基于嵌入式的電量計量采集系統(tǒng)研究

胡圣堯+關(guān)靜++楊子立++于海平

摘 要： 為了對用戶用電情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，提高用電采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，及時發(fā)現(xiàn)用電異常，研究一種基于嵌入式的電量計量采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為高壓無線監(jiān)測模塊、用戶用電遠(yuǎn)程監(jiān)測單元和監(jiān)控主站三大部分。通過對比高壓無線監(jiān)測模塊和用戶用電遠(yuǎn)程監(jiān)測單元數(shù)據(jù)判別用戶用電是否存在異常，并將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控主站。通過實(shí)例對所研究的嵌入式電量計量采集系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過監(jiān)測對比某用戶用電信息，有關(guān)部門人員通過嵌入式電量計量采集系統(tǒng)監(jiān)測該用戶的用電規(guī)律，掌握其竊電行為的證據(jù)，對其進(jìn)行竊電行為判定。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 電量計量； 采集系統(tǒng)； 竊電稽查

中圖分類號： TN915?34； TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0163?04

0 引 言

改革開放后，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)生了翻天覆地的變化，人民的生活水平不斷提高，對于電力的需求越來越大，特別是天氣比較寒冷的冬天和比較炎熱的夏天，對于電的需求更是極速膨脹，可是由于電網(wǎng)建設(shè)不完善，經(jīng)常會出現(xiàn)缺電和斷電的現(xiàn)象。為了避免這樣的現(xiàn)象再次出現(xiàn)和滿足消費(fèi)者的需求，相關(guān)部門就構(gòu)建了功能比較完善的用電信息采集系統(tǒng)。這個系統(tǒng)主要是為了解決供電高峰期時電力供應(yīng)不足的問題，對原有的電力資源進(jìn)行重新的優(yōu)化配置，使其能夠得到更加合理和高效的使用，進(jìn)一步減少用電高峰期缺電、斷電現(xiàn)象的發(fā)生，滿足消費(fèi)者提高生活質(zhì)量的要求[1?2]。

用電信息采集系統(tǒng)的主要功能是通過采集用戶的用電信息，對這些信息進(jìn)行處理和分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的異常情況，進(jìn)而對這些異常情況進(jìn)行監(jiān)控和檢測，與此同時用電信息采集系統(tǒng)還是電力支持系統(tǒng)的重要組成部分，還具有電能質(zhì)量檢測、分布式能源監(jiān)控等功能，保證了供電公司可以對用戶用電信息進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。用電信息采集系統(tǒng)的前身是原負(fù)控管理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的構(gòu)建主要是為了解決用電高峰期缺電現(xiàn)象和用戶的竊電問題，對電力資源進(jìn)行重新的優(yōu)化配置，進(jìn)一步提高能源的使用效率，為國家挽回經(jīng)濟(jì)損失。系統(tǒng)還具有進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表、監(jiān)測和辨別竊電行為、對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測等功能[3?5]。

1 嵌入式電量采集系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體框架

電量采集系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

該系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，一是電量采集裝置，二是主站系統(tǒng)。其中電量采集裝置包括電網(wǎng)高壓無線檢測設(shè)備和用電端的遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。工作原理是：電網(wǎng)高壓檢測設(shè)備對高壓側(cè)的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，無線通信設(shè)備作為媒介傳輸采集到的數(shù)據(jù)，用電稽查終端接收由無線通信設(shè)備傳輸?shù)碾娋W(wǎng)高壓側(cè)的數(shù)據(jù)，同時電表數(shù)據(jù)由終端用電信息采集模塊進(jìn)行讀取。根據(jù)用電數(shù)據(jù)判斷是否有竊電行為，共有兩種方式：一是直接的方式，用電遠(yuǎn)程監(jiān)控終端判斷是否存在竊電行為，判斷結(jié)果發(fā)送到主站設(shè)備和用戶的手機(jī)；二是間接的方式，用電遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備將收集到的高壓側(cè)的數(shù)據(jù)和讀取的電能表數(shù)據(jù)都發(fā)送到主站設(shè)備，然后主站根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判定是否有竊電行為。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，第一種判定方式簡化了主站設(shè)備，能夠做到24 h數(shù)據(jù)監(jiān)測，但是用電遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計變得復(fù)雜，該模塊所需的硬件成本也大大增加；第二種判定方式簡化了用電遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，但是主站必須在持續(xù)供電的情況下不斷工作。兩種判別方式因其具有不同優(yōu)缺點(diǎn)，可以應(yīng)用在不同的場合[6]。

1.2 高壓無線檢測模塊

高壓無線檢測模塊由四個子模塊單元構(gòu)成，分別是采樣、控制、通信和電源。工作原理是：互感器變換高壓側(cè)的電能數(shù)據(jù)，采樣模塊對變換后的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時簡單處理采集到的數(shù)據(jù)；控制單元控制整個檢測模塊的操作順序；通信單元傳輸采樣單元輸出的數(shù)據(jù)；電源單元保證整個檢測單元的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

