基于NB-IoT技术的电能计量资产自动化仓储系统设计

宋俊亮，袁 慧，钱 丹

（内蒙古电力（集团）有限责任公司电力营销服务与运营管理分公司电能计量中心，内蒙古呼和浩特 010010）

随着互联网技术与信息自动化技术的不断发展，电网已逐渐发展成自动化水平程度较高的电力传输网络，电能计量资产仓储系统是电网中的电能资产信息采集与存储单元，在云计算技术快速发展的背景下，国家电力部门为实现电能资产的自动化采集与存储，提出了促进多表合一的相关举措。

目前相关领域学者针对电能资产的自动化采集与仓储系统进行了研究。文献[1]设计了基于GPRS技术的电能计量资产自动化采集系统，利用GPRS 技术设计了系统的硬件与软件环境，阐述了GPRS 技术在电能计量资产自动化采集系统中的应用，该系统实现了电能计量资产的自动化采集，但电能计量精度和综合配置效率较低。文献[2]设计基于电能计量相关因素的资产自动化仓储系统，通过设计堆垛机架构，结合电能计量，优化仓储资产配置结构，完成自动化仓储。该系统可有效实现电力计量自动化仓储，但该系统的监测平均作业频率较低。

为了解决以上问题，该文设计了基于NB-IoT 技术的电能计量资产自动化仓储系统，该系统采用了NB-IoT（窄带物联网）技术，设计了仓储系统的通信模块，并对系统的其他硬件也进行了具体的论述，给出了系统的软件流程，最后通过实验验证了该文设计的基于NB-IoT 技术的电能计量资产自动化仓储系统的工作性能。

1 系统硬件设计

该文设计的系统硬件环境，主要由电能计量电路模块、处理模块、控制模块、NB-IoT 通信模块组成。

1.1 电能计量电路模块设计

该系统电能计量电路的计量芯片为ADE2849B，该芯片具有较高的自校准能力，是一种单相电能计量电路，可实现仓储系统的电能资产的计量与防篡改监测[3-4]。在电能计量电路芯片内部，集成了两个ADC，可对电能表内的电压、电流、有功功率进行有效值计算，检测电能表内的电能质量、过电流峰值与功率因数。

电能计量电路采用分压电路方式进行电能电压的采集，计量芯片内的电流通路测量电表内的线路电流，再通过电流传感器将测量的线路电流传输到电流驱动器内，电流驱动器的输入端连接电流互感器的负载，电流互感器内流过的线路电流通过芯片连接到接地管脚[5]。

1.2 处理模块设计

处理模块主要负责电能数据的处理。处理模块的核心设备为TI 公司生产的AT76DB846 微处理器，该微处理器作为处理模块的主控单元，具有较低的功耗和较好的数据处理能力。在微处理器的内部设有24 MHz 的时钟，其工作电压最高为3.6 V，最低为2.0 V，在处理器的外部设有存储容量为16 kB 的非易失存储器，在工作模式下功耗为100 μA/1.8 V，当微处理器处于掉电模式时，其功耗为6.2 μA/3 V，微处理器具有多个接口，包括I/O 端口、USB 接口等，处理模块结构如图1 所示。

图1 处理模块结构图

根据图1 可知，传感器采集到的电能数据经过I/O 接口和USB 接口传输至微处理器中，经过连接器、分配器、功能元件和体连接器处理后，通过交换器传输至外部的监测器中并进行信号监测，此时消耗的功耗约为8.3 μA/4.2 V[6-8]。

1.3 控制模块设计

该系统的控制模块主要负责对处理过的电能数据进行控制。控制模块的MCU 为TI 公司生产的MSP810F66 型微控制器，该款微控制器具有32 位指令集内核，在对电能数据进行控制过程中其工作频率为5.6 MHz。微控制器芯片的工作电压最高可达3.6 V，最低为1.8 V，在正常工作电压范围下，电源模式可处于工作、待机、关闭与关断状态，可对异常电压进行监控并采取限电措施。在微控制器的内部设有硬件乘法器与定时器，在外部设有多个用来传输电能数据的通信接口，包括UART 接口、SPI 接口、SDI 通信接口等[9-10]。控制模块时钟芯片管脚如图2所示。

根据图2 可知，电能数据经过处理后经由SPI 通信接口传输至控制模块的微控制器内，调用32 位指令集对电能数据进行处理并完成运算。此时微控制器的功耗较低，工作频率处于正常状态，运算完成后经由SDI 通信接口传输到硬件乘法器内，通过硬件乘法器的指令提升电能数据的控制速度[11-12]，同时，通过定时器的RTC 功能实现电能数据的集中控制。

图2 控制模块时钟芯片管脚

1.4 NB-IoT通信模块设计

NB-IoT 通信模块主要负责电能数据的无线通信。该模块的核心为SARA-N2，NB-IoT 通信模块的工作电压范围为3.6～4.8 V，外部设有串行通信接口UART，方便进行电能数据的传输[13]。同时，为了与其他设备的外部数字接口进行匹配，在NB-IoT 通信模块内部会提供一个1.2 A 的电流，外部的LDO 提供的工作电压最低为3.6 V，以确保NB-IoT 通信模块在正常工作时，其电压可以保持稳定。为保证电能信号的稳定传输，NB-IoT 通信模块的复位管脚连接SARA-N2 的管脚，SARA-N2 管脚具有开漏输出功能，当电能信号由于通信障碍等原因而无法进行传输时，NB-IoT 的复位管脚保持逻辑0 状态。

