面向能效管理的電流互感器無線傳輸技術研究

陜西省地方電力（集團）有限公司咸陽供電分公司 劉 歡 張宇翔 秦宏武 楊 偉

隨著我國經濟快速發展電力短缺日趨明顯，節能和減少排放已經成為全社會的核心問題。為此，經營者積極響應國家要求加強推進節能及污染物排放減少。為確保減排措施長期有效，實時驗測和持續檢測，評估降低節能排放措施的影響，制定了相應的優化措施。其中，基站能耗管理中存在許多問題，如城市基站設備布局非常復雜、廣泛且具有氣候特性，網絡基站耗電量系數過大，各基站耗電量似乎無法共享。在這種情況下，基站的電力管理器需要及時確認多個基站功耗[1]。

1 無線電流互感器裝置原理及關鍵技術

想要同步采集到基站內的所有關鍵節點信息，其中最應該注意到的就是如何讓異地鐘同步，以及非長距離的無線傳輸，以上兩點可通過對電壓量和電流量的計算得出實時所用電量，將無線電流傳感器裝置制作出來。這也是此文在異地時鐘同步和非長距離無線傳輸技術都研究一番之后才做的抉擇，將本地網絡式定時同步方式與Zigbee無線傳輸方式合二為一，進而達到同步傳輸的效果。

1.1 異地時鐘同步技術簡介

時鐘技術領域以世界時間、協調世界時間與核時間為國際通用的時間標準，系統只有規定了時間標準，才能讓之后不同卻繁雜的時間節點得到一個標準，從而在標準時間內實現整個系統的同步。本文將時鐘的同步描述為一對行為，并將分布在整個系統不同位置的條帶。想要實現同步，就需要從時間同步以及頻率同步著手研究，頻率同步只需保證系統中拍頻相同。如果要實現時間同步，不僅需確保每個節點的周期頻率相同，還需確保每個節點的周期相位相同[2]。

對于尋常的遠程同步記錄系統來說，系統的速度遠高于掃描速率和掃描信號的頻率，則同步后產生的相位差對數據采集幾乎沒有影響。由此可見，節奏同步是指確保每個記錄節點的節奏相同；最經典的時間同步莫過于移動通信網絡，這也只是在時間精度方面嚴謹應用的典范。

1.2 短距離無線傳輸的技術指標

對網絡而言，無線傳輸節點就是奠基的基礎。無線傳輸最突出的一面莫過于是節點眾多且密度極高，這就需任意一個無線節點都要擁有適量存儲容量及計算能力。設置無線傳輸節點設計的幾個指標，然后分析和比較典型的無線短距離傳輸技術進行選擇。

低能耗。無線傳輸節點的基礎是能量。本文研究的無線變壓器以能效管理為對象，耗能問題十分嚴重。無特殊情況的話，電池才是無線傳輸節點系統的動能，然而由于電池功率的問題，導致無線傳輸節點只能維持數月、幾年或是盡其所能的延長使用時間?，F今的基站無線通信網絡當中節點數量龐大，在一些節點數量眾多、人口卻稀少的惡劣環境中，想要更換電池的問題非常強人所難，故而因為電池大多是被無線通信的設備所消耗電力，更快捷的解決辦法就是尋找適合的設備；容量大。由于現在的網絡節點數量龐大，所以相應的容量也必不可小。

通訊能力。無線傳輸網絡的節點是由通信速率及通信范圍組成，也是無線通信能力最具分量的指標。通常情況下，無線通信在經過了無線傳輸節點后都會消耗極多的電力。而現在通信容量增長的越發迅速，數據傳輸時間可大大縮短，較少節點的覆蓋范圍可能更廣，但這也與射頻節點的能量消耗增加密切相關。隨著通信容量的降低，這讓系統越發密集，也讓其需提供的節點數量越龐大，這就讓整個系統的成本大幅度增多。所以對于通信容量及能源消耗的問題如何解決，怎么才能使系統成本降低，甚至還能讓無線傳輸網絡系統的使用壽命有所提升，都有待解決[3]。

傳輸距離。對于無線短途傳輸來說質量毋庸置疑，然而要是距離過遠，對于傳輸質量還是會有影響。若是傳輸距離過近又會導致設備可用性的節點密度被迫增加，這會造成成本大幅度提升，并不符合本文的中心思想；可擴展性和靈活性。網絡結構會因網絡節點的數量而進行變化。所以在出現故障后極有可能造成節點故障，這樣一來就要以新換舊。因此，為適應不斷更新的網絡結構，有必要為無線通信選擇靈活、可擴展的傳輸模式。此外，在不同的應用中都能以更靈活、便捷的組合來配置組件，以便達到優先級系統的使用要求，這也讓其避開了需為每個應用而開發新硬件系統的問題，對于節約成本來講是一種不錯的選擇。

低成本。現今的無線傳輸網絡對節點的需求是龐大的，唯有降低成本才是節約成本最好的選擇。而現今的情況表明，唯有低成本才能讓如此龐大的布局具現化，這體現了無線電源轉換器的優勢。因此，文中對于系統所需芯片推薦成本更低的、只要保證功能不打折即可。另外，由于設計指標并非獨成一體、都是相互聯系的，所以會出現某項指標出現浮動后會聯動其他的指標也出現浮動，這些就屬于具體情況具體分析的情況，在現實匯總以各項指標的真實數據進行分析，做最好的設計。

