基于DSP的智能用電終端設計與實現*

2017-12-20 08:29:16徐茂鑫余濤徐豪

電測與儀表 2017年9期

徐茂鑫，余濤，徐豪

（華南理工大學電力學院，廣州510640）

0 引言

智能電網是一個完全自動化的電力傳輸網絡，能夠監視和控制每個用戶和電網節點，保證從電廠到終端用戶的整個輸配電過程中所有節點之間的信號和電能的雙向流動［1］。它是以物理電網為基礎，將現代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成而形成新型電網。智能電網的建設涵蓋發、輸、變、配、用全過程［2-3］。

在用電方面，智能電網的重要目標是鼓勵和促進用戶參與自身運行和管理，實現用戶互動［4-5］。對電網公司，通過統計用戶的用電信息，掌握用戶的需求和規律，就可以個性化地指導用戶科學用電。用戶而言，可以通過實時獲取電網公司的實時電價和用電激勵信息，根據自身需求選擇合理的用電方案控制用電設備的用電時間，實現智能能量管理。對此，不少專家學者就用戶用電模式分析、用電策略分析、智能用電控制算法等問題進行了相關的研究。文獻［6］利用改進k-means算法準確、高效地挖掘出了海量智能用電數據的潛在的有價值信息，能夠為相關部門制定最優用電策略，開展階梯電價等提供有利指導。文獻［7］基于家庭用戶的用電行為及用電特征時間段，運用基于云計算的Apriori算法對用電行為進行數據挖掘，并利用遺傳算法對家電的啟動時間進行優化，很好地達到了經濟用電的目標。

由上述可知，為了達到智能用電的目標，關鍵是要獲得全面的用電設備的用電數據并有效地實現對電網終端的用電設備進行控制。由于電網中各種用電設備數量龐大，所以所需安裝的量測和控制設備數量是巨大的。要實現智能用電必須充分考慮設備成本以及當前的電能供應模式。

鑒于上述分析，并考慮到插座是傳統電網中最普遍的配電網終端，在不影響當前配電網的基本結構的前提下，本文將現代先進測量、控制、通信技術等嵌入到傳統的插座中，提供了一種基于DSP數字信號處理技術和WiFi通信技術智能用電方案，可實現智能電網下對市政、商區以及居民住宅等用電設備的高級用電監測和遠程用電控制。

1 智能用電終端應用示例

智能用電終端是分布式用電設備與配電網絡實現能量流和信息流雙重交互的媒介。以家庭用電為例，智能終端的應用構架如圖1所示。各種分布式用電設備如空調、熱水器、冰箱、光伏發電設備等通過智能用電終端連接到配電網絡，實現配電網絡與用電設備的能量連接；通過WiFi無線通信網絡，智能用電終端可以連接到本地用戶終端和數據服務中心，實現信息交互。其中，數據服務中心可以是電網公司或專門的信息管理公司。

圖1 智能用電終端應用示例Fig.1 Application example of smart power terminal

如果區域電網內所有的分布式用電設備均通過智能用電終端接入電網，便可以構建一個云平臺對所有設備進行管理。通過這個云平臺并采用有效的優化算法和協調控制策略優化用戶的用電模式，則可以在不影響用戶用電舒適度的同時充分利用這些分布式設備中的潛在可控負荷，參與電網的運行調度，從而達到削峰填谷、經濟運行等作用。同時，用戶也可以通過相關的節電分析軟件檢測出自身用電行為中存在的浪費情況，并利用智能用電終端進行自動斷電控制。

一個完整的智能用電管理系統建設中需要包括智能用電終端、信息網絡、數據存儲與分析、用戶端應用軟件等單元，限于篇幅，下文主要介紹智能用電終端的軟硬件設計與實現。

2 硬件設計

2.1 總體設計

智能用電終端的總體結構設計如圖2所示，主要包括DSP處理核心單元、WiFi通信單元、信號測量單元、負荷控制單元、系統供電單元以及實時時鐘、溫度傳感、Flash存儲等擴展功能單元。

圖2 智能用電終端結構圖Fig.2 Structure diagram of the smart power terminal

在DSP處理核心單元的協調控制下，智能終端首先通過測量單元監測接入的用電設備的電量信息，然后利用WiFi通信單元實現與用戶終端和數據服務中心的信息傳輸。負荷控制單元可以根據電網公司或者用戶自身下達的指令對用電設備進行調節、控制等操作。

2.2 DSP處理核心

為了緩解遠端服務器的數據處理壓力，智能用電終端需要對采集的數據分擔部分的計算分析任務；同時智能用電終端還應能夠實現較多的附加功能，因此在智能終端的處理器選型上，本文采用DSP作為處理單元。

DSP（Digital Signal Processor）即數字信號處理器，通常采用哈佛流水線構架并配備專用的硬件乘法器，因此其運算速度非常快，可以輕松完成FFT、矢量控制、圖像信號處理等任務。相對于單片機、PLC等微處理器，DSP不僅具有較強的控制性能，其數字信號處理能力更是突出［8］。

