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以wifi遠(yuǎn)距離傳輸為核心的非侵入式負(fù)荷監(jiān)控

發(fā)布日期:2021-12-30  瀏覽次數(shù):2410
wifi遠(yuǎn)距離傳輸為核心的非侵入式負(fù)荷監(jiān)控,智能型電力系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)的一個重要組成部分,其關(guān)鍵是靈活地實現(xiàn)信息流動和能量流在電網(wǎng)中的交互作用。作為智能用電的關(guān)鍵環(huán)節(jié),負(fù)荷監(jiān)控是通過實時采集用戶用電數(shù)據(jù),完成對電力負(fù)荷能耗的監(jiān)控,為用戶提供詳細(xì)的用電信息。在掌握了各種負(fù)荷用電信息之后,可以將負(fù)荷的使用時間和用電量合理分配,從而實現(xiàn)節(jié)能;電力公司了解用戶側(cè)負(fù)荷組成后,可以進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃與運行,促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的方式,電力負(fù)荷監(jiān)測可分為有侵入性和無侵入性。前一種方法是為每個負(fù)荷設(shè)置監(jiān)控裝置,用于實時采集負(fù)荷信息,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,有助于對負(fù)荷信息進(jìn)行細(xì)化,但這種方法需要大量的監(jiān)控設(shè)備,在采購、安裝、維修等過程中會耗費大量的成本。前者僅在電力供應(yīng)進(jìn)口端安裝監(jiān)控裝置,即可實時采集用戶的總負(fù)荷能耗;采用負(fù)載識別算法將負(fù)荷類型細(xì)化,分別計算出每個負(fù)荷的用電量,實現(xiàn)了較低的總負(fù)荷能耗分類計量。易于安裝和維修,適合電力負(fù)荷在線實時監(jiān)控。近幾年來,許多學(xué)者針對后者進(jìn)行了研究。利用NIUSB-6002數(shù)據(jù)采集卡,設(shè)計前端信號調(diào)節(jié)電路,對電壓、電流采集信號進(jìn)行降壓處理,實現(xiàn)負(fù)荷在線監(jiān)控。由NI公司生產(chǎn)的NI6008與主要由型號為QNENGQBV200A02的電壓互感器和ChahuaCSM100AP的電流互感器組成的負(fù)荷數(shù)據(jù)采集電路,在1kHz的采樣頻率下完成負(fù)荷監(jiān)測。采用ATT7022C電能計量芯片、電壓、電流互感器、ATT7022C等構(gòu)成電能計量模塊,以S3C2440A處理器為主控芯片,與其他輔助模塊一起完成負(fù)荷監(jiān)控。在以上的負(fù)載數(shù)據(jù)采集方案中,大多數(shù)都使用互感器對磁場干擾較大的負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并用昂貴的數(shù)據(jù)采集卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。作者以HLW8112為基礎(chǔ),提出了一種低成本、高精度無創(chuàng)負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計方案,采用HLW8112型電能計量芯片取樣,對負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,選擇高使用率的STM32芯片作為微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,負(fù)載數(shù)據(jù)通過wifi遠(yuǎn)距離傳輸上傳到云平臺,實現(xiàn)了在線實時負(fù)荷監(jiān)控。

