基于WiFi通信的智能用电监控装置的设计＊

坚葆林，姜毅龙，李许军

（甘肃机电职业技术学院，甘肃天水741001）

1 引言

智能电网已经成为目前世界电力发展的新趋势。智能用电作为我国坚强智能电网的重要组成部分，实现了电力资源的优化配置，对智能电网的建设具有重要的意义［1－2］。本文以智能用电服务体系中的用户用电服务系统为指导，分析市政、商区和家庭的小型用电设备对智能用电系统的要求，并结合电量参数采集和远程控制要求［3、4］，设计了一种智能用电无线监控装置。该装置通过智能交互终端实现普通的电力用户对用电设备的远程监控，能较好地解决公共场所、家庭等小型用电设备的智能用电问题。

以家庭用电为例，如图1所示，将各种分布式用电设备如冰箱、空调、洗衣机、微波炉等用电设备通过智能用电终端连接到配电网络，实现配电网络与用电设备的能量连接；通过WiFi无线通信网络，智能用电终端可以连接到本地用户监控终端和数据服务中心，实现信息交互［5］。同时电力用户可以根据自己的用电环境、用电习惯以及当前的电价水平，按照自己的需求预设用电设备的参数，智能优化用电设备的运行方式，这样可以使用电设备在满足电力用户需求的前提下达到其最佳的用电效果，不但可以提高用电设备的电能使用效率，还可以实现节电节能的目的。

图1 智能用电终端应用示例

2 总体设计框架

智能用电终端装置可以对用电设备的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、谐波含量进行测量，并且也可以对有功电量累积消耗进行计算，在得出测量和计算结果后通过WiFi模块向监控终端提供电能数据，并实时等待监控终端的指令，一旦接收到监控终端的相应指令就可以通过智能用电终端中继电器模块实现电源的开启和关断，从而控制与其相连接的用电设备。智能用电终端具有自身保护的功能，如过压保护、过流保护、短路保护等功能［6］。

智能用电终端的总体结构设计如图2所示，主要包括ARM微处理器单元、WiFi通信单元、信号测量单元、负荷控制单元、系统供电单元以及时钟、Flash存储等扩展功能单元［7］。在微处理单元的协调控制下，智能终端首先通过测量单元监测接入的用电设备的电量信息，然后利用WiFi通信单元实现与用户终端和数据服务中心的信息传输。负荷控制单元可以根据电网公司或者用户自身下达的指令对用电设备进行调节、控制［8］。

图2 智能用电装置的系统框图

3 智能用电终端电路设计

3.1 微处理器控制模块

系统控制模块作为智能用电终端的核心模块，该终端以ARM微处理器STM32F103RBT6为系统控制核心，主要实现电力参数的快速采集、数据处理、数据上传和接受指令等工作［9］。图3所示为处理器与其他模块的接口电路，当微处理器接收到采集模块的测量数据时，进行快速正确的处理和计算，并将处理和计算后的数据进行保存记录，与此同时通过WiFi模块发送数据到监控终端；另一方面接受来自监控终端的指令信息，控制用电设备的运行状态。

图3 系统控制模块原理图

3.2 电压和电流检测电路

电能参数采集与调理模块作为对测量信号进行处理的模块时，在整个控制系统中起着非常重要的作用，电压和电流采样电路采用典型的电阻检流、分压再放大采样的方式。具体的测量电路如图4和图5所示，用电设备的电压电流信号分别通过分压电阻和检流电阻转换成弱电压信号，再利用运算放大器TLC2254进行调理放大后，输出到微处理器的ADC模数转换器端。

图4 电压检测

图5 电流检测

3.3 电源电路

系统电源包括220V交流输出电源和终端系统供电电源，其中220V交流输出电源由继电器控制用电设备的开启和关断；控制系统供电电源包括了多电平输出，包括＋12V输出电路、＋5V输出电路，以及二次电平变换电路，包括－5V输出电路、＋3.3V输出电路等，各电平转换电路如图6、7、8所示。

图6 电源变换电路

图7 3.3V转换电路

图8 －5V电源转换电路

3.4 继电器驱动电路

考虑到用电设备的性质，继电器关断时会产生高电压脉冲，可能会损坏元器件或者干扰微处理器，导致系统工作异常，对电源电路进行了如图9所示的电路设计，使系统电源和继电器电源相互隔离，微处理器对继电器的驱动是通过光耦隔离的，可消除外部电路对处理器的干扰。

图9 继电器驱动电路

3.5 WiFi模块电路

WiFi通信USR－C215模块，该模块上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元、以及功率放大器；内置低功耗运行机制，可以有效实现模块的低功耗运行；支持 WiFi协议以及 TCP／IP协议，非常便于在智能家居、智能电网、手持设备等领域进行二次开发。同时该模块同时支持UART、PWM、I／O数据通信，可直接嵌入到MCU系统中实现终端设备与互联网的透明数据传输。WiFi模块电源为3.3V，和微处理器MCU3.3V电源电平兼容，只需要将模块的TXD加到MCU的RXD，将模块的RXD接到MCU的TXD上即可，电路接口如图10所示。

图10 USR－C215模块接口电路

4 程序设计

智能用电终端的主程序上电后完成的工作有：

（1）DSP初始化，包括对 I／O 端口、UART 通信接口、内部定时器等进行初始化操作；

（2）硬件自检，如ADC采样测试、WiFi通信信道测试、存储测试等；

（3）信号测量与计算，单相电压、电流信号的测量采用准同步定时采样的方式，数据的计算分析采用分时操作的方式，计算分析内容包括过负荷判断、CIC数字滤波、有效值计算、功率计算、频谱分析等；

（4）信息交互，微处理器利用UART中断与WiFi模块建立数据和命令的传送，然后根据数据解析后得到有效指令执行相应的任务，比如数据上传、设备控制、频谱分析、节电控制等。

5 测量性能测试

对样机的性能进行测量和验证，测试项目及结果如表1和表2所示。结果表明智能用电终端测试数据的相对误差较小，测量精度较高。

表1 电压、电流有效值测量

表2 电压、电流谐波含有率

6 结束语

在智能电网中，智能用电技术涵盖了高速实时通信、智能电表、智能采集、双向交互以及需方响应等多方面技术，是计算机、现代通信技术、高级测量技术、控制理论和图形可视化等学科交叉的技术集群。本文以ARM单片机作为处理器，设计了一种可实现智能电网下对分布式用电设备进行用电信息采集和协调控制的智能用电终端，测试结果表明该智能终端具有较高的测量精确度，可实现用电设备用电情况的监控。