一種支持能源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高并發(fā)的監(jiān)測(cè)裝置與系統(tǒng)

林新志 代俊杰 王志浩

摘要：目前在綜合能源服務(wù)領(lǐng)域，采集和監(jiān)測(cè)能源數(shù)據(jù)的裝置主要采用國(guó)家電網(wǎng)公司的電能表產(chǎn)品，該類裝置適用場(chǎng)景較單一，不適配綜合能源服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，在配電運(yùn)維、能源管理等綜合能源服務(wù)和用電安全等應(yīng)用場(chǎng)景缺乏支持?jǐn)?shù)據(jù)并發(fā)上傳、低時(shí)延、高效率、低成本的“云”“管”“端”物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

關(guān)鍵詞：智慧能源;綜合能源服務(wù);高并發(fā);掉電上報(bào);CAN;監(jiān)測(cè)裝置;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）05-0146-02

1應(yīng)用背景

2015年7月國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)指導(dǎo)意見》提出“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源行動(dòng)。2016年2月國(guó)家發(fā)改委等聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，針對(duì)綜合能源服務(wù)亟需一款適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)“云”“管”“端”解決方案的智能硬件產(chǎn)品與系統(tǒng)。

2傳統(tǒng)方案主要缺陷

傳統(tǒng)方案為廣泛應(yīng)用于國(guó)家電網(wǎng)的電能表，具備成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但存在以下主要缺點(diǎn)：

傳統(tǒng)裝置適用場(chǎng)景單一，不適配綜合能源服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景和“云”“管”“端”的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。在配電運(yùn)維、能源管理等綜合能源服務(wù)和用電安全等應(yīng)用場(chǎng)景缺乏支持?jǐn)?shù)據(jù)并發(fā)上傳、低時(shí)延、高效率、低成本的裝置。

3本方案技術(shù)構(gòu)思

本裝置與系統(tǒng)在傳統(tǒng)RS485被動(dòng)式集中采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)創(chuàng)新CAN總線通訊采集技術(shù)，支持多臺(tái)裝置數(shù)據(jù)同時(shí)并發(fā)上傳云端而不造成總線阻塞，相對(duì)無線采集方案更具經(jīng)濟(jì)性，具備低時(shí)延、高效率、低成本和模塊化等顯著特點(diǎn)。

在傳統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)創(chuàng)新掉電上報(bào)技術(shù)，支持多臺(tái)裝置將掉電和裝置信息同時(shí)并發(fā)上傳云端，且不造成總線阻塞，實(shí)時(shí)高效，低成本。

4本方案詳細(xì)設(shè)計(jì)

本裝置的內(nèi)部功能模塊包括電壓信號(hào)采樣、電流信號(hào)采樣、計(jì)量芯片、微控制器、LCD顯示、繼電器控制、開關(guān)量檢測(cè)、剩余電流和溫度檢測(cè)、RS485通訊、CAN總線通訊、2G/4G/LoRaWAN/NBIOT無線通訊和掉電上報(bào)模塊、告警模塊等腳。

本裝置所述的CAN總線通訊技術(shù)詳細(xì)原理圖見圖1（CAN總線通訊模塊）。主控芯片內(nèi)置CAN總線協(xié)議控制器，需再外接總線驅(qū)動(dòng)芯片和抗干擾電路來建立一個(gè)CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)真正意義上完全的電氣隔離，光耦部分的+3.3V和VCAN必須通過DC-Dc模塊進(jìn)行隔離。TVS7可以起到發(fā)生瞬變干擾時(shí)的保護(hù)作用。

本裝置所述的掉電上報(bào)技術(shù)詳細(xì)原理圖見圖2（掉電上報(bào)模塊）。當(dāng)主控芯片檢測(cè)到主電源掉電，系統(tǒng)主動(dòng)切換到圖中C48超級(jí)電容供電，系統(tǒng)通過CAN總線通訊電路主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，超級(jí)電容可維持主芯片及CAN總線通訊電路工作10秒。u3為CAN總線通訊電路的電源隔離模塊，當(dāng)主電源掉電通過超級(jí)電容給u3供電。

5本方案主要優(yōu)點(diǎn)

（1）本裝置與系統(tǒng)適配綜合能源服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景和“云”“管”“端”的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。如：能效管理、配電運(yùn)維、安全監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景。

（2）系統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸支持JSON、google protocol buffer兩種序列化方式，使其能廣泛適配各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。支持CAN總線上傳感器高并發(fā)的數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控?cái)?shù)據(jù)和告警事件的實(shí)時(shí)主動(dòng)上報(bào)等創(chuàng)新的低成本組網(wǎng)方式。

（3）支持掉電后主動(dòng)上報(bào)，上傳實(shí)時(shí)告警信息，云端平臺(tái)收到告警信息，可快速確定故障信息和位置，并通知維修人員，實(shí)現(xiàn)精確判斷，縮短維修排障時(shí)間，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

（4）掉電主動(dòng)上報(bào)支持CAN總線通訊方式，支持多臺(tái)裝置實(shí)時(shí)并發(fā)上報(bào)不阻塞，具備無可比擬的高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

支持便攜、小巧的導(dǎo)軌式安裝方式的結(jié)構(gòu)件。

本方案與系統(tǒng)還具備以下特點(diǎn)：（1）具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn);（2）采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作;（3）具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過CAN控制器掛到CAN總線上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò);（4）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制。