物聯網技術下電能質量監測系統的設計

朱成杰，周 亞

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

對于電能質量的采集，傳統的方法是工作人員定期攜帶電能監測設備到現場實現數據的采集和保存，這種采集方式消耗了大量的人力物力，還存在效率低、易受環境影響等缺點[1-3]。對于LPWAN來說，窄帶物聯網技術具有覆蓋面積更廣、連接的密度更大的特點[4-6]，被廣泛地應用在了智能儀表方面，實現了遠距離的電能質量采集與收集，相比于傳統模式更加安全、快捷、高效[7-10]。根據分析情況以及現實需求，本文采用以NB-IoT技術為基礎的高頻率采集電能質量信息的遠程采集分析系統，通過該系統可以更快捷地對電能質量進行監察，便于提升電能質量。

1 系統整體方案設計

結合圖1所示的實際電能質量采集分析系統的設計框架，該系統涉及的軟硬件大致可以分為三個體系，即數據采集終端、無線傳輸和數據監測管理中心。采集終端PQAUE主要由兩部分組成，其中硬件以MCU為主控部分，NB-IoT作為通信部分，由eSIM卡協助完成通信，計量器采集數據并向主控部分傳輸數據；軟件主要實現的功能是控制數據傳輸，實現數據的采集和算數運算。數據監測管理中心由兩部分組成，即客戶端軟件和服務器軟件。

圖1 電能質量監測系統整體設計框架

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片硬件最小系統及外圍電路

主控芯片STM32F103C8T6能夠正常運行，電源、復位電路、晶振電路是不可或缺的，共同組成了該硬件的最小系統。采用NB通信技術實現輸電線路電能質量監測站和監測設備之間的通信，實現電能質量的監測，其中信號處理及信號運算分析是由STM32F103C8T6控制系統完成。

2.2 電能計量芯片選型

三相電網中常用ATT7022E作為檢測電能的專用計量芯片，如圖2所示。該芯片由參考電壓電路、三相電壓電流差分輸入ADC模塊以及數字信號處理電路所集成，其主要功能是測量三相電網中的電流有效值、電壓有效值、視在功率、有功功率和無功功率等重要電力參數；由于該芯片不能直接測量大電壓電流，故實驗中采用電壓采樣電路和電流采樣電路進行采樣處理。ATT7022E上可以直接實現與MCU的串行通信，更高效準確地讀取所測得的相關數據。因此，從功能和測量精度來說，ATT7022E是最佳的電能計量芯片。

圖2 電能計量芯片

2.3 NB-IoT模塊選擇

采用新款BC26模塊，該模塊基于聯發科MT2625芯片平臺研發，其頻率覆蓋率相較于BC95和BC28更廣，支持全球覆蓋，具有體積小的特點。在實際應用中，BC26的供電電壓一般為低壓供電2.1～3.63 V。設計方面兼容移遠通信GPRS系列M26模組，方便用戶更快速靈活地切換至NB-IoT網絡。

2.4 系統供電模塊

傳統的供電方式有兩種，即高壓變電供電和太陽能供電。考慮天氣環境等多方面因素，本文采取太陽能加鋰電池的方式進行供電，當白天光源充足時，太陽能供電的同時向鋰電池進行充電，當遇到霧霾陰雨天時由鋰電池向設備供電。本系統使用DC-3.3 V供電，采用的設計方案是：220 V交流電轉5 V直流電，再將5 V直流電轉為3.3 V直流電；兩種芯片的選擇分別是HLK-PM01和TPS70933，二者都具有體積小、功耗低的特點。

3 系統軟件設計

系統軟件設計由主控制系統、電能采集模塊、NB-IoT通信模塊進行初始化，經過NB通信將測得的數據傳送至OneNET云平臺，設計手機APP或者PC端網頁，以方便遠程用戶隨時查看測得數據。

3.1 系統總體流程設計

軟件系統主流程如圖3所示。

圖3 系統軟件主流程

3.2 云平臺

系統中采用OneNET云平臺，云平臺邏輯示意圖如圖4所示。云平臺不僅能夠通過無線通信技術實時接收來自監測終端的原始數據，還能夠通過其向現場監測設備發送指令，并且能夠將監測設備的原始數據記錄保存。

4 系統測試

監測中心可以通過手機APP或者登錄網頁OneNET進行數據的查看與監測。在OneNET和APP上設置了本設計的主要監測數據—三相電壓和電流。通過手機APP得到了預期的效果，如圖5所示。

圖5 手機端測試效果

由于實驗條件的局限性，對三相電機進行監測。在實驗之前對系統的各個部分進行調試，確保實驗順利進行。實驗過程中，改變電機的轉速并觀察監測系統的電壓值和電機輸入端電壓的真實值，并通過網頁查看。如圖6所示，平均誤差為0.247 V，滿足本文實驗要求。

圖6 電壓和電流曲線

表1所列為三相電壓真實值與測量值。從表中可以看出，系統監測的三相電壓與真實三相電壓差距較小，相對誤差在0.6%之內。

表1 三相電壓真實值與測量值對比

5 結 語

本文基于NB-IoT設計了電能質量在線監測系統。該系統通過電流采集裝置和電壓采集裝置將大電流和大電壓轉為ATT7022E所能承受的小電壓和小電流；將測得的數據通過無線傳輸技術傳送至云平臺，再上傳至手機APP和網頁供工作人員進行數據監測，提高了輸電線路在電力傳輸過程中的安全性和穩定性。