智慧用能一体化量测终端的设计

摘 要：本文针对当前在智慧用能设备的量测方面，存在采集计量节点分散、数据采集频度低、通信信道单一、采集设备组网速度慢等问题，提出采用多模混合组网通信方式的一种智慧用能一体化量测采集系统方案，并详细阐述了面向多种业务需求的智慧用能测控终端的软、硬件设计。

关键词：智慧用能;一体化量测;用能测控终端

目前，在国家电力体制改革、能源互联网建设等宏观形势影响下，存在着水利发电、风电、光伏、储能设施等多种新能源，对各类用能设备的能耗数据和运行数据进行采集、监测和感知，并最终实现综合调控，将有助于降低不必要的能源消耗，实现能源有序管理，提高能源利用率。然而，在用能设备的智慧量测方面，存在采集计量节点分散、数据采集频度低、通信信道单一、采集设备组网速度慢等问题，因此，需要对智慧用能一体化量测采集系统进行研究，以满足智慧用能服务体系的建设，实现能源量测数据汇聚与共享，协同优化调控管理。

智慧用能一体化量测系统在本质上是对用户用能信息的智能化采集、处理及应用，通过用能测控终端并借助光纤、230MHz无线专网、4G无线通信、HPLC、微功率无线等通信技术实现用能管理主站与用户的信息互通，在系统末端设备中引入边缘计算信息处理技术，实现用户能量管理，并运用信息集成接口将采集处理后的分类数据与其他公共事业等社会化服务平台共享。本文提出一种智慧用能一体化量测采集系统方案，并详细阐述了面向多种电力业务需求的智慧用能测控终端的软、硬件设计。

1 总体架构

将智慧用能量测系统所涉及到的业务逻辑封装到智能服务中，系统采用四层架构设计，主要分为主站层、通信层、终端层和设备层。主站层是整个量测系统统的控制中枢，负责对现场的终端设备进行参数设置、控制命令下发、数据召测采集及云端大数据统计分析;通信层用于连接主站层和终端层，承担上传下达的信息高速传输桥梁，主要采用4G无线通信、光纤、230MHz无线数传电台专网通信等方式;终端层主要实现对下行设备层各类传感器及专用计量设备等数据的采集，并能够作为与远端主站层数据通信的信息网关，同时，可利用本地算法完成边缘计算功能;设备层主要指系统末端的智能仪表、电动汽车充电桩、分布式电站的汇流箱、逆变器、家庭智能插座、智能家居电器、港口岸电桩、岸电箱等各类设备。

系统设备层面的物理架构以用电信息采集系统为基础，在配变台区侧安装智慧用能测控终端，在配变低压侧出线开关或中间分支箱安装分支箱监测单元，在表箱内安装表箱监测单元，用户内安装智能插座或能量采集单元，在新能源装置侧安装能量采集单元，现场采用多模混合组网通信方式，实现各类用电设备的泛在连接和信息感知，并实现多个主站的同时接入。

2 硬件设计

按照模块化、标准化的思想进行终端硬件设计，以处理显示模块为控制核心，以USB作为内部工作总线，桥接终端各扩展模块及部件。终端硬件原理框图如图2所示。

（1）处理显示模块：由主控MPU单元、看门狗、实时时钟、以太网PHY芯片、电源管理、LCD、安全加密单元等构成;其中主控MPU单元是硬件系统的核心，它主要由CPU、DDR3 RAM、NAND FLASH等电路组成;备用电源采用电池和超级电容并存方式，电池可更换，超级电容不需要更换。

（2）电源交采模块：模块化方式存在于终端内部，主要实现三相交流采样及外部交流电源输入转换处理，从而为整个终端提供直流工作电源。终端交流采样电路部分与电源模块集成在一起，交采模块可直接安装在终端底壳，输入信号采用导线方式固定在终端强电接线端子处，无需焊接，方便更换;交采模块配置三相电能计量芯片、MCU、E2PROM（校表参数存储），通过校检表台体，可完成独立校验;电压、电流等交流模拟量通过CT、PT做好隔离和安全防护。

（3）功能模组：主要包括本地通信模块、遥信采集模块、MBUS通信模块、RS-485通信模块、4G通信模块、CAN通信模块等。接口型式及管脚定义统一，在一定范围内，位置可互换，采用USB总线接口作为通信接口。

3 软件设计

3.1 软件框架

为实现海量数据处理与分析应用，智慧用能一体化量测终端采用Linux操作系统，按照模块化、标准化思想，既实现了软件层面的统一，又实现了硬件层面的个性化，同时完成用户用能一体化量测的业务功能，如抄表、通信、安全等。在文件系统基础上通过基础业务接口的方式提供业务相关的功能。业务模块都是一些基础的、原子的业务，可以分为以下几类：

（1）设备驱动类接口：网络操作、串口操作、文件操作、共享緩冲区操作等;

