基于NB-IoT 无线通信的智能电表监测系统设计

欧阳曾恺，刘 建，田正其

（1.国网江苏省电力有限公司营销服务中心，江苏南京 210019；2.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103）

在电能电量使用过程中，为了方便电能用量的计量和电器正常工作的管理，专业人员发明了电表，电表在运行过程中会时刻反映所连接电器的使用情况，如果电表的工作状态发生异常，电表监测系统就会向管理部门提交故障检修消息，防止危险事故的发生。传统的智能电表监测在外界特殊手段干扰的情况下，对于电器用电量的监测精度达不到要求，使用户的用电量数值不准确，导致居民和电业局之间产生矛盾，带来恶劣的影响[1-2]。

为了提高电表的监测功能性，该文在NB-IoT 无线通信技术和电能采集总线通信协议的基础上，进一步完善智能电表监测系统的功能[3-4]。分别对智能电表监测系统的硬件区域和软件区域进行分析，以提高系统的性能为目的，完成基于NB-IoT 无线通信的智能电表监测系统的设计。最终通过对比实验分析，证明了该文设计的智能电表监测系统具有实际应用意义，有利于保障电表的正常工作。

1 系统硬件设计

基于NB-IoT 无线通信的智能电表监测系统硬件结构如图1 所示。

图1 智能电表监测系统硬件结构

1.1 芯片设计

芯片是系统性能实现的基础，只有保证芯片的时效性和技术性，才能使系统正常工作。为了达到该文研究的预期效果，选用ASM879 系列的芯片，此芯片自带该系列附属的主控板，使芯片的使用效果最佳。ASM879芯片的体积为5 cm3，正常工作温度范围是-55 ℃～125 ℃，芯片的工作模式为PSM和EDRX。根据系统的执行命令，芯片的工作模式[5]可以自动更换。ASM879芯片的最大输出电流为90 mA，具有8个恒流源的输出电路，节省了芯片本身的占用面积，芯片间的电流误差率为60%，位间的电流误差率为15%。此芯片在运行过程中的页面数据刷新率可以达到85 Hz，采用最新系列的数据移位时钟，时钟移位钟频率为15 mHz[6-8]。

1.2 串口服务器设计

智能电表监测系统硬件区域的串口服务器设计的目的是完成软件区域电能采集总线操作协议的正常使用，并且电表器本身是一个双向多串口的计量器件，通过串口服务器，保证电表计量通道与监测方法一对一操作，使得电表内电流和电压的计量更加准确[9-12]。串口服务器结构如图2 所示。

图2 串口服务器结构

串口服务器的串口接收端采用EVBM-110R 模块，发送端为EVBM-107R，并且服务器内部设置了一个红外控制模块，保证服务器不受外界因素的干扰。串口服务器采用16 口结构，其中最具代表性的是RS485、RS232、自适应接口、端子接口4 个类型，服务器的发送率达到100%，串口服务器的默认地址为192.168.0.0，器件依据TCP/IP 协议完成工作[13-14]。

1.3 电能采集器

电能采集器是智能电表监测系统硬件区域的核心器件，主要的工作是采集计量电能数据。

电能采集器的工作原理是对电信号的转换，完成电能的采集计量，该文选择的电能采集器可以连接无线网络，采集完成后，立即通过网络传回到监测系统的管理中心。采集器的内存为256 GB，操作系统为LINUX，重量为270 g，输出电源适配器的DC 为5 V，并且电流恒大于1.5 A，输入的AC 为100～240 V，频率为50～60 Hz，采用的电源为3.7 V 2 300 MHz 容量的电源模块。为了保证电能采集器的工作安全，此采集器可以排除半径为15 km 范围的空气放电干扰与半径为5 km 半径的直接放电干扰[15-16]。

1.4 稳压器

稳压器电路如图3 所示。

图3 稳压器电路

系统硬件区域稳压器的工作目的一方面是保证监测系统连接计算机的安全，另一方面是保证系统连接的电表工作安全，一旦监测系统监测出电表存在异常运行故障或者电表内电压出现异常，立刻触发稳压器，将电表与其他串联电表物理断开。该文选择三相稳压器SVC，稳压器的工作电压为380 V，器件外围采用双线圈保护，纯铜调压线和补偿线间接围绕，匝线连接紧密，具有效率高、速度快的特点。稳压器的电压频率为50～60 Hz，可以在2 s 内完成调压，必要时采用自动切断输出，器件耐压为2 000 V/min，不会击穿模型，绝缘电阻大于5 Ω。

2 系统软件设计

电能采集总线操作协议所涉及的智能电表监测系统硬件区域的器件主要是芯片、传感器、串口服务器以及电能采集器，连通各个器件，辅助电表完成电能的采集，辅助电表监测系统完成监测操作。电能采集总线操作协议主要分为三部分，具体内容如下：

