基于嵌入式的电量计量采集系统研究

胡圣尧+关静++杨子立++于海平

摘 要： 为了对用户用电情况进行实时监测，提高用电采集系统的准确性，及时发现用电异常，研究一种基于嵌入式的电量计量采集系统。该系统主要分为高压无线监测模块、用户用电远程监测单元和监控主站三大部分。通过对比高压无线监测模块和用户用电远程监测单元数据判别用户用电是否存在异常，并将数据传回监控主站。通过实例对所研究的嵌入式电量计量采集系统进行分析，通过监测对比某用户用电信息，有关部门人员通过嵌入式电量计量采集系统监测该用户的用电规律，掌握其窃电行为的证据，对其进行窃电行为判定。

关键词： 嵌入式系统； 电量计量； 采集系统； 窃电稽查

中图分类号： TN915?34； TP27 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0163?04

0 引 言

改革开放后，我国经济发展发生了翻天覆地的变化，人民的生活水平不断提高，对于电力的需求越来越大，特别是天气比较寒冷的冬天和比较炎热的夏天，对于电的需求更是极速膨胀，可是由于电网建设不完善，经常会出现缺电和断电的现象。为了避免这样的现象再次出现和满足消费者的需求，相关部门就构建了功能比较完善的用电信息采集系统。这个系统主要是为了解决供电高峰期时电力供应不足的问题，对原有的电力资源进行重新的优化配置，使其能够得到更加合理和高效的使用，进一步减少用电高峰期缺电、断电现象的发生，满足消费者提高生活质量的要求[1?2]。

用电信息采集系统的主要功能是通过采集用户的用电信息，对这些信息进行处理和分析，发现其中存在的异常情况，进而对这些异常情况进行监控和检测，与此同时用电信息采集系统还是电力支持系统的重要组成部分，还具有电能质量检测、分布式能源监控等功能，保证了供电公司可以对用户用电信息进行实时的监控。用电信息采集系统的前身是原负控管理系统，这个系统的构建主要是为了解决用电高峰期缺电现象和用户的窃电问题，对电力资源进行重新的优化配置，进一步提高能源的使用效率，为国家挽回经济损失。系统还具有进行远程抄表、监测和辨别窃电行为、对电能质量进行监测等功能[3?5]。

1 嵌入式电量采集系统设计

1.1 系统整体框架

电量采集系统整体框架如图1所示。

该系统由两个子系统组成，一是电量采集装置，二是主站系统。其中电量采集装置包括电网高压无线检测设备和用电端的远程监控模块。工作原理是：电网高压检测设备对高压侧的电能数据进行采集，无线通信设备作为媒介传输采集到的数据，用电稽查终端接收由无线通信设备传输的电网高压侧的数据，同时电表数据由终端用电信息采集模块进行读取。根据用电数据判断是否有窃电行为，共有两种方式：一是直接的方式，用电远程监控终端判断是否存在窃电行为，判断结果发送到主站设备和用户的手机；二是间接的方式，用电远程监控设备将收集到的高压侧的数据和读取的电能表数据都发送到主站设备，然后主站根据接收到的数据判定是否有窃电行为。两种方式各有优缺点，第一种判定方式简化了主站设备，能够做到24 h数据监测，但是用电远程监控设备的设计变得复杂，该模块所需的硬件成本也大大增加；第二种判定方式简化了用电远程监控设备，但是主站必须在持续供电的情况下不断工作。两种判别方式因其具有不同优缺点，可以应用在不同的场合[6]。

1.2 高压无线检测模块

高压无线检测模块由四个子模块单元构成，分别是采样、控制、通信和电源。工作原理是：互感器变换高压侧的电能数据，采样模块对变换后的电能数据进行采集，同时简单处理采集到的数据；控制单元控制整个检测模块的操作顺序；通信单元传输采样单元输出的数据；电源单元保证整个检测单元的正常运转。

ZigBee方式是高压无线检测单元和用电远程监控之间采用的主要通信协议，该协议在开放式互联系统的基础上实现每层通信，向更高层提供服务的功能。IEEE 802.15.4是ZigBee通信协议物理层采用的标准，ZigBee联盟定义应用层和网络层，其中应用程序框架构成了应用层，Z?Stack协议堆栈使得ZigBee上层协议成为可能。

