(qū)管理員處，供進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)傳輸可以采用無線熱點(diǎn)、有線局域網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)方式進(jìn)行傳輸[14]。但是傳統(tǒng)傳輸方式需要添置額外的設(shè)備，增加了經(jīng)濟(jì)成本和系統(tǒng)的復(fù)雜度，此處采用PLC技術(shù)進(jìn)行傳輸功率。

設(shè)計(jì)選用SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊作為數(shù)據(jù)傳輸主控。SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊是國產(chǎn)的PLC模塊。模塊中嵌入了專用電力載波IC，其具有通信速度快，抗干擾能力強(qiáng)，誤碼塊低等特點(diǎn)，特別適合國內(nèi)住宅小區(qū)的電力環(huán)境。SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊中嵌入了電源模塊，不僅可以從220 V AC取電作為模塊本身的電壓源，還可以穩(wěn)定輸出5 V DC電源給單片機(jī)主控模塊供電。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集是單向通道，只能為用戶端到小區(qū)管理員端提供，所以SENS-01嵌入式電力線載波模塊的半雙工通信功能較合適。

硬件電路連接圖如圖4，SENS-01的使能端C、B、A分別連接“低高低”TTL電平，使其工作在9 600 Kb/s的速率。使能端C、B、A內(nèi)置上拉電阻，懸空為高電平，只需將C、A兩端接地。RXD、TXD、GND三個(gè)端口均接到測(cè)控主機(jī)對(duì)應(yīng)的端口以獲取其傳輸出來的計(jì)量數(shù)據(jù)。

圖4 PLC模塊連接示意圖

SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊參數(shù)設(shè)置如下：普通居民住宅小區(qū)小高層一般在30層以下，傳輸距離小于1 000米[15]，因此設(shè)置SENS-01模塊工作在125 kHz的頻率下，選擇過零雙模的調(diào)制解調(diào)方式，通信波特率為9 600 Kb/s。一般來說，同一個(gè)小區(qū)的所有用戶都在同一臺(tái)電力變壓器工作，所以SENS-01嵌入式電力線載波模塊實(shí)際是連接在在同一條電力線路上，所以通信模式設(shè)置成主從模式，每個(gè)用戶端的SENS-01嵌入式電力線載波模塊是獨(dú)立并行工作的，互不影響和干擾。

因?yàn)樾^(qū)居民用電存在大功率空調(diào)、大功率電熱設(shè)備等感性、容性設(shè)備，產(chǎn)生的浪涌和尖峰會(huì)影響通信，所以SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊在實(shí)際使用中，會(huì)存在干擾?？紤]到以上情況，在設(shè)計(jì)本模塊的時(shí)候，改進(jìn)其模擬輸入結(jié)構(gòu)，使其具有寬動(dòng)態(tài)范圍，簡(jiǎn)化了傳感器接口。因?yàn)闇y(cè)量的有功功率是從瞬時(shí)功率信號(hào)推導(dǎo)計(jì)算出來的，所以為了得到有功功率分量，只要對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波就行。如圖4，SENS-01濾掉了電流信號(hào)中的直流分量，從而消除了由于電壓或電流失調(diào)造成的有功功率計(jì)算上的誤差。

2.3 測(cè)控主機(jī)

測(cè)控主機(jī)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，只要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和用戶終端測(cè)控的功能，出于成本的考慮，選擇C8051兼容系列單片機(jī)作為解決方案。

測(cè)控主機(jī)P1.1口和P1.2連接2.1節(jié)中功率計(jì)量模塊，P1.3和P1.4口連接通信模塊，P.17連接繼電器和空氣開關(guān)，以通過繼電器實(shí)現(xiàn)合閘和開閘操作控制整個(gè)線路的通斷。

2.1節(jié)中傳輸?shù)綔y(cè)控主機(jī)的功率Pc為瞬時(shí)功率，測(cè)控主機(jī)需對(duì)其計(jì)數(shù)累加才能獲得總功率。設(shè)定測(cè)控主機(jī)INT0引腳負(fù)責(zé)產(chǎn)生中斷，實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)。測(cè)控主機(jī)累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)N, 計(jì)數(shù)滿N后清零, 并將電能數(shù)值減1, 存入內(nèi)部EEPROM 以保存用電數(shù)據(jù)。

