電能物聯網信息采集與數據服務系統

黃宏章

（惠州中城電子科技有限公司，惠州 516006）

電能物聯網信息采集與數據服務系統

黃宏章

（惠州中城電子科技有限公司，惠州 516006）

介紹電能物聯網信息采集與數據服務系統旨在實現物聯網與電能供需管理的有機結合進而建設電能物聯網，在核心理論與技術、系統、協議、軟硬件設備及應用系統等方面進行深入的研制與開發，為從全局的角度有效解決電能供需平衡及優化配置與使用難題，發展電能物聯網技術。

物聯網；信息采集

0 引言

從電能物聯網信息采集技術與關鍵設備研制、電能物聯網監控與管理服務應用系統數據增值服務關鍵技術、電能物聯網監控與管理服務應用系統開發與示范應用四個層面展開相關研究與開發工作，其目的是：突破電能物聯網信息采集與數據服務關鍵技術，研制其核心智能化軟硬件產品，建設企業級、區域級電能物聯網監控與管理服務應用系統，解決電能物聯網的優化布局與配置、電能數據實時采集與傳輸、電能使用的智能化決策、全局監控與管理服務等電能物聯網的核心問題，為實現企業、區域級電能的動態配置與優化使用、提升用電效率、降低用電消耗、實現智能電網與節能環保奠定基礎，也為推動我國物聯網產業的發展與應用提供技術支撐與解決方案。

（1）電能物聯網信息采集與數據服務關鍵技術及軟硬件產品研發符合國家節能減排的戰略規劃。本項目旨在突破電能物聯網信息采集與數據服務關鍵技術，研制具備自主知識產權的信息采集與數據服務軟硬件產品，進而建設企業級、區域級電能物聯網監控與管理服務應用系統，通過對電能數據的實時采集與傳輸、電能使用的全局監控與優化決策，提升企業、區域的電能供需平衡與使用效率，調整能源結構，降低能源成本，實現節能減排目標，這符合我國的基本國策和戰略規劃。

（2）電能物聯網信息采集與數據服務關鍵技術及軟硬件產品研發符合珠三角企業能耗管理的實際需求。

珠三角地區能耗企業總體規模龐大，數目眾多，由于長期以來忽視對電能的有效監控與管理，導致各用能企業的電能管理和節電技術力量薄弱，因此普遍存在電能利用效率低，節電技術應用程度不高，電能空耗等急需解決的問題，導致電能浪費嚴重，陷入了“高能源消耗換取低效生產目標”的困境；與此同時，由于缺乏合適的電能數據實時采集技術與手段以及電能供需動態監控系統，導致用電企業與供電部門之間的信息脫節，不能從電能供需鏈的角度實現企業、區域電能的供需平衡和優化配置，難以實現節能、增效、環保的目標。本項目提出的“電能物聯網信息采集與數據服務關鍵技術及軟硬件產品研發”正是為解決上述難題而提出，從電能物聯網的角度實現珠三角電能供需的動態配置與全局優化調度。

（3）電能物聯網信息采集與數據服務關鍵技術及軟硬件產品研發有利于區域經濟發展。當前電能供需矛盾日益增加，供電部門為了保證用電企業電能消耗需求，不得不采取諸如錯峰用能、定點限電等非常措施，嚴重影響企業開工率。本項目通過采集電能消耗數據，監控電能使用情況，一方面為實現用電企業的動態監控，減少設備空轉、能源空耗等現象，節省企業用電成本提供支撐；另一方面也為實現區域內電能供需的平衡決策、電能的優化分配，減少企業因“限電”造成的停工現象提供決策支持，最終提升區域內電能的合理配置與使用，實現區域經濟的可持續發展。

