用户侧电力载波电能质量监测管理系统

硕 士 专 业 学 位 论 文用户侧电力载波电能质量监测管理系统专业类别（领域）：电子与通信工程用户侧电力载波电能质量监测管理系统摘要在“物联网”的大背景下，信息技术融入到了各个传统行业当中，以物联网技术下的智能电网为典型应用。目前我国电网监测手段比较落后，功能单一，也不具备集中报表的管理平台，在很多地区还采用传统的人工抄表、人工现场检测的方式监控电网运行，监测工作繁重，效率低下。本文所设计的电能质量监测管理系统采用物联网技术，应用于国内低压电网，实时监控用户侧电力线上的电能质量数据和相关非电数据，并集中发送至云管理平台，实现对电能质量优劣的评估判断功能以及电能异常事件紧急告警功能，对于不同电能质量问题提供针对性的改善建议，有效的保障用电设备的正常运作和生产的持续高效。本文从系统技术难点，用户侧电能质量参数的采集分析判断以及系统各级数据之间的互联互通出发，以设计整套监测管理系统为主线进行研究：1根据项目需求和关键技术设计了系统的三层框架，并就系统整体的硬件框架和用户终端及智能网关的软件框架进行了简要描述；2根据项目功能和性能需求对用户终端、智能网关、电力线载波通信模块这三种设备的软硬件进行了详细的设计；3简要介绍后台设备管理平台架构及部署配置，并给出云平台对网关设备和前端用户界面的接口；4对用户终端、智能网关及电力载波通信模块进行单板功能性能测试，验证系统软硬件可靠性和稳定性，并依托前端用户管理界面完成系统的全功能测试，确认完成了项目设计要求。本文针对国内复杂低压电网环境，设计了一种可靠的用户侧电能质量监测方案，实现了稳定通信和集中式管理，依托开源IOT平台部署了稳定可靠的设备管理平台，为现场设备连接和用户管理前端提供稳定可靠的接口，为其他物联网应用平台的搭建提供了参考意义。关键词：电能质量，电网监测，监测管理系统，电力线载波通信，IOT平台AbstractUnder the background of Internet of things, information technology has been integrated into various traditional industries, and the smart grid under the Internet of Things technology is a typical application. At present, Chinas power grid monitoring methods are relatively backward, with a single function, and do not have a centralized report management platform. In many areas, traditional manual meter reading and manual on-site inspection methods are used to monitor the operation of the power grid. The monitoring work is heavy and inefficient.The power quality monitoring and management system designed in this paper adopts the Internet of things technology and is applied to low-voltage power grids in China to monitor the power quality data and related non-electricity data on the user-side power lines in real time and send them to the cloud management platform to realize the quality of power quality. The evaluation and judgment functions and the emergency alarm function for abnormal electrical energy events provide targeted improvement suggestions for different power quality issues, effectively