一种无线通信三相用电监测终端的设计

肖文飚，吴 蓓，张 冬，史雪涛，王德全，邬孝刚

(1.国网江苏省电力有限公司 淮安供电分公司，江苏 淮安 223002；2.无锡市恒通电器有限公司，江苏 无锡 214121)

0 引言

针对化工、制药、钢铁、养殖厂等环保监管类的厂区智能监管改造项目，为有效监控除尘脱硫、污水处理等用电设备的运行情况，进行远程实时用电监测、计量和管理，设计了一种三相用电设备监测终端[1-4]。

该终端为模块化设计的多功能三相电能计量装置，具有三相正向、反向、组合有功电能计量和分相计量功能，能监测各相电压、电流、有功功率、功率因数、总有功功率、频率等运行参数，通过FFT可以得到三相电压、电流的总谐波畸变率和各次谐波含有率；可用于三相电源或单相电源三个支路的电能计量和监测；配置了RS485通信接口，通信协议采用Modbus-RTU规约；支持热插拔各种无线通信模块，可针对现场条件选择适配，从而实现用户用电信息的远传与监控。

1 硬件设计

1.1 监控终端原理

监测终端主要由采样、计量、主控MCU、RS485通信接口、无线通信模块、EEPROM存储、LCD显示、开关电源等功能模块组成。它能提供标准RS485通信方式，满足校验、现场抄读和近端组网需要；特殊设计的无线模块串口通信接口，适配相应的无线通信模块以满足无线组网通信环境需求。

监测终端原理框图如图1所示。

1.2 监控终端结构

监测终端由高精度开口式互感器、三相计量基表和可插拔式无线通信模块构成。外置的开口式电流互感器能够实现不停电接入；支持GPRS、Wi-Fi、NB-IOT的可插拔式无线通信模块通过电子插针侧面卡扣拼装。终端外壳上设置了35 mm的DIN标准导轨，便于安装在现场各类配电箱中，实现三相负荷的电量监测、电能计量、统计和分析。三相分相计量功能也适用于新能源发电并网端发电侧、电网侧、负载侧，或者实施三个单相回路的分别计量和监测。内部工作电源采用宽电压范围的开关电源设计，三相四线制电路在相电压100 V～265 V范围内均能正常工作。通过内置的软件设置可实现三相三线制供电模式的计量。实物外形如图2所示，右边为三相开口式电流互感器。

图2 监测终端外形图

1.3 开关电源模块

由于常用线性电源的工频变压器体积偏大，难以满足现场应用场景的安装空间需求，因此本终端电源部分采用以国产超低功耗AC/DC芯片PN8130H为核心设计的开关电源方案，能提供两路相互隔离的主控电路和无线通信电路的电源，电路简洁可靠。

PN8130H内部集成了脉宽调制控制器和功率MOSFET，具有性能优异的智能化保护功能，通过优化的脉冲功率调节和特殊器件低功耗结构技术实现了超低的待机功耗以及全电压范围下的最佳效率。

开关电源主要包括三相半波整流输入电路、RCD吸收电路、PN8130H的PWM控制输出电路、光耦隔离电压负反馈电路、辅助电源电路、高频变压器、两路隔离输出电源的整流滤波电路。采用了过流、过压、过温保护和EMI、EMC措施，提高了电路的工作稳定性和可靠性。

1.4 三相计量模块

计量模块围绕国产RN8302B型三相多功能计量芯片设计。高精度、低功耗三相计量芯片RN8302B具备高达5 000∶1的动态范围，能够同时测量基波和全波的有功功率、无功功率和视在功率，可提供功率因数、电压电流有效值、电压电流相角以及谐波计算等。三相计量模块内部原理框图如图3所示。

图3 三相计量模块内部原理框图

1.5 主控模块

主控芯片采用日本瑞萨的低功耗RL78内核的SOC芯片R7F0C004，具有128 kB Flash、8 kB RAM，LQFP80封装，片内集成了MCU处理器、带温度补偿的硬件实时时钟RTC、LCD驱动、4路独立的硬件UART、2路独立的硬件7816协议接口、2路硬件I2C接口及丰富的IO资源等。MCU处理器通过软件模拟SPI口与计量芯片通信，通过I2C口与EEPROM芯片连接。通过独立UART口分别与RS485接口芯片和无线通信模块连接，并设置了光电隔离电路抑制噪声干扰和防范强电侵入。

