配电箱智能监控系统的设计

王丰瑞，李小松，宋伟德

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

随着国民经济的快速发展，社会对安全、高效的用电要求日益提高，为了适应新时代的要求，国家电网加大对配电网建设的投入，将更多新技术和新方法应用于配电网的智能化建设，配电网的智能化一步步深入到电厂、变电站和配电房， 甚至小到配电箱的智能化[1]。传统的配电箱主要用于用电设备的控制、配电，和保护线路的过载、短路、漏电[2]。管理人员无法与配电箱进行互动以及实现灵活控制。 当前安卓设备的普及，对配电箱的操作也更加便捷。人们对智能用电的呼声越来越高，逐渐进入人们生活的智能用电技术也受到了广泛的关注和重视[3]。良好的配电箱智能监控系统包括电能采集计量、远程监控、友好的用户界面等功能[4]。根据现实的需求，设计了配电箱智能监控系统，包括配电箱终端、云平台、手机APP和上位机软件。系统能够准确获取配电箱运行状态、电能参数以及环境温度等实时消息，并上传至云平台。操作人员不仅可以在电脑客户端上查看相关信息，进行相应的控制，还可以用手机客户端进行相似的操作，这样对配电箱的使用功能进行了丰富，对传统配电箱的不足进行了弥补，有效监控了用电过程，满足智能化时代的配电需求。

1 智能监控系统及应用原理

1.1 配电箱智能监控系统

配电箱智能监控系统包括配电箱终端、云平台、手机APP和上位机软件，系统结构如图1所示。

图1 配电箱智能监控系统结构图Fig.1 Distribution box intelligent monitoring system structure diagram

目前想通过微控制器直接控制配电箱中的断路器的难度较高，因此本文给断路器加了电动操作机构，可以通过按钮控制断路器，并添加了转换开关，方便远程控制以及就地控制的转换。微控制器可以通过控制继电器来控制配电箱的通断。配电箱智能监控系统是传统的配电箱智能化的结果：①电能计量芯片采集电能参数；②各类传感器采集相关参数；③采集到的参数通过NB-IoT DTU发送到云平台；④手机APP和上位机软件通过互联网接入云平台，实时获得配电箱中的电压、电流、电能、频率以及火灾检测参数等信息，并远程控制配电箱的通断。让用户及时了解用电信息，实现智能用电。

1.2 电能计量原理

1.2.1 电压有效值的计算

根据电工原理，在一个周期内，变化的电压信号的有效值定义为[5]：

(1)

式(1)离散化得：

(2)

式中N对应一个工频周期内的采样点数。u(n)是被测电压信号的离散序列。故A、B、C对应的三相电压有效值分别为：

(3)

(4)

(5)

1.2.2 电流有效值的计算

根据电工原理，在一个周期性内，变化的电流信号的有效值定义为[5]：

(6)

式(6)离散化得：

(7)

式(7)中N对应一个工频周期内的采样点数。i(n)是被测电流信号的离散序列。故A、B、C对应的三相电流有效值为：

(8)

(9)

(10)

1.2.3 有功电能的计算

根据电工原理，有功电能与有功功率成正比。一个周期内瞬时功率的平均值——有功功率[5]：

(11)

用和式(12)代替平均功率的离散化：

(12)

若以时间间隔Δt对电压、电流进行采样，用 表示每周期采样的次数(T=N*Δt)，则一个周期内的分相有功电能为：

(13)

合相有功电能为：

(14)

2 配电箱终端的硬件设计

与传统配电箱相比，配电箱终端在硬件上增加了电源、ATT7022E电能计量模块、继电器控制模块、微控制器、通信模块、火灾检测模块等组成部分，可以把这些部分统称为控制器。控制器与断路器安装在同一个箱体中。其中的断路器出线对应连接到电流互感器之后，在接到剩余电流互感器，最终引到电器设备。

配电箱终端具有以下功能：

(1)计量功能。实时测量并采集配电箱内的用电信息(电压、电流、电能、频率等)、工作状态以及火灾检测参数(温度、漏电流)。

(2)显示功能。ATT7022E电能计量芯片设计的电力仪表的实时显示用电信息。

(3)控制功能。用户将转换开关切换至就地，就可以对配电箱进行控制。

2.1 控制器设计

控制器作为系统核心，它将采集系统中各个模块的数据信息，并经过控制器内部转换后，通过指令控制对应模块，让其根据指令完成自己的工作，并将各个模块完成工作后汇报的信息汇总打包通过NB-IoT DTU输送到云平台上，上位机和手机APP访问云平台获取信息，然后根据响应回馈信息做出下一步命令指示。其结构图如图2所示。

(1)电源采用工业电源CM6024，将交流220V变为直流24 V电压。24 V电压为NB-IoT DTU以及继电器的线圈供电。由于其他芯片需要3.3 V电压供电，设计了24 V转3.3 V的电源电路。

(2)电能计量模块采用ATT7022E电能计量芯片，包括电流、电压采集电路。线路电流经过电流互感器将电流输入到电能计量芯片的V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N引脚。电压采集使用电阻分压，将220 V电压变换为小电压信号，将电压输入到电能计量芯片的V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N.

