智能电表数据监测方式分析

智能电表数据监测方式分析

傅红仙

浙江万胜智能科技股份有限公司  浙江省台州市  310000

【摘要】应用智能电表进行企业的电能数据监测已经广泛应用于各大工程企业之中，这种方式可以有效进行电能数据的收集、整理、上报与分析。然而随着企业用电量的增加，传统的智能电表在数据监测上面精度不够，耗时较长，稳定性差等诸多问题也逐渐显露出来，如何应对此类问题，优化智能电表的数据监测配置，已经成了如今电子工业技术领域的一个重要课题。本文将以基于NB-IoT无线通信的智能电表的构架与创新性，及其与传统应用的智能电表之间的优劣进行解读，阐述智能电表的工作原理与监测原理，进行探究。

【关键字】 智能电表；数据监测；电能管理；电子技术

在企业的生产过程中存在着大量的电能浪费状况，这既不符合节能环保的要求，也加大了企业的开支，不利于企业良好的发展。虽然现代企业多采用多种手段来进行电能监测，较少能源浪费现象的发生，但是由于大多数企业生产设备老旧等问题，并不能完全利用电能采集设施，也缺乏重布电缆的能力。故而，选择应用智能电表的监测系统对大型耗电机械进行实时监测成为了应对此类问题的最优解。然而，目前企业广发应用的基于人工智能和电路转换分析为主的智能电表在稳定性和精确性上无法满足大多数企业的需求。

1.智能电表概述

1.1智能电表的发展历程

智能电表是在传统电表的基础上，利用微电子技术、计算机网络通信和信息处理技术等先进手段更新而成的新型数据终端。其工作原理与传统电表差别很大，不单具有电能的计量功能，还担负着费用计算、用电量监测和通信等功能。上世纪70年代，美国Silver Spring Networks公司首先提出了面向智能电网的高级电表架构(AMI)搭建与运行的解决方案。并在美国科罗拉多州与荷兰阿姆斯特丹、日本横滨等城市进行智能电网架构和管理。基于节能减排的需要，智能电表在欧盟得到了广泛的普及，根据英国政府提出的“能源需求计划”现实，至2020年，英国的智能电表普及率当达到90%以上。自2011年起，我国开始大力推行智能电表设施，至目前位置，其覆盖率已达80%以上。国内领头的智能电表厂商多达100余家，仅专利技术就高达200余项。目前国内的智能电表架构已经从单、双机系统发展成现如今的有线和无线网络系统结构。与传统电表相比，智能电表不单具有计量更为精准的特性，还拥有着余额不足报警，电量储存，信息监测与传播，电费价格查询等多项功能，同时还能够通过其内部的电子通讯系统与网络通讯协议对企业或者居民的用电进行监测与分析。

1.2智能电表的工作原理

   不同于传统电表，智能电表通过对用户用电时产生的电压和负荷电流进行实时采样，传回芯片进行数据分析比对，最终得出用户的用电量和电费，并将之以显示在液晶屏上。与此同时，还可以通过电力和网络通信技术进行联网，实行远程数据网络化管理，实现其远程负荷控制、用电异常监测、反窃电管理、远程充值等功能。通过校准反馈与数据分析，最终进行区域用电的管理。

