基于LoRa通信的智能電力測控儀設計

尹春杰，李鵬飛，王光旭，宋其征，趙 欽，胡 佳

(1.山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101；2.山東中科先進技術研究所有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

在國家政策的大力推動下，風、光等新能源應用規模不斷擴大，以工業廠區、建筑園區等為代表的用戶側微電網建設備受關注，也對需求側管理提出了新的要求。在計算機、通信、信號處理等技術的支持下，智能電力測控裝置向著數字化、智能化、網絡化的方向不斷發展[1-2]。

本文立足用戶側微電網自動監控的實際需求，設計了一款智能電力測控儀，可將監測點的電量信息遠程傳輸至上位機監控中心，讓用戶實時掌握設備運行狀態及用電信息。通過對設備能耗、電能質量等數據的合理分析與輔助決策，有利于用戶實現對新能源發、儲、配各環節的有效管理、生產調度優化及遠程負荷調控。

1 智能用電管理系統基本結構

微電網智能用電管理系統結構如圖1所示。該系統由位于用電現場的智能電力測控儀層、作為中繼節點的智能數據通信網關層及上位機監控主站層這3層組成。現場儀表層與中間通信網關層設計采用LoRa通信方式；中間網關至監控主站可采用Wi-Fi、GPRS等公用網絡資源。

圖1 智能用電管理系統結構圖Fig.1 Structure diagram of intelligent power management system

2 智能電力測控儀構成原理

智能電力測控儀是整套系統的基礎：向上傳輸各測點電力數據與現場設備運行狀況；向下執行主站負荷調控指令。

2.1 基本功能及主要指標

智能電力測控儀的主要功能包括實時電參數計量、雙向四象限電能量累計、負荷分析、電能質量分析、數據存儲與傳輸、快速故障診斷、遠程控制等[3-4]。

考慮到工作場所的復雜性，將其工作溫度設定在-10～+50 ℃，濕度為20%～95%，在滿足電磁兼容性的要求下達到B類儀表的精度要求。其主要精度指標如表1所示。

表1 主要精度指標Tab.1 Main accuracy indexes

2.2 基本電力參數計算方法

目前，我國市電頻率為50 Hz。本設計采用N=128的等間隔交流采樣方法。該方法的采樣頻率為FS=Nf=6 400 Hz,理論上最高可測得63次諧波值[5-6]。以電壓信號為例，經模擬數字(analog to digital,A/D)轉換后得到有限長電壓序列{U(n)}，通過快速傅里葉變換(fast Fourier transform，FFT)可得出基波及各次諧波的實部值與虛部值，記為{(URk,Ujk)}。相應各次電參量的有效值可表示為：

(1)

(2)

(3)

當k=1時，U(k)為基波分量；當k>1時為諧波分量，u(n)為第n個采樣值。這樣可得各次電壓的有效值。電流計算方法同理。對于每相基波分量的有功功率、無功功率和功率因數的計算，以A相基波分量為例，根據IEC電功率定義，視在功率為：

(4)

A相基波的有功功率為：

PA1=Ur1Ir1+Uj1Ij1

(5)

式中：PA1為A相基波的有功功率；Ur1為電壓基波分量的實部；Ir1為電流基波分量的實部；Uj1為電壓基波分量的虛部；Ij1為電流基波分量的虛部。

A相基波的無功功率QA1為：

QA1=Ir1Uj1+Ur1Ij1

(6)

式中：QA1為A相基波的無功功率。

A相瞬時功率因數cosφA為：

(7)

式中：cosφA為A相瞬時功率因數；PA1為A相基波的有功功率；QA1為A相基波的無功功率。

B、C兩相的計算方式相同。三相總功率可采用“三表法”獲得，表示為：

PS=PA1+PB1+PC1

(8)

QS=QA1+QB1+QC1

(9)

式中：PS為基波總有功功率；QS為基波總無功功率；PA1、PB1、PC1分別為A、B、C三相基波有功功率；QA1、QB1、QC1分別為A、B、C三相基波無功功率

三相功率因數cosφS也可由此計算出，為：

(10)

式中：cosφS為三相功率因數；PS為三相總有功功率；QS為三相總無功功率。

2.3 電能質量參數計算方法

相較于大電網，微電網由于分布式電源的不穩定性，其電能質量問題更為突出。按照我國現行有關電能質量技術標準[7-9]，主要實現頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度及電流、電壓畸變率的計算。

①頻率偏差。

Δf=fRe-fN

(11)

式中：Δf為頻率偏差值；fRe為節點的實際頻率值；fN為系統的標稱頻率值。

國內電網標稱頻率為50 Hz。

②三相電壓電流不平衡度。

該指標反映了三相電壓/電流的對稱性及一致性。在三相四線制系統中，三相電流不平衡將導致較大的零線電流出線，導致損耗增大并影響用電安全性[10]。通常利用解析幾何的方法推導出三相不平衡度的計算公式：

(12)

式中：FA1為正序分量；FA2為負序分量，可基于交流采樣數據序列方便地求取。

③電壓偏差。

電壓偏差反映了實際供電電壓相對于標準電壓的偏離程度，是評判供電電壓是否合格的重要指標。其計算公式為：

(13)

