计及环境舒适度的智能用电监控仪设计与研制.DOC

计及环境舒适度的智能用电监控仪设计与研制刘斌，王冕(贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵阳 550002）摘要：针对当前普遍的智能用电终端仅能实现基本的电压、电流、功率、电量的测量，而忽略环境质量对用电行为影响的问题，将数字信号处理技术融入插座，设计并研制了一种新型的智能用电监控仪。该监控仪采用模块化设计，在实现基本电气测量的基础上，增加谐波分析、无线通信、通断控制、数据显示的功能，并考虑用户体感，采集温湿度等数据以检测室内环境舒适度，促进家庭用电的优化。文中首先指出现有智能用电终端在数据检测和信息交互中的不足，然后描述智能用电监控仪的硬件设计方案，并阐述其程序运行流程，所研制样机的测试结果充分验证了该监控仪的有效性。关键词：智能用电监控；谐波检测；无线通信；环境舒适度中图分类号：TM93 文献标识码：B 文章编号：1001-1390（2018）12-0000-00Design and development of intelligent power monitor with considering environmental comfortLiu Bin，, Wang Mian（(Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China）)Abstract：: According to the problem that the current intelligent smart power terminals can only achieve the measurement of basic voltage, current, power and power consumption measurement but ignore the influence of environmental quality on power consuming behavior, a new type of smart power monitor is designed and developed through applying digital signal processing technology is applied into the socket to design and develop a new type of intelligent power monitor. This monitor adopts modularization design. Based on electrical measurement, it adds the function of harmonic analysis, wireless communication, on-off control and data display. Considering the users somatosensory of users, it collects temperature, humidity and other data to detect indoor environmental comfort, which promote promotes the optimization of home electricity use. This paper firstly points out the shortage of current intelligentsmart power terminals in data detection and information interaction. Then, it describes the hardware design scheme of the intelligentsmart power monitor. Its program running process is also elaborated. Test results of the developed prototype validate the effectiveness of this monitor.Keywords：: intelligentsmart power monitor, harmonic detection, wireless communication, environmental comfort0引 言智能电网是一个开放式的能源系统，支持多种类型的分布式能源大规模并网，利用先进的通信技术、传感技术、信息技术实现不同智能电子设备和用户之间网络化的互联1。智能用电作为智能电网的关键环节，实现了电网和用户的灵活双向互动，促进传统电能消费模式的革新2。电网侧通过对用户用电信息的分析整合，充分利用电价、政策等相关机制，引导用户科学用电，实现电力资源配置的最优化，用户则结合电网公司的激励信息及自身的用电需求选择合适的用电方案3-4。在智能电网发展的引领下，已研发出各种针对家用电器的智能式用电终端，用电计算节点从传统的用户侧细分至各个家用电器，并通过智能终端的通信模块完成电器间的组网，使家庭微电网的实现成为可能。针对智能终端在家庭电能管理系统中的应用，不少专家和学者已进行了相关研究。文献5提出一种具备Wifi通信功能的智能用电终端，然而由于WiFi技术功耗大、组网能力低，该终端并不适用于电器较多的情况。文献6将ZigBee技术应用于智能插座，但是该插座以MCU为核心处理器，运算能力并不足以支持谐波等复杂电气量的实时计算，且其不具备数据显示的功能。