1.3智能电表数据监测的可行性

随着国家电力系统的升级改造，传统的无源配电网络正在像精密复杂的有源电网转变。在这种大环境下，企业用电方式需要进行有效地监测与革新，以防止配电网极限而导致非计划性的停电。因此，快速感知用电情况，以及用电数据的监测与管控成为企业的迫需求。现阶段的配电网的实时状态估计需要以高分辨率的测量 数据为基础。配电网中已经部署了大量智能电表，能够采集海量的测量数据。但是智能电表的测量数据主要被用来计算电费，因此其数据采集周期一般 设定为每天采集3 ~ 4次，这显然远远不能满足实时状态估计的要求。由于NB-IoT无线通信技术能够提供高时间分辨率的测量数据，因此现有电网实时状态感知方法大多是基于NB-IoT测量数据。但是在配电网中使用这种方法显然将面临部署大量NB-IoT的成本，不具备大规模推广的可行性，为此提出一种基于智能电表的实时配电网状态估计的低成本解决方案。智能电表所采集的数据存在时间分辨率较低的问题，因此使用部署在中低压变电站的NB-IoT所提供的高时间分辨率的测量数值对智能电表的测量数据进行插值处理，以提高智能电表测量值的时间分辨率。仿真分析结果表明，该方案能够以较低的成本有效提升配电网状态估计的实时性。

2.智能电表数据监测系统的构建

 NB-IoT无线通信技术作为一项智能电表监测技术，通过电能采集总线通信协议，可以对智能电表进行软件区域和硬件区域的分划管理，并统筹分析，最终提高系统的性能。在对NB-IoT无线通信技术的实验分析中，证实了该技术应用于智能电表数据监测系统上，可以有效地保障电表的正常运行，实时监控企业用电总量，并进行分析调控。下面单就本系统硬件和软件相关构建做简要叙述。

2.1 监测系统硬件构成

由于各地电压等级差异过大，本文将单项智能电表作为范例，描绘出电表硬件的基本框架图（图1）

（图1）电表硬件基本框架图

通过在需监测的设备的电源上加装智能电表，电流采样模块采用串联接入方式计量电流数据，电压采样模块采用并联方式接入待测电路计量电压数据，电源模块通过交直流变换为各模块供电。 而此时设备的电压、电流数据经由内部总线传输至电功率测量芯片进行计算，得出实时电压、电流、功率以及电能等相关电参数，数据同步至控制模块，再由控制模块完成数据的存储、显示与通信等功能。

2.2 串口服务器

智能电表的监测系统再其硬件区域的串口服务器设计采用Modbus RTU协议构成，因此上需要将网口信号改为串口信号，从而实现电能数据在电表和系统主机之间的双相属性，使电表可以通过互联网进行数据收集整理。而通过串口服务器，使得电表的计量和监测手段对应，可以更为精确的计算电流和电压。除此以外，还可以在串口终端设置完成后将波特率以及端口和IP地址设置为固定数值，如果需要多台电表，只需要改变电表的波率和站号就可以将新的智能的电表新增入网，方便快捷（图2）。

（图2）串口服务器设计图

2.3 电能采集器

作为采集电能的核心硬件，电能采集器的主要工作就是收集企业各大型机械地用电数据，通过对机器电信号的转换，从而形成电能数据，通过，无线网络，传回到监测系统的管理内核。采集器的内存为512GB，应用微软的Windows7系统，重量为300g，输出电源适配器的DC为10 V，并且电流恒大于 1.5 A，输入的 AC为 100~240 V，频率为80~100 Hz，采用的电源为 3.7 V 2 300 MHz 容量的电源模块。为了保证电能采集器的工作安全，此采集器可以排除半径为25 km范围的空气放电干扰与半径为10km半径的直接放电干扰。

2.4稳压装置

   稳压器除了具有使监测系统终端与计算机连接的安全，还能够保证硬件区域电表的工作稳定。一旦出现电表的异常运行故障或者是系统的电压出现问题，都会立刻触发稳压器的报警，并及时将电表与其他串联电表进行物理切断。本次研究中采用的是SVC三相文雅稳压装置，其工作电压为380V，外围应用双线铜圈保护，纯铜调压线和补偿线间接围绕，匝线连接紧密，具有效率高、速度快的特点。稳压器的电压频率为 50~60 Hz，可以在 2 s 内完成调压，必要时采用自动切断输出，器件耐压为2 000 V/min，不会击穿模型，绝缘电阻大于 5Ω（图3）。