2.2節(jié)中的PLC模塊提供單獨(dú)的5 V供電，最大供電功率2 W，完全滿足測(cè)控主機(jī)的工作，可以用其直接供電。

2.2節(jié)中AD7755芯片V2引腳連接的分壓電阻為可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)電阻阻值調(diào)整設(shè)定計(jì)數(shù)脈沖常數(shù)[16]。通過反復(fù)試驗(yàn)比較得，將計(jì)數(shù)脈沖為設(shè)定為45 700，即計(jì)數(shù)45 700個(gè)脈沖消耗1度電。

2.4 PLC轉(zhuǎn)串口模塊

接收端仍然選用SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊作為主控。在SENS-01芯片的RXD和TXD端串聯(lián)MAX232芯片，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)RS232串口信號(hào)傳輸至上位PC機(jī)。

因?yàn)橐话阈^(qū)用戶數(shù)都較多，居民用電設(shè)備中的空調(diào)等大功率感、容性設(shè)備的啟停導(dǎo)致的噪聲、浪涌和尖峰干擾對(duì)傳輸?shù)墓β市盘?hào)影響較大，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 38969-2020《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》[17]，在接收模塊中需前置添耦合濾波網(wǎng)絡(luò)。

耦合濾波網(wǎng)絡(luò)如圖5，其中二極管D1、D2、D3構(gòu)成保護(hù)電路：RC帶通濾波器通過高通和低通濾波器以及這兩個(gè)元件的組合工作。在高通部分，通過電阻R2的電壓分接，低通通過電容器C2。與這兩個(gè)組件并聯(lián)的輸出電壓Vout隨著輸入頻率接近中心頻率而增大，因此，通過電阻與電容的比值，可以確定通過濾波器的頻帶。

圖5 PLC信號(hào)轉(zhuǎn)串口信號(hào)模塊電路圖

同時(shí)，外圍電路元器件電容C2、C3，電阻R2和電感L2構(gòu)成RC二階帶通濾波電路，可以濾除浪涌和尖峰信號(hào)[18]。

在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要重點(diǎn)考慮模塊的抗干擾特性。因?yàn)殡娙軨2對(duì)直流電相當(dāng)于開路，這樣整流電路輸出的直流電壓不能通過C3流到地，所以電壓會(huì)加載在RL上。而電流中的交流成分，因?yàn)镃2容量大，容抗小，所以交流成分能夠通過C2流到地，不會(huì)加載在RL上。電路中的電容C2本質(zhì)是濾波，它通過模擬濾波的方式從單向直流電中分離出電壓U。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要根據(jù)用戶端負(fù)載的大小，選擇電容C2的容量，兩者成正比關(guān)系。同時(shí)考慮RC二階帶通濾波電路的工作特性，需要合理地選擇電容C3，電阻R2和電感L2的值，使之對(duì)電流中交流成分的容抗小，這樣殘留在負(fù)載RL上的交流成分就小，最后達(dá)到較好的濾波效果，使系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 小區(qū)管理員終端設(shè)計(jì)

小區(qū)管理員終端主要實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)各住戶的用電量查詢、電費(fèi)計(jì)算及開閘合閘控制等功能。軟件選擇Visual Studio2008為開發(fā)平臺(tái)，Visual C++作為開發(fā)語言進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

小區(qū)管理員終端需要良好的用戶界面(UI，user interface)，所以選擇基于Windows用戶界面框架(WPF，windows presentation foundation)作為開發(fā)框架。WPF框架支持Visual C++直接調(diào)用API函數(shù)、控件甚至圖片作為程序的UI。本開發(fā)中，應(yīng)用程序采用一般數(shù)據(jù)模型，直接調(diào)用圖片、圖形資源作為小區(qū)管理員終端的UI，用MSComm控件控件作為硬件數(shù)據(jù)傳輸控制核心。

3.1 軟件流程

根據(jù)實(shí)際使用需求，給軟件設(shè)定以下流程工作：初始化軟硬件后接收串口傳來的用戶用電信息，然后判斷用戶的異常狀態(tài)，如果異常則進(jìn)行開閘操作，反之則計(jì)算階梯電價(jià)。

軟件工作流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3.2 初始化

初始化模塊功能是通過對(duì)計(jì)算機(jī)串口的設(shè)置實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和用戶終端的互聯(lián)互通。初始化模塊主要包含開啟串口，設(shè)定波特率，建立串行通道等過程。

程序中直接使用SerialPort控件控制串口。SerialPort控件的本質(zhì)是.NET中用于微機(jī)接口通信的System.IO.Ports.SerialPort類。根據(jù)SerialPort類提供的操作步驟，能夠完成串口的信息收發(fā)過程，本設(shè)計(jì)中即從特定的串口中接收到數(shù)據(jù)。

