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以wifi远距离传输为核心的非侵入式负荷监控

发布日期:2021-12-30  浏览次数:2177
wifi远距离传输为核心的非侵入式负荷监控,智能型电力系统作为智能电网的一个重要组成部分,其关键是灵活地实现信息流动和能量流在电网中的交互作用。作为智能用电的关键环节,负荷监控是通过实时采集用户用电数据,完成对电力负荷能耗的监控,为用户提供详细的用电信息。在掌握了各种负荷用电信息之后,可以将负荷的使用时间和用电量合理分配,从而实现节能;电力公司了解用户侧负荷组成后,可以进一步优化电网规划与运行,促进智能电网的发展。根据采集数据的方式,电力负荷监测可分为有侵入性和无侵入性。前一种方法是为每个负荷设置监控装置,用于实时采集负荷信息,数据准确,有助于对负荷信息进行细化,但这种方法需要大量的监控设备,在采购、安装、维修等过程中会耗费大量的成本。前者仅在电力供应进口端安装监控装置,即可实时采集用户的总负荷能耗;采用负载识别算法将负荷类型细化,分别计算出每个负荷的用电量,实现了较低的总负荷能耗分类计量。易于安装和维修,适合电力负荷在线实时监控。近几年来,许多学者针对后者进行了研究。利用NIUSB-6002数据采集卡,设计前端信号调节电路,对电压、电流采集信号进行降压处理,实现负荷在线监控。由NI公司生产的NI6008与主要由型号为QNENGQBV200A02的电压互感器和ChahuaCSM100AP的电流互感器组成的负荷数据采集电路,在1kHz的采样频率下完成负荷监测。采用ATT7022C电能计量芯片、电压、电流互感器、ATT7022C等构成电能计量模块,以S3C2440A处理器为主控芯片,与其他辅助模块一起完成负荷监控。在以上的负载数据采集方案中,大多数都使用互感器对磁场干扰较大的负载数据进行采集,并用昂贵的数据采集卡对数据进行处理。作者以HLW8112为基础,提出了一种低成本、高精度无创负荷监控装置的设计方案,采用HLW8112型电能计量芯片取样,对负载数据进行采集,选择高使用率的STM32芯片作为微处理器进行数据处理,负载数据通过wifi远距离传输上传到云平台,实现了在线实时负荷监控。

该设备主要由数据采集模块、电源模块、主控模块、无线通讯模块组成。作为研究的重点,数据采集模块的设计是关键,数据采集的准确性和输出数据的类型直接影响设备的性能,所以选择不受磁场干扰的采样电阻采集负荷电信号,选用HLW8112新型单相电能计量芯片HLW8112转换电信号。功率模块是本装置工作的基础,其稳压度直接影响到设备的工作状态,所以选择开关电源芯片,具有效率高、稳定性好、体积小等特点。主控制模块作为设备的核心,其调试、维修难度直接影响到设备的工程应用价值,所以选择STM32F103单片机对数据采集模块输出的数据进行处理。选择了wifi远距离传输通讯模块,将负荷数据上载到OneNET云平台(中国移动物联网开放平台),以实现对负荷的远程在线实时监控。该设备的总体工作流程为:负荷监控装置安装在电力供应进口端,供电模块向各模块提供工作电压;所述负载的总电压,由数据采集模块的高精度电阻转换成电信号,HLW8112把电信号转换成电压,负载数据,如电流有效值,存储在相应的寄存器中,主控制模块将负荷数据作为负荷特征值进行计算处理,通讯模块向OneNET平台上载负载特征值,在OneNET云平台上,用户通过PC端或移动端浏览器登录OneNET云平台,实现了电力负荷的远程在线实时监控。

数据采集模块主要由HLW8112型电能计量芯片和采样电阻等器件组成。一款高精度单相电能计量芯片,内装晶振参考电源,仅需设计简单的外围电路,并编写简单的软件代码,主控模块就能从芯片寄存器中读取负载数据。该方法能够实现1000∶1动态范围内的有效电流和有效电压测量误差小于1%,采集精度高。选择了温度特性好、成本低、精度高的1mΩ铜锰电阻和200kΩ合金电阻作为取样电阻,将电压、电流经过电网收集、转换成电信号后,通过芯片HLW8112内部ADC、经过DIGITALFILTER、DSP等处理后,电讯号以数字形式储存在芯片寄存器中。HLW8112晶片管脚16脚接电源模块提供3.3V工作电压,以保持晶片电压稳定,0.1μF的滤波电容供电。为了避免芯片电压浮空而被烧坏,电路中GND与电网的零线作为参考点。按照电源的定义:P=I2R,当采样电阻和1mΩ、2W时,该芯片可测的电流是44.72A。该芯片管脚5使用4个200kΩ和1个1kΩ的贴片合金电阻完成分压处理,实现对负载电压信号的采集,其中用4个相同电阻串接,解决了单一电阻耐压不足、电网电压波动等问题。HLW8112芯片支持SPI与US-ART通讯,为以后的无入侵性负载识别系统的研究提供了较好的硬件支持,作者选择了高频SPI通信方式对芯片数据进行输出。在强电型工作环境下,数据采集模块处于弱电环境中,为了确保主控模块的安全,由于HLW8112大输出频率是6991Hz,所以采用了光耦隔离芯片来隔离这两个模块。该器件选用了高速光耦EL357NB和PS8101型光耦合实现SPI通讯。