（图3）稳压装置

2.5 通讯电路设计

    本次测试电表在通讯电路上采用LB101网络模块，这是一种低功耗的集中式无线网模块，工作计量频段为510-570MHz，其发射功率可以灵活设置，最大可以达到120mW，可接收25mA以下电流。工作电压范围为2.5-4.2V，该模块采用GFSK进行射频调节方式，通过同步调频通信的方式，实现将整个网络划分为18个区域，并采取GSM频率复用方式，空中的波特率可以达到20000bit/s。并通过串口方式与MCU进行连接通讯，当处于空旷地带时两点之间的通讯距离可以超过2km。

2.6软件设计

软件设计主要分为智能电表采集节点软件设计和智能电表网关软件设计。 智能电表采集节点完成电能采集是由芯片ADE7953完成的，对ADE7953 的控制则是由主控制器TM4C129来实现，主控制器通过SPI接口来读取ADE7953中的电能参数和数据，并对其进行相应的处理。主控制器TM4C129为通信主机，ADE7953为通信从机，ADE7953等待主机的命令，当收到主机通过SPI发送的读取指令后，根据相应指令做出回复，并将数据发送回主机。 主机接收数据完毕后，对接收到的数据进行相应的处理，对各项电能数据进行计算，处理完成后再将数据通过LB101无线模块发送给网关设备的LB102，同时可以在现场的液晶屏上进行显示，方便用户现场查看。智能网关主控制器TM4C129判断是否接收到采集节点发送的数据，如果收到数据就通过4G网络端口以数据传输的方式把数据发送到系统终端，若没有接收到采集节点的数据则会继续等待，重新接收数据。

3.实验数据分析

在该项研究过程中，研究人员对智能电表进行采集器的无线组网测试与电能计量测试两种基础实验，实验结果显示，该智能电表能够完成正常组网，并可以再次基础上进行数据交互。通过搭建数据平台的模式以工厂常用的机器设备测试该智能电表的电能计量功能，通过测试，电表测量数值与标准数值大致一致。

除了自身运行测试，本次研究还着重进行比对实验，即将运用NB-IoT无线通信技术的智能电表数据监测系统与传统的人工智能识别为主的智能电表监测系统与电路转换分析为主的智能电表监测系统进行了类比实验。这两个传统的电表系统都是目前广泛应用于企业中的电表监测系统。我们通过对于某企业车间内的电表系统进行连接，并进行数据分析比对，我们在实验中，加大机器的工作码率，以提高耗电功率，用以测试智能电表在应对大功率机械装置电能收集与传输转换的过程。在该实验中工程机器在同一时间触发了3个智能电表监测系统，由工作人员通过电能电表监测仪器进行监测和记录，并进行数据的汇总（表1，2）

表 1  汇总监测的实验数据(kW·h)

表2  监测时间实验结果

监测稳定性如图4所示。

根据上述的实验数据结果，我们可以直观地看到，本次研究所示的电表监测系统在电表监测结果上，其准确性要高于传统的监测系统，而用时也要小于传统的监测系统。在测试的稳定性上，更是优于传统的监测系统。在整个实验过程中，该智能电表的各个硬件温度也在设施标准温度范围内，并没有应复杂压力而导致系统内部的器件出现功能性损耗。由此我们可以得知，基于NB-IoT无线通信的智能电表监测系统对比其他两个传统的智能电表监测系统在电表数据出现变更的情况下，监测系统的反应时间也是最快的，具有较高的灵敏性。

4.总结

通过实验数据显示，基于NB-IoT无线通信的智能电表监测系统，无论在其硬件以及软件功能的合理应用及改造，可以实现对企业用电数据的实时监测和把控，可以实现集数据收集、监测、调控以及分析采样的功能，最终通过终端系统得出监测结果。这种方式更加细致准确的实现了对企业电能的监测效率，对于降低电能消耗，实行节能产业计划，有着重要作用。

参考文献

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