ZigBee方式是高壓無線檢測單元和用電遠(yuǎn)程監(jiān)控之間采用的主要通信協(xié)議，該協(xié)議在開放式互聯(lián)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)每層通信，向更高層提供服務(wù)的功能。IEEE 802.15.4是ZigBee通信協(xié)議物理層采用的標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee聯(lián)盟定義應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，其中應(yīng)用程序框架構(gòu)成了應(yīng)用層，Z?Stack協(xié)議堆棧使得ZigBee上層協(xié)議成為可能。

高壓無線檢測單元的功能是實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的采樣、數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制遠(yuǎn)程終端接收電能數(shù)據(jù)。高壓無線檢測單元開始工作時，第一步是對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化，對硬件設(shè)備進(jìn)行復(fù)位；第二步是無線檢測單元中的通信單元向用電遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備發(fā)送指令和網(wǎng)絡(luò)地址；第三步是控制采樣模塊周期性的工作，有利于節(jié)省功耗；第四步是采樣模塊處于保持狀態(tài)時，通信設(shè)備采用ZigBee的通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息；第五步是主站發(fā)送查看工作狀態(tài)的命令到用電遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，此時監(jiān)控終端發(fā)送指令到采樣單元，采樣單元進(jìn)入對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理周期，然后采樣單元進(jìn)入保持狀態(tài)，等待下一個采樣指令。

當(dāng)電網(wǎng)高壓側(cè)出現(xiàn)短路故障時，高壓側(cè)的短路電流往往比正常工作時的負(fù)荷電流大很多，短路電流會使得沒有任何安全措施保護(hù)的無線檢測設(shè)備出現(xiàn)故障，以致檢測失靈。因此在設(shè)置采樣單元的數(shù)據(jù)采集量程時，需要考慮最大短路電流。電網(wǎng)正常工作時，羅氏線圈互感器檢測到的電壓比較小，這里為了檢測裝置的靈敏度，需要在羅氏線圈前端添加電壓放大電路。同時，還需要添加低通濾波器電路和隔直流電路，從而過濾高頻分量和直流分量對羅氏線圈電壓變化的影響。

高壓檢測中的控制單元采用ATmega128型單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)置了一個8通道10位精度的增益可編程ADC，這樣就避免了單獨(dú)的ADC電路，集成度變高，電路得以簡化，整體電路成本也得以降低。不過ATmega128單片機(jī)是單極輸入輸出的，輸出電壓與其工作電壓存在失配，可以在單片機(jī)輸出端和DSP之間添加加法器，解決單片機(jī)工作電壓與輸出電壓不匹配的問題，加法器電路如圖2所示。ZigBee單元采用CC2530芯片，其正常工作電壓是2～3.6 V，但是ATmega128 單片機(jī)的工作電壓為 4.5～5.5 V，所以還需要電平轉(zhuǎn)換電路作為橋梁，使得在相同的電源供電情況下各個單元電路都能正常工作。

圖4為高壓無線檢測模塊的數(shù)據(jù)流程圖，高壓無線檢測單元進(jìn)入數(shù)據(jù)采樣周期時，采樣單元上電，開始采集電能數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，通信設(shè)備傳輸采樣單元處理的數(shù)據(jù)，采樣單元進(jìn)入保持狀態(tài)，遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備接收通信設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。考慮到數(shù)據(jù)采樣模塊從開始數(shù)據(jù)采樣到保持過程之間轉(zhuǎn)換會有一定的延遲，這種延遲主要是由于主站發(fā)送下一個周期的數(shù)據(jù)采樣指令所引起的延遲造成的，因此用電遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備需要設(shè)定一定的延遲，延遲時間等于主站發(fā)送指令到采樣單元接收到指令的延遲時間。

本文的互感器采用羅可夫斯基型線圈，該線圈的主要特征是：線圈繞制在無磁性的空心材料上，避免了鐵磁諧振和磁飽和的問題，它的反應(yīng)速度也比較快，抗漏電性能優(yōu)良，可探測的電能數(shù)據(jù)量程范圍大，測試精度精準(zhǔn)，應(yīng)用在對較大電流測量場合。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，測量羅可夫斯基線圈可得[7]：

[et=-d?dt=-Mdidt]

式中：[?]表示線圈的磁通量；[M]表示線圈互感系數(shù)。

1.3 用戶用電遠(yuǎn)程監(jiān)測單元

反竊電裝置的重要部分是用電遠(yuǎn)程監(jiān)控單元，在RS 485的基礎(chǔ)上，用電遠(yuǎn)程監(jiān)控單元和智能化的電表進(jìn)行對接，一方面讀取電表上的數(shù)據(jù)，另一方面接收無線檢測單元的通信設(shè)備發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端對比收集到的兩渠道數(shù)據(jù)，判定竊電行為是否發(fā)生。用電遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)容量大、判斷結(jié)果準(zhǔn)確度高和數(shù)據(jù)及時分析發(fā)送。

用電遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的具體功能是：接收高壓無線檢測模塊發(fā)送的電能采樣數(shù)據(jù)；在接收到主站對時命令后，能在規(guī)定時間內(nèi)自主采集智能電表上的數(shù)據(jù)；對采集到的電表數(shù)據(jù)和接收到的高壓電能采樣數(shù)據(jù)能及時判定是否存在竊電行為；具有數(shù)據(jù)儲存的能力；具有抗外界干擾的能力。