高压无线检测单元的功能是实现电能数据的采样、数据的发送和控制远程终端接收电能数据。高压无线检测单元开始工作时，第一步是对系统网络初始化，对硬件设备进行复位；第二步是无线检测单元中的通信单元向用电远程监控设备发送指令和网络地址；第三步是控制采样模块周期性的工作，有利于节省功耗；第四步是采样模块处于保持状态时，通信设备采用ZigBee的通信协议传输数据信息；第五步是主站发送查看工作状态的命令到用电远程监控终端，此时监控终端发送指令到采样单元，采样单元进入对电能数据进行采集处理周期，然后采样单元进入保持状态，等待下一个采样指令。

当电网高压侧出现短路故障时，高压侧的短路电流往往比正常工作时的负荷电流大很多，短路电流会使得没有任何安全措施保护的无线检测设备出现故障，以致检测失灵。因此在设置采样单元的数据采集量程时，需要考虑最大短路电流。电网正常工作时，罗氏线圈互感器检测到的电压比较小，这里为了检测装置的灵敏度，需要在罗氏线圈前端添加电压放大电路。同时，还需要添加低通滤波器电路和隔直流电路，从而过滤高频分量和直流分量对罗氏线圈电压变化的影响。

高压检测中的控制单元采用ATmega128型单片机，该单片机内置了一个8通道10位精度的增益可编程ADC，这样就避免了单独的ADC电路，集成度变高，电路得以简化，整体电路成本也得以降低。不过ATmega128单片机是单极输入输出的，输出电压与其工作电压存在失配，可以在单片机输出端和DSP之间添加加法器，解决单片机工作电压与输出电压不匹配的问题，加法器电路如图2所示。ZigBee单元采用CC2530芯片，其正常工作电压是2～3.6 V，但是ATmega128 单片机的工作电压为 4.5～5.5 V，所以还需要电平转换电路作为桥梁，使得在相同的电源供电情况下各个单元电路都能正常工作。

图4为高压无线检测模块的数据流程图，高压无线检测单元进入数据采样周期时，采样单元上电，开始采集电能数据并对数据进行一定的处理，通信设备传输采样单元处理的数据，采样单元进入保持状态，远程监控设备接收通信设备传输的数据。考虑到数据采样模块从开始数据采样到保持过程之间转换会有一定的延迟，这种延迟主要是由于主站发送下一个周期的数据采样指令所引起的延迟造成的，因此用电远程监测设备需要设定一定的延迟，延迟时间等于主站发送指令到采样单元接收到指令的延迟时间。

本文的互感器采用罗可夫斯基型线圈，该线圈的主要特征是：线圈绕制在无磁性的空心材料上，避免了铁磁谐振和磁饱和的问题，它的反应速度也比较快，抗漏电性能优良，可探测的电能数据量程范围大，测试精度精准，应用在对较大电流测量场合。根据电磁感应原理，测量罗可夫斯基线圈可得[7]：

[et=-d?dt=-Mdidt]

式中：[?]表示线圈的磁通量；[M]表示线圈互感系数。

1.3 用户用电远程监测单元

反窃电装置的重要部分是用电远程监控单元，在RS 485的基础上，用电远程监控单元和智能化的电表进行对接，一方面读取电表上的数据，另一方面接收无线检测单元的通信设备发送的采样数据，监控终端对比收集到的两渠道数据，判定窃电行为是否发生。用电远程监控设备的主要特点是数据容量大、判断结果准确度高和数据及时分析发送。

用电远程监控设备的具体功能是：接收高压无线检测模块发送的电能采样数据；在接收到主站对时命令后，能在规定时间内自主采集智能电表上的数据；对采集到的电表数据和接收到的高压电能采样数据能及时判定是否存在窃电行为；具有数据储存的能力；具有抗外界干扰的能力。

单片机、GPRS和ZigBee通信类芯片、时钟芯片和数据储存单元等构成了监测终端。监测终端一方面通过RS 485通信芯片采集智能电表上的电能数据，另一方面通过ZigBee通信协议接收高压无线检测单元发送的高压电能采样数据，然后监测终端对比上述两类数据，若两者数据失配较大，经过第三次确认后将判定结果和接收到的数据发送到主站端，主站再次分析监测终端发送的数据，确认存在窃电行为后发送短信通知电力稽查人员，从而有利于电力检测部门尽早采取措施，阻止窃电行为的发生。

