配电网安全经济运行的无线监测终端设计

李思如 陈玉杰 陈江波 姜宝华 公 鑫



配电网安全经济运行的无线监测终端设计

李思如1陈玉杰2陈江波2姜宝华2公 鑫1

（1. 山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266590； 2. 青岛黄海学院，山东青岛 266427）

为提高电能采集的精确度，确保配电系统的安全经济运行，本文设计了一款改进型电力监测终端。采用三相多功能高精度计量芯片ADE7880采集多种模式下的电能信息，通过GPRS-DTU模块与用电管理中心服务器进行数据的双向通信，并对TEA通信加密算法进行改进，确保了系统通信数据的安全性。通过实际测试，将采集到的不同模式下的电流、电压、谐波、功率等电力参数通过无线终端上传到用电管理中心服务器，其精度已满足配电网安全经济运行的要求。

ADE7880；配电网；TEA；安全经济运行；监测终端

随着科技的发展，人类对电力能源的需求量越来越大，因此对配电网电能信息的监测精度提出了更高的要求[1]。另外，了解具体的负载和电网质量信息，对保障电力系统安全经济运行和电网质量恶化造成不必要的损失具有重要意义[2]。

文献[1]采用三相高精度计量芯片ADE7878测量电力参数[3]，虽然确保了电压、电流、功率的精确度，但是没有监测谐波的相关参数，而本设计选取的ADE7880芯片进一步引入了全新的谐波测量引擎，可以同时给出基波以及谐波相关测量值。文献[2]将GSM作为系统的通信方式[4]，采用电路交换模式传输数据，用户即使不传送数据也独自占有无线通道浪费了大量资源，而本文设计的GPRS-DTU模块采用分组交换传输模式，用户只有在传输数据期间才占用资源，从而提高资源的利用率，并且通信时将数据量作为计费依据，降低了通信费用，能够实现配电网的安全经济运行[5]。

1　监测终端的系统组成及功能简介

本设计主要由单片机STM32F103ZET6、前端采样及滤波电路、三相多功能计量芯片ADE7880、GPRS-DTU模块、LCD触摸屏等组成，如图1所示。

STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，作为本系统的控制核心，搭载高运行效率的多任务管理系统mC/OS-Ⅲ[6]，并在此平台上建立GUI界面通过LCD触摸屏显示出来，使人机界面更加友好。ADE7880是由美国ADI公司推出的高精度三相多功能计量IC，采用串行接口通信，其性能结构逾越了工业上对电能计量0.2S级别的精度和动态范围的要求。此外，ADE7880可以计算所有相别的谐波畸变和总谐波失真（THD），还可以分析任意次谐波，对每次谐波的计算准确度限制在0.1%之内。通过GPRS-DTU模块完成将采集到的三相电压、负载电流、电压电流谐波等电力参数传输给用电管理中心服务器[7]。

2　监测终端的硬件设计

2.1前端采样及滤波电路设计

前端采样电路位于硬件系统的最前端，必须按照设计标准规范严格设计[8]。前端采样及滤波电路将配电网一次侧的电压电流信号转换为电压信号，然后通过接口传输到ADE7880中，实现抗混叠滤波的功能。图2、图3为前端采样及滤波电路[9]，1、2、3、4为磁珠，可抑制信号线上的高频噪声和尖峰干扰。由4、4和10、10构成的抗混叠滤波器实现高精度采样。1、2为22kW/3W的金属膜电阻，T2是1∶1的电压互感器，具有很好的隔离效果。该电路具有外围电路简单，精度高等优点。

2.2ADE7880最小系统

ADE7880内部有4个电流通道和3个电压通道。其中，电流通道的4对差分电压输入分别为IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN；INP，INN。其最大的差分信号电压范围为±0.5V。电压通道为单端输入：VAP，VBP及VCP。此外ADE7880还提供3种串行通信口（I2C接口、SPI接口以及HSDC接口）以及系统校准功能。ADE7880的电源模式见表1，由PM0和PM1的引脚状态决定模式的不同，其原理图如图4所示。

表1 电源模式

2.3GPRS-DTU模块

本系统通信单元采用济南有人物联网技术有限公司生产的型号为USR-GPRS232-700的GPRS- DTU模块。该模块不仅同时支持数据透明传输模式和AT指令模式，而且还支持透明传输和AT指令模式在线切换，可以在不断电、不重起的情况下切换两种状态，只需向串口发送“+++”，如果3s内返回“a”，就表示切换成功。GPRS芯片采用SIMCOM公司生产的SIM900A芯片，其主要部件有基带引擎、射频电路、存储器、SIM卡接口、串口以及一些外围电路。该芯片内部封装了TCP/IP协议栈以及PPP拨号协议，具有TCP/IP数据通信以及GPRS拨号上网功能，可直接与Internet网络连接[10]。单片机通过RS232串口发送AT命令给SIM900A，从而实现对SIM900A的控制。GPRS的基本原理图如图5所示。

图5 GPRS的基本原理图

3　监测终端的软件设计

3.1 ADE7880的初始化

软件部分首先应该完成单片机对ADE7880的驱动，然后完成对配电网电力参数的读取、处理及通信模块的设计。由于MCU会将ADE7880的PM0和PM1引脚保持为高电平，所以ADE7880始终在休眠模式（PSM3）中执行上电。然后，MCU分别通过将PM0置为高电平、PM1置为低电平使ADE7880进入正常模式（PSM0）[11]。图6为ADE7880的初始化流程图。

