一种基于物联网的电能质量监测系统设计

一种基于物联网的电能质量监测系统设计

杨静

湖北仁威电业科技有限公司 湖北省 武汉市 430070

摘 要 为了更精准掌握影响各个电力线路运行的指标，本文提出了一种基于物联网的电能质量监测系统。通过数据采集、数据无线传输、数据智能存储和分析三大模块实现电能质量全方面、多维度的监测和管理，保障了电网和用电设备的安全稳定运行。

关 键 词 物联网 电能质量 LoRa无线传输 GPRS无线传输

1 引言

随着物联网技术在全球范围内掀起的热潮，物联网开始在各个行业受到普遍关注。物联网技术以其在物品识别、传感和传动、网络通信、数据存储和处理、智能监测等方面的优势，使得其与工业的结合更加紧密。《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》文件的出台，更大刺激了物联网技术在工业方面的发展。

同时随着国民经济的发展，电网对电能的需求和电能质量的要求也越来越高，但是由于多种非线性负荷设备的增加，严重污染了供电系统电能质量。所以，如何解决电能质量的相关问题是电网公司和电力用户亟待解决的问题。

2 基于物联网的电能质量监测系统设计

基于物联网的电能质量监测系统是由现场智能电力仪表、通讯管理机、有线或无线集中器、远程智能监测管理平台等几部分组成。其中的通讯管理机和集中器等硬件设计中不但包含核心的移动通信物联网技术还涵盖了嵌入式技术、传感器技术和软件技术。系统整体架构如图所示：

图1 电能质量监测系统架构

2.1 数据采集单元

数据采集单元遵循国家电能质量参数采集与计量、国家电网公司的采集与计量标准，基于物联网技术设计，采用云计算分布式部署，以满足海量能耗数据存储与应用。

数据采集单元是电能质量监测系统的基础，包括采集配置管理、采集规约适配、采集任务管理、采集数据处理、采集质量检查、采集运行监测等。其中采集规约适配是指实现常用规约，包括Modbus、能效规约、DL/T645-1997、DL/T645-2007等的解包及组包处理功能，实现自动识别常用规约并按相应规约进行解析。采集任务管理是指实现企业用能数据的采集功能，包括常规采集、实时召测及数据补采。采集数据处理是指对采集任务返回的数据进行加工、计算、统计、极值与超限判断等处理工作，并对所用能数据集中统一存储。采集质量检查是指对采集数据的完整性及合理性进行检查，提供查看数据采集情况、查看异常情况、数据召测等功能。采集运行管理是指对采集前置机器负载均衡配置、多线程并发的通信调度管理。

硬件包含前端的智能电表、通讯管理机两部分。智能电表实时显示监测区域或电力线路的各类电参数，主要包括电压、电流、电量、负荷、功率因数、谐波、需量、费率等。智能仪表一般带有485的远传接口，可以通过485线直接与通讯管理机连接，通讯管理机具备手动配置功能，可以根据用户实际需求设置采集间隔（10秒～几小时）和采集参数。通讯管理机中的ARM存储模块具备数据存储和计算功能，可以对采集的数据进行简单的计算、统计和存储，并按设定的传输频率定时远传至大数据中心。通常一个通讯管理机可以支持多个电表采集，各仪表通过485线手拉手连接后与通讯管理机的485接口连接。理论上一个通讯管理机和仪表距离一般在200米以内；设计中建议一个通讯管理机支持一种类型的电能表数据采集。不同类型的电能表采用多块通讯管理机分开采集。

通讯管理机内配置有传输模块，支持有线和无线传输，有线方式可以通过网线和光纤传输，无线传输可以通过GPRS传输。配置方式可以根据用户需求灵活定制。

随着智能仪表的发展，越来越多的仪表也具备了无线远传功能，可以通过修改IP地址和端口号，将不同区域、不同类型的仪表远传至同一个服务器上。大大节省了用户采购和安装通讯管理机的成本。但是因为每个仪表都具备了远传功能，增加了通讯模块和流量的成本。

2.2 数据传输单元

数据传输是连接现场层和管理层的纽带环节，本单元是指完成监控系统通讯所涉及的底层通讯链路（如 RS485）、通讯管理机以及顶层通讯链路（如光纤以太网、TCP/IP 网络）等的总称。具体包含仪表到通讯管理机的传输和通讯管理机到远端服务器的数据传输两个部分。

仪表到通讯管理机的传输通常是采用485传输，每个485通道最多能连接64个智能电力设备。通过以太网关把低速串行信号转换为高速以太网，将现场层的数据转送入系统数据中心，方便远程数据中心的管理。一些无线仪表支持Zigbee或LoRa传输，可以通过协议对接在规定距离范围内实现传输。考虑到Zigbee模式传输时受环境电磁干扰影响比较大，所以目前推荐采用LoRa模块传输。

通讯管理机到远端服务器的传输通常采用两种方式，一种是光纤传输，一种是GPRS传输。可以根据用户现场实际需求选择采用哪种方式。当服务器部署在内部局域网中或者因为其他原因无外部网络的条件时，通常会选择光纤传输；如果有外部网络或者用户不具备部署光纤的条件时，一般选择GPRS传输，传输至远程的云服务器。配置模式是在通讯管理机中设定服务器IP之后，通过TCP/IP协议对接，远端服务器开通一个sorcet接收端口，实时监测通讯管理机的上传数据，定时把数据保存到数据库中。

2.3数据分析单元

图2 数据分布图

数据分析单元包括数据统计、存储和分析。用户前置采集数据先写入本地采集库，然后推送至平台展示端缓冲数据区进行统计、存储。经过内部接口逐步写入业务库存储业务数据及平台数据，也可通过政府/其他系统数据库存放各自的系统数据。

