陈月阳
沈阳供电公司 沈阳市 110003
摘要：电力能源体系在将来的发展方向为借助物联网技术建设电力系统，将其创建为泛在电力物联网。在泛在电力物联网四层架构的基础上，设计出一款具有智能化的电量计量终端。该装置共包含无线通信模块、电能计量模块和控制与存储模块等硬件。控制核心为三星公司的S5PV210；参数采集核心为ADE9153B计量芯片；数据传输核心为GPRS和NB-IoT。该装置的软件在数据的传输、存储、处理和可视化时，采取的核心为物联网协议、AndroidAPP及云服务器。该装置在整合和共享离散数据方面，具有较好的可视化效果和效益，确保了供电系统运行的稳定性。
关键词：泛在电力物联网；智能电量计量终端；无线通信；共享
用电设备的规模较大、分布较广，为确保用户侧用电情况，需采取分散式监控方式，监控用电设备中的电能计量部分。当前，交直流输电规模不断扩大，接入的分布式发电设备大幅度增加，增大了电网的复杂程度。此外，人工智能新技术的出现，对传统电网的功能和运行方式，都带了较大的挑战，电力能源体系在将来的发展趋势也逐渐转变为智能化。为此，本文以泛在电力物联网四层技术为架构，提出了智能电量计量终端相关设计方案，具体内容如下。
1.智能电量计量终端硬件设计框架
1.1电能计量模块电路设计
电能计量模块采用的IC芯片为具有较高精度的ADE9153B，可借助mSure技术实现自动校准功能，校准时不需基准量程。其内部具有ADC（3个），其性能较高，可对设备功率、电压、电流等因数进行测量。
在电能计量模块中还具备一个MCU处理器，STM32F103RCT6经接口SPI对ADE9153B的数据进行读取，再在有线通信接口作用下，借助嵌入式主控制S5PV210实时控制电能处理模块，为确保其具有数据的可视化功能及单模块的运行调试功能，需在模块预设按键接口和串口屏幕接口。
1.2控制处理模块
控制处理模块的组成主要为：UART（通用异步收发传输器）接口、USB Host接口、按键模块、报警模块、冗余模块、显示模块、RTC实时时钟、AD/DC接口、S5PV210芯片等。
1.3本地通信模块
本地通信模块在S5PV210芯片控制电能计量模块、接收ADE9153B电能计量芯片与子控制器的数据中是使用。主控制器S5PV210在控制电能计量模块时，采取UART接口，UART接口采用的通信方式为3线制，接口方式为TTL电平，降低了硬件连接的复杂性。三线通信统一零电位，分别将主控制器的GND、TX及RX，与电能计量模块的GND、RX线和TX线相连。接收ADE9153B电能计量芯片与子控制器的数据使用的接口为四线制SPI。SPI在硬件连接方面采取四根线，降低了芯片管脚的利用率，适用于单主控的场景中。
1.4无线通信模块
在物联网环境中传输数据，大都采取GPRS技术在GSM网络中进行。GSM作为一个蜂窝网络，具有较强的信号覆盖率和数据传输效率，而且GPRS业务的使用区域较为普遍。
然而，GPRS技术也有其弊端，物联网设备终端网络多为GSM，GSM网络基站具有优先的承载情况，当出现网络拥挤时，GSM网络则会首先确保用户的通话质量，而有可能将GPRS通信设备踢出网络。
因此，同样构建于蜂窝网络的NB_IoT技术，在带宽消耗较小的情况下，可直接在GSM网格中进行部署，其物联网终端功耗较低，具有大连接特性和较广的覆盖率，此外，其模块成本也相对较低。
本次设计将采取双模模式设计无线通信模块，即GPRS技术和NB_IoT技术。采取GPRS技术下发指令和传输实时数据；采取NB_IoT技术用以验证、备份数据和指令。
2.无线网络通信
2.1无线通信模块网络直连方法
在电量计量终端程序运行时，针对多线程，采取AT指令收发数据时，会导致程序处理出现差错。因此，为了确保在电量计量终端开机时，可将无线通信模块的AT装置指令自动开启，从而得到本地的IP地址，目的IP与云服务器平台相连，从而在TCP/IP和socket编程的作用下，无差错收发数据，为解决这一问题，本文将改进的PPP移植到电量计量终端的嵌入式操作系统中来。PPP协议可确保无线网络的绝对连通性，并将其操作步骤进行简化。
2.2软件数据的收发策略
当配置好软件的硬件环境，对数据和指令制定收发规则时，需从APP端、云服务器平台端及硬件端进行。推送数据消息的途径有推送模式、SMS模式和PULL模式三种。MQTT是一种标准物联网协议，为“轻量级”推送形式的长连接通信协议，模式基础为发布/订阅，构建在TCP/IP上。该协议优势为可在有限代码和带宽的基础上，将更为可靠的实时消息，提供给远程设备。
2.3数据代理服务器（MQTT Broker）部署
电量计量终端在泛在电力物联网四层技术框架中，还需与平台层、应用层之间交互信息，为了辅助通信，还需将一个服务器安装在技术架构上，如开源软件Mosquitto。此外，MQTT协议也需借此软件来交互信息。本次设计使用的开发平台为Linux系统。本次设计使用的MQTT方案所处的网络通信环境不安全，为此，需确保数据及设备连接验证的安全。如使用TLS加密技术、提供客户端标识或设置用户名和密码等。
3.结语
本次设计基于泛在电力物联网四层技术架构，从硬件平台和软件平台，实现了智能电量计量终端设计，具有较好的测试效果。如将电量参数计量模块，设置到泛在电力物联网架构的感知层，可测量多种电量参数，从而分散性监控各用电数据。在泛在电力物联网架构的网络层，采取双模无线通信技术，加上数据加密技术和PPP协议，可准确传输数据，确保系统的实时性。对于泛在电力物联网架构的平台层，设计数据库并移植MQTT代理服务器，可存储、检索和统计分析电量数据。将移动UI框架的Flutter用于泛在电力物联网架构的应用层，可借助手机端APP编写，实现电量数据的可视化。
参考文献
[1]庄建煌, 彭健, 陈重,等. 基于泛在电力物联网的多技术融合变电设备发热缺陷判别预测系统的研究设计[J]. 高压电器, 2020(9).
[2]吴倩, 靳雯皓, 张广飞. 泛在电力物联网背景下变电站整体架构设计[J]. 内蒙古电力技术, 2020, 038(001):71-76.
[3]张贤坤, 刘俊. 基于泛在电力物联网的配电网智能化状态监测分析[J]. 数字化用户, 2019, 025(025):146-147.
[4]刘静娴. 基于泛在电力物联网的通信与业务适配的探讨[J]. 轻松学电脑, 2019, 000(021):P.1-1.
作者简介：陈月阳（1982-12），女，汉族，籍贯：河北，当前职务：电气工程师，当前职称：电气工程师，学历：研究生，研究方向：生产运行-输配电及用电工程