文献7设计面向HEMS的智能交互终端，实现各电器数据的实时采集和整合分析，然而终端未计及室内环境质量数据，忽视环境舒适度对用户用电行为的影响。由上述可知，现有的大部分智能用电终端仅实现基本的电气测量和无线传输，未能集成诸如谐波检测和数据显示等复杂功能。同时室内温度、湿度等环境质量数据与用户体感舒适度密切相关，从而间接影响用户的用电行为8。为此，本文将数字信号处理技术融入插座，并充分考虑体感舒适度对用电行为的影响，设计并研制一种计及环境舒适度的智能用电监控仪。该监控仪在实现基本电气测量的基础上，集谐波分析、环境检测、无线通信、通断控制、数据显示于一体，可实现智能电网下各家用电器的实时监控及室内环境质量检测。1硬件设计方案智能用电监控仪硬件系统由DSP芯片、ADC芯片、存储芯片、采样单元、供电单元、继电器模块、ZigBee无线通信模块、LCD显示屏、温湿度传感器及TVOC浓度传感器组成，其硬件结构如图1所示。电器经智能用电监控仪后接入配电网进线端；采样模块从火线和零线端采集电压电流数据，经ADC转换后送入DSP芯片执行后续计算；继电器由DSP控制，实现负载的可控通断；存储芯片用于保存关键变量和修正参数；ZigBee模块用于监控仪和入户集中器之间无线通信，实现数据上传及整合；温湿度传感器及TVOC浓度传感器分别采集室内温度、湿度、有机化合物气体浓度，以检测环境质量；液晶显示屏向用户展示检测数据，完善人机交互；供电单元对市电进行电压转换，为用电监控仪的各部分模块提供电能，维持其稳定运行。各电器均搭配一智能用电监控仪，并将同样搭载ZigBee模块的入户集中器安装于配电箱出线处，则集中器与多个用电监控仪之间即可无线组网，实现用电信息和环境数据的整合以及家用电器的监控，从而构建一个家庭电能管理网络。图1 硬件结构框图Fig.1 Hardware structure block diagram1.1核心处理器DSP 考虑到智能用电监控仪不仅需要检测电压电流等基本电气数据，还需进行FFT谐波分析的复杂计算，同时负责处理好环境量传感器与各部分模块之间的协调运行，为满足监控仪所需的数据运算能力和程序存存储容量，本文在核心处理器上采用TI公司生产的32位单精度浮点运算DSP芯片TMS320F28335。TMS320F28335芯片具有体积小、精度高、运算速度快的优点，工作主频高达150 MHz，片上搭载SCI、SPI、I2C串行通信接口及eCAN、ADC等功能模块，能适应各种工业、研发领域中精准控制和实时计算的需求。作为智能用电监控仪的核心处理器，TMS320F28335负责数据处理及协调各模块的稳定运行。DSP与各部分模块的通信连接如图2所示。图2 DSP通信连接示意图Fig.2 Communication link schematic diagram of DSP1.2电气信号测量如图3所示，进线电压利用电阻分压原理进行采样，1 M和1 k的两个PTF65精密电阻串联形成降压比约1/1000的分压电路，电流信号的采集利用欧姆定律，在进线中串联阻值为2.5 m的康铜电阻，将大电流信号转变为小电压信号，采样信号经RC低通滤波电路滤去高频分量后送入运算放大器INA129进行信号调理，提高信噪比。INA129是一款低功耗、高精度的通用仪表放大器，调整引脚1和引脚8之间的电阻RG可实现1至10000任一增益的选择，增益计算公式为G=1+49.4 k/RG，本文选取RG分别等于5.6 k和1 k实现电压信号的10倍放大、电流信号的50倍放大，以适应ADC芯片5 V的信号输入量程。图3 电气信号采样电路Fig.3 Electrical signal sampling circuit采样得到的模拟信号需经ADC转换为数字信号后才可送入DSP芯片进行后续的数据处理，本文选用模数转换芯片AD7606构成ADC电路。该芯片采用逐次逼近型模数转换器的数据采集系统，具有16位无失码性能，转换精度高，广泛应用于电气测量领域。监控仪在硬件设计上将其配置为16位并行输出，输出引脚连接至DSP芯片的16个I/O口。1.3通断控制及无线通信实现通断控制功能的继电器及无线通信功能的ZigBee模块的电路原理如图4所示。为实现按需可控地通断电器，监控仪内置继电器模块HF7520 005-HSTP，该模块最大开断电压及电流为AC 250 V/16 A，额定电压下动作时间小于15 ms，满足迅速开断的要求。继电器串联于火线端，当监控仪的ZigBee模块接收到集中器下达的接通/断开负载的指令后，DSP的一个I/O引脚即向QCTL端输出相应的信号，高电平为接通，低电平为断开，从而自动通断负载。ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其名称源于蜜蜂的八字舞，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，相比于WiFi技术，ZigBee技术的功耗更低、组网能力更强，特别适用于网络节点较多的情况。鉴于此，监控仪对无线通信的实现采用ZigBee模块DRF1605H，实现监控仪与集中器的数据传输及无线组网，两者以主从模式进行通信。DRF1605H可配置多种串口速率，最高可达 115 200 bps，设计上兼顾数据传输的误码率和实时性，将其波特率配置为38 400 bps，并通过串行接口SCIB与DSP进行通信。图4 继电器及ZigBee模块电路Fig.4 Relay and ZigBee module circuit1.4供电单元监控仪上的模块较多，所需电压等级不尽相同，供电单元需提供5 V、3.3 V、1.9 V三种电压。本文在供电单元的设计上采用AC-DC-DC的电压变换方案。