1）对需要采集电能的电表箱进行初始化设置，通过调用硬件区域的寄存器完成监测芯片的复用处理，与智能电表内的电流、电压、电压增益、补偿值进行初始化触发，使得采集的电能具有稳定性。2）协议获取电表内的单相电信号变化情况，根据信号波动函数，完成信号与电表内电流数据的转换。3）完成电表箱内电流和电压的测试后，调整串口接口的协议通信通道口，此时协议迫使电表的寄存器工作模式为000[1:0]，采集器能采集到目标通道内有效的相位电能。

NB-IoT 无线通信技术也被称为窄带物联网通信技术，主要由感知层、网络层和应用层构成，是目前物联网网络的一个重要组成技术之一，随着窄带物联网通信技术的发展，技术部署于全球移动网络领域和通信领域。窄带物联网通信技术的优点是调用无线通信技术时，只需耗用180 kHz 的频段，网络覆盖范围广，信号覆盖半径是GSMDE 的四倍，并且每周期的发射功率为23 dBm，传统通信技术的发生功率为33 dBm，并且运行成本低，如果调用过程中出现问题，可以实时终止调用。另外窄带物联网通信技术的远程通信灵敏度高于接收和发送顺序，采用半双工通信模式，保证数据传输的数据帧传输数据时不会出现丢包的情况，保证数据的完整性。

基于NB-IoT 无线通信的智能电表监测系统工作流程如图4 所示。

首先将设计的系统接入智能电表管理系统中，在系统与智能电表箱可以无误差地连接后（此过程大概3 min），系统硬件区域的串口服务器触发电能采集器，调用电能采集总线操作协议打开电流的相应通信通道，采集并记录准确的有效电流、电压等其他变量参数，与接下来监测系统自动识别的数据进行对比校验。监测系统会调用NB-IoT 无线通信技术导入流经电箱的电压和电流，当电流经过系统硬件区域的芯片时，记录电流值，根据有效电流的定义和电流波动函数，计算出电表所连接的各个用户的电流值，最终与电表值进行对比校验，一旦数据匹配错误，立即复检，复检无误后，向电业局提交电表箱故障维修申请，停止电表的工作，保障多方权益。

3 实验分析

该文选择基于人工智能识别的智能电表监测系统（传统系统一）和基于电路转换分析的智能电表监测系统（传统系统二）作为传统的对照系统，共同完成实验测试，以上两个系统都是通过专业审核的电表监测系统。

选择的测试样本是某街区一号楼六单元的智能电表箱，实验前将该文实验测试的3 个监测系统与测试的智能电表进行连接，电表的另一端连接的是数据分析仪，以便对实验数据进行复检。

预处理操作后，实验正式开始，在实验过程中，同一时间触发3 个智能电表监测系统，并且工作人员通过手持式专业的电能电表监测仪同时进行监测处理。测试时间为12 小时，4 组工作人员每隔2 小时记录3 种系统的监测结果并与手持式专业监测仪的数据进行对比。12 小时后结束实验，进行测试数据的汇总，完成实验分析，得出测试实验的结论。经过以上的实验操作，汇总3 种系统监测的实验数据如表1 所示。

表1 汇总监测的实验数据(kW·h)

监测时间实验结果如表2 所示。

表2 监测时间实验结果

监测稳定性如图5 所示。

图5 监测稳定性实验结果

通过以上的实验数据测试，该文监测系统对智能电表进行监测的电表结果的波动性远小于传统监测系统，可以直观地得出该文系统对于智能电表的电能监测稳定性较好。在完成实验测试后，该文设计的监测系统的各个硬件器件的温度也在器件的正常运行范围内，并没有由于负载压力，导致系统器件出现附加损耗。

另一方面，实验前在电表的一端连接的数据分析仪表明，基于NB-IoT 无线通信的智能电表监测系统对比其他两个传统的智能电表监测系统在电表数据出现变更的情况下，监测系统的反应时间也是最快的，具有较高的灵敏性。

综上所述，基于NB-IoT 无线通信的智能电表监测系统能够有效缩短监测时间，提高监测过程的稳定性。

4 结束语

该文在智能电表监测系统的硬件区域设计了智能芯片、串口服务器、电能采集器、无线通信器以及稳压器，在软件区域植入了电能采集总线操作协议和NB-IoT 无线通信技术，最后通过协议和软件集成了基于NB-IoT 无线通信的智能电表监测系统。通过实验验证，该文设计的系统在监测智能电表时，具有较短的监测时间，仅为0.04 s，并且有效提高了在监测智能电表过程中的稳定性。相信通过该文智能电表监测系统的设计，可以提高电表对于电资源的精确识别，保障电表工作的效率。