1 系統設計

本系統突破電能物聯網信息采集與數據服務關鍵技術，研制具備自主知識產權的核心智能化軟硬件產品，建設企業、區域級電能物聯網監控與管理服務應用系統，解決電能物聯網的優化布局與配置、電能數據實時采集與傳輸、電能使用的智能化決策、全局監控與管理服務等電能物聯網的核心問題，為實現企業、區域級電能的動態配置與優化使用、提升用電效率、降低用電消耗、實現智能電網與節能環保奠定基礎。

圖1 通信網絡架構圖

（1）電能物聯網信息采集技術與關鍵設備研制。主要解決電能終端（測量點）的用電相關數據（包括電能消耗數據、電能質量數據、環境溫度數據等）的采集、雙向高速（無線）傳輸的關鍵技術與設備問題，為各級電能物聯網監控與管理服務應用系統的智能決策與監控管理服務提供數據源。

（2）電能物聯網監控與管理服務應用系統數據增值服務關鍵技術。基于已采集的復雜電能數據，本部分主要解決電能物聯網數據增值服務的關鍵技術，實現節能監管、節能診斷與用電優化等目標。

（3）電能物聯網監控與管理服務應用系統建模與開發。根據以上兩方面的研究內容，本部分主要解決面向不同企業/區域范圍的電能監控與管理服務應用系統的方案設計、框架建設與模塊分析、軟硬件配置以及系統開發等方面的問題，實現電能物聯網的有效運行。

（4）電能物聯網監控與管理服務應用系統示范應用。根據以上三點所取得的技術、設備與系統研究與開發所取得的成果，本部分主要解決電能物聯網監控與管理服務應用系統的示范應用與推廣問題，推動電能物聯網技術的產業化應用。

2 系統軟硬件設計

系統的軟硬件設計主要包含：RS-485電表與采集器進行通信；采集器、載波單相表和載波簡易多功能表通過電力載波與集中器進行通信；集中器通過GSM和GPRS網絡與系統主站進行通信，或者通過PDA(掌機)實現電表與系統主站的通信；數據服務器、工作站、Web服務器、MIS（管理信息系統）與系統主站進行通信。

2.1 以太網模塊

以太網通信主要是實現集中器與主站之間的通信，我們采用最常見的以太網芯片DM9161AEP來進行設計。DM9161AEP是一款完全集成的和符合成本效益單芯片快速以太網PHY，是采用較小工藝0.25um的10/100M自適應的以太網收發器。DM9161AEP通過可變電壓的MII或RMII標準數字接口連接到MAC層，支持HP Auto-MDIX。是目前常見的一款物理層收發器，由于全球的MCU集成度不斷提高，由早先的MAC+PHY+MII的衍生到現在的PHY，在以太網部分的成本，逐漸降低。

在應用過程中，DM9161AEP常出現的錯誤是，晶振的連接，以及網絡變壓器的匹配，所以應該慎重選擇。在2010年，中國政府借鑒奧巴馬政府提出大力建設智能電網，以技術為基礎，實現能源高效化，電力智能化，用戶與供電企業之間互動化，帶動了相關產業的高速發展。國家電網在2009年底，提出智能電網中的相關設備的規范化標準，明確的把以太網網口作為標準配置寫入文件。DAVICOM率先看到巨大的市場，聯合多位專家，推出高性能的DM9161CEP，迅速得到MCU眾多廠家的認可，成為抄表終端上的標準參考設計。

圖2 以太網模塊電路圖設計

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2.2 開關電源設計

電路中的CX1和CX2是安規電容，是指用于這樣的場合，即電容器失效后，不會導致電擊，不危及人身安全。圖中是X電容，X電容是跨接在電力線兩線（LN）之間的電容，一般選用金屬薄膜電容。X電容一般是uF級的，用來抑制差模干擾。電阻RD1至RD6是給電容兩端放電的。

