基于NB-IoT 無線通信的智能電表監測系統設計

歐陽曾愷，劉 建，田正其

（1.國網江蘇省電力有限公司營銷服務中心，江蘇南京 210019；2.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103）

在電能電量使用過程中，為了方便電能用量的計量和電器正常工作的管理，專業人員發明了電表，電表在運行過程中會時刻反映所連接電器的使用情況，如果電表的工作狀態發生異常，電表監測系統就會向管理部門提交故障檢修消息，防止危險事故的發生。傳統的智能電表監測在外界特殊手段干擾的情況下，對于電器用電量的監測精度達不到要求，使用戶的用電量數值不準確，導致居民和電業局之間產生矛盾，帶來惡劣的影響[1-2]。

為了提高電表的監測功能性，該文在NB-IoT 無線通信技術和電能采集總線通信協議的基礎上，進一步完善智能電表監測系統的功能[3-4]。分別對智能電表監測系統的硬件區域和軟件區域進行分析，以提高系統的性能為目的，完成基于NB-IoT 無線通信的智能電表監測系統的設計。最終通過對比實驗分析，證明了該文設計的智能電表監測系統具有實際應用意義，有利于保障電表的正常工作。

1 系統硬件設計

基于NB-IoT 無線通信的智能電表監測系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 智能電表監測系統硬件結構

1.1 芯片設計

芯片是系統性能實現的基礎，只有保證芯片的時效性和技術性，才能使系統正常工作。為了達到該文研究的預期效果，選用ASM879 系列的芯片，此芯片自帶該系列附屬的主控板，使芯片的使用效果最佳。ASM879芯片的體積為5 cm3，正常工作溫度范圍是-55 ℃～125 ℃，芯片的工作模式為PSM和EDRX。根據系統的執行命令，芯片的工作模式[5]可以自動更換。ASM879芯片的最大輸出電流為90 mA，具有8個恒流源的輸出電路，節省了芯片本身的占用面積，芯片間的電流誤差率為60%，位間的電流誤差率為15%。此芯片在運行過程中的頁面數據刷新率可以達到85 Hz，采用最新系列的數據移位時鐘，時鐘移位鐘頻率為15 mHz[6-8]。

1.2 串口服務器設計

智能電表監測系統硬件區域的串口服務器設計的目的是完成軟件區域電能采集總線操作協議的正常使用，并且電表器本身是一個雙向多串口的計量器件，通過串口服務器，保證電表計量通道與監測方法一對一操作，使得電表內電流和電壓的計量更加準確[9-12]。串口服務器結構如圖2 所示。

圖2 串口服務器結構

串口服務器的串口接收端采用EVBM-110R 模塊，發送端為EVBM-107R，并且服務器內部設置了一個紅外控制模塊，保證服務器不受外界因素的干擾。串口服務器采用16 口結構，其中最具代表性的是RS485、RS232、自適應接口、端子接口4 個類型，服務器的發送率達到100%，串口服務器的默認地址為192.168.0.0，器件依據TCP/IP 協議完成工作[13-14]。

1.3 電能采集器

電能采集器是智能電表監測系統硬件區域的核心器件，主要的工作是采集計量電能數據。

電能采集器的工作原理是對電信號的轉換，完成電能的采集計量，該文選擇的電能采集器可以連接無線網絡，采集完成后，立即通過網絡傳回到監測系統的管理中心。采集器的內存為256 GB，操作系統為LINUX，重量為270 g，輸出電源適配器的DC 為5 V，并且電流恒大于1.5 A，輸入的AC 為100～240 V，頻率為50～60 Hz，采用的電源為3.7 V 2 300 MHz 容量的電源模塊。為了保證電能采集器的工作安全，此采集器可以排除半徑為15 km 范圍的空氣放電干擾與半徑為5 km 半徑的直接放電干擾[15-16]。

1.4 穩壓器

穩壓器電路如圖3 所示。

圖3 穩壓器電路

系統硬件區域穩壓器的工作目的一方面是保證監測系統連接計算機的安全，另一方面是保證系統連接的電表工作安全，一旦監測系統監測出電表存在異常運行故障或者電表內電壓出現異常，立刻觸發穩壓器，將電表與其他串聯電表物理斷開。該文選擇三相穩壓器SVC，穩壓器的工作電壓為380 V，器件外圍采用雙線圈保護，純銅調壓線和補償線間接圍繞，匝線連接緊密，具有效率高、速度快的特點。穩壓器的電壓頻率為50～60 Hz，可以在2 s 內完成調壓，必要時采用自動切斷輸出，器件耐壓為2 000 V/min，不會擊穿模型，絕緣電阻大于5 Ω。

2 系統軟件設計

電能采集總線操作協議所涉及的智能電表監測系統硬件區域的器件主要是芯片、傳感器、串口服務器以及電能采集器，連通各個器件，輔助電表完成電能的采集，輔助電表監測系統完成監測操作。電能采集總線操作協議主要分為三部分，具體內容如下：