該設(shè)備主要由數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、主控模塊、無線通訊模塊組成。作為研究的重點,數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計是關(guān)鍵,數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和輸出數(shù)據(jù)的類型直接影響設(shè)備的性能,所以選擇不受磁場干擾的采樣電阻采集負(fù)荷電信號,選用HLW8112新型單相電能計量芯片HLW8112轉(zhuǎn)換電信號。功率模塊是本裝置工作的基礎(chǔ),其穩(wěn)壓度直接影響到設(shè)備的工作狀態(tài),所以選擇開關(guān)電源芯片,具有效率高、穩(wěn)定性好、體積小等特點。主控制模塊作為設(shè)備的核心,其調(diào)試、維修難度直接影響到設(shè)備的工程應(yīng)用價值,所以選擇STM32F103單片機(jī)對數(shù)據(jù)采集模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。選擇了wifi遠(yuǎn)距離傳輸通訊模塊,將負(fù)荷數(shù)據(jù)上載到OneNET云平臺(中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺),以實現(xiàn)對負(fù)荷的遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)控。該設(shè)備的總體工作流程為:負(fù)荷監(jiān)控裝置安裝在電力供應(yīng)進(jìn)口端,供電模塊向各模塊提供工作電壓;所述負(fù)載的總電壓,由數(shù)據(jù)采集模塊的高精度電阻轉(zhuǎn)換成電信號,HLW8112把電信號轉(zhuǎn)換成電壓,負(fù)載數(shù)據(jù),如電流有效值,存儲在相應(yīng)的寄存器中,主控制模塊將負(fù)荷數(shù)據(jù)作為負(fù)荷特征值進(jìn)行計算處理,通訊模塊向OneNET平臺上載負(fù)載特征值,在OneNET云平臺上,用戶通過PC端或移動端瀏覽器登錄OneNET云平臺,實現(xiàn)了電力負(fù)荷的遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由HLW8112型電能計量芯片和采樣電阻等器件組成。一款高精度單相電能計量芯片,內(nèi)裝晶振參考電源,僅需設(shè)計簡單的外圍電路,并編寫簡單的軟件代碼,主控模塊就能從芯片寄存器中讀取負(fù)載數(shù)據(jù)。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)1000∶1動態(tài)范圍內(nèi)的有效電流和有效電壓測量誤差小于1%,采集精度高。選擇了溫度特性好、成本低、精度高的1mΩ銅錳電阻和200kΩ合金電阻作為取樣電阻,將電壓、電流經(jīng)過電網(wǎng)收集、轉(zhuǎn)換成電信號后,通過芯片HLW8112內(nèi)部ADC、經(jīng)過DIGITALFILTER、DSP等處理后,電訊號以數(shù)字形式儲存在芯片寄存器中。HLW8112晶片管腳16腳接電源模塊提供3.3V工作電壓,以保持晶片電壓穩(wěn)定,0.1μF的濾波電容供電。為了避免芯片電壓浮空而被燒壞,電路中GND與電網(wǎng)的零線作為參考點。按照電源的定義:P=I2R,當(dāng)采樣電阻和1mΩ、2W時,該芯片可測的電流是44.72A。該芯片管腳5使用4個200kΩ和1個1kΩ的貼片合金電阻完成分壓處理,實現(xiàn)對負(fù)載電壓信號的采集,其中用4個相同電阻串接,解決了單一電阻耐壓不足、電網(wǎng)電壓波動等問題。HLW8112芯片支持SPI與US-ART通訊,為以后的無入侵性負(fù)載識別系統(tǒng)的研究提供了較好的硬件支持,作者選擇了高頻SPI通信方式對芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。在強(qiáng)電型工作環(huán)境下,數(shù)據(jù)采集模塊處于弱電環(huán)境中,為了確保主控模塊的安全,由于HLW8112大輸出頻率是6991Hz,所以采用了光耦隔離芯片來隔離這兩個模塊。該器件選用了高速光耦EL357NB和PS8101型光耦合實現(xiàn)SPI通訊。

STM32F103對HLW8112芯片寄存器中的負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行SPI通信。監(jiān)控設(shè)備打開,初始化每個模塊,HLW8112芯片12引腳置低,數(shù)據(jù)采集模塊開啟SPI通訊方式;HLW8112芯片11針置低,晶片選擇和進(jìn)入工作模式;HLW8112芯片10針置低,在默認(rèn)情況下,芯片時鐘信號從0開始,HLW8112芯片9管腳置位低,寫芯片寄存器的值默認(rèn)為0。當(dāng)時鐘信號為上升沿時,主控模塊將HLW8112的命令寄存器寫入0XE5,以開啟寫使能。并且對芯片系統(tǒng)進(jìn)行控制,計量控制等寄存器寫到初值,之后,寫使能的關(guān)閉方法是寫入0XDC到命令寄存器;時鐘信號是下降沿時,主控制模塊通過將HLW8112寫到相應(yīng)寄存器地址,完成對負(fù)載數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)主機(jī)向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送讀寫指令時,通過判斷HLW8112芯片命令寄存器7位的值來決定命令類型,如果值為0,則讀取命令;如果值為1,則寫入命令。主控制模塊中的負(fù)載特性值的計算方式是1)電流有效值=(電流有效值寄存器的值與電流的值寄存器的值)/(電流系數(shù)×223),該設(shè)備選用1mΩ銅錳電阻采集負(fù)載電流,按采樣阻抗值=電流系數(shù)×1mΩ,電流系數(shù)可以用1求得。2)電壓有效值=(電壓有效值寄存器值×電壓有效值系數(shù)寄存器值)/(電壓系數(shù)×222),由圖2可知,按電壓分壓電阻比(電壓系數(shù)×1kΩ)/1MΩ,實際占1∶1000,按電壓分壓電阻比例計算,電壓系數(shù)可以用1求得。3)有功功率值=(有功功率寄存器的數(shù)值×有功功率系數(shù)寄存器的值)/(電流系數(shù)×電壓系數(shù)×231)。