guaranteeing the normal operation of electrical equipment and the continuous and efficient production.In this paper, starting from the technical difficulties of the system, the acquisition and analysis of the user-side power quality parameters, and the interoperability of data at all levels of the system, the design of the entire monitoring and management system is studied as the main line:1. According to the project requirements and key technologies, the systems three-tier framework was designed, and the hardware framework of the system as a whole and the user terminal and the software framework of the intelligent gateway were briefly described.2. According to the project function and performance requirements, the hardware and software of the user terminal, intelligent gateway, and power line carrier communication module are designed in detail.3. Briefly introduce the background equipment management platform architecture and deployment configuration, and give the cloud platforms interface to the gateway equipment and front-end user interface;4. The user terminal, intelligent gateway and power carrier communication module were tested for board functional performance to verify the reliability and stability of the system software and hardware. The full-function test of the system was completed based on the front-end user management interface, and the project design requirements were confirmed.This paper designs a reliable user-side power quality monitoring scheme for a complex low-voltage power grid environment in China. It implements stable communication and centralized management, and deploys a stable and reliable device management platform based on the open-source IOT platform for field device connection and user management. The front end provides a stable and reliable interface, which provides reference for the construction of other IoT application platforms.Key Words:power quality,grid monitoring, monitoring management system，power line carrier communication, IOT platform目录摘要IAbstractII目录IV第一章 引言11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外研究与发展现状21.3 本文的工作与章节安排3第二章 项目需求与系统方案设计52.1 项目需求52.1.1 功能需求62.1.2 性能需求72.2 系统关键技术72.2.1 电能质量问题的分析及判定82.2.2 通信技术选择102.3 系统设计框架112.3.1 系统硬件整体框架122.3.2 用户终端及智能网关软件框架132.4 本章小结15第三章 系统硬件设计163.1 用户终端硬件设计163.1.1 用户终端硬件结构163.1.2 用户终端硬件模块设计173.2 智能网关硬件设计253.2.1 智能网关硬件结构253.2.2 智能网关硬件模块设计263.3 电力载波通信模块硬件设计293.3.1 电力载波通信模块硬件结构303.3.2 电力载波通信模块设计313.4 本章小结33第四章 系统软件设计354.1 用户终端应用软件设计354.1.1 用户终端整体软件工作流程364.1.2 用户终端软件模块设计374.2 智能网关应用软件设计424.2.1 智能网关整体软件工作流程434.2.2 智能网关软件模块设计444.3 电力载波通信模块软件设计464.3.1 电力载波通信模块软件协议栈474.3.2 电力载波通信模块设计474.4 本章小结50第五章 云平台软件部署515.1 云平台整体架构515.1.1 全局组件配置545.1.2 租户组件配置545.2 系统集成565.2.1 SiteWhere与前端用户管理接口565.2.2 SiteWhere与网关数据接入585.3 本章小结61第六章 测试结果626.1 设备性能指标与测试626.1.1 用户终端/智能网关单板功能性能测试626.1.2 电力载波通信模块通信质量测试656.1.3 用户管理界面介绍686.2 现场测试746.3 本章小结75第七章 总结与展望767.1 全文总结767.2 展望76参考文献78致谢81V第一章 引言1.1 课题研究的背景和意义电能是当今社会最重要的能源形式，它是国家经济增长和科学发展的主要动力，决定了一个国家或地区的发展水平。人们在日常生活、工作、学习等各个方面都离不开电能，国家在生产、通讯等各个领域也都需要电能，随着科学技术水平的迅猛发展以及人们生活水平的不断提高，电能质量状况受到越来越多的电力用户的重视。在电能质量标准方面，我国已经颁布了6个电能质量国标：供电电压允许偏差标准1、电压波动和闪变标准2、公用电网谐波标准3、三相电压不平衡标准4、电力系统频率偏差5、暂时过电压和瞬态过电压标准6。电网中电能质量问题的定义为：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。随着国民经济的快速发展，电力负荷急剧增加，电力环境愈加复杂，产生了一系列电能质量问题，例如电力系统元件非线性问题，非线性负荷的存在，电力系统故障等等。这些问题会严重危害到电力用户和供电部门，主要表现在：影响电器设备的正常工作，导致运行设备的寿命降低；电压、谐波和的不平衡干扰环境的通信状况；导致自动保护装置出现故障，造成区域内不必要的断电，更严重会影响到人身财产安全7。图1-1 电能质量产生原因及造成后果并且根据第十三个五年规划纲要，国家必须大力发展分布式电源并网。当将分布式电源的电力电子装置连接到电网时，大功率电子功率变换器的比例将增加。其结果是造成了前所未有的冲击和污染，造成电网谐波、三相不平衡、电压波动、高压尖峰等问题，严重影响安全稳定生产35。包括半导体制造、金融、通信、医疗、工厂等多个行业，都对电网及电能质量有较高要求，电网的轻微扰动将会造成这些行业的重大损失。所以，为了让电网安全稳定运行，保证行业和终端用户侧放心用电，必须改善管理电网电能质量。而要改善电能质量，基础就是监测电网各项指标，存储记录电网运行的各项参数；而后是对存储的数据进行整理和统计，分析电网中各种电能质量参数，为电能质量污染管理提供可靠依据，对症用药；最后通过技术与经验积累，保证快速、有效的定位解决电能质量问题，保障电网安全稳定运行。综上，对用户侧电网的监测尤其重要。