电能物联网信息采集与数据服务系统

黄宏章

（惠州中城电子科技有限公司，惠州 516006）

电能物联网信息采集与数据服务系统

黄宏章

（惠州中城电子科技有限公司，惠州 516006）

介绍电能物联网信息采集与数据服务系统旨在实现物联网与电能供需管理的有机结合进而建设电能物联网，在核心理论与技术、系统、协议、软硬件设备及应用系统等方面进行深入的研制与开发，为从全局的角度有效解决电能供需平衡及优化配置与使用难题，发展电能物联网技术。

物联网；信息采集

0 引言

从电能物联网信息采集技术与关键设备研制、电能物联网监控与管理服务应用系统数据增值服务关键技术、电能物联网监控与管理服务应用系统开发与示范应用四个层面展开相关研究与开发工作，其目的是：突破电能物联网信息采集与数据服务关键技术，研制其核心智能化软硬件产品，建设企业级、区域级电能物联网监控与管理服务应用系统，解决电能物联网的优化布局与配置、电能数据实时采集与传输、电能使用的智能化决策、全局监控与管理服务等电能物联网的核心问题，为实现企业、区域级电能的动态配置与优化使用、提升用电效率、降低用电消耗、实现智能电网与节能环保奠定基础，也为推动我国物联网产业的发展与应用提供技术支撑与解决方案。

（1）电能物联网信息采集与数据服务关键技术及软硬件产品研发符合国家节能减排的战略规划。本项目旨在突破电能物联网信息采集与数据服务关键技术，研制具备自主知识产权的信息采集与数据服务软硬件产品，进而建设企业级、区域级电能物联网监控与管理服务应用系统，通过对电能数据的实时采集与传输、电能使用的全局监控与优化决策，提升企业、区域的电能供需平衡与使用效率，调整能源结构，降低能源成本，实现节能减排目标，这符合我国的基本国策和战略规划。

（2）电能物联网信息采集与数据服务关键技术及软硬件产品研发符合珠三角企业能耗管理的实际需求。

珠三角地区能耗企业总体规模庞大，数目众多，由于长期以来忽视对电能的有效监控与管理，导致各用能企业的电能管理和节电技术力量薄弱，因此普遍存在电能利用效率低，节电技术应用程度不高，电能空耗等急需解决的问题，导致电能浪费严重，陷入了“高能源消耗换取低效生产目标”的困境；与此同时，由于缺乏合适的电能数据实时采集技术与手段以及电能供需动态监控系统，导致用电企业与供电部门之间的信息脱节，不能从电能供需链的角度实现企业、区域电能的供需平衡和优化配置，难以实现节能、增效、环保的目标。本项目提出的“电能物联网信息采集与数据服务关键技术及软硬件产品研发”正是为解决上述难题而提出，从电能物联网的角度实现珠三角电能供需的动态配置与全局优化调度。

（3）电能物联网信息采集与数据服务关键技术及软硬件产品研发有利于区域经济发展。当前电能供需矛盾日益增加，供电部门为了保证用电企业电能消耗需求，不得不采取诸如错峰用能、定点限电等非常措施，严重影响企业开工率。本项目通过采集电能消耗数据，监控电能使用情况，一方面为实现用电企业的动态监控，减少设备空转、能源空耗等现象，节省企业用电成本提供支撑；另一方面也为实现区域内电能供需的平衡决策、电能的优化分配，减少企业因“限电”造成的停工现象提供决策支持，最终提升区域内电能的合理配置与使用，实现区域经济的可持续发展。

1 系统设计

本系统突破电能物联网信息采集与数据服务关键技术，研制具备自主知识产权的核心智能化软硬件产品，建设企业、区域级电能物联网监控与管理服务应用系统，解决电能物联网的优化布局与配置、电能数据实时采集与传输、电能使用的智能化决策、全局监控与管理服务等电能物联网的核心问题，为实现企业、区域级电能的动态配置与优化使用、提升用电效率、降低用电消耗、实现智能电网与节能环保奠定基础。

图1 通信网络架构图

（1）电能物联网信息采集技术与关键设备研制。主要解决电能终端（测量点）的用电相关数据（包括电能消耗数据、电能质量数据、环境温度数据等）的采集、双向高速（无线）传输的关键技术与设备问题，为各级电能物联网监控与管理服务应用系统的智能决策与监控管理服务提供数据源。

（2）电能物联网监控与管理服务应用系统数据增值服务关键技术。基于已采集的复杂电能数据，本部分主要解决电能物联网数据增值服务的关键技术，实现节能监管、节能诊断与用电优化等目标。

（3）电能物联网监控与管理服务应用系统建模与开发。根据以上两方面的研究内容，本部分主要解决面向不同企业/区域范围的电能监控与管理服务应用系统的方案设计、框架建设与模块分析、软硬件配置以及系统开发等方面的问题，实现电能物联网的有效运行。

（4）电能物联网监控与管理服务应用系统示范应用。根据以上三点所取得的技术、设备与系统研究与开发所取得的成果，本部分主要解决电能物联网监控与管理服务应用系统的示范应用与推广问题，推动电能物联网技术的产业化应用。

2 系统软硬件设计

系统的软硬件设计主要包含：RS-485电表与采集器进行通信；采集器、载波单相表和载波简易多功能表通过电力载波与集中器进行通信；集中器通过GSM和GPRS网络与系统主站进行通信，或者通过PDA(掌机)实现电表与系统主站的通信；数据服务器、工作站、Web服务器、MIS（管理信息系统）与系统主站进行通信。