電路中LB1是一個共模電感，又稱共模扼流圈，常用于開關電源中過濾共模的電磁干擾信號。共模電感實際上是一個雙向濾波器：一方面濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又抑制本身不向外發出電磁干擾，避免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作。共模電感有兩個繞組，其間有相當大的間隙，就會產生磁通泄露，并形成差模電感。因此，共模電感也具有一定的差模干擾衰減能力。

DN107S一個橋式整流橋整流橋后面接了兩個儲能電容CE1和CE2用來濾波，在整流全橋之后加上濾波電容，從整流全橋輸出的單向脈動電壓信號在上升段給電容充電，而在其下降時電容向負載放電而不會使電壓馬上掉下來，相當于濾波之后輸出一個直流電壓信號。而電阻RD7、RD8、RD9和RD10用于分壓，可以使CE1和CE2兩端電壓更趨近于相等，因為一般電容的誤差為20%而貼片電阻的誤差為5%，用1%的精密電阻可以實現電壓值更趨近于相等。

D3和D9是高效整流二極管，通常導通電壓低，恢復時間短，但是反向漏電流比較大，反向擊穿電壓低，適用于低壓、大電流的整流電路。電阻RD17-20為1206封裝的貼片電阻，其功率為0.25W，額定電壓為12V，電流為20mA，采用4個電阻并聯的方式，就可以通過80mA的電流。

電感 L1，電容 CE6、電容 CE8和電感 L2，電容CE4、CE9構成了π型濾波電路，之所以叫π型濾波電路是因為兩個電容和電感呈“π”型排列。電容CE4實現了儲能電容濾波，直流電壓信號初步形成。因為前級輸入的直流信號中還有一些小的波動，而電感L2的特性是阻止電流的變化，于是它抑制了這些波動。最后電容CE9的隔直通交特性把一些仍然頑固存在的交流導到地線中，最終輸出的直流電壓信號質量較使用單純的儲能電容濾波的好。

用芯片SG5841J搭建一個PWM控制電路，控制PMOS的通斷，開控制電壓的大小。NPN三極管起電壓保護作用，當電壓過大時導通，將集電極電壓引至發射極的地端。

2.3 主站軟件

圖3 開關電源電路圖設計

3 結語

電力遠程抄表系統是一個智能化的系統，它解決了以往落后的人工抄表效率不高的問題，節省了人力成本，而且系統運行穩定，全國很多城市都在進行試點工作。特別是在北京、上海、廣州和深圳進行了很過前瞻性的實驗，深圳瀅水山莊，一個有著上千戶人的住宅小區，就進行著關于遠程自動抄表的實驗，一個集中器通過電力載波抄錄九百多臺電表，基本上可以實現90%的抄表率，并通過GPRS模塊實現穩定的數據上傳。現在電力遠程自動抄表還存在一些問題，主要是抄表數量和抄表率還是比較低，未來隨著電力遠程抄表技術的不斷發展，我國將會普遍實施這種自動化的抄表模式。

[1]楊順濤.電力遠程抄表集中器設計[C].廣東工業大學,2015,7.

[2]劉濤，王洋.一種基于ARM和GPRS的遠程抄表集中器的設計[J].機械管理開發,2011,10(5).

[3]熊磊.電力遠程抄表系統的設計[J].江大學學報,2007,4(2).

Information Gathering and Data Service System of Electric Energy Internet of Things

HUANG Hong-zhang
（Huizhou Midtown Electronic Technology Co.,Ltd.，Huizhou 516006）

Introduces the power of networking information acquisition and data service system to achieve networking and power supply management and the construction of the organic combination of power in the Internet of things,the core theory and technology,system,protocol,hard?ware and software equipment and application system and other aspects of in-depth research and development from a global perspective,to effectively solve the power supply and demand balance and optimize the allocation and utilization problems,development of power network?ing technology.

1007-1423（2017）23-0075-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.018

黃宏章（1975-），男，副總經理，從事領域為電能表行業的儀器儀表研發與管理

2017-07-20

2017-08-10

Internet of Things;Information Acquisition