（2）储存操作接口：EEPROM操作、数据库接口、XML文件操作、日志记录操作等;

（3）基础业务接口：表计驱动、通信管理程序（以太网、GPRS、CDMA、4G等）、安全加密驱动等。

基于面向对象方法设计应用软件框架，用于一体化量测终端各模块中的软件均符合该框架，满足新模块即插即用要求。终端应用软件通过使用操作系统提供的“基本接口”和“通用基础业务接口”实现。

终端软件分为两大部分：终端本体程序和各模组程序。终端本体程序设计按照面向接口编程的思路，规定了每个业务APP的启动方式、输入、输出功能。其中，包括交采模组在内的各种模组由于硬件平台相同，且软件相似性很高，因此编写程序时，所有模组软件均在同一工程下进行开发，通过预编译、宏定义等方式进行功能区分，便于修改、维护。以显示模块为例，它仅作为应用软件App的一个子模块来运行，要实现显示模块的所有功能，需要由若干业务模块共同协作完成。为了简化程序实现难度，将常用业务功能模块剥离出来构成基础功能APP进程，高级应用APP可以通过进程间通信接口与基础APP之间进行交互。如图3所示，为终端软件功能总体框架。

3.2 软件功能设计

用能一体化量测终端软件主要功能如下：

（1）PLC、4G、以太网、CAN总线、RS485总线、蓝牙等多种通信信道及网络通讯状态的管理。

（2）终端同时接入多个主站连接管理，支持主站的参数下发、任务执行，召测数据等操作。

（3）各级节点分钟级能量数据同步采集、台区各分段线路阻抗数据采集;用户日冻结、月冻结、曲线能量数据采集。

（4）事件上报：台区下任一节点停電事件、台区下各级开关分合闸状态、计量异常事件实时主动上报。

（5）时钟管理：测控终端自身对时管理，台区下分支箱、表箱监测单元的时钟同步管理。

（6）台区完整供电路径物理拓扑识别功能。

（7）配变监测的功能：变压器状态数据采集、低压开关位置信息采集、分布式电源信息采集、智能充电桩接入管理、港口岸电设备接入管理等。

3.3 功能模组通信流程设计

所有终端功能在终端内部为组合关系，大多数情况下，他们通过数据库访问层来进行业务耦合，而对于单个功能模块的功能是完全独立的，很显然，这种独立是不包含业务的链式关系的，例如，链路管理APP只用于链路管理，至于链路上的数据内容由规约APP进行处理，如果没有下载规约app至终端内，链路管理APP只是找不到链式关系，并不影响其自身的正常运行。

终端上电后，由shell脚本启动守护进程，再由守护进程启动终端管理进程，终端管理进程创建4个线程，分别是模组维护与启动线程、模组运行心跳监控线程、模组IPC消息接收线程及模组IPC消息发送线程。模组注册与信息传递软件流程如图4所示，当功能模组被插入终端硬件本体上的USB槽位后，终端软件T-LANUCH线程检测到后，自动向内核注册，并由T-LANUCH线程唤醒相应的业务进程;同时，相应的业务进程和模组MCU通信，统一由T-POOL_R和T-POOL_S线程进行集中转发。最后，由T-HEART线程对每个运行的APP进行心跳监控，以保证线程处于正常状态。

4 结语

本文重点介绍智慧用能一体化量测采集终端的硬件、软件设计，在终端软、硬件方面深入贯彻模组化理念，实现模组即插即用、模块自动识别、档案信息自动同步、台区智能识别、远程安全升级等业务功能。用能一体化量测终端通过运用高频采集的用能数据，能够在终端侧实现台区网络拓扑自识别、分段分相线损计算、电能表相位识别、停电范围研判、三相不平衡治理等边缘计算分析能力;进一步支撑电力体制改革、能源互联网等宏观形势下，家庭智慧用电、公共事业数据采集、智慧农业数据采集等业务的开展。

参考文献：

[1]章鹿华，王思彤，易忠林，袁瑞铭，周晖，殷庆铎.高级计量架构（AMI）对智能电网下供用电关系的影响[J].电测与仪表，2011，48（5）：33-36.

[2]张浩，卜宪德，郭经红.EPON技术在用电信息采集系统中的应用[J].电力系统通信，2010，31（7）：42-45.

[3]妙红英，高寅，王松，洪虹.宽带电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用[J].华北电力技术，2015，（4）.

[4]王林信，胡小龙，张勇红，张跃.基于无线技术的智能家居能耗管理平台研究[J].电力信息与通信技术，2013，11（10）：113-117.

[5]胡勇.主动配电网用户侧能量管理系统设计与实现[J].电力系统保护与控制，2016，44（16）：149-155.

作者简介：李振国（1979-），男，高级工程师，从事电力系统嵌入式产品开发及研发团队管理工作。