智能電力監測儀研究

劉曄

摘要：電力監測儀是電力系統中非常重要的設備，能夠對電網中的電壓、電流等參數進行測試。隨著物聯網技術的產生，無人值守的智能監測儀得到了較快的發展。文章對電力參數測量進行介紹，對基于物聯網的智能電力監測儀展開研究，并設計出在移動終端工作的監測軟件。

關鍵詞：電力監測儀；物聯網；智能化；移動終端；電力系統；電力設備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM933 文章編號：1009-2374（2016）31-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.014

電力和人們的生產生活息息相關，但是在電力傳輸和使用的過程中經常會出現參數的突變，導致電流波形的不穩定和電壓的畸變。這種突變容易造成安全事故的發生，對于人們的生產和生活影響意義重大。目前的電力監測設備基本都是在供電所、變電站等電力供應廠商處，用來對電力系統維護和維修，但是大部分電力監測設備體積較大，而且功能結構單一，必須放置在使用現場，工作人員在現場時刻觀察，記錄參數，使用非常不便。近年來由于物聯網技術的快速發展，硬件設備產生的數據可以通過物聯網傳輸到計算機當中，這為智能電力監測儀的發展提供了新的思路。

1 電力參數的測量方式

目前的電力參數測量常用的方式有三種，分別是交流采樣、直流采樣、FFT采樣。（1）交流采樣是按一定的規律對被測交流電氣信號的瞬時值進行采樣，獲得用數字量表示的離散時間采樣值序列，并通過對采樣值序列進行數值分析計算獲取被測信號的信息；（2）直流采樣即采集經過變送器整流后得直流量；（3）FFT采樣是將離散的采樣值經過離散傅立葉變換（DFT）轉換到頻域，求出基波和諧波分量，再求出有效值及功率，實際使用中可以采用快速傅立葉變換（FFT）以提高運算速度。測量數據通過RS232或RS485傳輸給儀器控制界面，控制界面可以采用工控機、嵌入式主板等來實現，通過對數據進行操作和處理，計算出電流有效值、電壓有效值、諧波分量、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數等相關參數。

2 物聯網技術在智能電力監測儀的應用

基于傳統電力監測儀的攜帶不便、功能結構單一的弊端，利用物聯網技術是能夠研究出智能化電力監測設備的。近年來物聯網技術應用非常廣泛，物聯網是三網融合的關鍵，通過物聯網可以將硬件設備采集到的數據傳輸給計算機網絡，用戶通過計算機網絡能夠了解到測試的數據和信息。系統在采集到數據以后，數據在傳輸給監測儀的同時利用Zig Bee無線傳感器和網關將數據通過MQTT物聯網傳輸協議輸到互聯網服務器中。網絡包括了有線網絡和網關、內部網絡，必須建立各個網絡節點。外部網絡主要是指互聯網，利用互聯網可以將數據快速地傳輸給用戶；內部網絡主要是在智能電力監測儀的內部傳感器，可以將數據通過無線模塊（例如NRF2401芯片）傳輸給網絡。數據在進入互聯網以后，用戶可以利用計算機訪問系統（使用B/S模式），也可以利用智能手機訪問系統（使用C/S模式），系統地提供數據支持和服務。這樣用戶就能夠實時接收數據，也可以設置數據的報警界限，隨時隨地關注監測的結果。

3 基于物聯網的智能電力監測儀的研究

3.1 系統開發模式設計

根據對智能電力監測儀的研究，采用B/S和C/S混合開發的模式是比較理想的，用戶可以使用計算機登錄互聯網訪問系統，也可以通過手機軟件訪問系統。B/S模式劃分為四層，即客戶層、頁面層、業務層以及EIS層，各層在系統中承擔著不同的任務。C/S模式劃分為三層，即軟件界面層、業務邏輯層、數據訪問層。

3.2 系統硬件設計

系統的硬件應該包括采集部分、處理模塊和無線發射模塊，由于采集部分和處理模塊設計非常成熟，但是需要使用的無線發射模塊必須設計，選用的無線模塊是NRF2401，這種無線發射模塊傳輸速度快、效率高、距離遠，在室內布置無線接收點以后就能夠接收到產生的數據。同時硬件的無線傳輸關鍵是制定通信協議，只有良好的通信協議才能夠完成數據的傳輸，系統共涉及四種電力參數，設定格式為<校驗位，電力參數1，電力參數2，電力參數3，電力參數4，校驗位>。通過固定格式參數的發送，可以有效避免錯誤數據的產生，為防止誤報，上位機實行三次連續偵聽的機制，判讀數據的準確性。硬件電路的設計框圖如圖1所示。