1）對需要采集電能的電表箱進行初始化設置，通過調用硬件區域的寄存器完成監測芯片的復用處理，與智能電表內的電流、電壓、電壓增益、補償值進行初始化觸發，使得采集的電能具有穩定性。2）協議獲取電表內的單相電信號變化情況，根據信號波動函數，完成信號與電表內電流數據的轉換。3）完成電表箱內電流和電壓的測試后，調整串口接口的協議通信通道口，此時協議迫使電表的寄存器工作模式為000[1:0]，采集器能采集到目標通道內有效的相位電能。

NB-IoT 無線通信技術也被稱為窄帶物聯網通信技術，主要由感知層、網絡層和應用層構成，是目前物聯網網絡的一個重要組成技術之一，隨著窄帶物聯網通信技術的發展，技術部署于全球移動網絡領域和通信領域。窄帶物聯網通信技術的優點是調用無線通信技術時，只需耗用180 kHz 的頻段，網絡覆蓋范圍廣，信號覆蓋半徑是GSMDE 的四倍，并且每周期的發射功率為23 dBm，傳統通信技術的發生功率為33 dBm，并且運行成本低，如果調用過程中出現問題，可以實時終止調用。另外窄帶物聯網通信技術的遠程通信靈敏度高于接收和發送順序，采用半雙工通信模式，保證數據傳輸的數據幀傳輸數據時不會出現丟包的情況，保證數據的完整性。

基于NB-IoT 無線通信的智能電表監測系統工作流程如圖4 所示。

首先將設計的系統接入智能電表管理系統中，在系統與智能電表箱可以無誤差地連接后（此過程大概3 min），系統硬件區域的串口服務器觸發電能采集器，調用電能采集總線操作協議打開電流的相應通信通道，采集并記錄準確的有效電流、電壓等其他變量參數，與接下來監測系統自動識別的數據進行對比校驗。監測系統會調用NB-IoT 無線通信技術導入流經電箱的電壓和電流，當電流經過系統硬件區域的芯片時，記錄電流值，根據有效電流的定義和電流波動函數，計算出電表所連接的各個用戶的電流值，最終與電表值進行對比校驗，一旦數據匹配錯誤，立即復檢，復檢無誤后，向電業局提交電表箱故障維修申請，停止電表的工作，保障多方權益。

3 實驗分析

該文選擇基于人工智能識別的智能電表監測系統（傳統系統一）和基于電路轉換分析的智能電表監測系統（傳統系統二）作為傳統的對照系統，共同完成實驗測試，以上兩個系統都是通過專業審核的電表監測系統。

選擇的測試樣本是某街區一號樓六單元的智能電表箱，實驗前將該文實驗測試的3 個監測系統與測試的智能電表進行連接，電表的另一端連接的是數據分析儀，以便對實驗數據進行復檢。

預處理操作后，實驗正式開始，在實驗過程中，同一時間觸發3 個智能電表監測系統，并且工作人員通過手持式專業的電能電表監測儀同時進行監測處理。測試時間為12 小時，4 組工作人員每隔2 小時記錄3 種系統的監測結果并與手持式專業監測儀的數據進行對比。12 小時后結束實驗，進行測試數據的匯總，完成實驗分析，得出測試實驗的結論。經過以上的實驗操作，匯總3 種系統監測的實驗數據如表1 所示。

表1 匯總監測的實驗數據(kW·h)

監測時間實驗結果如表2 所示。

表2 監測時間實驗結果

監測穩定性如圖5 所示。

圖5 監測穩定性實驗結果

通過以上的實驗數據測試，該文監測系統對智能電表進行監測的電表結果的波動性遠小于傳統監測系統，可以直觀地得出該文系統對于智能電表的電能監測穩定性較好。在完成實驗測試后，該文設計的監測系統的各個硬件器件的溫度也在器件的正常運行范圍內，并沒有由于負載壓力，導致系統器件出現附加損耗。

另一方面，實驗前在電表的一端連接的數據分析儀表明，基于NB-IoT 無線通信的智能電表監測系統對比其他兩個傳統的智能電表監測系統在電表數據出現變更的情況下，監測系統的反應時間也是最快的，具有較高的靈敏性。

綜上所述，基于NB-IoT 無線通信的智能電表監測系統能夠有效縮短監測時間，提高監測過程的穩定性。

4 結束語

該文在智能電表監測系統的硬件區域設計了智能芯片、串口服務器、電能采集器、無線通信器以及穩壓器，在軟件區域植入了電能采集總線操作協議和NB-IoT 無線通信技術，最后通過協議和軟件集成了基于NB-IoT 無線通信的智能電表監測系統。通過實驗驗證，該文設計的系統在監測智能電表時，具有較短的監測時間，僅為0.04 s，并且有效提高了在監測智能電表過程中的穩定性。相信通過該文智能電表監測系統的設計，可以提高電表對于電資源的精確識別，保障電表工作的效率。