基于LoRa通信的智能電力測(cè)控儀設(shè)計(jì)

尹春杰，李鵬飛，王光旭，宋其征，趙 欽，胡 佳

(1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東中科先進(jìn)技術(shù)研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下，風(fēng)、光等新能源應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，以工業(yè)廠區(qū)、建筑園區(qū)等為代表的用戶側(cè)微電網(wǎng)建設(shè)備受關(guān)注，也對(duì)需求側(cè)管理提出了新的要求。在計(jì)算機(jī)、通信、信號(hào)處理等技術(shù)的支持下，智能電力測(cè)控裝置向著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向不斷發(fā)展[1-2]。

本文立足用戶側(cè)微電網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)控的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一款智能電力測(cè)控儀，可將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電量信息遠(yuǎn)程傳輸至上位機(jī)監(jiān)控中心，讓用戶實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及用電信息。通過(guò)對(duì)設(shè)備能耗、電能質(zhì)量等數(shù)據(jù)的合理分析與輔助決策，有利于用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源發(fā)、儲(chǔ)、配各環(huán)節(jié)的有效管理、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化及遠(yuǎn)程負(fù)荷調(diào)控。

1 智能用電管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)智能用電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由位于用電現(xiàn)場(chǎng)的智能電力測(cè)控儀層、作為中繼節(jié)點(diǎn)的智能數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)層及上位機(jī)監(jiān)控主站層這3層組成?，F(xiàn)場(chǎng)儀表層與中間通信網(wǎng)關(guān)層設(shè)計(jì)采用LoRa通信方式；中間網(wǎng)關(guān)至監(jiān)控主站可采用Wi-Fi、GPRS等公用網(wǎng)絡(luò)資源。

圖1 智能用電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of intelligent power management system

2 智能電力測(cè)控儀構(gòu)成原理

智能電力測(cè)控儀是整套系統(tǒng)的基礎(chǔ)：向上傳輸各測(cè)點(diǎn)電力數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況；向下執(zhí)行主站負(fù)荷調(diào)控指令。

2.1 基本功能及主要指標(biāo)

智能電力測(cè)控儀的主要功能包括實(shí)時(shí)電參數(shù)計(jì)量、雙向四象限電能量累計(jì)、負(fù)荷分析、電能質(zhì)量分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸、快速故障診斷、遠(yuǎn)程控制等[3-4]。

考慮到工作場(chǎng)所的復(fù)雜性，將其工作溫度設(shè)定在-10～+50 ℃，濕度為20%～95%，在滿足電磁兼容性的要求下達(dá)到B類儀表的精度要求。其主要精度指標(biāo)如表1所示。

表1 主要精度指標(biāo)Tab.1 Main accuracy indexes

2.2 基本電力參數(shù)計(jì)算方法

目前，我國(guó)市電頻率為50 Hz。本設(shè)計(jì)采用N=128的等間隔交流采樣方法。該方法的采樣頻率為FS=Nf=6 400 Hz,理論上最高可測(cè)得63次諧波值[5-6]。以電壓信號(hào)為例，經(jīng)模擬數(shù)字(analog to digital,A/D)轉(zhuǎn)換后得到有限長(zhǎng)電壓序列{U(n)}，通過(guò)快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)可得出基波及各次諧波的實(shí)部值與虛部值，記為{(URk,Ujk)}。相應(yīng)各次電參量的有效值可表示為：

(1)

(2)

(3)

當(dāng)k=1時(shí)，U(k)為基波分量；當(dāng)k>1時(shí)為諧波分量，u(n)為第n個(gè)采樣值。這樣可得各次電壓的有效值。電流計(jì)算方法同理。對(duì)于每相基波分量的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)的計(jì)算，以A相基波分量為例，根據(jù)IEC電功率定義，視在功率為：

(4)

A相基波的有功功率為：

PA1=Ur1Ir1+Uj1Ij1

(5)

式中：PA1為A相基波的有功功率；Ur1為電壓基波分量的實(shí)部；Ir1為電流基波分量的實(shí)部；Uj1為電壓基波分量的虛部；Ij1為電流基波分量的虛部。

A相基波的無(wú)功功率QA1為：

QA1=Ir1Uj1+Ur1Ij1

(6)

式中：QA1為A相基波的無(wú)功功率。

A相瞬時(shí)功率因數(shù)cosφA為：

(7)