1.6 显示模块

终端基表采用8位段码LCD屏显示。电量显示默认为1位小数，当数据超过999 999.9时数据翻转，重新累计。由MCU控制自动翻屏，可显示的参数见表1。

表1 液晶屏显示项

1.7 RS485通信

RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，能抑制共模干扰，具有良好的抗噪声干扰能力。在总线上允许并联连接多达128个收发器，便于用户现场利用单一的RS485接口建立起设备监测网络。

本终端配置的RS485标准接口的功能特点如下：

(1)通过应用协议保持独立性。通信时，电能表的计量、存储等功能不会受到影响和改变。

(2)通信速率可设置，标准速率为1 200 b/s、2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s，缺省值为9 600 b/s。

(3)采用MODBUS-RTU协议，MODBUS通信地址(MODBUS ID):1～255用户可设置,出厂时按用户要求设定。

1.8 无线通信模块

终端的主控模块可以通过内部UART接口实现嵌入式无线模块远程通信，包括GPRS、NB-IOT、WiFi通信等。

GPRS是2G移动通信GSM的一种移动数据业务，传输速率为几十kb/s，信号覆盖面积最广，模块启动电流较大(约2 A)，对终端电源要求较高。

NB-IOT是一种新兴的低功耗广域网，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，部署成本低。

Wi-Fi最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。大多数Wi-Fi版本工作在2.4 GHz免许可频段，传输距离长达100 m，具体取决于其应用环境。

主控模块通过UART接口和简单的AT指令操作，经由嵌入式无线通信模块实现数据与互联网平台的远程交互。嵌入式无线通信模块按照工业标准设计，按照设定通信速率和标准协议工作，能工作于各种恶劣环境，具有较强的稳定性和可靠性。

2 软件设计

2.1 计量功能程序设计

计量功能程序由主程序和中断服务程序组成，程序流程如图4所示。

图4 计量功能程序流程图

上电后，进入初始化，配置计量功能、定时和中断等参数；随后进入计量采样循环周期，采样频率根据程序的初始化设定。

电能计量之外的电参数监测功能同样由计量芯片提供基础数据，主要是采集后进行数据处理，通过离散的样本点计算得电压和电流有效值、功率、功率因数、谐波数据等电气量参数，然后将这些数据存储入EEPROM中，避免掉电后的数据丢失。每个采样周期结束后重新开启采样并重复上述流程。

2.2 无线通信程序设计

无线通信程序主要由主程序和中断服务程序组成。其中通信主程序完成终端装置的通信软硬件初始化工作，然后进入主循环中处理接收到的用户平台指令；无待处理指令时则使整个装置进入低功耗状态等待中断唤醒。通信中断服务程序用于响应通信接口接收中断，将接收的字节进行缓存组成完整的指令，并判断该指令目标是否为本机，是则存入指令队列，否则将该指令丢弃。由于平台指令发送速度不确定，当装置本体连续传来多条指令时，如果直接传输给主控制芯片将会产生冲突，故设计了一个循环队列用于通信指令缓存，解决了通信现场的高低速传输方式的配合问题。

通信中断服务程序在主控芯片接收到上层控制平台命令后触发启动，先确定是否为本机地址，如果是则进行命令的判断：若为数据上传的命令，则把终端中存储的计量监测数据通过无线通信模块上传到远程平台。

3 结语

本文介绍了研制的一种三相用电设备监测终端，它具备数字信号处理与无线数据远程通信功能，实现了精确的用电信息采集处理和可靠的数据远传功能。其导轨式安装与开合式互感器取样设计,实现了安装的简便快捷，以及通信模块化的灵活配置，可适应多种现场使用环境。

设计的智能监测终端为无线通信联网构建云端平台监测系统打下了基础[5]，使多样的能效管控策略得以付诸实践，为开展有效的综合能效管理提供了新的方案途径。