图2 控制器结构图Fig.2 Controller structure diagram

ATT7022E是三相电能专用计量芯片，可应用于三相三线和三相四线。ATT7022E集成了多路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路和所有的数字信号处理电路，可测量电能、各相电流、电压有效值、频率等参数，完全满足三相多功能电能表的需求[6]。同时，提供的SPI接口以便于与外部MCU传输计量及校表参数。ATT7022E内置电压监测电路可确保上电和断电时的正常运行。

(3)微控制器使用ST公司的32位微控制器STM32F103ZET6。微控制器主要的工作为：①初始化微控制器和ATT7022E电能计量芯片的设置，使其准确可靠地工作。②通过SPI读取ATT7022E的电能数据并对其进行处理，将数据存储在其存储器中。③数据通过RS485发送到NB-IoT DTU，NB-IoT DTU将数据发送到云平台。④根据接收到的命令控制继电器的通断，进而控制设备运行状态。作为核心单元，微控制器控制各个模块的协调工作以使电路实现功能。

(4)NB-IoT DTU使用USR-NB700 V2，支持移动、联通、电信NB-IoT网络接入。利用RS485与微控制器通信，然后将数据上传至云平台。

(5)继电器控制使用ULN2803驱动继电器。继电器采用PCNH-124H3MHZF，线圈额定电压为24 V.由于微控制器电源为3.3 V，因此采用光电隔离使电路稳定可靠。

2.2 控制器软件设计

控制器的软件设计包括STM32微控制器程序。STM32微控制器基于ARM核，在开发中选择支持ARM嵌入式的环境[7]。选择正确的开发环境可以提高工作效率并成功完成任务。故选用了Keil uVision5.0作为开发环境，程序用C语言编写。软件设计包括主程序、中断程序和执行程序，程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图Fig.3 Program flow chart

主程序运行过程如下：①控制器上电，STM32微控制器初始化SPI、USART、IO端口、定时器、中断、ATT7022E等；②通过SPI通信，周期性地从ATT7022E中读取数据并处理数据；③通过485接口接收和上传数据到NB-IoT模块。STM32微控制器与NB-IoT DTU通过RS485进行通信，采用Modbus-RTU通信规约。通过串口中断以及定时器中断来软件实现Modbus-RTU通信规约。

2.3 Modbus-RTU通讯协议

Mudbus-RTU模式是目前Mobus协议中运用最广泛的传输模式之一，它的主要优点是波特率相同的条件下，因传输的消息中每个8bit字节包含两个4bit的十六进制字符，故比AscII模式传送的数据速度更快[8]。

通讯数据格式详细分析表：

表1 Modbus-RTU通信协议数据格式

3 NB-IoT DTU及云平台

3.1 NB-IoT DTU

NB-IoT是Narrow Band Internet of Things(基于蜂窝的窄带物联网)的简写，是物联网新兴的技术。构建于蜂窝网络的NB-IoT大约消耗180 kHz的带宽，为节约部署成本、实现平滑升级，可直接由GSM网络、UMTS网络或LTE网络部署[9]。NB-IoT有4大技术优势：①高覆盖。②强链接。③低功耗。④低成本。

系统采用有人物联网公司的USR-NB700 V2，通过简单的AT指令进行设置，该产品可以方便地用于实现串口到网络的双向数据透明传输。

3.2 云平台的选择

随着云计算技术和“互联网+”的发展，国内有大量的物联网云服务平台。发展比较好的有阿里物联、百度IOT、机智云Gizwits、中移物OneNet、AbleCloud智能云与Yeelink等[10]。这些云平台的主要服务方向和侧重点大肆相同，根据系统中已选用有人物联网公司的USR-NB700 V2进行数据互传，故决定选用其配套的云平台——有人透传云，该系统构架图如图4所示。

图4 配电箱智能监控系统架构图Fig.4 Distribution box intelligent monitoring system architecture diagram