3.3 接收與異常判斷

因?yàn)樾^(qū)用戶數(shù)據(jù)通常較小，如果以大型數(shù)據(jù)庫的形式保存數(shù)據(jù)會(huì)增加軟件成本和使用難度，所以采用比較簡(jiǎn)單的解決方案，將用戶功率數(shù)據(jù)以EXCEL文件電子表格XLS的格式保存在上位PC機(jī)上，程序和XLS數(shù)據(jù)表格之間的連接由活動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)象(ADO，activeX data objects)實(shí)現(xiàn)[15]。

ADO由一組用于訪問數(shù)據(jù)源的組件對(duì)象模型對(duì)象組成。ADO在編程語言Visual C++和用戶功率數(shù)據(jù)庫之間提供了中間件層[19]。ADO允許開發(fā)人員編寫訪問數(shù)據(jù)的程序，而不知道數(shù)據(jù)庫是如何實(shí)現(xiàn)的，這樣的方式大大減小了開發(fā)的成本和縮短了開發(fā)的時(shí)間。

連接電子表格數(shù)據(jù)庫后，就可以對(duì)其進(jìn)行異常判斷操作。異常判斷有很多算法，此處采用傳統(tǒng)算法：將一定時(shí)間單位(24小時(shí))的總功率與上一時(shí)間單位的總功率相比較，如果增幅在200%以上則彈出預(yù)警窗口，提示用電消耗異常。

3.4 階梯電價(jià)計(jì)算

階梯電價(jià)計(jì)算和以往的統(tǒng)一電價(jià)不同，它按照總用電量的不同區(qū)間分別計(jì)算，計(jì)算依據(jù)是階梯電價(jià)表。

階梯電價(jià)表通過查詢各省市的階梯電價(jià)定價(jià)規(guī)范文件建立。以江蘇省為例，可以根據(jù)《江蘇省發(fā)展改革委關(guān)于完善居民階梯電價(jià)有關(guān)問題的通知，蘇發(fā)改價(jià)格發(fā)〔2021〕106號(hào)》文件建立映射階梯電價(jià)簡(jiǎn)表如表1所示。

表1 江蘇省居民階梯電價(jià)計(jì)算簡(jiǎn)表

軟件將階梯電價(jià)對(duì)應(yīng)關(guān)系描述成計(jì)算機(jī)條件語句便于計(jì)算，關(guān)鍵代碼如下：

int nh;

float dj;

// 定義階梯電價(jià)、定義區(qū)間

scanf("%d",&nh);

if(nh<=200 && nh>=0)

dj=0.52*nh;

else if(nh>200 && nh<400)

dj=0.52*200+0.57*(nh-200);

else dj=0.52*200+0.57*199+0.82*(nh-399);

//計(jì)算電價(jià)結(jié)果

3.5 用戶控制

對(duì)于用電異常的用戶，軟件可以通過發(fā)送命令對(duì)其進(jìn)行開閘控制，如解除異常則進(jìn)行合閘操作[21]。用戶控制通過將事先約定的命令傳輸給測(cè)控主機(jī)，測(cè)控主機(jī)P1.7口輸出動(dòng)作型號(hào)，帶動(dòng)繼電器以控制開閘和合閘動(dòng)作。在實(shí)際使用中，為了快速達(dá)到開閘合閘目的，也可以將繼電器和空氣開關(guān)整體更換為交流電路器。

例：發(fā)送開閘/關(guān)閘命令只需添加如下關(guān)鍵語句到發(fā)送命令按鈕的單擊事件：

UpdateData(TRUE); //讀取開閘命令

m_ctrlComm.SetOutput(COleVariant(m_strTXData));//發(fā)送數(shù)據(jù)

}

UpdateData(Flase); //讀取開閘命令

m_ctrlComm.SetOutput(COleVariant(m_strTXData));//發(fā)送數(shù)據(jù)

}

4 工程測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試方法

工程實(shí)現(xiàn)2節(jié)中的硬件如圖7、開發(fā)3節(jié)所述軟件圖8，構(gòu)成成套系統(tǒng)后連續(xù)對(duì)某小區(qū)用戶用電情況進(jìn)行測(cè)控。