2.1 以太网模块

以太网通信主要是实现集中器与主站之间的通信，我们采用最常见的以太网芯片DM9161AEP来进行设计。DM9161AEP是一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网PHY，是采用较小工艺0.25um的10/100M自适应的以太网收发器。DM9161AEP通过可变电压的MII或RMII标准数字接口连接到MAC层，支持HP Auto-MDIX。是目前常见的一款物理层收发器，由于全球的MCU集成度不断提高，由早先的MAC+PHY+MII的衍生到现在的PHY，在以太网部分的成本，逐渐降低。

在应用过程中，DM9161AEP常出现的错误是，晶振的连接，以及网络变压器的匹配，所以应该慎重选择。在2010年，中国政府借鉴奥巴马政府提出大力建设智能电网，以技术为基础，实现能源高效化，电力智能化，用户与供电企业之间互动化，带动了相关产业的高速发展。国家电网在2009年底，提出智能电网中的相关设备的规范化标准，明确的把以太网网口作为标准配置写入文件。DAVICOM率先看到巨大的市场，联合多位专家，推出高性能的DM9161CEP，迅速得到MCU众多厂家的认可，成为抄表终端上的标准参考设计。

图2 以太网模块电路图设计

2

2.2 开关电源设计

电路中的CX1和CX2是安规电容，是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全。图中是X电容，X电容是跨接在电力线两线（LN）之间的电容，一般选用金属薄膜电容。X电容一般是uF级的，用来抑制差模干扰。电阻RD1至RD6是给电容两端放电的。

电路中LB1是一个共模电感，又称共模扼流圈，常用于开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。共模电感实际上是一个双向滤波器：一方面滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。共模电感有两个绕组，其间有相当大的间隙，就会产生磁通泄露，并形成差模电感。因此，共模电感也具有一定的差模干扰衰减能力。

DN107S一个桥式整流桥整流桥后面接了两个储能电容CE1和CE2用来滤波，在整流全桥之后加上滤波电容，从整流全桥输出的单向脉动电压信号在上升段给电容充电，而在其下降时电容向负载放电而不会使电压马上掉下来，相当于滤波之后输出一个直流电压信号。而电阻RD7、RD8、RD9和RD10用于分压，可以使CE1和CE2两端电压更趋近于相等，因为一般电容的误差为20%而贴片电阻的误差为5%，用1%的精密电阻可以实现电压值更趋近于相等。

D3和D9是高效整流二极管，通常导通电压低，恢复时间短，但是反向漏电流比较大，反向击穿电压低，适用于低压、大电流的整流电路。电阻RD17-20为1206封装的贴片电阻，其功率为0.25W，额定电压为12V，电流为20mA，采用4个电阻并联的方式，就可以通过80mA的电流。

电感 L1，电容 CE6、电容 CE8和电感 L2，电容CE4、CE9构成了π型滤波电路，之所以叫π型滤波电路是因为两个电容和电感呈“π”型排列。电容CE4实现了储能电容滤波，直流电压信号初步形成。因为前级输入的直流信号中还有一些小的波动，而电感L2的特性是阻止电流的变化，于是它抑制了这些波动。最后电容CE9的隔直通交特性把一些仍然顽固存在的交流导到地线中，最终输出的直流电压信号质量较使用单纯的储能电容滤波的好。

用芯片SG5841J搭建一个PWM控制电路，控制PMOS的通断，开控制电压的大小。NPN三极管起电压保护作用，当电压过大时导通，将集电极电压引至发射极的地端。

2.3 主站软件

图3 开关电源电路图设计

3 结语

电力远程抄表系统是一个智能化的系统，它解决了以往落后的人工抄表效率不高的问题，节省了人力成本，而且系统运行稳定，全国很多城市都在进行试点工作。特别是在北京、上海、广州和深圳进行了很过前瞻性的实验，深圳滢水山庄，一个有着上千户人的住宅小区，就进行着关于远程自动抄表的实验，一个集中器通过电力载波抄录九百多台电表，基本上可以实现90%的抄表率，并通过GPRS模块实现稳定的数据上传。现在电力远程自动抄表还存在一些问题，主要是抄表数量和抄表率还是比较低，未来随着电力远程抄表技术的不断发展，我国将会普遍实施这种自动化的抄表模式。

[1]杨顺涛.电力远程抄表集中器设计[C].广东工业大学,2015,7.

[2]刘涛，王洋.一种基于ARM和GPRS的远程抄表集中器的设计[J].机械管理开发,2011,10(5).

[3]熊磊.电力远程抄表系统的设计[J].江大学学报,2007,4(2).

Information Gathering and Data Service System of Electric Energy Internet of Things

HUANG Hong-zhang
（Huizhou Midtown Electronic Technology Co.,Ltd.，Huizhou 516006）

Introduces the power of networking information acquisition and data service system to achieve networking and power supply management and the construction of the organic combination of power in the Internet of things,the core theory and technology,system,protocol,hard⁃ware and software equipment and application system and other aspects of in-depth research and development from a global perspective,to effectively solve the power supply and demand balance and optimize the allocation and utilization problems,development of power network⁃ing technology.

1007-1423（2017）23-0075-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.018

黄宏章（1975-），男，副总经理，从事领域为电能表行业的仪器仪表研发与管理

2017-07-20

2017-08-10

Internet of Things;Information Acquisition