图6 ADE7880初始化流程图

3.2 TEA通信加密算法的改进

数据在传输过程中有可能受到网络攻击，严重影响配电网经济运行，因此本文引入TEA加密算 法[12]，并在该算法中加入交织算法确保数据的安全性。TEA算法包括加密和解密两个过程。首先使用128位的密钥对64位（8个字节）的数据明文加密，进而产生一个64位的密文。循环加密的次数越多，加密强度越大，本文将该算法的迭代次数定义为16次，该条件下，TEA就具有较强的抗暴力破解和抗差分攻击能力。在加密过程中，64位明文被分两部分，128位密钥被分为四部分。其中来源于黄金分割率的加密算子delta计算，即

加密过程运用的所有运算都是可逆的，解密过程与加密过程相反。

为防止128位密钥泄露后通信加密信息被轻易破解，在TEA算法中加入交织算法。交织算法是将数据明文进行分组，每组为8个字节，将第一组明文与8字节的初始向量进行异或运算，并对运算结果进行TEA加密产生第一组密文；第一组密文与第二组明文进行倒序异或运算后产生新的第二组明文，然后对第二组明文进行TEA加密，按上述步骤循环到最后一组。其中初始向量为用户自定义的8字节常数。在密钥失窃的情况下，改进型TEA算法比TEA算法的破解难度大，增强了通信信息的安全性。图7为改进型的TEA算法示意图，每个小方块表示1字节，8字节为一组明文。

4　终端的实验测试结果与分析

本设计通过监测终端对电压、电流和电压电流谐波进行了实际测试，测试结果见表2至表5。其中表2、表3给出了A、C两相的电压电流测试数据。

通过对实验测试数据的分析，电压的测量误差小于0.08%；电流的测量误差小于0.09%；电压谐波的测量误差小于0.484%；电流谐波的测量误差小于0.546%，结果显示ADE7880在测量精度上具有巨大优势。

表2 电压测试数据

表3 电流测试数据

表4 含量为5%的电压谐波

表5 含量为5%的电流谐波

5 结论

本设计利用计量芯片ADE7880能够准确全面监测电力参数，通过不同的模式转换降低功率损耗，并且采用GPRS-DTU模块能够高效率地将数据储存和下载。引入TEA加密算法并对其改进，确保了配电网通信数据信息的安全性。通过对监测终端的实验测试，测量基本误差能够满足监测终端对配电网电能信息测量精度的要求。该终端对实现配电系统的安全经济运行具有重要价值。

[1] 王建华, 张国钢, 耿英三, 等. 智能电器最新技术研究及应用发展前景[J]. 电工技术学报, 2015, 30(9): 1-11.

[2] 孙伟卿, 王承民, 张焰, 等. 电力系统运行均匀性分析与评估[J]. 电工技术学报, 2014, 29(4): 173-180.

[3] 王金明, 于小娟, 孙建军. ADE7878在新型配变监测计量终端上的设计应用[J]. 电测与仪表, 2010, 47(S2): 142-145.

[4] 张华. 基于远程通信的水处理设备数据采集系统[D]. 保定: 河北农业大学, 2011.

[5] 郑涛, 张翔, 杨耿杰, 等. 基于GPRS无线通信的配电网过电压录波装置的设计与实现[J]. 电气技术, 2016, 17(1): 33-37.

[6] 周立人, 公茂法, 公政, 等. 网络机柜微环境智能监控系统设计[J]. 工矿自动化, 2016, 42(4): 77-80.

[7] 李丰攀, 张大庆, 徐文新, 等. 配电变压器智能化技术研究[J]. 电测与仪表, 2013, 50(7): 63-66, 117.

[8] 王贝. 基于ADE7880三相智能电表的设计[D]. 杭州:杭州电子科技大学, 2013.

[9] Gong M F, Liu B Q, Wang W S, et al. Development of new smart meter withoptimized power line communi- cation module[J]. Advanced Materials Research, 2014, 945-949: 2160-2164.

[10] 赵莉, 何容, 蒲箭, 等. 用电信息采集异常精确定位技术研究[J]. 电气技术, 2014, 15(1): 54-57, 80.

[11] 阳明, 袁辉建. 基于ADE7880的配电网监测终端的设计[J]. 测控技术, 2015, 34(11): 118-121.

[12] Shepherd S J. The tiny encryption algorithm[J]. Cryptologia, 2007, 31(3): 233-245.

Design of Wireless Monitoring Terminal for Safe and Economic Operation of Distribution Network

Li Siru1Chen Yujie2Chen Jiangbo2Jiang Baohua2Gong Xin1

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shangdong266590; 2. Qingdao Huanghai University, Qingdao, Shangdong266427)

In order to improve the accuracy of electric energy acquisition and to ensure the safe and economical operation of distribution system, an improved power monitoring terminal is designed.Three phase multi-function high-precision measurement chip ADE7880 acquire electric power information under various modes. Bidirectional communication between data is finished from the GPRS-DTU module and a power management center server and improve the TEA communication encryption algorithm to ensure the security of the system communication data. Through the actual test, the current, voltage, harmonic, power and other power parameters in different modes are uploaded to the power management center server through the wireless terminal. Its accuracy has reached the requirements of the safety and economic operation of the distribution network.

ADE7880; distribution network; TEA; safe and economic operation; monitoring terminal

山东省自然科学基金项目（ZR2012EEM021）

李思如（1993-），女，山东省枣庄人，硕士研究生，从事电力系统自动化方面的研究。