基于DSP的智能用电终端设计与实现*

2017-12-20徐茂鑫余涛徐豪

电测与仪表 2017年9期

徐茂鑫，余涛，徐豪

（华南理工大学电力学院，广州510640）

0 引言

智能电网是一个完全自动化的电力传输网络，能够监视和控制每个用户和电网节点，保证从电厂到终端用户的整个输配电过程中所有节点之间的信号和电能的双向流动［1］。它是以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成新型电网。智能电网的建设涵盖发、输、变、配、用全过程［2-3］。

在用电方面，智能电网的重要目标是鼓励和促进用户参与自身运行和管理，实现用户互动［4-5］。对电网公司，通过统计用户的用电信息，掌握用户的需求和规律，就可以个性化地指导用户科学用电。用户而言，可以通过实时获取电网公司的实时电价和用电激励信息，根据自身需求选择合理的用电方案控制用电设备的用电时间，实现智能能量管理。对此，不少专家学者就用户用电模式分析、用电策略分析、智能用电控制算法等问题进行了相关的研究。文献［6］利用改进k-means算法准确、高效地挖掘出了海量智能用电数据的潜在的有价值信息，能够为相关部门制定最优用电策略，开展阶梯电价等提供有利指导。文献［7］基于家庭用户的用电行为及用电特征时间段，运用基于云计算的Apriori算法对用电行为进行数据挖掘，并利用遗传算法对家电的启动时间进行优化，很好地达到了经济用电的目标。

由上述可知，为了达到智能用电的目标，关键是要获得全面的用电设备的用电数据并有效地实现对电网终端的用电设备进行控制。由于电网中各种用电设备数量庞大，所以所需安装的量测和控制设备数量是巨大的。要实现智能用电必须充分考虑设备成本以及当前的电能供应模式。

鉴于上述分析，并考虑到插座是传统电网中最普遍的配电网终端，在不影响当前配电网的基本结构的前提下，本文将现代先进测量、控制、通信技术等嵌入到传统的插座中，提供了一种基于DSP数字信号处理技术和WiFi通信技术智能用电方案，可实现智能电网下对市政、商区以及居民住宅等用电设备的高级用电监测和远程用电控制。

1 智能用电终端应用示例

智能用电终端是分布式用电设备与配电网络实现能量流和信息流双重交互的媒介。以家庭用电为例，智能终端的应用构架如图1所示。各种分布式用电设备如空调、热水器、冰箱、光伏发电设备等通过智能用电终端连接到配电网络，实现配电网络与用电设备的能量连接；通过WiFi无线通信网络，智能用电终端可以连接到本地用户终端和数据服务中心，实现信息交互。其中，数据服务中心可以是电网公司或专门的信息管理公司。

图1 智能用电终端应用示例Fig.1 Application example of smart power terminal

如果区域电网内所有的分布式用电设备均通过智能用电终端接入电网，便可以构建一个云平台对所有设备进行管理。通过这个云平台并采用有效的优化算法和协调控制策略优化用户的用电模式，则可以在不影响用户用电舒适度的同时充分利用这些分布式设备中的潜在可控负荷，参与电网的运行调度，从而达到削峰填谷、经济运行等作用。同时，用户也可以通过相关的节电分析软件检测出自身用电行为中存在的浪费情况，并利用智能用电终端进行自动断电控制。

一个完整的智能用电管理系统建设中需要包括智能用电终端、信息网络、数据存储与分析、用户端应用软件等单元，限于篇幅，下文主要介绍智能用电终端的软硬件设计与实现。

2 硬件设计

2.1 总体设计

智能用电终端的总体结构设计如图2所示，主要包括DSP处理核心单元、WiFi通信单元、信号测量单元、负荷控制单元、系统供电单元以及实时时钟、温度传感、Flash存储等扩展功能单元。

图2 智能用电终端结构图Fig.2 Structure diagram of the smart power terminal

在DSP处理核心单元的协调控制下，智能终端首先通过测量单元监测接入的用电设备的电量信息，然后利用WiFi通信单元实现与用户终端和数据服务中心的信息传输。负荷控制单元可以根据电网公司或者用户自身下达的指令对用电设备进行调节、控制等操作。

2.2 DSP处理核心

为了缓解远端服务器的数据处理压力，智能用电终端需要对采集的数据分担部分的计算分析任务；同时智能用电终端还应能够实现较多的附加功能，因此在智能终端的处理器选型上，本文采用DSP作为处理单元。

DSP（Digital Signal Processor）即数字信号处理器，通常采用哈佛流水线构架并配备专用的硬件乘法器，因此其运算速度非常快，可以轻松完成FFT、矢量控制、图像信号处理等任务。相对于单片机、PLC等微处理器，DSP不仅具有较强的控制性能，其数字信号处理能力更是突出［8］。