如图5所示，选用AC-DC开关电源模块HB05N24-2636将220 V/AC变换为5 V/DC，为信号放大器、ADC芯片、继电器、传感器、LCD显示屏供电，该开关电源模块具有体积小、输出纹波低、稳压精度达1的优点，非常适用于整流变换电路。采用双输出稳压芯片TPS73HD301将开关电源输出的5 V/DC转换为1.9 V/DC和3.3 V/DC，用于维持DSP稳定工作，稳压芯片TPS73633将5 V/DC变换为3.3 V/DC，为存储芯片、ZigBee模块等数字单元供电。图5 供电单元电路Fig.5 Power supply unit circuit1.5环境质量检测及其他功能模块考虑用电行为与室内空气环境质量密切相关，如空调、加湿器等温湿度敏感型负荷及其他气象敏感型负荷的使用基本取决于用户体感舒适度9-10。智能用电监控仪在数据采集上计及环境舒适度的影响，将室内温度、湿度、有机化合物气体浓度数据加入检测。采用温湿度传感器AM2302实现对环境温度和湿度的测量，该传感器内置电容式感湿元件和NTC测温元件，温度测量精度为0.1 ,湿度测量精度为2% RH，AM2302在硬件设计上与DSP采用单引脚数字通信。采用TVOC浓度传感器KQM2801AU用于检测室内空气中氨气、甲醛、一氧化碳等有机化合物气体的浓度，检测范围为0.1 ppm 30.0 ppm，精度0.5 ppm，KQM2801AU与DSP的通信接口为SCIA。监控仪在运行过程中需要实时保存电器用电量，且每次重新上电后都需要进行修正参数及用电量的读取，以保证数据测量的准确性及防止电量数据的断电丢失。结合存储容量考虑，选用储存芯片EEPROM AT24C64，负责用电量及修正参数的保存，存储芯片与DSP的通信接口为I2C。为完善人机交互功能，监控仪搭载2寸的USART串口彩色液晶显示屏，该屏幕分辨率为220176，可根据需要自行配置字库，与DSP的通信方式设计为SCIC。屏幕显示电气量及环境量数据，包括电压、电流、功率、用电量、温度、湿度、TVOC浓度，显示效果如图6所示。图6 液晶屏显示效果Fig.6 Display effects of LCD2程序运行流程智能用电监控仪的程序包括主程序及中断子程序，程序运行流程如图7所示。图7 程序运行流程Fig.7 Program running process2.1主程序主程序运行流程如下：（1）监控仪上电后，首先初始化DSP，包括GPIO口的设定、SCI及I2C等串行接口的配置、定时器的初始化等；（2）DSP读取参数及用电量后，通过电气测量单元采集电压电流数据并进行A/D转换；（3）对采集的电气值进行数据计算，包括电压及电流有效值、功率、用电量，并进行FFT谐波分析，分离出031次谐波各自的含量，计算完成后将用电量数据存入EEPROM；（4）控制温湿度传感器及TVOC浓度传感器采集环境温度、湿度、有机化合物浓度数据；（5）判断数据是否有效，数据正常则予以LCD显示并进入下一循环，否则判定数据读取错误，重新采集数据。2.2中断子程序ZigBee模块接收集中器下达的指令后，触发中断，进入子程序运行。子程序中依照监控仪与集中器约定好的通信协议对指令格式进行判断：（1）若为通断控制，则根据具体指令要求接通/断开电器，实现负载的远程通断控制；（2）若为数据传输指令，则通过ZigBee模块将电气量及环境量数据上传至集中器；（3）若指令格式不符合约定通信协议，则判定指令数据传输出错，监控仪不予响应；（4）相应动作执行完毕后结束子程序，返回主程序继续运行。3样机功能测试本文在软硬件设计的基础上研制了相应的测试样机，用于验证智能用电监控仪的功能，样机实物如图8所示，各主要功能模块已标示于图中。图8 测试样机图Fig.8 Figure of testing prototype测试实验中所用工具及仪器包括智能用电监控仪样机、测试底板、5 V/2 A直流适配器、数字万用电表Fluke 17B+、电测量仪表综合校验装置KS833、YXDSP-XDS100V2仿真器、笔记本电脑，实验场景如图9所示。图9 实验场景Fig.9 Experimental scene3.1测量误差测试本文采用KS833电测量仪表综合校验装置作为标准源，用于验证智能用电监控仪测试样机的电气检测性能，并制作了相应的测试底板，KS833输出的电压及电流信号从测试底板的接线端子进入，样机通过引脚插针连接于测试底板之上，从而形成一个完整的信号检测回路。KS833模拟配电网的进线电压及负载电流，针对电压、电流、负载功率分别测试，依次改变标准源输出的设定值，并将LCD屏幕上的显示值与设定值作比较。同时采用室内标准温湿度测量计TH101B（精度等级温度1 ，湿度5% RH）置于样机温湿度传感器模块处，对比分析其温湿度测量误差。一般情况下非装修环境的室内TVOC浓度一般接近于0 ppm，该点可直接观察LCD显示的TVOC浓度值予以验证。实验测试数据如表1所示。表1 实验测试数据Tab.1 Experimental test data项目设定值/实际值测量值相对误差/%110.000110.4040.367电压/V170.000170.4280.252230.000230.6490.2821.0001.0090.900电流/A5.0005.0410.82010.00010.0870.870220.000221.6290.740功率/W660.000665.9490.9011100.0001109.3930.854温度/21.021.20.952湿度/%54.053.6-0.741 TVOC/ppm00.1由实验结果可知，智能用电监控仪样机对电气量测量的相对误差很小，其中电压误差小于0.5%，电流和功率误差基本保持在1%以内，室内环境的温度、湿度、TVOC浓度的测量值与标准值相差甚小，由此可知，所研制样机的测量精度基本满足要求。