电力载波通信的电能计量远程在线监控系统设计

曹 瑞

（国网青铜峡市供电公司，宁夏 吴忠 751100）

0 引 言

电力载波通信作为一种新型信息传输方式，具有高效率、低功耗特点，被广泛应用于电力行业。在电力负荷管理领域，电力载波通信可以实时监测和控制电网中的各个节点，有效降低整个电网的运行成本，提高供电质量[1]。本文旨在开发一种基于电力载波通信的电能计量远程在线监控系统，通过无线信号传输将发电机、变压器等关键设备之间的数据传输到云端服务器，实现对这些设备的远程监测与控制。

1 电能计量远程在线监控系统通信协议的基础理论

1.1 电力载波通信的概念

电力载波通信基于电力网络传输数据，将电网中的电压信号和电流信号作为载体，实现对电力系统的实时监测和控制。它具有高效率、低成本、高可靠性等优点，被广泛应用于电力行业。电力载波通信将电信号转换为电源信号，再通过电力网络进行传输。传输过程中，由于电力网络本身的特点（如高阻抗、非线性等），需要采用特殊的调制方式保证信道性能，同时需要考虑电力网络中存在的干扰因素、安全问题等影响，采取相应的措施。电力负荷的变化会对电力网络产生影响，而电能计量是一种用于测量电力负荷的方法。电能计量远程在线监控系统可以通过电力载波通信实现对电力负荷的实时监测和管理，从而提高能源效率和降低运营成本[2]。

1.2 电力载波通信的特点

在电力负荷管理中，电力载波通信被广泛应用于远程监测和控制领域。第一，测量精度高。电力载波通信可以实现对电流、电压等参数的精确测量，并能够提供实时数据反馈。相比传统的电缆传输方式，电力载波通信更加灵活易用，可以在不同距离范围内连接，且不受地形、地貌等因素的影响。第二，低功耗。电力载波通信采用非线性调制技术，功率消耗相对较少。与传统通信方式相比，电力载波通信不仅降低了通信成本，还提高了能源利用效率。第三，抗干扰性能强。电力载波通信采用特殊的信号处理算法，能够有效抵御外界电磁干扰因素的影响。第四，可靠性高。电力载波通信是一种可靠的通信方式，可以通过多种途径进行备份保护，保障系统的稳定性和安全性。第五，可扩展性好。电力载波通信设备可以与其他通信设备兼容，形成一个完整的通信网络体系[3]。

1.3 电力载波通信的工作原理

电力载波通信的电能计量远程在线监控系统，利用电力载波通信技术，实现对电网中电量的实时监测和控制。该系统主要由电源模块、信号处理模块和数据传输模块组成。其中：电源模块负责供电电路的设计与调试；信号处理模块包括功率计算器、电压计以及电流计等多种传感器设备，用于采集并分析电信号；数据传输模块则将采集的数据发送至远程服务器进行进一步处理和存储。在电力载波通信中，常用的通信方式有单向通信和双向通信2种。单向通信是指从电源端向终端传输数据，而双向通信则是两者同时传输数据。在这种情况下，电源端需要具备一定的通信能力来与其他终端连接。此外，电力载波通信需要考虑一些如频率偏移、时延误差等因素的影响。为了保证系统的稳定性和可靠性，必须采取相应的措施[4-5]。

2 电能计量远程在线监控系统硬件设计

2.1 系统整体结构

基于电力载波通信的电能计量远程在线监控系统的设计方案，需要考虑系统的总体结构，因此采用了一种多层架构的设计模式来实现系统的功能和性能需求。该系统主要由电源模块、数据采集模块、传输模块和控制模块4部分组成，且每个部分都有其特定的功能和作用，如图1所示。电源模块是整个系统的核心部件，主要负责供电和调节电压，确保系统的稳定性。为了满足不同的环境条件和负荷变化的要求，电源模块采用双稳压变换电路设计。输出端采用全桥整流逆变器，提供稳定的交流电压源。输入端采用直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）变换电路，为系统提供合适的直流电压源。此外，电源模块具有自动调整电压的功能，能够根据负载的变化动态调节电压值。数据采集模块的任务是在线监测并记录发电机电流、电压以及其他相关参数。采用高精度三相四线制电流互感器进行测量，同时通过RS-485标准接口将采集的数据发送至传输模块。传输模块采用传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），将采集的数据传输至控制中心或云平台进行实时分析和处理。控制模块则是整个系统的大脑，采用ARM Cortex-A8处理器，实现对整个系统的管理和控制。它可以接收来自传输模块的数据，并将其转化为用户可理解的信息形式。此外，可以设置报警机制，以便及时发现异常并采取相应的应对措施。