式中：cosφA為A相瞬時(shí)功率因數(shù)；PA1為A相基波的有功功率；QA1為A相基波的無(wú)功功率。

B、C兩相的計(jì)算方式相同。三相總功率可采用“三表法”獲得，表示為：

PS=PA1+PB1+PC1

(8)

QS=QA1+QB1+QC1

(9)

式中：PS為基波總有功功率；QS為基波總無(wú)功功率；PA1、PB1、PC1分別為A、B、C三相基波有功功率；QA1、QB1、QC1分別為A、B、C三相基波無(wú)功功率

三相功率因數(shù)cosφS也可由此計(jì)算出，為：

(10)

式中：cosφS為三相功率因數(shù)；PS為三相總有功功率；QS為三相總無(wú)功功率。

2.3 電能質(zhì)量參數(shù)計(jì)算方法

相較于大電網(wǎng)，微電網(wǎng)由于分布式電源的不穩(wěn)定性，其電能質(zhì)量問(wèn)題更為突出。按照我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)電能質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7-9]，主要實(shí)現(xiàn)頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度及電流、電壓畸變率的計(jì)算。

①頻率偏差。

Δf=fRe-fN

(11)

式中：Δf為頻率偏差值；fRe為節(jié)點(diǎn)的實(shí)際頻率值；fN為系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率值。

國(guó)內(nèi)電網(wǎng)標(biāo)稱頻率為50 Hz。

②三相電壓電流不平衡度。

該指標(biāo)反映了三相電壓/電流的對(duì)稱性及一致性。在三相四線制系統(tǒng)中，三相電流不平衡將導(dǎo)致較大的零線電流出線，導(dǎo)致?lián)p耗增大并影響用電安全性[10]。通常利用解析幾何的方法推導(dǎo)出三相不平衡度的計(jì)算公式：

(12)

式中：FA1為正序分量；FA2為負(fù)序分量，可基于交流采樣數(shù)據(jù)序列方便地求取。

③電壓偏差。

電壓偏差反映了實(shí)際供電電壓相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電壓的偏離程度，是評(píng)判供電電壓是否合格的重要指標(biāo)。其計(jì)算公式為：

(13)

式中：UN為標(biāo)稱額定電壓；UR為實(shí)際測(cè)量電壓。

④電壓電流畸變率。

非線性負(fù)載的使用導(dǎo)致電壓電流波形發(fā)生畸變，出現(xiàn)諧波信號(hào)。通常采用電壓總畸變率和電流總畸變率對(duì)電壓及電流的波形質(zhì)量作出評(píng)判。其計(jì)算公式分別為：

(14)

(15)

式中：Un為n次諧波電壓含量;In為n次諧波電流含量，均采用FFT算法求取。

3 智能電力測(cè)控儀硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控儀的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Hardware system structure diagram

主控芯片選用STM32F103RET6，工作頻率為72 MHz，體積小、功耗低、外設(shè)資源豐富[11]。人機(jī)交互方式采用128×64點(diǎn)陣式LCD液晶顯示、8路LED狀態(tài)指示及7個(gè)功能按鍵；擴(kuò)展3路電壓、3路電流采樣變換電路，2路繼電器控制輸出電路，3路開關(guān)量采集電路，另外包括非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、通信電路等。通信電路設(shè)計(jì)RS-422/485、LoRa等多種通信接口，可滿足不同場(chǎng)合應(yīng)用要求。

3.1 電壓電流采樣變換電路

A相采樣變換電路如圖3所示。

圖3 A相采樣變換電路Fig.3 Sampling conversion circuit of phase A

本設(shè)計(jì)將三相電壓和三相電流分別用PT107電壓互感器和CT103電流互感器轉(zhuǎn)換為與一次電路電氣隔離的交流小信號(hào)，并采用LM258同向比例放大器實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)平移、濾波，將完成采樣變換的信號(hào)送入主控芯片內(nèi)置的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)進(jìn)行交流采樣。低通濾波截至頻率約3 000 Hz，可避免128點(diǎn)FFT變換出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象。

由圖3可知，A相電壓及A相電流采樣變換電路。B相、C相與A相同理。

3.2 LoRa通信電路設(shè)計(jì)

LoRa是一種專門用于無(wú)線電擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)的通信技術(shù)[12]。各通信技術(shù)特點(diǎn)如表2所示。

表2 各通信技術(shù)特點(diǎn)表Tab.2 Characteristics of different communication technologies