3.2无线通信及通断控制测试为测试智能用电监控仪的无线通信和通断控制功能，实验中将一个样机的ZigBee模块配置为主发送模式，另一样机的ZigBee模块配置为从接收模式，程序内部自定义通信协议，主样机向从样机发送指令，从样机收到指令后返回相应数据给主样机。依次改变主样机的发送指令，通过仿真器连接测试底板的JTAG接口，可在电脑端观察两样机内存的接收及发送情况。对于通断控制指令执行成功与否的验证，则通过数字万用表Fluke 17B+测量继电器两端，判断继电器是否已正常接通或断开。实验结果如表2所示，由此可知样机的无线通信及通断控制功能正常实现。表2 无线通信及通断控制测试结果Tab.2 Test results of wireless communication and on-off control主样机发送数据从样机接收数据返回数据*DP=Y（要求返回肯定信号）*DP=Y#P=OK（肯定应答信号）*DP=N（要求返回否定信号）*DP=N#P=NO（否定应答信号）*DP=1（要求接通负载）*DP=1#P=ON（继电器已接通）*DP=0（要求断开负载）*DP=0#P=OF（继电器已断开）*#DP=Y（非协议命令）*#DP=Y（非协议命令，不予响应）4结束语在实现基本电气测量的基础上，将室内空气质量加入检测，设计并研制了一种计及环境舒适度的智能用电监控仪，弥补了传统智能用电终端没有考虑环境对用户用电行为影响的缺陷，是一个集用电监控、无线通信、数据显示、环境检测于一体的多功能智能用电监控仪，测试样机的实验结果表明该监控仪具有较高的检测精度，并能正常实现无线通信和通断控制等复杂功能。各家用电器均通过该智能用电监控仪接入配电网，并结合相应的入户集中器使用，即可实现电器的无线组网，实现用电信息和环境数据的整合分析以及家用电器的监控，进而构建一个计及环境舒适度的家庭电能管理网络。为推广该智能用电监控仪在智能电网中的应用，后续应重点开展智能入户集中器研发与计及环境舒适度的用电优化理论研究。参 考 文 献1 张新昌, 周逢权. 智能电网引领智能家居及能源消费革新J. 电力系统保护与控制, 2014, (5): 59-67.Zhang Xinchang, Zhou Fengquan. Smart grid leads the journey to innovative smart home and energy consumption patterns J. Power System Protection and Control, 2014, (5): 59-67.2 李扬, 王蓓蓓, 李方兴. 灵活互动的智能用电展望与思考J. 电力系统自动化, 2015, (17): 2-9.Li Yang, Wang Beibei, Li Fangxing. Outlook and Thinking of Flexible and Interactive Utilization of Intelligent Power J. Automation of Electric Power Systems, 2015, (17): 2-9.3 蒋心泽, 朱耀明, 夏伟. 电能管理终端在家庭智能用电中的应用J. 电器与能效管理技术, 2014, (21): 65-68.Jiang Xinze, Zhu Yaoming, Xia Wei. Application of the Energy Management Terminal in Smart Grid User Side J. Electrical & Energy Management Technology, 2014, (21): 65-68.4 章鹿华, 王思彤, 易忠林, 等. 面向智能用电的家庭综合能源管理系统的设计与实现J. 电测与仪表, 2010, (9): 35-38.Zhang Luhua, Wang Sitong, Yi Zhonglin, et al. The Design and Implementation of Family Comprehensive Energy Management System Facing the Smart Power J. Electrical Measurement & Instrumentation, 2010, (9): 35-38.5 徐茂鑫, 余涛, 徐豪. 基于DSP的智能用电终端设计与实现J. 电测与仪表, 2017, (9): 24-29.Xu Maoxin, Yu Tao, Xu Hao. Design and implementation of a smart power terminal based on DSP J. Electrical Measurement & Instrumentation, 2017, (9): 24-29.6 徐伟, 姜元建, 王斌. ZigBee技术在智能插座设计中的应用J. 电力系统通信, 2011, (3): 78-81.Xu Wei, Jiang Yuanjian, Wang Bin. The Application of ZigBee Technology in Smart Outlet Design J. Telecommunications for Electric Power System, 2011, (3): 78-81.7 武东升, 李中伟, 孟迪, 等. 家庭智能用电管理系统智能交互终端设计J. 自动化与仪表, 2017, (1): 34-38+42.Wu Dongsheng, Li Zhongwei,