1.2 国内外研究与发展现状目前，许多西方发达国家已经搭建了全国范围内的电能质量监测网络，所使用的电能质量检测装置一般具有智能化和网络化等特征，能够检测、记录和远程传输多个电能质量问题，通过互联网进行数据共享和态势分析。与国内同类型的电能质量检测装置相比，国外产品具有精度高、集成度高、智能化程度高等特点7。比如瑞典联合电力公司开发的 PQ secure在线式电能质量监测分析系统是基于之前所设计的监测设备 UP2210及Unilyzer902/90114。美国的福禄克公司(FLUKE) 所开发研制的Fluke43x系列电能质量分析仪、1760系列三相电能质量记录仪，已经集高精度电能计量、多功能电力测量、电能质量分析、保护与监控、智能逻辑控制、事故记录与分析、数据记录和波形记录等功能于一体。并且像加拿大电力测量公司以及美国EIG等公司的电能质量在线监测的产品有着高达数百种的功能，其精度已达到0.1%级以上10。虽然我国在电能质量监测的研制历史已有20多年，其所具有的功能都已满足各大行业的基本要求，但相对于国外在此方面的研究来说还是缺乏竞争力，无论是在功能还是性能方面都与国外先进水平有着明显的差距。截至目前为止，深圳市普禄科智能检测设备有限公司、深圳领步科技有限公司以及上海宝钢安大电能质量有限公司等从事电能质量监测设备研发厂商的某些产品已达到国际先进水平，如PITE3561便携式三相电能质量分析仪、PITE3580电能质量在线监测仪，其精确度高，实时性高，但这些设备监测功能比较单一，无法将多项电能质量监测参数指标进行综合评估决策，而且通信能力也非常有限，无法实现远程监控和数据共享，更不具备一个专门的数据处理、分析判断、报表打印等功能的软件管理平台10。并且时代的发展对电力网络结构有了新的转变要求，用户侧也在不断提高电能质量需求，加之如今能源消耗和环境污染问题日趋严重，原有的电力系统结构面临着严重的时代冲击。在智能电网的大环境下，电力供求关系也发生了变化，从传统的电力供给侧单方面向用户侧配电结构到如今逐步过渡到基于用户需求侧与电力供给侧两项综合考量进行安全稳定的优质双向用电供求关系37。截至目前为止，为了全面掌控区域各处的电能质量状况，国内普遍地区已建成区域电能质量监测系统，系统大部分面向电能供给侧（供电所、配电所），用于对整个大型区域进行广而泛的电能质量监测，其系统运行稳定、体积大、测量参数量级大12；小部分面向用户侧系统主要用于对用电质量要求非常高的场合进行电能质量的管理，如大型工厂、银行、医院等，其系统精密但价格昂贵；而面向其他中小型工厂、企业及重点单位的电能质量监测手段还比较少，即使存在，也存在着监测参数少（仅有电压、电流、电能等基本参数）、监测功能单一等问题。基于其体积、价格、测量参数以及维护的综合考虑，市面上暂存的电能质量监测系统还不太适用于中小型工厂、企业、重点单位及居民家庭等小型用户侧，无法对中小型工厂内电动设备进行针对性的电能质量监测，更无法保障每家每户的电能质量。面向用户侧的电能质量问题已经变成了近年来人们关注的热点与焦点，因此，建立一种新的体积小、测量参数多、成本低且面向用户侧的电能质量监测管理系统，是广大用户的共同心愿，系统所能提供的各类参数不仅对用户侧有用，也能为供给侧提供数据支撑。对用户侧来说，居民或者工人通过了解自身侧电能质量情况，可以实时掌握工作生活环境的用电状况，这对于保障用电设备和日常生活的正常运转以及工厂生产的持续高效都具有十分重要的意义，提高了用户侧用电的安全性、可靠性、经济性；对供给侧来说，配电所如果掌握某一个区域的电能质量状况，就可以分析区域电网的问题和缺陷，也可以通过数据进行深度挖掘区域的电能潜在问题，从而进行区域化电网管理，让各家各户放心用电。1.3 本文的工作与章节安排基于目前电能质量监测及管理的现状以及未来的发展趋势，本文设计了一种新的面向用户侧的电能质量监测管理系统。系统重点关注小型用户侧（以中小型工厂为例）电网的电能质量监测与管理，基于ARM平台，由三相电能智能监测终端（用户终端）、智能网关和云服务器这三个部分构成，对工厂内各大电动设备进行集中式电能质量监测管理，从而保障用电设备的正常工作和日常生活的正常运转以及工厂生产的持续高效。 本文共分为七章，组织架构如下：第一章引言，主要说明本文的研究背景和意义，国内外的研究现状，并简要介绍了所需的用户侧电能质量监测管理系统，接着对本文的研究内容进行概述。第二章项目需求和系统方案设计，首先分析用户侧可采集到的各类电能质量参数的意义，对电能质量进行优劣评估；然后选择合适的通信方式，针对现场环境提出解决方案。