從表2可以看出，LoRa通信具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

LoRa模塊的硬件設(shè)計(jì)主要由Semtech公司最新推出的SX1268 和PE4259芯片構(gòu)成。LoRa模塊硬件電路如圖4所示。

圖4 LoRa模塊硬件電路圖Fig.4 Hardware circuit diagram of Lora module

由圖4可知：微控制單元(microcontroller unit，MCU)采用串行外圍設(shè)備接口(serial peripheral interface，SPI)協(xié)議對(duì)SX1268芯片進(jìn)行工作頻率、帶寬、擴(kuò)頻因子等參數(shù)初始化設(shè)置；射頻芯片SX1268通過(guò)控制選擇開關(guān)PE4295經(jīng)天線電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收與發(fā)送。

4 軟件方案設(shè)計(jì)

軟件部分采用模塊化思路，編寫各功能模塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。主程序可調(diào)用各功能子函數(shù)，以便日后的升級(jí)與移植，提高了程序的可靠性和兼容性，降低了開發(fā)難度。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。由圖5可知，初始上電后儀器完成所有模塊初始化，然后開啟軟件定時(shí)器中斷功能。中斷周期為156.25 μs。在此軟件定時(shí)中斷服務(wù)程序中，可實(shí)現(xiàn)定間隔交流采樣及數(shù)據(jù)變換處理。主程序主要實(shí)現(xiàn)LCD顯示、LED狀態(tài)刷新、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信數(shù)據(jù)庫(kù)刷新等功能。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flowchart

4.2 LoRa模塊收發(fā)功能軟件設(shè)計(jì)

LoRa模塊收發(fā)功能實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。SX1268射頻芯片是半雙工收發(fā)器，發(fā)送與接收過(guò)程需分別考慮。

發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖6(a)所示：首先，將Mode設(shè)置為001并進(jìn)入待機(jī)模式，隨后在發(fā)送初始化過(guò)程中使能發(fā)送中斷，設(shè)定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)地址等參數(shù)；然后，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入先進(jìn)先出(first input first output,FIFO)隊(duì)列中，再將Mode設(shè)置為011并進(jìn)入發(fā)送模式；最后，等待數(shù)據(jù)發(fā)送完成，清除中斷標(biāo)志位，結(jié)束發(fā)送。

結(jié)合實(shí)際情況，接收數(shù)據(jù)流程采用連續(xù)接收模式，如圖6(b)所示。進(jìn)入待機(jī)模式后，在接收初始化過(guò)程中，配置接收中斷標(biāo)志、接收時(shí)間等參數(shù)。接收完成后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check,CRC)。校驗(yàn)成功后，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，然后清除中斷標(biāo)志位，結(jié)束接收。

圖6 LoRa模塊收發(fā)功能實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.6 Implementation flowchart of LoRa module transceiver function

5 樣機(jī)測(cè)試分析

本文參考《GB/T 1242—2000 安裝式指示和記錄電測(cè)量?jī)x表的尺寸》，選用常用的42方型儀表樣式，完成了試驗(yàn)樣機(jī)研制，并進(jìn)行了基本電參量檢測(cè)精度測(cè)試。

電壓有效值、電流有效值、頻率測(cè)試結(jié)果分別如表3～表5所示。

表3 電壓有效值測(cè)試結(jié)果Tab.3 Voltage RMS test results

表4 電流有效值測(cè)試結(jié)果Tab.4 Current RMS test results

表5 頻率測(cè)試結(jié)果Tab.5 Frequency test results

從表3～表5可以看出，所研制樣機(jī)的基本電力參數(shù)檢測(cè)相對(duì)誤差均能控制在0.3%以內(nèi)，可滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

6 結(jié)論

本文針對(duì)工業(yè)用戶用電管理實(shí)際需求，研究了由現(xiàn)場(chǎng)儀表層、中間網(wǎng)關(guān)層、監(jiān)控主站層構(gòu)成的用電管理系統(tǒng)基本架構(gòu)。所設(shè)計(jì)的智能電力測(cè)控儀可實(shí)現(xiàn)用電參數(shù)實(shí)時(shí)采集計(jì)算、電能質(zhì)量參數(shù)在線分析計(jì)算等功能，支持LoRa無(wú)線通信組網(wǎng)方式。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)提升工業(yè)用戶用電管理水平具有積極意義。