基于物联网的电能监测控制系统

有鹏+朱晞旸+谢松岩+韩正一

摘 要 针对电网接入设备复杂多样、局部用电环境恶劣等问题。各行各业对电网智能化发展的需求日益强烈。本文采用基于物联网的电压采集控制系统，通过先进的传感测量技术、控制方法以及通信方式支持系統技术的应用。从而能够方便、实时、高效的监测电气设备工作结果，采用变速积分的PID算法控制其供电参数达到最优运行状态。降低能源浪费，调高资源利用效率，保证设备的使用寿命。

关键词 物联网；智能电网；PID算法

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）184-0087-02

智能电网是综合了信息技术、智能控制技术、自动化技术等的融合应用，并与传统的电网传输、管理技术的深度配合，极大地提升了电网的智能化水平[ 1 ]。

1 物联网

物联网是通信网和互联网末端的延伸。终端节点通过感知技术和智能设备对物理世界进行感知识别。通过网络传输相互联系，进行数据融合、智能处理、自动控制。实现人与物、物与物信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。

物联网是互联网与应用结合的必然结果，是人类生活、生产活动深入交流互动的产物。近些年，国际发达国家进一步将物联网引入工业实体建设，包括德国的“工业4.0”战略和美国的工业互联网。中国在2015 年也提出了具有中国特色的“互联网+”与“中国制造2025”，即“互联网+各个传统行业”，通过网络与现代制造业深度融合，创造新的发展生态。“互联网+”的提出并非物联网概念的没落，恰恰相反，这种“传统行业+网络”结合的发展趋势，是人类生产活动和交流向一体化、扁平化深入的必然需求，正反映了物联网发展的必要性。“互联网+”的精髓在于通过深度认知与有机融合，在广泛发现、认知的基础上，用超出传统的想象力、整合能力创造出新的产业形态，而这种创新的基础正来自于物联网大至星云、小至细胞的泛在“感知”能力。物联网自身联通一切的特点决定了它在智能电网的发展中同样是适用的，而且有着切实的需求。

2 项目研究内容

智能电网是建立在高度集成、互联互通通信网络的基础上，通过末端节点感知、处理、计算、控制和决策的应用[2-3]。

物联网可以将物理世界中的感知对象联系起来，通过无线或有线的通信方式快速传输采集数据和控制指令。因此物联网技术可以和很多领域向结合，发挥其优势。智能电网要发挥其强大的资源优化配置能力、更高的安全稳定运行水平、高度智能化的电网调度，因此可以将物联网技术因此智能电网中来。

1）根据嵌入式系统技术及电能监测功能的要求，结合物联网技术，确立本设计所采用的方案，由确定的方案建立系统模型。

2）以嵌入式微控制器为核心，控制电能检测模块采集用电参数，运行改进后的PID算法通过调压模块控制用电设备供电电压。

3）智能手机与无线WiFi模块建立通信接收用电参数并传输供电电压控制指令。

3 系统设计

3.1 三相电能检测

对电网中设备运行状态的监测需要先进的传感和测量技术，运用专用的电能检测模块可以全面的采集用电设备的各项电能参数，如电压、电流、有功功率、无功功率等数据，提供整套的电气参数。

ATT7022作为数据采集的主要芯片，ATT7022适用于三相四线，是一个能够测量电压、电流、电压电流相位角、功率因数的专用计量芯片。精度比较高、抗干扰能力比较强。ATT7022提供了一个SPI接口，通过SPI接口外部MCU和ATT7022之间可以传输校准参数信息。

3.2 三相全隔离一体化交流调压电路

三相全隔离一体化交流调压模块可以调节三相输出功率，通过改变负载的电压。采用进口大规模集成电路设计，内部集成三相移相触发电路、单向可控硅、RC阻容吸收回路及电源电路等于一体，可自动或手动调节以改变负载上的电压，从而调节三相输出功率。即在输入控制作用下，产生三相可改变导通角的强触发脉冲信号再去分别控制内部可控硅，实现三相负载电压从0V到电网全电压的无级可调。

3.2 无线通信

监测的电能参数和控制电压的指令采用无线的通信方式进行传输。每个监测设备配备一个WiFi模块建立无线接入点。需要查看该设备运行状态时，只需要利用智能手机连上无线接入点就可以接收到监测的电能参数。如果需要对设备供电电压进行调整，可以在智能手机上输入相关控制指令。

3.4 控制算法

对三相全隔离一体化交流调压电路采用改进后的PID算法进行控制调压。为了克服因为积分项引起的饱和作用，在数字PID算法中提出了许多有效的修正算法。变速积分法是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应。偏差大时，积分累加速度慢，积分作用弱；反之，偏差小时，使积分累加速度加快，积分作用增强。

设置系数f[e（k）]，它是e（k）的函数，当|e（k）|增大时，f减小，反之则增大。每次采样后，用f[e（k）]乘以e（k），再进行累加，即：

变速积分法大大抑制了积分饱和现象、减小了超调量。通过变速积分达到了系统稳定的目的，修正了调节品质，适应能力强。

4 结论

本设计通过理论分析以及实验结果测量分析，按照设计要求实现了专用电能芯片对多种电能参数数据的采集，并且可以将数据实时通过无线发送到智能系统，以及更有效的电压调节。系统的设计响应快，并且通过实验测量得出该系统处于比较稳定的状态。测量精准，抗干扰能力强，符合国家智能电网的需求。

参考文献

[1]Akyildiz，伊恩F，等.关于传感器网络的调查[J].通讯杂志，IEEE40.8（2002）：102-114.

[2]方曦，等.智能电网的新的和改进电网[J].通信调查与教程，IEEE14.4（2012）：944-980.

[3]杨小妹，等.电力线监控系统的安全性基于无线传感器网络的.世界自动化大会（WAC），2012.IEEE，2012.

[4]杨永明，等.基于WSN大型电气设备在线监测系统[C].工业电子与应用（ICIEA）.2010年第五届IEEE会议.IEEE，2010.

[5]卡雅斯塔，Nipendra，等.智能电网的传感器的数据采集.无线通讯和移动计算，2014：1055-1087.