在此基础上完成系统的整体框架设计，并简要叙述软硬件构建框架。第三章系统硬件设计，分别详细介绍用户终端、智能网关、电力载波模块的硬件设计方案，描述了关键电路设计，并对关键三相四线电能参数采集电路的设计进行了详尽的阐述。第四章设备软件设计，阐明用户终端、智能网关、电力载波通信模块的软件框架，详细说明系统关键任务工作流程和各模块的软件设计。第五章云平台部署，基于开源物联网管理平台，部署了整个设备管理后台，为前端用户管理接口和现场设备提供对应接口集成系统，使系统成为一个完整的有机体。第六章系统总体测试，首先对用户终端、智能网关进行单板功能性能测试，确认单板设备功能完整；而后对电力载波模块进行误码率测试，确认载波模块硬件功能和性能达到设计要求；最后针对系统最终验收要求，介绍了前台管理界面的功能使用方法，确认系统完成了全部设计要求。第七章总结与展望，首先对本文所做的工作进行了总结，依据单板在设计系统中的运行状况及在现场的应用情况，分析了整个系统的不足，并对今后的研究工作进行了展望。第二章 项目需求与系统方案设计本章主要详细介绍项目需求，结合理论研究以及引用相关文献结论，分析项目技术可行性；其次，介绍了系统的两大关键技术；最后针对项目要求和项目中的技术难点设计了系统的整体框架，并就硬件及软件框架进行了简要描述。此部分的整体介绍为后文的详细设计打下夯实基础。2.1 项目需求本系统用于实现对中小型工厂现有电网进行电能质量的在线监测与管理。用户终端设备提供大功率电动机的三相电能参数监测、线缆温度监测、心跳监测、设备定位等功能的底层软硬件支持；智能网关设备完成下属所有终端设备整体数据的汇总、处理、打包、上传功能并完成云服务器数据指令的下达功能；云平台具备账户、工单、事件、设备、数据的管理以及电能质量优劣评估和提供改善建议等功能模块，实现对工厂内大功率电动设备的智能化监测管理。系统采用三相采集终端 智能网关 云管理平台的三级架构，其中三相采集终端为电能质量监测系统的核心部分，下文简称为用户终端，如图2-1所示：图2-1 系统需求示意图2.1.1 功能需求l 本系统可对工厂大功率电动机进行电能质量和线缆温度监测，为电力线健康安全监测提供技术支撑；结合物联网、互联网、云计算等技术平台，为用户侧及供给侧提供精准服务；l 本系统可监测电动设备更多的三相电能质量参数，其中包括三相电压、三相电流、谐波分量、线路频率、闪变、漏电流、RMS功率因数、功率、电能等参数，并能根据各类参数执行相应算法处理准确判定电能质量优劣以及设备用电情况；l 本系统可根据最新的数据（心跳包、电能数据和非电能数据）以及各种状态的标志位来判断是否有异常事件产生需要存储并上报，这些事件包括三相电压不平衡事件、频率偏差事件、谐波超标事件、电压偏差越限事件、电压波动和闪变越限事件以及超温报警事件、通信故障事件等；l 本系统可即插即用，在需要进行电能质量监测的电动设备的三相进线表箱内接入用户终端即可运行，系统的智能网关放置在工厂台区作为用户侧终端设备的根节点，理论上一个网关下可以接入不限量的终端，但实际通信条件的限制会大大降低终端的接入量，具体网络容量要视现场情况而定；l 本系统具备账户、工单、事件、设备、数据的管理以及电能质量优劣评估和提供改善建议等功能模块，针对工厂每一电动设备都可实现线缆温度监测、电能质量监测、电能质量评估、提供电能质量改善建议、设备定位等功能。用户可通过对应系统开发的云平台或者手机APP就可以查询到实时的工厂电动设备用电量、电能质量各类参数以及电能质量的优劣。l 尺寸要求表2-1 设备尺寸要求2.1.2 性能需求系统设备性能要求需要符合如下所述的输入特性、工作温度、工作电源、主机功耗，并对用户终端提出对应参量的精度要求。（1）输入特性 电压测量范围：80265V电流测量范围：070A 谐波测量范围：2 63次基波线路频率测量范围：4566Hz线缆温度测量范围：0+100电力载波通信距离：50m（2）精度 电参量测量部分： 电压：2% 电流、功率：2% 基波电压允许误差：0.5F.S. 基波电流允许误差：1F.S.基波电压/电流之间的相位差的测量误差：0.2频率：2%有功功率：2%无功功率：2%线缆温度允许误差：2F.S.谐波有功/无功功率测量误差：2F.S.非电参量测量部分：线缆温度：1%（3）工作温度：10+40 （4）工作电源：AC220V、频率 45Hz55Hz （5）主机功耗：1W2.2 系统关键技术如上节所述，系统是用于监测工厂中大功率电动设备的电能质量，需求中包括精度在内的大多数参量利用现有技术都可实现，系统核心难点在于实现用户终端电能质量参数的采集与分析判定以及系统各级设备数据之间的互联互通。