图1 电能计量远程在线监控系统整体结构

2.2 集中器硬件设计

在电力负荷监测中，集中器是至关重要的设备之一。它可以将多个传感器的数据进行汇总和处理，并输出一个统一的标准信号来反映整个电网的状态。因此，研究采用的是基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）的集中器设计方案。首先，需要确定集线器的输入端口数和输出端口数。一般来说，集线器的输入端口数量应该大于或等于其输出端口数量。为了满足系统需求，在集线器上设置8个输入端口和4个输出端口。其次，需要选择合适的器件用于数据采集和传输。设计中，采用ADS12920芯片作为数字温度计和电流测量模块。此外，使用一些通用型串行接口电路板实现数据的传输。最后，需要考虑电源供应的问题。因为集中器是一个高功率耗能设备，所以必须使用可靠且稳定的电源供电。

2.3 远程监控中心硬件设计

基于电力载波通信的电能计量远程在线监控中心作为整个系统的核心，其硬件设计是实现系统功能的关键。为了保证远程监控中心的数据传输质量和稳定性，采用ZigBee网络的遥控方式进行数据传输。为了提高系统的可靠性和安全性，远程监控中心加入了防火墙、入侵检测器等多种安全措施。在硬件方面，远程监控中心主要由服务器、存储设备、电源供应设备以及监测仪表等组成。其中：服务器主要用于处理数据并提供服务；存储设备用于存储大量的实时数据；电源供应设备负责供电保障；监测仪表则是对现场情况进行实时监测与反馈。此外，为了方便用户管理和维护，远程监控中心添加了远程控制终端和故障诊断工具等辅助设施。远程监控中心的设计充分考虑了系统的实际应用场景和需求，为后续软件开发提供了坚实的基础。

3 电能计量远程在线监控系统软件设计

3.1 系统软件总体结构

电力载波通信的电能计量远程在线监测软件系统，主要分为数据采集模块、传输模块和控制中心3个模块，如图2所示。其中：数据采集模块负责对发电机、变压器等设备进行实时采集并存储数据；传输模块通过ZigBee网络将采集的数据发送到控制中心；控制中心则是整个系统的核心，可以实现对采集数据的分析和处理。在数据采集模块，采用基于模数转换器（Analogto Digital Converter，ADC）的采样方式获取电压信号，具有高精度、低成本的特点。为了保证数据的准确性和可靠性，采集过程中加入了一些校验措施。传输模块使用ZigBee无线协议作为传输媒介，以确保数据传输的速度快、稳定且安全可靠。在控制中心方面，采用Python语言开发了一套完整的监控程序，可以通过Web界面向用户提供直观的用户友好界面，方便用户查看和管理系统的状态。此外，系统增加了一个报警机制，当检测到异常情况时会自动发出警报通知操作人员及时采取相应的措施。

图2 系统软件总体结构

3.2 电能计量模块程序设计

电力载波通信的电能计量远程在线监控系统的电能计量模块的程序设计，是整个系统的重要部分。该模块的主要功能是实时监测发电机和负载之间的电流，记录以供后续分析使用。模块采用ADC实现电流测量。具体来说，将电压信号输入一个模拟/数字转换器后得到数字化输出信号，再通过数据采集卡将其存储至计算机进行处理。为了保证系统的稳定性和可靠性，该模块对电路进行了一定的优化和保护。例如，采用过流保护装置防止过大的电流流入，以及采用漏磁保护装置防止磁场干扰。在实际应用过程中，电能计量模块程序需要能够快速响应变化中的电流值，并且能够准确记录。因此，程序设计时特别注重算法的精度和速度控制等问题。设计的电能计量模块程序实现了对电流的实时监测和记录功能，可为后续的数据分析奠定基础。

3.3 人机交互界面设计

在界面的设计过程中，不仅要关注界面美观度和实用性，还要兼顾安全性等。为了方便用户操作，需要设计一个易于使用的人机交互界面。该界面主要包括主页、菜单栏、数据分析模块、参数设置模块、报警管理模块以及历史记录模块6个部分。在主页面中，主要显示当前监测点的状态及实时数据，同时切换监测点以查看其他监测点的数据。菜单栏中的各项功能可以通过单击按钮实现，如查询历史数据、设定警报阈值等。数据分析模块提供了多种统计图表和趋势线图等工具，可方便用户快速了解监测点的情况。参数设置模块允许用户修改监测点的名称、地址、频率等，并保存这些参数到数据库。报警管理模块用于处理各种类型的警报事件，包括紧急警报、警告警报和异常警报等。历史记录模块可查看监测点的历史数据记录。除了基本功能外，还需要考虑不同设备之间的兼容性和跨平台问题。例如：当用户登录时需要验证身份；当用户进入某个模块时，应该有相应的权限控制机制。因此，在界面设计过程中需要充分考虑各种因素，确保系统的稳定性和可靠性。

4 结 论

通过分析电力载波通信的电能计量远程在线监控系统通信协议基础理论，采用基于ZigBee网络的遥控方式进行数据传输，并结合无线传感器和电源监测模块，实现了对发电机电压、电流、功率以及负载等方面参数的实时采集，提出了一种电力载波通信的电能计量远程在线监控系统。此外，针对系统的硬件和软件进行设计，提高了系统的可靠性和准确性。