圖7 硬件實(shí)物圖

圖8 上位PC機(jī)軟件界面

硬件測(cè)試采用靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試相結(jié)合的方式[22]。靜態(tài)調(diào)試是在圖7電路板加入固定的電源和基本電平信號(hào)的條件下，用萬用表測(cè)出電路中各點(diǎn)的電位，同設(shè)計(jì)時(shí)候的理論估算值進(jìn)行比較，判斷電路板工作狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求。動(dòng)態(tài)調(diào)試是將系統(tǒng)接入小區(qū)，在實(shí)際工況中檢測(cè)系統(tǒng)的功能是否達(dá)標(biāo)。

軟件測(cè)試采用灰盒綜合測(cè)試法，它是一種將“黑盒”測(cè)試與“白盒”測(cè)試相結(jié)合的方法[23]。具體方法是將小區(qū)管理員終端與硬件系統(tǒng)聯(lián)試聯(lián)調(diào)，檢測(cè)基于程序運(yùn)行時(shí)的外部表現(xiàn)，同時(shí)對(duì)小區(qū)管理員終端程序設(shè)置斷點(diǎn)，讀取斷點(diǎn)的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)[24]，檢測(cè)執(zhí)行程序并采集路徑執(zhí)行信息、檢測(cè)RS232串口等外部用戶接口數(shù)據(jù)，最后確定軟件是否運(yùn)行正常，特別是軟件在特殊和極端工況下運(yùn)行是否正常。

4.2 結(jié)果與分析

測(cè)控結(jié)果表明：(1)基于電力載波通信的智能小區(qū)抄表系統(tǒng)工作正常，能夠測(cè)量出用戶的瞬時(shí)功率并傳輸至小區(qū)管理員處，實(shí)現(xiàn)電力計(jì)量等基本功能。(2)基于電力載波通信的智能小區(qū)抄表系統(tǒng)用戶端硬件使用正常、功率低，約為1 kW/月，測(cè)量誤差低于±0.1%，符合《GBT 50063-2017 電力裝置電測(cè)量儀表裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)。(3)測(cè)試中模擬了三種特殊工況：系統(tǒng)出現(xiàn)電磁干擾、電力線路出現(xiàn)浪涌和尖峰、用戶端負(fù)荷出現(xiàn)突變。在系統(tǒng)出現(xiàn)電磁干擾，干擾強(qiáng)度不大的時(shí)候，系統(tǒng)能夠正常工作，當(dāng)干擾出現(xiàn)在功率計(jì)量模塊旁且較大的時(shí)候，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸均出現(xiàn)誤差。電力線路出現(xiàn)浪涌和尖峰時(shí)，浪涌和尖峰未超過正常值的50%，系統(tǒng)運(yùn)行正常。用戶端負(fù)荷出現(xiàn)突變時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行正常，當(dāng)用戶端電流超過功率計(jì)額定電流50A的20%時(shí)，系統(tǒng)仍穩(wěn)定工作。(4)上位PC機(jī)端軟件不僅能夠計(jì)算階梯電價(jià)，而且還能夠?qū)Τ揞~的用戶實(shí)施遠(yuǎn)程關(guān)閘操作，工程測(cè)試達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。(5)因?yàn)镻LC通信是將信號(hào)調(diào)制后疊加在電力線路中傳輸，調(diào)制后的信號(hào)頻率調(diào)制后的信號(hào)工作頻率是900 kHz，這樣的高頻信號(hào)不能通過電力變壓器。因?yàn)殡娏ψ儔浩鞯蔫F芯是硅鋼片，900 kHz疊加到50 Hz上的AC上，高頻信號(hào)很快會(huì)被覆蓋掉。在傳輸路徑中不能有變壓器設(shè)備，否則傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)在變壓器的電磁轉(zhuǎn)換過程中會(huì)被徹底破壞，導(dǎo)致本系統(tǒng)系統(tǒng)不能正常工作。

5 結(jié)束語

基于電力載波通信的智能小區(qū)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案真實(shí)有效，具有成本低廉、通用性好、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)考慮了大量抗干擾措施，所以系統(tǒng)在特殊工況下也能夠穩(wěn)定的工作。因?yàn)镻LC的工作原理限制，基于電力載波通信的智能小區(qū)抄表系統(tǒng)只能應(yīng)用在同一臺(tái)變壓器下的用戶終端，不適合跨變壓器的小區(qū)使用。

基于電力載波通信的智能小區(qū)抄表系統(tǒng)可以直接用于居民小區(qū)、學(xué)生宿舍等場(chǎng)合，也可以稍作改造后用于賓館、公寓等其他一戶一表的場(chǎng)合。