DSP處理核心采用某公司的32實時處理器TMS320F28035。該處理器具有60 MHz主頻、128k Flash、20 k RAM、多達45個復用端口以及一個SCI、2個SPI、一個ECAN網絡接口等。DSP與其他模塊的接口如圖3所示。

圖3 DSP的接口示意圖Fig.3 Interface schematic diagram of DSP

2.3 WiFi通信模塊

相比有線網絡，無線網絡具有安裝維護簡便的優點，因此在短距離局域通信領域中無線網絡的應用越來越普及。目前短距離無線通信的主流技術有：433 MHz等小于1 GHz的射頻技術、藍牙技術、ZigBee通信技術和WiFi通信技術。相比其他無線通信技術，WiFi通信可以直接通過無線路由器接入Internet網而不需要重新布置網關進行轉換；WiFi模塊是筆記本、平板電腦和智能手機等互聯網終端設備的標準配置［9-10］。因此采用WiFi技術進行通信的智能用電終端不僅可以實現信息交換上的“即插即用”，而且還可以降低設備推廣的成本。

WiFi通信采用USR-WIFI232-T模塊實現。這是一款具有低功耗、低成本、小體積等特點的WiFi轉串口模塊，其在硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發單元、TCP／IP協議棧以及功率放大器，非常便于在智能家居、智能電網、手持設備等領域進行二次開發。同時該模塊同時支持UART、PWM、GPIO數據通信，可直接嵌入到MCU系統中實現終端設備與互聯網的透明數據傳輸，如圖4所示。

圖4 WiFi雙向透明傳輸示意圖Fig.4 Two-way transparent transmission schematic diagram ofWiFi

2.4 信號測量

本文的單相測量采用典型的電阻檢流、分壓再放大采樣的方式。具體的測量電路如圖5所示，用電設備的大電壓電流信號分別通過分壓電阻R1、R2以及檢流電阻R3轉換成弱電壓信號，然后利用運算放大器U1、U2進行調理放大。其中輸出信號Uo、Io通常放大到ADC模數轉換器滿量程的2／3左右。

圖5 信號測量電路Fig.5 Signal measurement circuit

運算放大器采用集成差分運放INA129。與普通放大器相比，差分放大器可以有效抑制輸入信號中的共模噪聲和地線電平電壓浮動對電路的影響。ADC模數轉換器采用某公司推出的并行14位8通道雙極性同步采集的A／D轉換芯片MAX1321，該芯片與MAX1320同屬一個系列并廣泛應用于電能質量監測。

2.5 其他功能單元

為了方便系統取電，本文采用AC-DC開關電源的方式將輸電線路上的交流220 V電源轉換成5 V直流電壓。相對傳統的先變壓器降壓整流再到線性穩壓的方式，開關電源具有體積小、重量輕和功耗低的優點。同時相對另一種常用交流取電方式—阻容分壓，開關電源能夠提供更大的功率，可以滿足系統中WiFi無線通信所需的大功率。此外，為了滿足信號測量單元的負電壓需求，采用TPS60403電荷泵將＋5 V轉換成－5 V電壓；并采用TPS73633線性穩壓器將＋5 V轉換成＋3.3 V以滿足DSP系統的供電需求。

負荷控制通過大功率繼電器（負荷開關）實現。同時為了避免繼電器開斷過程中產生的電磁干擾對系統造成影響，采用光耦隔離的方法用光耦開關來驅動大功率電器。

溫度傳感器可用于感知智能用的終端周圍的環境溫度，為用戶的用電模式分析提高外界環境的信息參考。本文的溫度傳感采用DS18B20實現。

為了實現對測量的數據標記時間信息，以提高數據分析的效果，本文在智能用電終端中增加了實時時鐘的功能，實時時鐘可用DS1302時鐘芯片實現。

最后，利用外部閃存芯片AT25FS040實現對重要的測量數據、用戶本地信息以及設備的ID信息等的掉電存儲。

3 程序設計

智能用電終端的主程序設計如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of the main program

系統上電后程序的執行步驟是：（1）DSP初始化，包括對GPIO端口、UART通信接口、內部定時器等進行初始化操作；（2）硬件自檢，如ADC采樣測試、WiFi通信信道測試、存儲測試、溫度測試等；（3）激活，如果智能用電終端是首次使用，則需要激活。激活的內容包括設備ID、用戶賬戶關聯信息等，激活操作可通過PC端軟件或者用戶移動終端的APP實現；（4）信號測量與計算，單相電壓電流信號的測量采用準同步定時采樣的方式，數據的計算分析采用分時操作的方式，計算分析內容包括過負荷判斷、FIR數字濾波、有效值計算、功率計算、FFT頻譜分析等；（5）信息交互，DSP利用UART中斷接收WiFi模塊傳遞的數據，然后根據數據解析后得到的有效指令執行相應的任務，比如數據上傳、設備控制、頻譜分析、節電控制等。