通过该平台可解决设备与上位机之间的相互通信，实进一步的实现数据透传与设备监控功能。其使用简单，只需四步：①注册并登录有人透传云账户。②配置中转对应关系。③设备和软件接入。④进行联调。这样极大地便利了配电箱智能监控系统的开发，以及节省了经济成本。

4 上位机和手机APP的设计

4.1 上位机软件的设计

上位机是整个智能监控系统的关键，负责对配电箱终端采集来的信号进行处理、分析和显示，并可以控制配电箱终端。利用LabVIEW编写的配电箱智能监控系统，可分为以下几个模块：用户登录、数据采集、配电箱参数显示以及配电箱报警。其上位机软件界面如图5所示。

图5 配电箱智能监控系统上位机Fig.5 Distribution box intelligent monitoring system host computer

4.1.1 用户登录模块

为了保证系统的系统参数及其配置不能随意改动，用户登录模块应作为进入系统的第一窗口，通过输入正确的用户名和登录密码才能使用该系统，并且支持用户名和密码的自行设置，图6为模块的面板程序框图。

图6 用户登录模块程序框图Fig.6 User login module block diagram

4.1.2 数据采集模块

作为整个监控系统软件组件的初始部分，数据采集模块为整个监控系统提供信号源的原始数据。通过TCP协议进行远程数据的采集，对已经上传至云平台上的配电箱终端数据进行采集。该模块的程序框图如图7所示。

图7 数据采集模块程序框图Fig.7 Data acquisition module block diagram

4.1.3 配电箱报警模块

配电箱报警模块是整个监控系统软件部分的核心部分，它对采集到的信息进行判断，当数据异常时立即报警并邮件通知，同时将异常数据的数据保存在ACCESS中，立即对配电箱终端进行控制。其中数据异常可分为：电压缺相、过电流、配电箱内温度过高、漏电流。邮件报警以及报警记录的程序框图如图8、9所示。

图8 邮件报警程序框图Fig.8 Email alarm block diagram

图9 报警记录程序框图Fig.9 Alarm log block diagram

4.2 手机APP的设计

开发配电箱智能监控系统手机APP，使管理人员能随时通过手机更加快捷、方便的知道配电箱的运行情况以及控制配电箱。考虑到对配电箱进行远程监控主要是使用上位机软件，因此，在手机APP的设计时，就只设计了基本功能。

手机APP采用易安卓E4A编程，它支持全中文安卓编程，容易上手。易安卓有四个特色：①实现中文编写程序；②可视化编程页面；③拥有海量的类库；④实现中国化程序链。

手机APP的功能界面包括：用户登录、设备监控、控制界面、用户中心界面、信息监测等界面。

4.2.1 用户登录界面

如图10所示，用户登录界面实现了透传云的IP地址、端口号、用户名以及登录密码的配置，实现手机APP与透传云之间的通信，进而实现远程控制配电箱终端的功能。在进入登录界面之前，需要在透传云官网注册用户名和登录密码。

4.2.2 设备控制界面的设计

设备控制界面主要用于改变配电箱终端的运行状态，即修改配电箱终端中分闸、合闸的工作模式。如图11所示，界面分为快速控制与命令码控制，通过发送不同的控制指令，来达到控制配电箱终端的目的。

4.2.3 信息监测界面的设计

信息检测界面主要用于配电箱终端运行参数的实时显示，即电压、电流、温度及电能等运行参数的显示。电压监测界面、电流监测界面、温度监测界面和电能监测界面共同构成信息检测界面。监测界面通过解析透传云传过来的数据，进而得到需要的数据。如图12所示，是电压监测界面。

图10 APP用户登录界面Fig.10 Mobile APP user Login interface

图11 APP设备控制界面Fig.11 Mobile APP device control interface

图12 手机APP电压监测界面Fig.12 Mobile APP voltage monitoring interface

5 结语

提出了配电箱智能监控系统结构，并设计了相应的配电箱终端、手机APP和上位机软件，以及介绍了设计各组成部分的关键思路。该系统相比于当下同类系统，增添了火灾检测功能、手机端远程监控功能、电脑端远程监控功能，应用了当下低速率业务市场的新兴技术——NB-IoT，随着NB-IoT网络覆盖率的增加，为其他领域的应用提供了解决方案。

本文的研究结论加深了对物联网相关理论与传统行业相结合的理解，丰富了物联网研究的理论成果。为政府推动物联网技术与传统行业的深入融合，完善相关政策，提供了思路。