單片機(jī)、GPRS和ZigBee通信類芯片、時鐘芯片和數(shù)據(jù)儲存單元等構(gòu)成了監(jiān)測終端。監(jiān)測終端一方面通過RS 485通信芯片采集智能電表上的電能數(shù)據(jù)，另一方面通過ZigBee通信協(xié)議接收高壓無線檢測單元發(fā)送的高壓電能采樣數(shù)據(jù)，然后監(jiān)測終端對比上述兩類數(shù)據(jù)，若兩者數(shù)據(jù)失配較大，經(jīng)過第三次確認(rèn)后將判定結(jié)果和接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站端，主站再次分析監(jiān)測終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，確認(rèn)存在竊電行為后發(fā)送短信通知電力稽查人員，從而有利于電力檢測部門盡早采取措施，阻止竊電行為的發(fā)生。

圖5是應(yīng)用于GPRS通信芯片的G24模塊與S3C2440型單片機(jī)的電路連接原理圖。

用電稽查終端一般設(shè)置USB通信接口，這樣電力稽查人員就能通過USB接口拷貝監(jiān)測終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有利于電力稽查人員及時做到現(xiàn)場查驗(yàn)，防止錯誤判斷錯誤操作的發(fā)生。

ARM9內(nèi)置兩個USB接口，均支持USB 1.1和USB 2.0的兩個通信協(xié)議，本文設(shè)計的監(jiān)測終端將這兩個USB接口引出，并充分加以應(yīng)用，如圖6所示。

1.4 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)包括計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和系統(tǒng)管理軟件，其中系統(tǒng)管理軟件起到在主站開始運(yùn)轉(zhuǎn)后各個模塊實(shí)現(xiàn)其對應(yīng)功能的作用，另外系統(tǒng)管理軟件實(shí)時接收用戶用電量數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)及時保存到數(shù)據(jù)庫中。主站系統(tǒng)主要功能如下：接收用電監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的異常數(shù)據(jù)和異常結(jié)果；及時發(fā)現(xiàn)竊電用戶；發(fā)送異常或報警信息；通知電力稽查人員處理竊電用戶[8]。

2 實(shí)例分析

本文通過實(shí)例對所研究的嵌入式電量計量采集系統(tǒng)進(jìn)行分析。針對某用電大戶的用電情況，使用用電計量采集系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，其中一段時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

曲線可以看出，該用電用戶的用電信息存在異常，即在某一段時間內(nèi)變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)（二次側(cè)）的數(shù)據(jù)不能吻合，說明該用電用戶存在竊電行為，該用戶一般在夜間至凌晨這段時間內(nèi)變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)的數(shù)據(jù)不能吻合，而在早上7點(diǎn)至下午6點(diǎn)期間，變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)的數(shù)據(jù)恢復(fù)一致，說明該用電用戶為了躲避白天稽查人員的突擊檢測，主要在夜間進(jìn)行竊電行為。

有關(guān)部門人員通過嵌入式電量計量采集系統(tǒng)監(jiān)測該用戶的用電規(guī)律，掌握了其竊電行為的證據(jù)，對其進(jìn)行竊電行為判定。

3 結(jié) 論

本文研究了一種基于嵌入式電量計量采集系統(tǒng)，其主要作用如下：

（1） 挽回更高經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的檢察竊電情況的方式不僅成本高，而且只能發(fā)現(xiàn)出一部分竊電行為，性價比過低。而本文研究的防竊電檢測裝置是自動檢測的，大部分的竊電行為都難逃法眼，增加了國家的財政收入。

（2） 震懾竊電用戶停止竊電行為。竊電用戶之所以敢明目張膽的竊電，主要是因?yàn)槠涓`電行為難以被發(fā)現(xiàn)，而隨著防竊電檢測裝置的安裝，他們的竊電行為得到了有效的監(jiān)控，可以促使他們不再竊電，調(diào)查結(jié)果顯示，防竊電裝置安裝以后，很多竊電用戶的用電量都回到了正常的水平。

（3） 提高了防竊電的工作效率。供電公司的工作人員不可能整天守在一個地方來檢測這個地區(qū)的用電情況，竊電用戶正是抓住這個漏洞進(jìn)行竊電。而供電公司常用的檢查方法無非是安排檢測人員進(jìn)行突擊檢查或者定期檢查，可是這些傳統(tǒng)的方法是需要很大的人力資源和財力資源作支撐的，更為重要的是這些方法所起到的效果是非常有限的，性價比非常低。而隨著防竊電檢測裝置的安裝和使用，對于用戶用電信息的監(jiān)測已經(jīng)變成了全天候全方位的，一旦用戶用電出現(xiàn)異常，檢測裝置就能夠自動的進(jìn)行檢測和辨別，可以及時地發(fā)現(xiàn)用戶是否存在竊電行為，不但提高了工作效率，挽回了更多的經(jīng)濟(jì)損失，而且還降低了監(jiān)測成本，減輕了工作人員的工作負(fù)擔(dān)。

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