基于OneNet平台的电力负荷监测系统的研究*

公茂法，公鑫，张敏，接怡冰，滕文辉

（山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266510）

0 引 言

目前，文献［1］和文献［2］中提出的电力监测系统仅能现场监测，无法远程监测；而文献［3］和文献［4］中提出的电力监测系统通过局域网实现了远程监测，但是不能实现广域网范围内的监测；虽然文献［5］中提出的电力监测系统实现了广域网范围内的远程监测，但是需要定期维护服务器、支付服务器租金、运行维护成本较高。

针对上述存在的问题，在“互联网+”、工业物联网迅速发展的背景下，本文设计了一种基于中国移动物联网开放平台的电力负荷监测系统。

1 系统总体设计

电力负荷监测系统的总体结构由电力监测终端、OneNet平台和监测中心三大部分组成（见图1）。其中，电力监测终端负责对电力数据进行采集、分析和处理，对监测设备的位置信息进行采集，并将得到的数据通过WiFi上传到OneNet平台。OneNet平台对接收的数据进行处理和存储。监测中心采用B/S架构网络管理模式，支持多用户机制，用户可以用计算机、平板或手机中的浏览器，通过网页在任何时间、不受地域限制地对监测数据进行查看。

2 系统硬件设计

2.1 电力监测终端硬件结构

电力监测终端硬件结构图如图2所示，采用STM32F103ZET6芯片，工作频率72 MHz，芯片内部集成了USART串口、SPI接口等功能，方便外部模块直接调用。采用ATT7022B电能计量芯片完成相关电力信号的采集。GPS定位模块完成对监测设备的定位。ESP8266 WiFi模块将监测终端的信息通过无线网络上传至OneNet平台。

图1 电力监测系统总体结构图Fig.1 General structure diagram of power monitoring system

图2 电力监测终端硬件结构图Fig.2 Terminal hardware structure diagram of power monitoring

2.2 电能计量电路设计

电能计量模块的核心采用ATT7022B电能计量专用芯片。该芯片能够测量基波、谐波等各种模式下的各相电流、电压有效值、功率因数、频率等参数，充分满足本监测系统的需要［6］。电能计量电路原理图如图3所示，三相（A相）电压信号采集电路中，本文使用电流型电压互感器采集电压信号，因此UA需先经过电阻R1变成2 mA电流信号，经过2mA/2mA电压互感器T1、电阻R2变成ATT7022B量程范围内的电压信号，电路中电阻R3、R4和电容C1、C2对转换后的电压信号作滤波处理，最后接入ATT7022B电压输入通道V2P、V2N引脚端，由 ATT7022B完成各种电参数计算。三相（A相）电流信号采集电路设计原理与三相（A相）电压采集电路原理类似，此处不再赘述。

图3 电能计量电路原理图Fig.3 Principle diagram of electricity metering circuit

3 系统软件设计

3.1 电力监测终端的软件设计

电力监测终端程序流程图如图4所示。电力监测终端开机后，首先完成系统时钟初始化、各个模块的I/O端口初始化等。其次，对监测设备进行GPS定位，并将定位后的数据放入寄存器中等待WiFi发送。接着，对 ATT7022B芯片进行校表。然后，ATT7022B芯片开始进行电力参数的采集。之后，STM32F103ZET6对WiFi模块进行初始化，发送指令如下：

WiFi与 OneNet平台之间的通信分为 EDP和RestFul API两种方式，其中EDP方式基于TCP协议，EDP协议一般适合于数据的长连接上报、透传、转发、存储及数据主动下发等场景；RestFul API基于HTTP协议和json数据格式，适合平台资源管理、平台与平台之间数据对接、使用短连接上报终端数据及时间序列化数据存储等场景［7］。本系统需要平台下传指令到监测终端，故采用EDP方式传输。WiFi模块按照TCP协议与OneNet平台之间建立连接，最后STM32F103ZET6微处理器通过WiFi模块将数据上传至OneNet平台。

3.2 监测中心的软件设计

监测中心软件设计基于中国移动物联网开放平台。该平台不仅提供高性能免费云端服务，而且适配各种网络环境和协议类型，支持各类智能硬件的快速接入，能够很好地实现服务器的所有功能，并且还能够满足监测网络领域的协议适配、海量存储和计算、数据安全及大数据分析等平台级服务需求，为开发人员提供了很好的开发环境，大大降低了研发、运营和运维成本［8-9］。根据OneNet平台提供的基本框架，创建一个网络电力负荷监测项目，便可建立起对指定设备的电力参数进行实时远程监测的监控显示平台。

OneNet平台的资源管理层次结构图如图5所示［10］。在 OneNet平台下有用户、产品、设备、APIKey、设备应用、触发器及数据流等组织结构。根据OneNet平台的资源管理层次结构，在创建的网络电力负荷监测项目下，添加一个电力监测终端设备和监测中心的应用。在电力终端设备中，添加需要监测的位置信息、电压、电流等各种电力参数信息的数据流。在监测中心应用中创建各种数据流和下传指令的显示窗口、命令按键和操作说明等应用模块。至此，便完成了电力监测仪监测中心的构建。

图5 OneNet平台的资源管理层次结构图Fig.5 Resource management hierarchy structure diagram of the OneNet platform

4 实验结果

4.1 软件校表功能的验证

将该电力负荷监测系统通过国内某公司生产的电能表检定装置进行软件校表。校正结果图如图6所示，软件校正值与芯片数据手册相应计算结果一致，测量结果精确度满足系统测量要求。

图6 校正结果图Fig.6 Calibration result chart

4.2 结果显示与精度分析

4.2.1 实验参数结果显示

将该电力负荷监测系统放置在山东科技大学电气自动化学院实验室内的国内某公司生产的电能表检定设备中进行实验，实验结果如图7、图8所示。

设备运行时的各项电力参数的显示值（见图7），GPS定位模块成功的将设备位置定位到山东科技大学校园内（见图8）。

图7 电力参数结果显示Fig.7 Results display of power parameters

图8 设备位置信息显示Fig.8 Location information display of equipment

4.2.2 实验结果精确度分析

利用国内某公司生产的电能表检定设备对电力监测仪输出不同幅值的电流信号和电压信号进行测量验证，测试结果如表1、表2所示。

试验结果表明（见表1、表2），通过多次对测试不同幅值的电压和电流信号，各相电压、电流相对误差幅值均小于0.5%，即满足电力监测技术指标中的电压电流测量精度0.5级以内的指标要求。

表1 电压测量结果与误差分析Tab.1 Voltage measurement results and error analysis

表2 电流测量结果与误差分析Tab.2 Current measurement results and error analysis

5 结束语

提出了一种基于OneNet平台的电力负荷监测系统的设计方案，该方案结合远程网络电力监测的客观需求，基于中移物联网有限公司打造的OneNet开放平台，很好地实现了电力数据准确、实时的采集和传输，系统所提供B/S架构的网络管理模式能够方便用户随时随地了解设备运行情况。

随着“互联网+”时代的到来，未来基于这种开放物联网平台的电力负荷监测系统，将在电力参数监测领域发挥越来越重要的作用。