图5是应用于GPRS通信芯片的G24模块与S3C2440型单片机的电路连接原理图。

用电稽查终端一般设置USB通信接口，这样电力稽查人员就能通过USB接口拷贝监测终端的监测数据，有利于电力稽查人员及时做到现场查验，防止错误判断错误操作的发生。

ARM9内置两个USB接口，均支持USB 1.1和USB 2.0的两个通信协议，本文设计的监测终端将这两个USB接口引出，并充分加以应用，如图6所示。

1.4 主站系统

主站系统包括计算机网络、数据库服务器和系统管理软件，其中系统管理软件起到在主站开始运转后各个模块实现其对应功能的作用，另外系统管理软件实时接收用户用电量数据，并将该数据及时保存到数据库中。主站系统主要功能如下：接收用电监测系统发送的异常数据和异常结果；及时发现窃电用户；发送异常或报警信息；通知电力稽查人员处理窃电用户[8]。

2 实例分析

本文通过实例对所研究的嵌入式电量计量采集系统进行分析。针对某用电大户的用电情况，使用用电计量采集系统进行监测，其中一段时间的监测数据曲线如图8所示。

曲线可以看出，该用电用户的用电信息存在异常，即在某一段时间内变压器高压侧与低压侧（二次侧）的数据不能吻合，说明该用电用户存在窃电行为，该用户一般在夜间至凌晨这段时间内变压器高压侧与低压侧的数据不能吻合，而在早上7点至下午6点期间，变压器高压侧与低压侧的数据恢复一致，说明该用电用户为了躲避白天稽查人员的突击检测，主要在夜间进行窃电行为。

有关部门人员通过嵌入式电量计量采集系统监测该用户的用电规律，掌握了其窃电行为的证据，对其进行窃电行为判定。

3 结 论

本文研究了一种基于嵌入式电量计量采集系统，其主要作用如下：

（1） 挽回更高经济损失。传统的检察窃电情况的方式不仅成本高，而且只能发现出一部分窃电行为，性价比过低。而本文研究的防窃电检测装置是自动检测的，大部分的窃电行为都难逃法眼，增加了国家的财政收入。

（2） 震慑窃电用户停止窃电行为。窃电用户之所以敢明目张胆的窃电，主要是因为其窃电行为难以被发现，而随着防窃电检测装置的安装，他们的窃电行为得到了有效的监控，可以促使他们不再窃电，调查结果显示，防窃电装置安装以后，很多窃电用户的用电量都回到了正常的水平。

（3） 提高了防窃电的工作效率。供电公司的工作人员不可能整天守在一个地方来检测这个地区的用电情况，窃电用户正是抓住这个漏洞进行窃电。而供电公司常用的检查方法无非是安排检测人员进行突击检查或者定期检查，可是这些传统的方法是需要很大的人力资源和财力资源作支撑的，更为重要的是这些方法所起到的效果是非常有限的，性价比非常低。而随着防窃电检测装置的安装和使用，对于用户用电信息的监测已经变成了全天候全方位的，一旦用户用电出现异常，检测装置就能够自动的进行检测和辨别，可以及时地发现用户是否存在窃电行为，不但提高了工作效率，挽回了更多的经济损失，而且还降低了监测成本，减轻了工作人员的工作负担。

参考文献

[1] 黄宇.基于嵌入式处理器控制的电量计量系统的研制[D].大连：大连交通大学，2008.

[2] 刘颖颖.基于嵌入式Web服务器的电量采集系统的设计与实现[D].济南：山东大学，2008.

[3] 朱伟.基于以太网的负载电能计量监控系统的设计与研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2009.

[4] 黄宇，郑士富.基于嵌入式处理器控制的电量计量系统的设计[J].科技创新与生产力，2008（12）：63?65.

[5] 郑哲欣.嵌入式电能计量装置运行状态智能分析系统[D].太原：太原理工大学，2009.

[6] 霍尧.基于用电信息采集的智能反窃电系统开发与应用[D].北京：华北电力大学，2014.

[7] 陈腾飞.基于用电信息采集系统的窃电在线稽查装置的开发应用[D].保定：华北电力大学，2013.

[8] 曹英华.用电信息采集系统在智能反窃电工作中的应用[J].通信世界，2015（13）：216?217.