STM32F103对HLW8112芯片寄存器中的负载数据进行SPI通信。监控设备打开,初始化每个模块,HLW8112芯片12引脚置低,数据采集模块开启SPI通讯方式;HLW8112芯片11针置低,晶片选择和进入工作模式;HLW8112芯片10针置低,在默认情况下,芯片时钟信号从0开始,HLW8112芯片9管脚置位低,写芯片寄存器的值默认为0。当时钟信号为上升沿时,主控模块将HLW8112的命令寄存器写入0XE5,以开启写使能。并且对芯片系统进行控制,计量控制等寄存器写到初值,之后,写使能的关闭方法是写入0XDC到命令寄存器;时钟信号是下降沿时,主控制模块通过将HLW8112写到相应寄存器地址,完成对负载数据的读取。当主机向数据采集模块发送读写指令时,通过判断HLW8112芯片命令寄存器7位的值来决定命令类型,如果值为0,则读取命令;如果值为1,则写入命令。主控制模块中的负载特性值的计算方式是1)电流有效值=(电流有效值寄存器的值与电流的值寄存器的值)/(电流系数×223),该设备选用1mΩ铜锰电阻采集负载电流,按采样阻抗值=电流系数×1mΩ,电流系数可以用1求得。2)电压有效值=(电压有效值寄存器值×电压有效值系数寄存器值)/(电压系数×222),由图2可知,按电压分压电阻比(电压系数×1kΩ)/1MΩ,实际占1∶1000,按电压分压电阻比例计算,电压系数可以用1求得。3)有功功率值=(有功功率寄存器的数值×有功功率系数寄存器的值)/(电流系数×电压系数×231)。

通讯模块选择了wifi远距离传输WiFi芯片,具有组网简单、成本低、传输速率高等特点。针对监控设备与云平台的数据传输,作者采用透明传输方式,以保证负载wifi远距离传输数据传输的质量。为了让通信模块云平台进行远程通信,以路由器作为连接网络的桥梁,实现了模块无线连接距离的延伸。常规配网方式中,当通讯模块与新路由器相连时,设备需要修改主控模块的底层代码,以实现路由帐号和口令的修改,这不利于设备的工程应用。为此,作者把帐号和口令通过网页配网的方式输入到EEPROM中,动态地连接新路由。经过用户名和密码验证,wifi远距离传输WiFi模块通过AT指令设置为1)AT+RST:重启WiFi模块。2)AT+WSKEY=WPA2PSK:配置如何配置访问密码加密。3)AT+CWMODE=STA:将WiFi模块配置为Station模式,它可以在当前环境下连接到WiFi热点。4)AT+CIP-MUX=DISABLE:将WiFi配置为单路连接方式。5)AT+CIPSTART="TCP","183.230.40.33","80":为云服务器的IP地址建立TCP连接。6)AT+CIPSEND=">":在接收到的数据格式为>>时,模块进入传输模式,并将数据发送到云平台服务器。基于HTTP和JSON数据格式的无线通信模块与云平台之间以RESTfulAPI进行通信,使wifi远距离传输通信模块与云平台服务器之间建立了短接,方便了数据传输。

选用LED灯,7W功率,32W电源的电风扇,以及23W功率的LCD显示器作为实验对象,在开电3种负荷情况下,实时采集各负荷瞬时电流的有效值,并且选择是否有测量精度及是否有多负荷的投切过程作为设备的性能指标。在仪器测量精度的测试中,作者采用了型号为VIC-TORVC890D的数字式万用表测量的三位半(分辨率为1/2000)和±2.0%的万用表进行比较。采用该装置和万用表分别测量3种电力负荷的工作电流,并计算出1、50,100次各测得的电流平均值,并通过二者之间的相对误差计算该装置的测量精度。该仪器和万用表的测量结果见表1。从表1可以看出:该装置经过多次测量,该装置与万用表间平均电流值的相对误差不超过1%,即可以达到99%以上,从而表明该装置可以实现电力负荷数据的高精度测量。另外,还进行了LED灯泡、电风扇、液晶显示器的测试,同时实时采集其瞬时电流有效值,并根据电流波形的变化检验该装置是否能进行多重负荷投切。该设备可以监测负荷从开至稳运行的暂态过程数据和稳态过程数据,能够较好地描述各种电力负荷在工作时的电气特性,为无入侵性负荷识别系统的研究提供了依据。

云平台是开发的一个物联网开放平台,可以方便地帮助负荷监测设备实现接入和连接,快速完成监测设备开发部署,并为负荷监控设备提供完善的物联网方案。负载数据的监测界面如图8所示,左边显示的是电力负荷的历史负荷信息,右边显示的是负荷的实时信息。当用户登录到云平台后,可以在监控界面上实时在线浏览电力负荷的电压、电流和功率信息,分析负荷历史信息,可以了解负荷历史情况。

作者所研制的无创负荷监控装置,是用一种新型的单相电能计量芯片HLW8112,将采集到的电阻器电位器转换成数字电荷形式的负荷数据。该系统精度高、成本低、维修简便、不受磁场干扰,适用于单、多载条件下监控,测试准确度达99%以上。不仅能获得负载的电压、电流、有功功率等有效值,还能获得负载电压、电流峰值、瞬时、波形图等电力参数。在数据传输方面,设计了串口和wifi远距离传输两种通讯方式,可通过串口打印负载功率参数,通过wifi远距离传输WiFi网络用户可登录云平台,实现对用电负荷的在线实时监控。该设备为无创负荷识别系统可望实现电网智能优化调度。
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