2 無線同步模塊的硬件與軟件設計

2.1 無線同步方案的設計

由于本地網絡式的時間同步方式，方案的組成中電壓測量主站無線模塊與若干個電流測量節點終端無線模塊分別一一對應，當主控中心、也就是主站無線模塊將區域記錄的電壓信號作為參考信號后，對于時間脈沖和每個周期的時間信號提取就成為了時間信號上升方向發送無線電發射模塊、并發送時間順序。先將將發送時間排序，后將所收集到的本地電壓數據進行有效值的計算。在下次發送時間信號之前，測量值將會發往每個終端無線電模塊。這也是每個終端無線電模塊收到獨立國家時間信號時、使用硬件序列號探測器接收時間信號，激活終端并接收時間信號時接收每個分支的當前信號。

在主控中心處，主站無線模塊以本地采集的電壓信號作為參考信號，提取定時脈沖，每周期提取一個定時信號，以定時信號的上升沿觸發無線發送模塊，發送定時序列。當定時序列發送完畢后，立即啟動本地電壓數據采集并計算其有效值。待下次發送定時信號時，再將測量值發送到電流測量處的各終端無線模塊。同時各終端無線模塊接收主站發送的定時序列，采用硬件序列檢測器檢測定時信號，當收到定時信號時，同時啟動各終端采集信號采集各分支的電流信號。

由于距離較近，無線傳輸時間可以忽略不計，這樣各終端模塊采集電流的時間即可以與電壓模塊的采集時間保持同步。并根據計算出的電流有效值以及第一點的電流瞬時值，即可以確定電流信號與參考電壓信號的相位差。從而保證精確計算出各分支的能量信息。

通過這種方法，各終端模塊根據采集的分支電流，以及主站模塊發送的參考電壓信號實時計算各分支的有功功率、無功功率、統計分支電度數。并根據要求，定時向主站模塊發送各分支的電能信息等技術參數[4]。

圖1 無線同步模塊總體軟件設計流程圖

2.2 無線同步模塊總體軟件設計

打開無線同步調制器，初始化LPC2214主處理器與Zigbee無線電模塊包括以下環節：系統速度、IampO端口、ADC、外部中斷與UART的初始化。經以上步驟再次啟動后，測量的過程中主無線模塊將以電壓信號作為參考值，產生的脈沖時間與各地每周定時信號和提取時間信號保持一致性。無線傳輸模塊通過上邊緣時間信號來激發傳輸同步碼序列，同時無線端模塊也開始搜尋同步碼序列，同步后將發送，且無線傳輸模塊將及時對局部電壓數據進行采集。終端無線電模塊也將對同步代碼序列進行掃描，之后同步實時信息。在傳輸下一個同步編碼同步時，將前一段時間的電壓測量數據傳輸到每個無線終端模塊，計算并恢復同步采集的電壓和電流數據。

綜上，本文深入分析了時鐘同步和無線傳輸的原則，并監控基于能源效率管理的實時無線同步獲取系統中的電力。考慮到系統的可能性、能源消耗和成本，設計了無線同步采集系統的設計，通過實際應用實現了最終測量數據的完美效果。

3 測試結果及分析

系統設計完成后，需要對系統的性能進行測試，以驗證是否達到了預期的設計目的。同時利用仿真軟件分析系統數據，對系統性能進行評判。系統測試可分為部分測試和整體測試兩部分，部分測試主要包括網絡傳輸測試、同步測試、存儲測試三個方面。系統實物圖如圖2所示。

圖2 系統實物圖

本文針對于部分測試的內容多從實際觀察角度即可得知、在此不做具體的分析，主要對網絡整體測試進行分析，本文對網絡整體得測試即為對電能的測試。從狹義的角度又可將電能測試分為電壓測試、電流測試和電能測試。對一個終端進行分析，針對于本文不在同一點進行電能的監測系統相應的建設了同點檢測系統作為對照。即在每個終端安裝測電壓裝置，設置與數據中心相同的頻率。在每次接收到數據中心數據同時會在終端處測定一下實際的電壓數據，以此作為對比。實驗中測定10000個點，兩電壓對比圖如圖3所示，將結果數據分析，對終端實時電能的消耗進行分析，如圖4所示。

圖3 電壓數據對比

圖4 電能數據對比

可以看出，通過此種方法所測得的電能消耗與真實數據之間偏差較小，偏差與實際數據的比值＜3%、在允許范圍之內，本文提出的方法可行。分析出現偏差的原因，主要是因為：終端收到的電壓數據是經過數據中心整理的有效電壓、與網絡實際的電壓偏差。另外，電壓數據經過傳輸后到達終端，在此雖然時間較短，但也并不能是的數據完全同步，可能會引起數據的偏差。

4 結語

本課題在開始階段，通過閱讀大量的相關文獻，從時鐘同步和無線傳輸的原理、發展和國際水平等方面進行了系統的學習和研究，面向能效管理的需求做出了特殊環境下的實時監測電量的無線同步采集系統。基于方案可能性、系統功耗大小、系統成本高低等多方面考慮，最終確定了實時監測電量的無線同步采集系統的設計方案。經過兩年的研究和設計，最終測量數據完美達到效果。

本課題完成的工作主要有以下幾個方面：結合我國能源緊缺的現狀，并查閱分析了現階段國內外在時鐘同步和無線傳輸的發展現狀，通過調查了解明確了課題的實用價值以及研究意義，并最終確定了可以實時監測電量的無線同步采集系統的具體方案；設計并實現了基于LPC2214核心處理器的無線同步模塊各部分硬件電路的設計；設計并實現了無線同步模塊各部分軟件電路的設計，并進行了實驗加以驗證。