分布式电能计量表能耗数据采集与传输系统

蔡颖凯

(国网辽宁省电力有限公司营销服务中心，辽宁 沈阳 110000)

21世纪以来我国电力工业随着社会主义市场的经济发展趋势大力展开，这时电能计量表的精准度影响着多方利益[1]。在过去，电能计量表没有一套计算精准的计量系统，容易出现计量效率低、准确度差等问题[2]。因此，为了保证电能计量表能够得到有效测量，需要对电能计量表系统进行设计。杨倩[3]等人提出基于Labview的船用能耗数据采集与传输系统，通过一个基于虚拟仪器Labview平台，构建能耗数据采集系统对数据进行采集，再建立一个现代化船舶信息系统，从硬件设计和软件程序两方面对系统进行了简略介绍，该系统没有使用数字温补晶振作为系统内电能表的核心，导致系统在运行过程中较慢，存在月能耗数据采集时间长的问题。任磊磊[4]等人提出基于以太网的分布式数据采集与双模式管理系统，该系统为了解决系统在接收信号时出现的干扰现象，提出以太网分布式数据采集系统和管理方法，并用以太网接口对采集模块进行设计，便于对数据的采集和接收，在集中管理系统中设置多线程网络通信技术，实现数据采集和管理双模式的系统设计，该系统没有将数字温补晶振用作系统时钟，导致系统能耗采集的过程中精准度较低，存在测量数值与实际数值误差高的问题。崔永俊[5]等人提出分布式远程模拟量信号采集系统，该系统通过上机位、背板、总节点和分节点四部分对系统进行组件，利用RS485总线对数据采集网络进行构建，并将芯片转换为系统模块最终实现系统的整体设计，该系统没有采用源晶振置于系统核心内，导致系统能耗系数高，存在系统日能耗高的问题。

为了解决上述系统中存在的问题，提出并设计分布式电能计量表能耗数据采集与传输系统。

1 系统总体设计

随着时代的进步，传统电能计量表在能耗数据采集时已经不能准确进行有效计量，所以采用分布式结构进行数据采集与传统数据系统设计[6]。根据分布式电能计量表的优点设计分布式电能计量表能耗数据采集与传输系统，其总体结构如图1所示。

从图1中可以看出，分布式电能计量表能耗数据采集与传输系统由能耗计量数据平台、能耗数据采集终端等组成。能耗计量数据平台位于能耗计量监测中心内，由计算机、服务器等设备组成，可以进行能耗计算量数据的存储与分析处理。能耗计量数据平台通过网络与能耗数据采集终端相连接，采集终端被安置在能耗使用单位内，通过内部网络采集能耗计量数据，并进行存储与下一步传输。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall structure of the system

电能计量表能耗数据采集与传输系统的主要功能层次分为基础设施层、数据采集层、数据资源层、传输业务支撑层、业务应用层，并结合数据采集与传输标准规范体系以及数据安全防护体系。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件整体构架

分布式电能计量表的能耗数据采集共分为采样、通信2部分结构[7]。系统中，电网的时间需要高精度采样，这时就需要使用采样部分进行操作，将采样后的数据通过SPI接口传输到通信部分并进行数据处理和解码操作，此时它的总体硬件框架如图2所示。

图2 电能计量表系统硬件总体框架Fig.2 Hardware framework of electric energy meter system

2.2 系统硬件模块设计

(1)电源电路模块。在整个分布式电能计量表中，电源电路是电能计量表可以正常运行的基础，在此基础上将电能输送到芯片内部，令系统可以正常使用[8-10]。本系统采用的芯片中具有多个领域的电源供电引脚，那么电源引脚的主要说明见表1。

表1 电源引脚说明Tab.1 Pin description of power supply

电源电路中，2.0～3.6 V是VDD和VSSA供应的电压的主要范围。其中，VBAT的引脚电压在1.8～3.6 V。此时芯片对控制器提供电能时的供应电路如图3所示。

图3 LM1117-3.3供电电路设计Fig.3 Design of LM1117-3.3 power supply circuit

图3是一个电路调节器，它可以利用外部电阻满足1.25～13.8 V的电压要求，此时应使用电路型号为3.3 V的电路。

(2)时钟源电路设计。在分布式电能计量表中，时钟系统就是整个电能计量表的核心，它可以使系统能够正常运行[11-12]。STM32F407ZGT6的时钟系统主要通过内部时钟和外部时钟驱动。为了提高能耗数据采集的精准度，将DX2121C-10.000 0 MHz数字温补晶振外部时钟用作主要系统时钟。此时晶振电路设计如图4所示。DX2121C-10.0000 MHz晶振属于源晶振，它在工作状态下需要向外接3.3 V的电压供电，将0.1 μF的去耦电容接入到3.3 V电压和大地之间，并在接电后将一个10 MHz的时钟信号提供给芯片用作系统时钟源。

图4 晶振电路设计图Fig.4 Crystal oscillator circuit design

(3)数据传输及通信部分电路设计。为了使分布式电能计量表实现数据传输，设计了数据在传输和交互过程中需要使用的SPI硬件电路[13]。

当计量能耗数据被采集后，需要将采样数据输送到控制芯片内进行数据处理，在此选择成本较低且输送速度快的SPI接口，该接口仅包含4根控制线，便于布线。

在所有通信总线中，SPI总线是同步数据传输速率最高的，从以往的传输速率来看，SPI控制器的最高速率已经达到50 MB/s，4条控制线的主要工作模式为主从模式，在传输的过程中由主机初始化完成[14-16]。