3.3 系統軟件設計

系統軟件主要有兩個版本：一是在計算機中使用的程序（基于web訪問）；二是基于Android系統使用的APP軟件。PC機系統采用的是B/S訪問模式，具有系統登錄、實時數據顯示、即時測量、報警界限設置、故障預警、歷史數據查詢六大功能。（1）系統登錄。用戶憑借用戶名和密碼登錄系統。如果用戶名和密碼不正確，不能登錄系統；（2）實時數據顯示。系統能夠實時接收網絡傳輸的數據，并將數據傳輸給計算機；（3）即時測量功能。用戶使用該功能能夠即時對電力數據進行檢測；（4）報警界限設置。用戶可以設置報警的界限值；（5）故障報警。當電力設備出現故障、電力傳輸設備出現故障的時候系統會出現故障報警；（6）歷史數據查詢。數據能夠存儲在計算機當中，用戶可以根據記錄的日期查詢監測的數據。基于Android的App軟件采用的是C/S模式。具有三大功能：（1）實時監測。可以利用手機軟件實時接收監測的數據，并查看這些數據；（2）故障報警。能夠在出現異常的時候報警，提醒用戶注意電力參數突變；（3）歷史數據查詢。數據存儲在手機中，可以根據記錄的日期查看監測的數據。

3.4 系統拓撲結構設計

網絡的傳輸設計是比較復雜的，首先通過無線傳輸模塊將數據傳輸給接收終端，然后利用Zig Bee技術在各個節點進行數據傳輸，Zig Bee技術屬于近距離、復雜程度較小、低功耗的無線雙向通信技術，能夠在多個頻段實現信息的傳遞和傳輸，具有多個支節點。數據傳遞以后最終通過網關發送到服務器當中，由于采用了混合的開發模式，用戶根據模式的不同可以選擇不同的數據訪問模式。其中B/S模式基于WEB API訪問，必須具有訪問接口，利用接口來對數據進行訪問。C/S模式的訪問系統利用移動4G網絡對數據庫服務器進行訪問，獲取其中的數據。

4 智能電力監測儀的特點

智能電力監測儀的使用非常廣泛，發展也很迅速，尤其是近年來由于移動通信技術的快速發展，帶動了嵌入式設備的進一步更新。例如中電科技四十一所的手持式電力監測儀就屬于其中的一種，可以移動操作，遠距離數據傳輸。總體來說，智能電力監測儀具有以下特點：（1）使用便利、功能豐富。智能電力監測儀是一整套系統，由多個模塊和子系統組成，通過這個系統可以實現無人值守的功能；（2）智能化程度高。未來三網融合已經成為大的趨勢，電力監測、煤氣監測、光照監測逐步融入到物聯網當中；（3）可靠性高。系統出現故障就會提示用戶注意，相比傳統設備來說可靠性程度更高。

5 結語

本文對電力監測儀的采樣模式進行了研究和分析，基于這個思路提出了基于物聯網的電力監測儀的觀點，并針對系統的硬件和軟件部分進行了設計。智能化的電力監測儀不僅僅具有電力參數的監測功能，而且是一個完整的系統，可以將監測到的數據傳輸給用戶，而本文提出的觀點正是結合了這個理念，為電力監測儀的發展提供了探索。

參考文獻

[1] 朱少民.軟件測試方法和技術[M].北京：清華大學 出版社，2005.

[2] Meng-Shiuan Pan，Ping-Lin Liu.Low latency scheduling for convergecast in ZigBee tree-based wireless sensor networks[J].Journal of Network and Computer Applications，2014，321.

[3] 俊峰.基于B/S模式的分布式數據庫服務器系統模型 [J].計算機工程應用，2013，5（5）.

[4] Wissam Razouk，Garth V.Crosby，Abderrahim Sekkaki. New Security Approach for ZigBee Weaknesses[J]. Procedia Computer Science，2014，37.

[5] 王譯平.電子式電能表的特點及其應用[J].寧夏電 力，2007，（2）.

[6] Francesca Cuomo.Cross-layer network formation for energy-efficient IEEE 802.15.4/ZigBee Wireless Sensor Networks[J].Ad Hoc Networks，2013，11（2）.