一種無線電力儀表設計

張偉平

摘? 要：基于目前多場景的電力運行數據監測的需求，該文開發設計了一種面向分布式、離散監測場景的無線電力監測單元，簡稱“G表”，提供解決該場景傳統電力監測方案弊端的方案。該產品融合了傳統全電量電力監測儀表的功能，同時還具備了無線數據傳輸、邊緣計算、溫度濕度監測、漏電流監測，復費率計算、諧波監測、需量監測等功能，所有數據接入云平臺，有效覆蓋分布式、離散監測場景電力監測的各層次需求。

關鍵詞：無線通信;電力儀表;邊緣計算;云平臺

中圖分類號：TP216? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

為響應習近平同志新時代中國特色社會主義指導思想，深入貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰略，國家電網提出“三型兩網、世界一流”的戰略目標，其中泛在物聯網是發展目標的重要一環。協同推進智慧物聯是泛在物聯網建設的主線之一，打造“云邊協同”資源共享共用、數據互聯互通。智能電力監測設備是未來泛在物聯網的數據協同的重要節點。

1 需求分析

傳統電力系統覆蓋地理分布廣泛，供電對象的差異明顯，負荷節點分布呈現“點”或“面”的分布狀況。傳統電力監測方案較好地解決了“面”狀分布的電力設施的需求，采用儀表+管理機+SCADA系統的方式，集中采集多電力設施狀態，通過統一的傳輸路徑在SCADA系統中集中顯示監測數據。“點”狀分布的負荷節點呈現分布式、離散化的特點，空間上不集中、數據間勾連性不強，采用傳統電力監測方案存在施工難度大、系統造價高、無法用等效節點替代監測的問題。接入無線通信是簡單有效解決問題的方法。

2 難點分析

傳統電力監測方案，主要采用局域網以及有線的方式連接，數據采集受限于通信協議及總線設計。數據傳輸速率延遲最高可達百毫秒級，數據傳輸量無任何限制，滿足一般的供配電數據模型的描述精度要求。

基于無線通信的監控方案，則面臨有別于傳統電力監測的巨大挑戰。數據傳輸路徑長，綜合傳輸延時比較嚴重，存在描述模型數據有效性的問題。另外，長期需要定期預付數據資費，限制了數據的傳輸量，也不符合現有電力用戶的消費習慣。由于通道的限制，不得不針對傳統的數據采集傳輸模式進行優化。“G表”在設計過程充分考慮了無線監控方案存在的痛點。

3 產品設計

“G表”在設計初始就需要考慮分布式、離散的應用場景存在的通信問題與監測內容問題。采用集成化的思路，對電力系統運行所需的相關領域的監測信息進行集成，形成單節點的綜合解決方案。“G表”產品外觀如圖1所示。

3.1 外部接口設計

“G表”硬件接口設計包括三相電能采集、漏電流監測、開入量監測、開出量控制、溫濕度采集5類基礎項目，如圖2所示。

三相電能及漏電流采集采用計量專用IC，獨立計算電能的基礎信息。避免占用MCU資源，減少外圍A/D電路環節存在的元件品質差異問題，在減少硬件設計的同時，又提高了采集精度。在實現常規電能信息采集的基礎上，利用計量IC資源進行復費率、需量等能效管理應用的計算，以及諧波、三相不平衡度等電能質量管理應用的計算。同時利用計量IC漏電流檢測資源，設計漏電流采集功能。

設計多路開入、開出量，并使其具備可編程能力。既可以單獨采集開入信號，遠程控制開出量動作，又可以進行開入、開出量功能的關聯設置。既滿足了常規監測的需要，又可滿足一般的聯動控制需求。

溫濕度采集采用數字通信接口接駁專用的溫濕度傳感器，溫濕度采集的A/D轉換在傳感器內部實現，方便根據使用環境更換不同的傳感器。

接口功能滿足了常規電能的運行數據監測、能效管理、電能質量、電氣安全的功能要求。同時充足的開關量監測接口，既滿足開關柜狀態監測要求，又可以滿足其他監測裝置的狀態接入要求。

3.2 通信設計

分布式、離散場景的供電、負荷節點是傳統電力監控方案中的難點。存在網絡拓撲設計復雜、通信施工難度較大、成本高等問題。無線通信的引入使該場景的監控數據采集變得十分便利，借助密布的運營商基站，監測點數據在無形的通道中暢通無阻的傳輸。

