基于HLW8112的非侵入式电力负荷监测装置

周 晓,李永清,谢路耀

(浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023)

智能用电作为智能电网的重要组成部分，其关键在于电网与用户间信息流和能量流的灵活互动[1]。负荷监测作为智能用电的关键环节[2]，通过实时采集用户用电数据完成电力负荷能耗的监测，为用户提供详细的用电信息。用户了解各负荷用电信息后，可合理分配负荷的使用时间及用电量来达到节能的效果；电力公司了解用户侧的负荷组成后，可进一步优化电网的规划和运营来推动智能电网的发展[3]。

电力负荷的监测从数据的获取方式上可分为侵入式和非侵入式[4-5]。前者需给每一个负荷安装监测装置来实时采集负荷信息，数据精确，有助于负荷信息的细化，然而，该方式需要大量的监测装置，在采购、安装、维护时都会消耗大量成本。后者只需在电力供给入口端安装一个监测装置，就能实时采集用户总负荷能耗，通过负荷识别算法对负荷类型细化，分别计算各负荷的用电量，最终完成总负荷能耗的分类计量，该方式成本低、安装维护简单，适合电力负荷实时在线监测[6]。近年来，很多学者都针对后者开展了大量研究。文献[7]采用NIUSB-6002数据采集卡，并设计对电压、电流采集信号进行降压处理的前端信号调理电路，以达到负荷在线监测的目的。文献[8]采用NI公司的NI6008搭配主要由型号为QNENG QBV200A02的电压互感器和Chahua CSM100AP的电流互感器组成的负荷数据采集电路，以1 kHz的采样频率实现负荷监测。文献[9]利用电压、电流互感器及ATT7022C电能计量芯片组成电能计量模块等，以S3C2440A处理器作为主控芯片，并结合其它辅助模块完成负荷监测。上述负荷数据采集方案中，大多采用易受磁场干扰的互感器来采集负荷数据，并且利用高成本的数据采集卡来处理数据。笔者提出一种低成本高精度的基于HLW8112的非侵入式负荷监测装置设计方案，通过采样电阻和HLW8112电能计量芯片来采集负荷数据，选用高使用率的STM32芯片作为微处理器来处理数据，并通过WiFi将负荷数据上传至云平台，最终实现负荷的在线实时监测。

1 总体方案设计

本装置主要分为数据采集模块、电源模块、主控模块和通信模块，总体设计框图如图1所示。数据采集模块的设计作为研究的重点，其采集数据的精度和输出数据的种类直接影响本装置性能，因此选用不受磁场干扰的采样电阻来采集负荷电信号，选用新型单相电能计量芯片HLW8112来转换电信号。电源模块作为本装置工作的基础，其稳压程度直接影响装置工作状态，因此选用具有效率高、稳定性好、体积小等特点的开关电源芯片来转换电压。主控模块作为本装置的核心，其调试、维护难度直接影响装置的工程应用价值，因此选用高使用率的STM32F103微处理器来处理数据采集模块输出的数据。为实现负荷的远程在线实时监测，本装置选用通信模块将负荷数据上传至OneNET云平台(中国移动物联网开放平台)。

图1 装置总体设计框图Fig.1 The overall design block diagram of the device

本装置的总体工作流程是：在电力供给入口端安装负荷监测装置，电源模块给各模块提供工作电压，负荷的总电压、总电流经数据采集模块的高精密电阻转换为电信号，HLW8112将电信号转换为电压、电流有效值等负荷数据并存储在相应寄存器内，主控模块将负荷数据计算处理为电力负荷特性值，通信模块将负荷特性值上传至OneNET平台，用户通过PC端或移动端的浏览器登录OneNET云平台实现电力负荷的远程在线实时监测。

2 模块设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块电路原理图如图2所示，主要由HLW8112电能计量芯片和采样电阻等器件组成。HLW8112是深圳合力为科技有限公司新推出的一款高精度单相电能计量芯片，内置了晶振和参考电源，只需要设计简单的外围电路和编写简单的软件代码，主控模块就可以读取芯片寄存器内的负荷数据，且在1 000∶1的动态范围内，有效电流和有效电压的测量误差<1%，可实现高精度采集。模块选用具有温度特性好、成本低、精度高等特点的1 mΩ铜锰电阻和200 kΩ合金电阻作为采样电阻，对电网中的电压、电流进行采集并转换为电信号，经HLW8112芯片内部的ADC，DIGITAL FILTER，DSP等处理后，电信号以数字量的形式存储在芯片寄存器中。