通訊模塊選擇了wifi遠(yuǎn)距離傳輸WiFi芯片,具有組網(wǎng)簡單、成本低、傳輸速率高等特點。針對監(jiān)控設(shè)備與云平臺的數(shù)據(jù)傳輸,作者采用透明傳輸方式,以保證負(fù)載wifi遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。為了讓通信模塊云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程通信,以路由器作為連接網(wǎng)絡(luò)的橋梁,實現(xiàn)了模塊無線連接距離的延伸。常規(guī)配網(wǎng)方式中,當(dāng)通訊模塊與新路由器相連時,設(shè)備需要修改主控模塊的底層代碼,以實現(xiàn)路由帳號和口令的修改,這不利于設(shè)備的工程應(yīng)用。為此,作者把帳號和口令通過網(wǎng)頁配網(wǎng)的方式輸入到EEPROM中,動態(tài)地連接新路由。經(jīng)過用戶名和密碼驗證,wifi遠(yuǎn)距離傳輸WiFi模塊通過AT指令設(shè)置為1)AT+RST:重啟WiFi模塊。2)AT+WSKEY=WPA2PSK:配置如何配置訪問密碼加密。3)AT+CWMODE=STA:將WiFi模塊配置為Station模式,它可以在當(dāng)前環(huán)境下連接到WiFi熱點。4)AT+CIP-MUX=DISABLE:將WiFi配置為單路連接方式。5)AT+CIPSTART="TCP","183.230.40.33","80":為云服務(wù)器的IP地址建立TCP連接。6)AT+CIPSEND=">":在接收到的數(shù)據(jù)格式為>>時,模塊進(jìn)入傳輸模式,并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺服務(wù)器。基于HTTP和JSON數(shù)據(jù)格式的無線通信模塊與云平臺之間以RESTfulAPI進(jìn)行通信,使wifi遠(yuǎn)距離傳輸通信模塊與云平臺服務(wù)器之間建立了短接,方便了數(shù)據(jù)傳輸。

選用LED燈,7W功率,32W電源的電風(fēng)扇,以及23W功率的LCD顯示器作為實驗對象,在開電3種負(fù)荷情況下,實時采集各負(fù)荷瞬時電流的有效值,并且選擇是否有測量精度及是否有多負(fù)荷的投切過程作為設(shè)備的性能指標(biāo)。在儀器測量精度的測試中,作者采用了型號為VIC-TORVC890D的數(shù)字式萬用表測量的三位半(分辨率為1/2000)和±2.0%的萬用表進(jìn)行比較。采用該裝置和萬用表分別測量3種電力負(fù)荷的工作電流,并計算出1、50,100次各測得的電流平均值,并通過二者之間的相對誤差計算該裝置的測量精度。該儀器和萬用表的測量結(jié)果見表1。從表1可以看出:該裝置經(jīng)過多次測量,該裝置與萬用表間平均電流值的相對誤差不超過1%,即可以達(dá)到99%以上,從而表明該裝置可以實現(xiàn)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的高精度測量。另外,還進(jìn)行了LED燈泡、電風(fēng)扇、液晶顯示器的測試,同時實時采集其瞬時電流有效值,并根據(jù)電流波形的變化檢驗該裝置是否能進(jìn)行多重負(fù)荷投切。該設(shè)備可以監(jiān)測負(fù)荷從開至穩(wěn)運行的暫態(tài)過程數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)過程數(shù)據(jù),能夠較好地描述各種電力負(fù)荷在工作時的電氣特性,為無入侵性負(fù)荷識別系統(tǒng)的研究提供了依據(jù)。

云平臺是開發(fā)的一個物聯(lián)網(wǎng)開放平臺,可以方便地幫助負(fù)荷監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)接入和連接,快速完成監(jiān)測設(shè)備開發(fā)部署,并為負(fù)荷監(jiān)控設(shè)備提供完善的物聯(lián)網(wǎng)方案。負(fù)載數(shù)據(jù)的監(jiān)測界面如圖8所示,左邊顯示的是電力負(fù)荷的歷史負(fù)荷信息,右邊顯示的是負(fù)荷的實時信息。當(dāng)用戶登錄到云平臺后,可以在監(jiān)控界面上實時在線瀏覽電力負(fù)荷的電壓、電流和功率信息,分析負(fù)荷歷史信息,可以了解負(fù)荷歷史情況。

作者所研制的無創(chuàng)負(fù)荷監(jiān)控裝置,是用一種新型的單相電能計量芯片HLW8112,將采集到的電阻器電位器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電荷形式的負(fù)荷數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)精度高、成本低、維修簡便、不受磁場干擾,適用于單、多載條件下監(jiān)控,測試準(zhǔn)確度達(dá)99%以上。不僅能獲得負(fù)載的電壓、電流、有功功率等有效值,還能獲得負(fù)載電壓、電流峰值、瞬時、波形圖等電力參數(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸方面,設(shè)計了串口和wifi遠(yuǎn)距離傳輸兩種通訊方式,可通過串口打印負(fù)載功率參數(shù),通過wifi遠(yuǎn)距離傳輸WiFi網(wǎng)絡(luò)用戶可登錄云平臺,實現(xiàn)對用電負(fù)荷的在線實時監(jiān)控。該設(shè)備為無創(chuàng)負(fù)荷識別系統(tǒng)可望實現(xiàn)電網(wǎng)智能優(yōu)化調(diào)度。
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