式中：UN為標稱額定電壓；UR為實際測量電壓。

④電壓電流畸變率。

非線性負載的使用導致電壓電流波形發生畸變，出現諧波信號。通常采用電壓總畸變率和電流總畸變率對電壓及電流的波形質量作出評判。其計算公式分別為：

(14)

(15)

式中：Un為n次諧波電壓含量;In為n次諧波電流含量，均采用FFT算法求取。

3 智能電力測控儀硬件設計

測控儀的硬件系統結構如圖2所示。

圖2 硬件系統結構示意圖Fig.2 Hardware system structure diagram

主控芯片選用STM32F103RET6，工作頻率為72 MHz，體積小、功耗低、外設資源豐富[11]。人機交互方式采用128×64點陣式LCD液晶顯示、8路LED狀態指示及7個功能按鍵；擴展3路電壓、3路電流采樣變換電路，2路繼電器控制輸出電路，3路開關量采集電路，另外包括非易失數據存儲電路、實時時鐘電路、通信電路等。通信電路設計RS-422/485、LoRa等多種通信接口，可滿足不同場合應用要求。

3.1 電壓電流采樣變換電路

A相采樣變換電路如圖3所示。

圖3 A相采樣變換電路Fig.3 Sampling conversion circuit of phase A

本設計將三相電壓和三相電流分別用PT107電壓互感器和CT103電流互感器轉換為與一次電路電氣隔離的交流小信號，并采用LM258同向比例放大器實現交流信號平移、濾波，將完成采樣變換的信號送入主控芯片內置的模擬數字轉換器(analog to digital converter,ADC)進行交流采樣。低通濾波截至頻率約3 000 Hz，可避免128點FFT變換出現頻譜混疊現象。

由圖3可知，A相電壓及A相電流采樣變換電路。B相、C相與A相同理。

3.2 LoRa通信電路設計

LoRa是一種專門用于無線電擴頻調制解調的通信技術[12]。各通信技術特點如表2所示。

表2 各通信技術特點表Tab.2 Characteristics of different communication technologies

從表2可以看出，LoRa通信具有通信距離遠、功耗低等優點。

LoRa模塊的硬件設計主要由Semtech公司最新推出的SX1268 和PE4259芯片構成。LoRa模塊硬件電路如圖4所示。

圖4 LoRa模塊硬件電路圖Fig.4 Hardware circuit diagram of Lora module

由圖4可知：微控制單元(microcontroller unit，MCU)采用串行外圍設備接口(serial peripheral interface，SPI)協議對SX1268芯片進行工作頻率、帶寬、擴頻因子等參數初始化設置；射頻芯片SX1268通過控制選擇開關PE4295經天線電路實現信號接收與發送。

4 軟件方案設計

軟件部分采用模塊化思路，編寫各功能模塊的驅動函數。主程序可調用各功能子函數，以便日后的升級與移植，提高了程序的可靠性和兼容性，降低了開發難度。

4.1 主程序設計

系統的主程序流程如圖5所示。由圖5可知，初始上電后儀器完成所有模塊初始化，然后開啟軟件定時器中斷功能。中斷周期為156.25 μs。在此軟件定時中斷服務程序中，可實現定間隔交流采樣及數據變換處理。主程序主要實現LCD顯示、LED狀態刷新、鍵盤掃描、數據存儲、通信數據庫刷新等功能。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flowchart

4.2 LoRa模塊收發功能軟件設計

LoRa模塊收發功能實現流程如圖6所示。SX1268射頻芯片是半雙工收發器，發送與接收過程需分別考慮。

發送數據流程如圖6(a)所示：首先，將Mode設置為001并進入待機模式，隨后在發送初始化過程中使能發送中斷，設定數據長度、數據地址等參數；然后，將需要發送的數據寫入先進先出(first input first output,FIFO)隊列中，再將Mode設置為011并進入發送模式；最后，等待數據發送完成，清除中斷標志位，結束發送。

結合實際情況，接收數據流程采用連續接收模式，如圖6(b)所示。進入待機模式后，在接收初始化過程中，配置接收中斷標志、接收時間等參數。接收完成后，對數據包進行循環冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)。校驗成功后，讀取FIFO中的數據，然后清除中斷標志位，結束接收。

圖6 LoRa模塊收發功能實現流程圖Fig.6 Implementation flowchart of LoRa module transceiver function

5 樣機測試分析

本文參考《GB/T 1242—2000 安裝式指示和記錄電測量儀表的尺寸》，選用常用的42方型儀表樣式，完成了試驗樣機研制，并進行了基本電參量檢測精度測試。

電壓有效值、電流有效值、頻率測試結果分別如表3～表5所示。

表3 電壓有效值測試結果Tab.3 Voltage RMS test results

表4 電流有效值測試結果Tab.4 Current RMS test results

表5 頻率測試結果Tab.5 Frequency test results

從表3～表5可以看出，所研制樣機的基本電力參數檢測相對誤差均能控制在0.3%以內，可滿足預定的設計指標要求。

6 結論

本文針對工業用戶用電管理實際需求，研究了由現場儀表層、中間網關層、監控主站層構成的用電管理系統基本架構。所設計的智能電力測控儀可實現用電參數實時采集計算、電能質量參數在線分析計算等功能，支持LoRa無線通信組網方式。樣機測試結果符合設計要求，對提升工業用戶用電管理水平具有積極意義。