图2 数据采集模块原理图Fig.2 The schematic diagram of data acquisition module

HLW8112芯片引脚16脚接电源模块提供的3.3 V工作电压，为使芯片电压稳定，在电源处并联一个0.1 μF的滤波电容。工作中为避免芯片电压浮空而烧坏，将电路中的GND和电网的零线作为同一个参考点。根据电功率定义：P=I2R，当采样电阻的阻值和功率分别为1 mΩ和2 W时，芯片能测量的最大电流为44.72 A。芯片引脚5采用4个200 kΩ和1个1 kΩ的贴片合金电阻完成分压处理，实现负荷电压信号的采集，其中利用4个相同电阻进行串联的方式来消除单个电阻耐压不足及电网电压波动的问题。HLW8112芯片支持SPI和USART通信，为给后续非侵入式负荷识别系统研究提供更好的硬件支持，笔者选用高频率的SPI通信方式来输出芯片数据。

数据采集模块处于强电工作环境，主控模块处于弱电工作环境，为保证主控模块的安全，利用光耦隔离芯片将两个模块进行隔离，由于HLW8112的最高输出频率为6 991 Hz，本装置选用型号为EL357NB和PS8101的高速光耦进行SPI通信，两种光耦隔离原理图如图3所示。

图3 两种光耦隔离原理图Fig.3 The isolation schematic diagram of two kind optocouplers

2.2 主控模块

STM32F103以SPI通讯方式获取存储在HLW8112芯片寄存器内的负荷数据，数据获取流程如图4所示。监测装置开启，各模块进行初始化，HLW8112芯片12引脚置低，数据采集模块开启SPI通信方式；HLW8112芯片11引脚置低，芯片选中并进入工作模式；HLW8112芯片10引脚置低，芯片时钟信号默认为0开始；HLW8112芯片9引脚置低，写入芯片寄存器的值默认为0。时钟信号为上升沿时,主控模块给HLW8112芯片的命令寄存器写入0XE5来打开写使能，并给芯片的系统控制、计量控制等寄存器写入初始值，然后通过向命令寄存器写入0XDC来关闭写使能；时钟信号为下降沿时，主控模块通过给HLW8112芯片写入相应寄存器的地址来完成负荷数据的读取。主控模块向数据采集模块发送读写命令时，通过判断HLW8112芯片命令寄存器第7位的值来确定命令类型，若值为0，则为读命令；若值为1，则为写命令。主控模块中负荷特性值计算方式为

1) 电流有效值=(电流有效值寄存器值×电流有效值系数寄存器值)/(电流系数×223)，由于本装置选用1 mΩ铜锰电阻来采集负荷电流，根据采样电阻阻值=电流系数×1 mΩ，可计算出电流系数为1。

2) 电压有效值=(电压有效值寄存器值×电压有效值系数寄存器值)/(电压系数×222)，由图2可知，本研究中电压分压电阻比例实际为1∶1 000，根据电压分压电阻比例=(电压系数×1 kΩ)/1 MΩ,可计算出电压系数为1。

3) 有功功率值=(有功功率寄存器值×有功功率系数寄存器值)/(电流系数×电压系数×231)。

图4 主控模块获取负荷数据流程图Fig.4 The flow chart of the main control module to obtain load data

2.3 通信模块

通信模块选用乐鑫公司型号为ESP8266的WiFi芯片，其具有组网简单、成本低、传输速率高等优点。在监测装置和云平台的数据传输过程中，笔者采用透明传输模式来保证负荷数据的传输质量。为使通信模块和OneNET平台进行远距离通讯，利用路由器作为网络连接的桥梁，实现模块无线连接距离的延伸。在传统配网方式中，通信模块连接新路由器时，装置需修改主控模块的底层代码来实现路由账户和密码的修改，这种配网方式不利于装置的工程应用。因此，笔者通过网页配网方式将账户和密码存入EEPROM来实现新路由的动态连接。网页配网方式流程图如图5所示。WiFi通信模块的路由用户名和密码验证成功后，模块通过AT指令配置为