DSP处理核心采用某公司的32实时处理器TMS320F28035。该处理器具有60 MHz主频、128k Flash、20 k RAM、多达45个复用端口以及一个SCI、2个SPI、一个ECAN网络接口等。DSP与其他模块的接口如图3所示。

图3 DSP的接口示意图Fig.3 Interface schematic diagram of DSP

2.3 WiFi通信模块

相比有线网络，无线网络具有安装维护简便的优点，因此在短距离局域通信领域中无线网络的应用越来越普及。目前短距离无线通信的主流技术有：433 MHz等小于1 GHz的射频技术、蓝牙技术、ZigBee通信技术和WiFi通信技术。相比其他无线通信技术，WiFi通信可以直接通过无线路由器接入Internet网而不需要重新布置网关进行转换；WiFi模块是笔记本、平板电脑和智能手机等互联网终端设备的标准配置［9-10］。因此采用WiFi技术进行通信的智能用电终端不仅可以实现信息交换上的“即插即用”，而且还可以降低设备推广的成本。

WiFi通信采用USR-WIFI232-T模块实现。这是一款具有低功耗、低成本、小体积等特点的WiFi转串口模块，其在硬件上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元、TCP／IP协议栈以及功率放大器，非常便于在智能家居、智能电网、手持设备等领域进行二次开发。同时该模块同时支持UART、PWM、GPIO数据通信，可直接嵌入到MCU系统中实现终端设备与互联网的透明数据传输，如图4所示。

图4 WiFi双向透明传输示意图Fig.4 Two-way transparent transmission schematic diagram ofWiFi

2.4 信号测量

本文的单相测量采用典型的电阻检流、分压再放大采样的方式。具体的测量电路如图5所示，用电设备的大电压电流信号分别通过分压电阻R1、R2以及检流电阻R3转换成弱电压信号，然后利用运算放大器U1、U2进行调理放大。其中输出信号Uo、Io通常放大到ADC模数转换器满量程的2／3左右。

图5 信号测量电路Fig.5 Signal measurement circuit

运算放大器采用集成差分运放INA129。与普通放大器相比，差分放大器可以有效抑制输入信号中的共模噪声和地线电平电压浮动对电路的影响。ADC模数转换器采用某公司推出的并行14位8通道双极性同步采集的A／D转换芯片MAX1321，该芯片与MAX1320同属一个系列并广泛应用于电能质量监测。

2.5 其他功能单元

为了方便系统取电，本文采用AC-DC开关电源的方式将输电线路上的交流220 V电源转换成5 V直流电压。相对传统的先变压器降压整流再到线性稳压的方式，开关电源具有体积小、重量轻和功耗低的优点。同时相对另一种常用交流取电方式—阻容分压，开关电源能够提供更大的功率，可以满足系统中WiFi无线通信所需的大功率。此外，为了满足信号测量单元的负电压需求，采用TPS60403电荷泵将＋5 V转换成－5 V电压；并采用TPS73633线性稳压器将＋5 V转换成＋3.3 V以满足DSP系统的供电需求。

负荷控制通过大功率继电器（负荷开关）实现。同时为了避免继电器开断过程中产生的电磁干扰对系统造成影响，采用光耦隔离的方法用光耦开关来驱动大功率电器。

温度传感器可用于感知智能用的终端周围的环境温度，为用户的用电模式分析提高外界环境的信息参考。本文的温度传感采用DS18B20实现。

为了实现对测量的数据标记时间信息，以提高数据分析的效果，本文在智能用电终端中增加了实时时钟的功能，实时时钟可用DS1302时钟芯片实现。

最后，利用外部闪存芯片AT25FS040实现对重要的测量数据、用户本地信息以及设备的ID信息等的掉电存储。

3 程序设计

智能用电终端的主程序设计如图6所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Flow chart of the main program

系统上电后程序的执行步骤是：（1）DSP初始化，包括对GPIO端口、UART通信接口、内部定时器等进行初始化操作；（2）硬件自检，如ADC采样测试、WiFi通信信道测试、存储测试、温度测试等；（3）激活，如果智能用电终端是首次使用，则需要激活。激活的内容包括设备ID、用户账户关联信息等，激活操作可通过PC端软件或者用户移动终端的APP实现；（4）信号测量与计算，单相电压电流信号的测量采用准同步定时采样的方式，数据的计算分析采用分时操作的方式，计算分析内容包括过负荷判断、FIR数字滤波、有效值计算、功率计算、FFT频谱分析等；（5）信息交互，DSP利用UART中断接收WiFi模块传递的数据，然后根据数据解析后得到的有效指令执行相应的任务，比如数据上传、设备控制、频谱分析、节电控制等。