電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹 瑞

（國網(wǎng)青銅峽市供電公司，寧夏 吳忠 751100）

0 引 言

電力載波通信作為一種新型信息傳輸方式，具有高效率、低功耗特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。在電力負(fù)荷管理領(lǐng)域，電力載波通信可以實(shí)時監(jiān)測和控制電網(wǎng)中的各個節(jié)點(diǎn)，有效降低整個電網(wǎng)的運(yùn)行成本，提高供電質(zhì)量[1]。本文旨在開發(fā)一種基于電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過無線信號傳輸將發(fā)電機(jī)、變壓器等關(guān)鍵設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。

1 電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議的基礎(chǔ)理論

1.1 電力載波通信的概念

電力載波通信基于電力網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，將電網(wǎng)中的電壓信號和電流信號作為載體，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測和控制。它具有高效率、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。電力載波通信將電信號轉(zhuǎn)換為電源信號，再通過電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。傳輸過程中，由于電力網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)（如高阻抗、非線性等），需要采用特殊的調(diào)制方式保證信道性能，同時需要考慮電力網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾因素、安全問題等影響，采取相應(yīng)的措施。電力負(fù)荷的變化會對電力網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，而電能計(jì)量是一種用于測量電力負(fù)荷的方法。電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)可以通過電力載波通信實(shí)現(xiàn)對電力負(fù)荷的實(shí)時監(jiān)測和管理，從而提高能源效率和降低運(yùn)營成本[2]。

1.2 電力載波通信的特點(diǎn)

在電力負(fù)荷管理中，電力載波通信被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制領(lǐng)域。第一，測量精度高。電力載波通信可以實(shí)現(xiàn)對電流、電壓等參數(shù)的精確測量，并能夠提供實(shí)時數(shù)據(jù)反饋。相比傳統(tǒng)的電纜傳輸方式，電力載波通信更加靈活易用，可以在不同距離范圍內(nèi)連接，且不受地形、地貌等因素的影響。第二，低功耗。電力載波通信采用非線性調(diào)制技術(shù)，功率消耗相對較少。與傳統(tǒng)通信方式相比，電力載波通信不僅降低了通信成本，還提高了能源利用效率。第三，抗干擾性能強(qiáng)。電力載波通信采用特殊的信號處理算法，能夠有效抵御外界電磁干擾因素的影響。第四，可靠性高。電力載波通信是一種可靠的通信方式，可以通過多種途徑進(jìn)行備份保護(hù)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。第五，可擴(kuò)展性好。電力載波通信設(shè)備可以與其他通信設(shè)備兼容，形成一個完整的通信網(wǎng)絡(luò)體系[3]。

1.3 電力載波通信的工作原理

電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)，利用電力載波通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)中電量的實(shí)時監(jiān)測和控制。該系統(tǒng)主要由電源模塊、信號處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。其中：電源模塊負(fù)責(zé)供電電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試；信號處理模塊包括功率計(jì)算器、電壓計(jì)以及電流計(jì)等多種傳感器設(shè)備，用于采集并分析電信號；數(shù)據(jù)傳輸模塊則將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步處理和存儲。在電力載波通信中，常用的通信方式有單向通信和雙向通信2種。單向通信是指從電源端向終端傳輸數(shù)據(jù)，而雙向通信則是兩者同時傳輸數(shù)據(jù)。在這種情況下，電源端需要具備一定的通信能力來與其他終端連接。此外，電力載波通信需要考慮一些如頻率偏移、時延誤差等因素的影響。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，必須采取相應(yīng)的措施[4-5]。

2 電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，需要考慮系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，因此采用了一種多層架構(gòu)的設(shè)計(jì)模式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能和性能需求。該系統(tǒng)主要由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊和控制模塊4部分組成，且每個部分都有其特定的功能和作用，如圖1所示。電源模塊是整個系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)供電和調(diào)節(jié)電壓，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了滿足不同的環(huán)境條件和負(fù)荷變化的要求，電源模塊采用雙穩(wěn)壓變換電路設(shè)計(jì)。輸出端采用全橋整流逆變器，提供穩(wěn)定的交流電壓源。輸入端采用直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換電路，為系統(tǒng)提供合適的直流電壓源。此外，電源模塊具有自動調(diào)整電壓的功能，能夠根據(jù)負(fù)載的變化動態(tài)調(diào)節(jié)電壓值。數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是在線監(jiān)測并記錄發(fā)電機(jī)電流、電壓以及其他相關(guān)參數(shù)。采用高精度三相四線制電流互感器進(jìn)行測量，同時通過RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至傳輸模塊。傳輸模塊采用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），將采集的數(shù)據(jù)傳輸至控制中心或云平臺進(jìn)行實(shí)時分析和處理。控制模塊則是整個系統(tǒng)的大腦，采用ARM Cortex-A8處理器，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理和控制。它可以接收來自傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為用戶可理解的信息形式。此外，可以設(shè)置報警機(jī)制，以便及時發(fā)現(xiàn)異常并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

圖1 電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 集中器硬件設(shè)計(jì)