数据中心实时采集及历史数据存储，作为电能质量监测系统的子系统进行建设。在数据存储、展示时，通过内部接口实现；电能质量监测系统数据与政府/其他系统数据共享时，可通过接口互相调用。

展示端首先对经过数据处理后的分类分项能耗数据进行分析汇总和整合，然后通过静态表格和动态图表方式将能耗数据展示出来，为电能质量分析提供信息服务。展示层采用B/S软件体系结构，有权限的用户可以直接利用INTERNET浏览器方式访问能源中心服务器，查看数据报表和图表等信息，操作方便，免安装、维护。数据图表是反映各项采集数据和统计数据的数值、趋势和分布情况的直观图形和对应表格，可分为数据透视表、饼图、柱状图、线图、仪表盘或动画等，格式灵活，可交互操作。

3 电能质量监测功能分析

电能质量监测系统的平台功能主要包括电压质量分析、二部制电价分析、峰平谷电费分析、电压断电、中断、瞬变等分析。

3.1 电压质量分析

系统通过电压的偏差来衡量电能是否合格。主要包括电压偏差、电压频率偏差、电压波动与闪变、电压谐波、电压不平衡、电压暂降（暂升）与中断等。在电能质量监测系统的平台中针对用户重点关注的电压偏差、三相电压不平衡、公用电网谐波等功能进行监测。

3.1.1电压偏差分析

根据国家发布的《电能质量供电电压偏差》标准，在软件后台输入标准限值，当监测电压越限时，会通过报警方式显示在表格或以短信方式通知给用户。软件设置有手动输入页面，当供电距离较长以及对供电电压偏差有特殊要求的用户，由供、用电双方协议确定标准限值。

3.1.2 三相电压不平衡度分析

单相接地、断线谐振时会导致三相电压不平衡，平台通过监测各相电流可以快速诊断异常，并将结果以折线图展示给用户。当不平衡度超过2%或短时超过4%时，会以短信或者邮件方式通知管理人员。

3.1.3公用电网谐波分析

谐波会导致供配电系统的稳定和安全运行，通过平台对电力线路、电力变压器以及高压电动机等线路和设备进行谐波监测。页面展示总谐波和1～31次谐波数据，谐波超限将在页面中标红显示，也可以灵活配置谐波报警方式。

3.2两部制电价分析

通过监测用户的需量和容量，结合用户的用电方式，展示出需量和容量两种方式下企业的电费情况，用户可以通过页面快速判断出哪种方式更节约用电成本。电力分析专家会结合企业的实际生产情况，给出准确的用电分析和建议。

3.3 电压断电、中断、瞬变等分析

电压断电、中断以告警方式在平台页面展示，当某个监测区域出现断电、停上电、瞬变时会实时将异常编号发送到管理人手机或邮箱中，提醒管理人员及时处理，并在监控区域配置声光报警。

4物联网在电能质量监测系统中的作用

4.1 LoRa无线通讯模块设计

LoRa作为一项长距离、低功耗无线通信技术是智能采集设备的首选，它支持多信道、多数据速率并行处理，具备较大的系统容量。LoRa采集模块,兼容三大运营蜂窝网络，LoRa网络，WIFI网络。支持LoRa转串口、网口、WiFi、2G/3G/4G网络和TCP/IP协议。电能质量监测系统中的智能采集设备中的LoRa模块采用SX1276射频芯片和STM8L151为主芯片，该芯片具备传输、WOR、配置、深度休眠几种工作模式。采用全新一代的扩频技术，具备 LoRa　FHSS 的扩频调制跳频技术，增大了信号传输距离，提高了信号接收灵敏度，增强了无线通信链路的稳定性。

4.2 GPRS无线模块设计

GPRS无线模块主要是将LoRa无线模块传输到集中器的数据包通过GPRS模块传输到远程的大数据中心。GPRS模块主要采用SIM900A芯片。SIM900A芯片能够在全球移动通信系统和数字蜂窝系统的频段下工作并且支持GPRS多种编码格式。可以根据实际情况选择SIM卡的类型，通讯管理机包含Flash、SRAM处理器和GSM基带处理器、匹配电源和和插座。GSM基带处理器是核心部件，相当于一个协议处理器．用来处理外部系统通过串口发送的指令。射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。匹配电源为处理器基射频部分提供所需的电源。

模块向数据中心发送数据报文都会传送到公网固定的IP地址上，而从数据中心传送过来的应答帧也同样会根据IP地址传送到GPSR模块，从而实现采集数据和数据中心通过GPRS模块的透明传输。

5 基于物联网的电能质量监测系统未来发展趋势

目前的电能质量监测系统只包含了一部分的电能质量指标，并不完善。而且全部是通过数据展示后再由专家分析输出。如何将数据更智能化，实现平台采集、统计、分析、建议一体化功能是我们有待解决的问题。

虽然目前的前端数据采集器已经实现了数据的采集、传输功能，但是在断点续传、数据存储方面还需要改进提高，以便实现断点续传的时间更持久和可靠。

电能质量监测目前只是对已经出现的问题进行告警和处理，所有问题都是后知后觉，如何提前预测电能质量问题，也是未来需要解决的问题。

目前电能质量监测管理系统仅仅支持对电能质量包括谐波、三相不平衡度、电压偏差等方面的监测和管理，对电能的节能降耗关注较少。如何将电能质量管理和节能降耗、设备精细化管理相结合起来是我们未来需要思考的方向。

6 结束语

快速发展的经济使得人们对电能质量的要求越来越高，为了降低企业成本，减少电力公司的损失，采用先进的电能质量监测和管理方法尤为重要。基于物联网的电能监测系统将物联网、大数据应用到电能质量的评估中。对未来电能质量的监测和管理起到了一定的促进作用。

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