但是無線通信由于資費問題，存在傳輸數據量受限的問題。電力設備狀態數據具備典型的大數據特征，主要體現在4個方面。1）數據來源多。2）數據體量大、增長快。3）數據類型異構多樣。4）數據關聯復雜。其與通信資費控制的思想相悖[1]。為了解決該問題，“G表”對數據列表進行了區分，將數據分類成了凍結數據、累計數據以及瞬變數據3種。凍結數據為按照一定規則計算保存、一定時效內固定不變的數值，例如月度能耗、最大需量。累計數據受時間因素的影響，隨著時間的變化而累加變化，例如實時電能。瞬變數據為不受時間因素影響的數據，主要有電壓、電流、頻率、功率、功率因數等，每一時刻的數據均存在波動可能性。

凍結數據采取云平臺主動采集的策略。按預設時間自動執行數據召喚或者進行手動召喚，丟失或無響應時，重新進行召喚，確保數據能夠成功采集。

累計數據由“G表”按時上送云平臺，用戶根據管理所需采集精度，自行在“G表”中設定上送時間。這樣可以減少云平臺下發的任務，減輕云平臺的運行壓力。

針對瞬變數據，除了可以選擇定時上送云平臺，還可以選擇數據突變上送。其原理是單次數據采集變化區間超過設定閾值時，將數據主動上報云平臺，當數據變化未超過設定閾值時，則不進行數據上報。依照對數據觀測的敏感度，用戶可以改變閾值設定，從而獲得所需精度的數據變化，以此來描述電力系統的運行工況。

通過以上的數據分類管理策略，“G表”減少了數據傳輸的數量，依然可以確保客戶所需數據的精度。

3.3 邊緣計算

無線通信為了壓縮數據量，發送給后臺的數據與傳統電力監測方案相比有限。同時通信連接也受到比有線通信更多的干擾因素的影響，而丟失數據導致判據不足，出現無法進行計算的情況。基于物聯網結構產品設計思路，“G表”具備邊緣計算功能。在邊緣計算模型中，網絡邊緣設備具有足夠的計算能力，以此來實現源數據的本地處理，并將結果發送給云計算中心。邊緣計算模型不僅可以降低數據傳輸的帶寬，同時也能較好地保護隱私數據，降低終端敏感數據隱私泄露的風險。解決了一部分數據有效性及降低數據發送量的問題[2]。

“G表”采集所得的數據直接由MCU進行計算，可以實時或更快地進行數據處理和分析。而不像傳統的電力監測手段，數據的處理分析全部依靠后臺系統執行。

在某些場景下需要立刻對信息做出反饋時，經由無線傳輸數據后，再由云平臺下發命令，解決了存在較高綜合延時的問題。此外，存在多種原因導致數據或命令無法正確傳送，造成反饋任務失敗的問題。因此，邊緣計算對于無線傳輸方式來說十分重要。

3.4 配套管理平臺

平臺設計基于兩點中心思想構建，即設備管理和大數據監測分析。

設備管理是描述“G表”與對應管理組織的勾連關系，包括了用戶組織架構下“G表”的添加、修改、刪除，同時還具備設備流量監管功能。用戶通過簡單的數據錄入，就可以很方便地對儀表使用進行管理。

將“G表”的管理方式抽象成組織架構的管理模式，適用于絕大多數的分級管理方案，例如按地域劃分管理、按部門劃分管理、按產線劃分管理等。基于該思想設計的架構，可以方便地進行離散單點的橫、縱向數據對比，組織結構之間的橫、縱向對比。此外，還針對主流關注的參量信息，制定了不同的分析策略。用戶可以根據需要自行進行便捷的數據分析。

4 結語

該文提出的無線電力監測單元“G表”，提供了分布式、離散監測場景的全套電力監測解決方案。其功能滿足了常規電能運行數據監測、能效管理、電能質量、電氣安全、狀態監測的需求，并在此基礎上，實現了分類數據的無線通信以及邊緣計算的功能。同時，該產品配套定制開發的管理平臺，為用戶解決了一站式數據存儲的問題。產品有別于傳統電力監控系統煩瑣的建設、調試過程，安裝即用，滿足分布式、離散場景電力監控的絕大多數需求，具有一定的創新意義和市場前景。

參考文獻

[1]江秀臣，盛戈皞.電力設備狀態大數據分析的研究和應用[J].高電壓技術，2018，44（4）：1041-1050.

[2]施巍松，孫輝，曹杰，等.邊緣計算：萬物互聯時代新型計算模型[J].計算機研究與發展，2017，54（5）：907-924.