SARA-N2 通过串行通信接口UART 传输电能数据，其与控制模块的微控制器进行电能数据的传输时，由于两者的工作电压均为3.6 V 且均具有UART串行通信接口，因此两者间不需要进行高低电平的转换[14]。NB-IoT 通信模块的RXD 管脚连接微控制器的TXD 管脚，通过TXD 管脚向NB-IoT 通信模块发送通信信号，发送过程中，通信线路与接地电容采用串联方式进行连接，以免中断信号受到天线干扰，当接地电容达到48 pF 时，证明通信信号已顺利发出，则NB-IoT 通信模块完成了一个阶段的数据通信。

2 系统软件设计

该文利用NB-IoT 技术，设计了电能计量资产自动化仓储系统的软件，该软件系统结构清晰，在维护上较为简单，系统软件流程如图3 所示。

图3 基于NB-IoT技术的电能计量资产自动化仓储系统流程

首先，初始化系统。将仓储系统进行上电复位，对控制模块内的定时器、微控制器、指令集内核、时钟、串口等进行初始化操作，然后对微控制器的外部端口等设备进行初始化，操作完毕后对电表内的电能数据进行计量，根据控制模块内定时器设定的时间估计电能数据收集程度，对收集的电能数据进行处理，设定电能电压为U，电能容量S的计算公式为：

其中，k表示信号调制比，I表示电表内的电流。

调用处理模块内的存储器存储计算完的电能容量数据，调用NB-IoT 通信程序判断TXD 管脚是否发送通信信号，确定发送通信信号后，再次调用NBIoT 通信程序，将存储的电能参数数据通过串行通信接口UART 发送到NB-IoT 无线通信设备内，向NB-IoT 基站远程传输电能数据。如果NB-IoT 基站没有接收到来自NB-IoT 无线通信设备的电能数据，则需要对NB-IoT 通信程序进行更新，并再次尝试发送电能参数数据。

然后，对电能计量程序中的芯片进行控制。电能计量芯片作为电能计量程序的核心设备，可对流经电表的二次侧电压进行处理，二次侧电压U0的计算公式为：

其中，I0表示流经电表的二次侧电流，P表示电表功率。

获得二次侧电压后，通过上式计算系统中的电能能量，以便芯片进行传输，电能能量的计算公式为：

其中，W表示电能能量，C表示电容。

根据计算结果，将电能能量数据交由内部存储器进行保存，在与片外其他设备进行通信时，芯片通过SDI 传输电能能量数据。通过控制程序的微控制器读取传输的电能参数数据，读取完成后通过中断方式传输到NB-IoT 通信程序内，NB-IoT 通信程序通过云平台、移动终端等获得电能参数数据的处理结果，在获取过程中电能参数数据不会发生丢失情况，有效保证了电能数据的完整性[15-16]。

最后，采用C++语言对NB-IoT 通信基站监测的电能参数数据进行软件设计。C++语言可利用UDP通信协议实现NB-IoT 通信基站与移动终端设备的通信，读取NB-IoT 通信基站监测的电能参数数据并在移动终端上进行显示。

3 实验研究

为了验证该文设计的基于NB-IoT 技术的电能计量资产自动化仓储系统的有效性，选用该文系统和文献[1]系统以及文献[2]系统进行对比实验，分别判定不同系统的平均作业频率和综合配置效率。

为了确保实验结果的有效性，该文选用10 个监测特征点，分别采用三种系统对10 个监测特征点进行监测，得到的监测平均作业频率如图4 所示。

图4 监测平均作业频率实验结果

根据图4 可知，不同电能计量资产自动化仓储系统对于不同特征点的平均作业频率存在明显的差异性。该文系统的监测平均作业频率为88%，而文献[1]设计的基于GPRS 技术的电能计量资产自动化采集系统的监测平均作业频率为62%，文献[2]基于电能计量资产自动化仓储系统的监测平均作业频率为75%。由此可知，该文系统的平均作业频率高于文献[1]系统和文献[2]系统。

为了更好地完成验证，对三种系统的综合配置效率进行对比，得到不同系统综合配置效率实验结果如图5 所示。

图5 综合配置效率实验结果

根据图5 可知，该文设计的系统综合配置效率稳定在98%，文献[1]设计的基于GPRS 技术的电能计量资产自动化采集系统的综合配置效率低于80%，文献[2]基于电能计量资产自动化仓储系统的综合配置效率低于95%，但是在监测点2 和监测点7 综合配置效率出现明显下降。由此可知，该文提出的系统具备更高的可行性，能够很好地提高仓储配置效率。

4 结束语

针对当前电能计量资产自动化仓储系统出现的监测平均作业频率和综合配置效率低的问题，该文设计了基于NB-IoT 技术的电能计量资产自动化仓储系统。通过NB-IoT 技术实现电能计量资产自动化仓储，该系统能够有效提高监测平均作业频率和综合配置效率，为电力系统中电能计量提供了数据基础，在电力系统的电能资产计量仓储上具有一定的应用价值。但该文研究的计量系统采集时间较长，未来需要将重点放在系统硬件采集设备设计中。