在電力負(fù)荷監(jiān)測中，集中器是至關(guān)重要的設(shè)備之一。它可以將多個傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，并輸出一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號來反映整個電網(wǎng)的狀態(tài)。因此，研究采用的是基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的集中器設(shè)計(jì)方案。首先，需要確定集線器的輸入端口數(shù)和輸出端口數(shù)。一般來說，集線器的輸入端口數(shù)量應(yīng)該大于或等于其輸出端口數(shù)量。為了滿足系統(tǒng)需求，在集線器上設(shè)置8個輸入端口和4個輸出端口。其次，需要選擇合適的器件用于數(shù)據(jù)采集和傳輸。設(shè)計(jì)中，采用ADS12920芯片作為數(shù)字溫度計(jì)和電流測量模塊。此外，使用一些通用型串行接口電路板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。最后，需要考慮電源供應(yīng)的問題。因?yàn)榧衅魇且粋€高功率耗能設(shè)備，所以必須使用可靠且穩(wěn)定的電源供電。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心硬件設(shè)計(jì)

基于電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控中心作為整個系統(tǒng)的核心，其硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。為了保證遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的遙控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心加入了防火墻、入侵檢測器等多種安全措施。在硬件方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要由服務(wù)器、存儲設(shè)備、電源供應(yīng)設(shè)備以及監(jiān)測儀表等組成。其中：服務(wù)器主要用于處理數(shù)據(jù)并提供服務(wù)；存儲設(shè)備用于存儲大量的實(shí)時數(shù)據(jù)；電源供應(yīng)設(shè)備負(fù)責(zé)供電保障；監(jiān)測儀表則是對現(xiàn)場情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與反饋。此外，為了方便用戶管理和維護(hù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心添加了遠(yuǎn)程控制終端和故障診斷工具等輔助設(shè)施。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場景和需求，為后續(xù)軟件開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)測軟件系統(tǒng)，主要分為數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊和控制中心3個模塊，如圖2所示。其中：數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時采集并存儲數(shù)據(jù)；傳輸模塊通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心；控制中心則是整個系統(tǒng)的核心，可以實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的分析和處理。在數(shù)據(jù)采集模塊，采用基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analogto Digital Converter，ADC）的采樣方式獲取電壓信號，具有高精度、低成本的特點(diǎn)。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，采集過程中加入了一些校驗(yàn)措施。傳輸模塊使用ZigBee無線協(xié)議作為傳輸媒介，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?、穩(wěn)定且安全可靠。在控制中心方面，采用Python語言開發(fā)了一套完整的監(jiān)控程序，可以通過Web界面向用戶提供直觀的用戶友好界面，方便用戶查看和管理系統(tǒng)的狀態(tài)。此外，系統(tǒng)增加了一個報警機(jī)制，當(dāng)檢測到異常情況時會自動發(fā)出警報通知操作人員及時采取相應(yīng)的措施。

圖2 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

3.2 電能計(jì)量模塊程序設(shè)計(jì)

電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)的電能計(jì)量模塊的程序設(shè)計(jì)，是整個系統(tǒng)的重要部分。該模塊的主要功能是實(shí)時監(jiān)測發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間的電流，記錄以供后續(xù)分析使用。模塊采用ADC實(shí)現(xiàn)電流測量。具體來說，將電壓信號輸入一個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器后得到數(shù)字化輸出信號，再通過數(shù)據(jù)采集卡將其存儲至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，該模塊對電路進(jìn)行了一定的優(yōu)化和保護(hù)。例如，采用過流保護(hù)裝置防止過大的電流流入，以及采用漏磁保護(hù)裝置防止磁場干擾。在實(shí)際應(yīng)用過程中，電能計(jì)量模塊程序需要能夠快速響應(yīng)變化中的電流值，并且能夠準(zhǔn)確記錄。因此，程序設(shè)計(jì)時特別注重算法的精度和速度控制等問題。設(shè)計(jì)的電能計(jì)量模塊程序?qū)崿F(xiàn)了對電流的實(shí)時監(jiān)測和記錄功能，可為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

在界面的設(shè)計(jì)過程中，不僅要關(guān)注界面美觀度和實(shí)用性，還要兼顧安全性等。為了方便用戶操作，需要設(shè)計(jì)一個易于使用的人機(jī)交互界面。該界面主要包括主頁、菜單欄、數(shù)據(jù)分析模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、報警管理模塊以及歷史記錄模塊6個部分。在主頁面中，主要顯示當(dāng)前監(jiān)測點(diǎn)的狀態(tài)及實(shí)時數(shù)據(jù)，同時切換監(jiān)測點(diǎn)以查看其他監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。菜單欄中的各項(xiàng)功能可以通過單擊按鈕實(shí)現(xiàn)，如查詢歷史數(shù)據(jù)、設(shè)定警報閾值等。數(shù)據(jù)分析模塊提供了多種統(tǒng)計(jì)圖表和趨勢線圖等工具，可方便用戶快速了解監(jiān)測點(diǎn)的情況。參數(shù)設(shè)置模塊允許用戶修改監(jiān)測點(diǎn)的名稱、地址、頻率等，并保存這些參數(shù)到數(shù)據(jù)庫。報警管理模塊用于處理各種類型的警報事件，包括緊急警報、警告警報和異常警報等。歷史記錄模塊可查看監(jiān)測點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)記錄。除了基本功能外，還需要考慮不同設(shè)備之間的兼容性和跨平臺問題。例如：當(dāng)用戶登錄時需要驗(yàn)證身份；當(dāng)用戶進(jìn)入某個模塊時，應(yīng)該有相應(yīng)的權(quán)限控制機(jī)制。因此，在界面設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮各種因素，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié) 論

通過分析電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議基礎(chǔ)理論，采用基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的遙控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并結(jié)合無線傳感器和電源監(jiān)測模塊，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率以及負(fù)載等方面參數(shù)的實(shí)時采集，提出了一種電力載波通信的電能計(jì)量遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)。此外，針對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。