1) AT+RST:重启WiFi模块。

2) AT+WSKEY=WPA2PSK:配置网络访问密码加密方式。

3) AT+CWMODE=STA:配置WiFi模块为Station模式，其可以连接上当前环境下的WiFi热点。

4) AT+CIP-MUX=DISABLE:配置WiFi为单路连接模式。

5) AT+CIPSTART=”TCP”,”183.230.40.33”,”80”:建立TCP连接，配置OneNET云服务器IP地址。

6) AT+CIPSEND=”>”:模块进入透传模式，当收到的数据格式为”>”时向云平台服务器发送数据。

无线通信模块和OneNET云平台间的通讯方式为RESTful API，该方式是在HTTP和JSON数据格式基础上产生的，使得通信模块和云平台服务器建立短连接，便于数据传输。

3 实验结果及分析

3.1 装置性能测试

本装置电路板实物图如图6所示，一个电源端子连接220 V市电来模拟电力供给入口端，一个电源端子连接插座来模拟电力负荷使用环境。选取功率为7 W的LED灯、功率为32 W的电风扇、功率为23 W的液晶显示器作为实验对象，分别开启3 种电力负荷，同时实时采集各负荷的瞬时电流有效值，并选用测量精度和能否检测出多负荷的投切过程作为装置性能指标。

图6 本装置电路板实物图Fig.6 The physical drawing of circuit board of this device

装置测量精度的测试中，笔者利用型号为VICTOR VC890D的数字型万用表测量的数据作为对比，该万用表的分辨率和基本精度分别为三位半(分辨率为量程的1/2 000)和±2.0%。分别利用本装置和万用表对3 种电力负荷的工作电流进行测量，同时计算测量次数分别为1，50，100次时的电流平均值，并通过两者间的相对误差来计算本装置的测量精度。本装置和万用表测量结果如表1所示。

表1 本装置和万用表测量结果对比Table 1 The comparison of the measurement results of the device and the multimeter

由表1可知：在多次测量后，本装置和万用表之间平均电流值的相对误差小于1%，即测量精度可达99%以上，由此说明本装置能实现电力负荷数据的高精度测量。

在另一个性能指标测试中，依次开启LED灯、电风扇和液晶显示器，同时实时采集它们的瞬时电流有效值，根据电流波形的变化情况来测试本装置能否检测出多负荷投切过程。本装置采集的3种电力负荷电流波形变化情况如图7所示。由图7可知：本装置能监测负荷从开启到稳定运行的暂态过程和稳态过程数据，该数据可很好地描述各电力负荷工作时所表现的电气特性，能很好地为非侵入式负荷识别系统研究提供数据支持。

图7 3种电力负荷电流波形数据变化图Fig.7 The diagram of three kinds of electric load current waveform data changes

3.2 云平台在线监测测试

OneNET是中国移动开发的一个物联网开放平台，能帮助负荷监测装置轻松实现接入与连接，快速完成监测装置开发部署，为负荷监测装置提供完善的物联网方案。电力负荷数据监测界面如图8所示，左侧的折线图展示了电力负荷的历史负荷信息，右侧的仪表盘展示了电力负荷的实时信息。用户通过浏览器登录云平台后，在监测界面可实时在线浏览电力负荷的电压、电流及功率信息，分析负荷历史信息后可了解负荷的历史工况。

图8 电力负荷数据监测界面Fig.8 The interface of power load data monitoring

4 结 论

笔者设计的非侵入式负荷监测装置利用新型单相电能计量芯片HLW8112将采样电阻采集的电信号转换为数字量形式的负荷数据，具有精度高、成本低、维护简易、不易受磁场干扰等特点，适合单负荷和多负荷工况的监测，测量精度可达到99%以上。该装置不仅可以获取负荷的电压、电流、有功功率等电力负荷有效值，还可以获取电压和电流的峰峰值、瞬时值、波形图等电力参数。在数据传输方面，本装置设计了串口和WiFi两种通信方式，通过串口可打印负荷电力参数，通过WiFi用户可登录OneNET云平台实现用电负荷的在线实时监测。本装置为非侵入式负荷识别系统研究打好硬件基础，有望实现电网智能优化调度。