物联网技术下电能质量监测系统的设计

朱成杰，周 亚

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

对于电能质量的采集，传统的方法是工作人员定期携带电能监测设备到现场实现数据的采集和保存，这种采集方式消耗了大量的人力物力，还存在效率低、易受环境影响等缺点[1-3]。对于LPWAN来说，窄带物联网技术具有覆盖面积更广、连接的密度更大的特点[4-6]，被广泛地应用在了智能仪表方面，实现了远距离的电能质量采集与收集，相比于传统模式更加安全、快捷、高效[7-10]。根据分析情况以及现实需求，本文采用以NB-IoT技术为基础的高频率采集电能质量信息的远程采集分析系统，通过该系统可以更快捷地对电能质量进行监察，便于提升电能质量。

1 系统整体方案设计

结合图1所示的实际电能质量采集分析系统的设计框架，该系统涉及的软硬件大致可以分为三个体系，即数据采集终端、无线传输和数据监测管理中心。采集终端PQAUE主要由两部分组成，其中硬件以MCU为主控部分，NB-IoT作为通信部分，由eSIM卡协助完成通信，计量器采集数据并向主控部分传输数据；软件主要实现的功能是控制数据传输，实现数据的采集和算数运算。数据监测管理中心由两部分组成，即客户端软件和服务器软件。

图1 电能质量监测系统整体设计框架

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片硬件最小系统及外围电路

主控芯片STM32F103C8T6能够正常运行，电源、复位电路、晶振电路是不可或缺的，共同组成了该硬件的最小系统。采用NB通信技术实现输电线路电能质量监测站和监测设备之间的通信，实现电能质量的监测，其中信号处理及信号运算分析是由STM32F103C8T6控制系统完成。

2.2 电能计量芯片选型

三相电网中常用ATT7022E作为检测电能的专用计量芯片，如图2所示。该芯片由参考电压电路、三相电压电流差分输入ADC模块以及数字信号处理电路所集成，其主要功能是测量三相电网中的电流有效值、电压有效值、视在功率、有功功率和无功功率等重要电力参数；由于该芯片不能直接测量大电压电流，故实验中采用电压采样电路和电流采样电路进行采样处理。ATT7022E上可以直接实现与MCU的串行通信，更高效准确地读取所测得的相关数据。因此，从功能和测量精度来说，ATT7022E是最佳的电能计量芯片。

图2 电能计量芯片

2.3 NB-IoT模块选择

采用新款BC26模块，该模块基于联发科MT2625芯片平台研发，其频率覆盖率相较于BC95和BC28更广，支持全球覆盖，具有体积小的特点。在实际应用中，BC26的供电电压一般为低压供电2.1～3.63 V。设计方面兼容移远通信GPRS系列M26模组，方便用户更快速灵活地切换至NB-IoT网络。

2.4 系统供电模块

传统的供电方式有两种，即高压变电供电和太阳能供电。考虑天气环境等多方面因素，本文采取太阳能加锂电池的方式进行供电，当白天光源充足时，太阳能供电的同时向锂电池进行充电，当遇到雾霾阴雨天时由锂电池向设备供电。本系统使用DC-3.3 V供电，采用的设计方案是：220 V交流电转5 V直流电，再将5 V直流电转为3.3 V直流电；两种芯片的选择分别是HLK-PM01和TPS70933，二者都具有体积小、功耗低的特点。

3 系统软件设计

系统软件设计由主控制系统、电能采集模块、NB-IoT通信模块进行初始化，经过NB通信将测得的数据传送至OneNET云平台，设计手机APP或者PC端网页，以方便远程用户随时查看测得数据。

3.1 系统总体流程设计

软件系统主流程如图3所示。

图3 系统软件主流程

3.2 云平台

系统中采用OneNET云平台，云平台逻辑示意图如图4所示。云平台不仅能够通过无线通信技术实时接收来自监测终端的原始数据，还能够通过其向现场监测设备发送指令，并且能够将监测设备的原始数据记录保存。

4 系统测试

监测中心可以通过手机APP或者登录网页OneNET进行数据的查看与监测。在OneNET和APP上设置了本设计的主要监测数据—三相电压和电流。通过手机APP得到了预期的效果，如图5所示。

图5 手机端测试效果

由于实验条件的局限性，对三相电机进行监测。在实验之前对系统的各个部分进行调试，确保实验顺利进行。实验过程中，改变电机的转速并观察监测系统的电压值和电机输入端电压的真实值，并通过网页查看。如图6所示，平均误差为0.247 V，满足本文实验要求。

图6 电压和电流曲线

表1所列为三相电压真实值与测量值。从表中可以看出，系统监测的三相电压与真实三相电压差距较小，相对误差在0.6%之内。

表1 三相电压真实值与测量值对比

5 结 语

本文基于NB-IoT设计了电能质量在线监测系统。该系统通过电流采集装置和电压采集装置将大电流和大电压转为ATT7022E所能承受的小电压和小电流；将测得的数据通过无线传输技术传送至云平台，再上传至手机APP和网页供工作人员进行数据监测，提高了输电线路在电力传输过程中的安全性和稳定性。