SCLK是一种保证数据在输送过程中持续性同步的串行时钟线。MOSI和MISO主要用来传输数据，属于数据线，而SS是片选线，可以在同一条总线中连接多个设备[17]。

在同一时钟周期内，主机发送SCLK的时间脉冲，并在MOSI和MISO仅能实现一位数据传输，大约在16次时钟信号变化后实现一组16位的数据传输。

3 系统软件设计

完成系统硬件设计后，还需要对系统软件进行设计，最终实现分布式电能计量表能耗数据采集与传输系统的整体设计。

3.1 系统软件整体构架

为了方便维护系统和使用系统，采用B/S技术对用户界面、应用逻辑和数据库进行有效分离。在系统中所有系统平台都可以用于交换数据，有效避免病毒的入侵和文件的共享[18]。系统软件主要通过系统层、支持层和应用层3种层次结构组成。该系统模式可以使业务逻辑独立，便于数据访问。中间业务层用来与数据库交换数据，有利于业务的升级。数据库服务器层主要用来操作数据库中的数据，减少数据的改动，提升了系统的安全性。此时系统软件的逻辑构建如图5所示。

图5 系统软件逻辑Fig.5 Software logic of system

3.2 软件程序设计

(1)数据采集传输系统软件设计。采集软件如图6所示。

系统中的模块和接口主要由NET技术开发，并且达到人机交互的需求，系统内的数据需要通过采集设备、数据中心等对其进行调试，最终令整个系统达到完美结合的目的[19-20]。

(2)数据库结构设计。数据库中需要记录的信息过多，因此挑选出最重要的4类信息分别进行记录，这些数据为：计量表信息、数据信息、终端信息和管理信息，所以数据库的主要结构如图7所示。①能源计量仪表信息：首先设计一个信息表用来记录仪表信息，表中包含准确值和最大测量值，便于管理者查看和管理。②信息管理：用来对能耗数据进行记录和管理。③终端设置信息管理：设计一个终端参数信息表，表内用来记录设置的参数及人员信息。④数据库内全部管理信息：设计数据库表格信息表，对数据库中的表格名称和数据类型进行有效记录。

图7 数据库结构Fig.7 Database structure diagram

(3)定时器中断子程序设计。在采样数据的过程中，利用定时器计算采样时长，并通过采样率对时间间隔进行计算，因此定时器ARR寄存器的重装载参数用方程定义如下。

(1)

式中，Tout为采样时间间隔；Tclk为输入时钟频率；psc为时钟分频系数。

首先启动定时器对数据进行采样，并将采样后的数据输送到定时器终端内，自动对ARR值进行装载，并从第一个点开始转换，转换后从AD芯片中获取高电平脉冲，从而达到开启AD读书的目的，并读取到第一个点的数据。经采样间隔时间抵达后，开始对第二个点的数据进行采集，重复此操作，直到获取到数据点为止，将定时器关闭。

4 实验与分析

为了验证分布式电能计量表能耗数据采集与传输系统方法的整体有效性，需要对分布式电能计量表能耗数据采集与传输系统方法进行有效测试。测试现场所用的仪器设备如图8所示。

图8 实验仪器设备Fig.8 Experimental instruments and equipment

连接上述仪器，进行分布式电能计量表能耗数据采集与传输，以完成系统性能的验证。

对电能计量表中的数值进行读取，共进行10次测试，电能计量中的实际电量测试结果见表2。

表2 测试数据Tab.2 Test data

完成数据采集后，设置能耗系数为α，它的区间取值为[0，1]，其中能耗系数越高，说明系统耗能越多；能耗系数越低，表明系统能耗越小。所设计系统的日能耗系数如图9所示。

图9 被测电能计量表日能耗系数Fig.9 Daily energy consumption coefficient of measured electric energy meter

分析图9中的数据可知，所设计系统在进行日能耗测试时，数据波动都较为平稳，可以看出随着时间的变化它的能耗始终处于0.41以下，说明所设计系统的能耗系数低且日能耗低。

上述结果说明，所设计系统的能耗系数较低，这是因为所设计系统利用数字温补晶振作为系统时钟，大大的提高了采集能耗数据的精准度，使系统能够正常运行，进而降低了系统能耗。

为了验证实验的准确性，在进行日能耗测试后，采用所设计系统对月能耗数据进行采集时间测试，实验结果如图10所示。设置采集时间为6个月，并采集系统内的数据，能耗数据越多，说明系统能耗数据采集的越快，反之系统能耗数据采集的越慢。

根据图10中的数据可知，从总体来看，所设计系统在第4个月时就已经实现6 000个能耗数据采集的目标，可见所设计系统的采集速度不仅快，它的能耗数据采集性能同样较为优秀。

图10 月能耗数据采集性能Fig.10 Monthly energy consumption data acquisition performance

5 结语

在我国电力工业强劲的发展下，电能计量表在电能中占据着重要地位。随着时间的飞逝，传统的电能计量系统已经不能满足于现状，计量效果差的问题始终居于其中，为了解决这一现象，这时就需要对电能计量表能耗数据采集与传输系统进行有效设计。通过研究发现，传统的电能计量表能耗数据采集与传输系统存在日能耗高、月能耗数据采集速度慢和测量数值与实际数值误差多的问题。针对上述问题，设计分布式电能计量表能耗数据采集与传统系统，首先对系统的总体结构进行设计，再对系统内各个模块、电路进行设计，从而完成系统硬件的设计；完成设计后，建立系统软件整体构架，进而实现系统软件设计，最终实现系统总体设计。该系统对电能计量表的精准度有着显著的提升，为今后的系统研究奠定了重要的基础。