2.2.1 电能质量问题的分析及判定电能质量问题会在性能指标上对电器设备造成严重的影响，比如像三相电压不平衡、电压与频率的偏差、闪变以及谐波这些参数会使工厂中的异步电动机发热，从而影响生产出的产品的质量；像电压的波动和闪变参数会使电机不正常转动，发出噪声；像谐波参数就会增加网损，影响通信质量，并使变压器以及电缆等设备发烫；像三相电压不平衡参数会造成电机震动，影响继电保护装置。因此，改善电网的电能质量对于正常生产和生活具有重要意义，当整个电力系统一直处在正常运行状态时，工厂生产的产品质量会提高，生产效率会提高，国民经济的总体效益也会跟着提高，更重要的是人类的生活质量也得以提高，稳定可靠的电网能时刻保障个人的人身财产安全。针对现有的用户侧电能质量管理模块的电能测量参数，借鉴国家电网采集标准，了解到用户电力线上可以采集的三相的电能参数如下表2-2：表2-2 用户侧三相电能参数具体如何采集这些电能参数在3.1节有详细介绍，下面介绍如何通过采集的三相电能参数，参照电能质量国标，反应电能质量的优劣：（1）电压偏差：电压偏差是指实际电压偏离额定电压的百分比，造成用电设备电压偏离额定电压的主要原因是无功功率传输。无论是用电负载的变化还是电网运行方式的变化都会给实际电压带来偏差，电压偏差越大，电能质量越差。对于20kV及以下的三相供电电压偏差规定为标准电压220V的7%1;通过采集出来的三相电压UaUbUc与标准供电电压220V进行对比计算求出电压偏差绝对值DaDbDc，可设置电压偏差对电能质量的影响权重为P1，则电压偏差的电能质量因数为P1*（max（Da，Db，Dc）-7%）。（2）电压波动和闪变：电压波动是指电压幅值不超过0.9 1.1V的有规律的波动或随机波动，闪变是指灯光照度不稳定造成的视感，造成电压波动的原因是系统发生短路故障、系统设备自动投切时产生操作波的影响、系统遭受雷击等原因或者用电设备是冲击负荷或波动负荷2；通过采集出来的三相电压波动数据FaFbFc，可设置电压偏差对电能质量的影响权重为P2，则电压波动和闪变的电能质量因数为P2*（max（Fa，Fb，Fc）-1.1）。（3）谐波：谐波是指傅里叶级数分解周期性的非正弦电量，得到的一系列大于电网基波频率1整倍的分量，谐波的产生降低了电网的供电可靠性，主要影响正常的通讯系统，严重时会发生恶性事故3；通过采集出来的谐波分量的有效值V，可设置电压偏差对电能质量的影响权重为P3，则谐波的电能质量因数为P3*V。（4）三相电压不平衡：三相电压不平衡是指电力系统中的三相电流或三相电压幅值幅值差超过规定的范围，造成三相电压不平衡的原因有电网中各次谐波的存在、大容量非对称电荷的接入以及系统故障等4，正常运行时三相电压的不平衡可以存在，但负序电压不平衡度小于2%，短时小于4%17；通过采集出来的三相电压和三相电流数据进行计算求出电压和电流不平衡度为KUabKUbcKUac以及KIabKIbcKIac，可设置电压偏差对电能质量的影响权重为P4，则三相电压不平衡的电能质量因数为P4*（max（KUab，KUbc，KUac）-4%）+（max（KIab，KIbc，KIac）-4%）。（5）频率偏差：频率偏差是指系统正常工作时的系统频率实际值与标称值之差，正常频率偏差值的范围为0.2Hz，当系统内负载较少时，频率偏差值的范围可达0.5Hz5；通过采集出来的线路频率与国家电压频率50Hz进行计算求出频率偏差绝对值FD，可设置频率偏差对电能质量的影响权重为P5，则频率偏差的电能质量因数为P5*（FD-0.5）。综上：用户侧电能质量优劣的综合评估的公式为： (式2.1)根据实际用户侧电能情况调节各项指标的影响权重P1P2P3P4P5，以及电能质量评估的阈值，通过Q与阈值参数对比，可判定电能质量优劣。表2-3 电能质量评估等级划分电能质量阈值判定电能质量评估等级Q优Q良Q中Q极差对于所能测量的RMS电压功率因数、RMS电流功率因数、有功功率、视在功率、有功电能、视在电能等参数虽然不能直接反应电能质量情况，但却能反应电动设备用电情况，实时掌握某一设备当日用电量和功率，并根据当日电价可以做到合理用电、节约用电。2.2.2 通信技术选择由于系统需部署在工厂内，而工厂环境复杂，如何选择通信方式需要综合考量施工难度、可维护性和通信可靠性。一般说来，目前所应用的各种短距离通信技术都有各自的特点，有各自适合的应用场合，更有着各自对传输速率、数据量、功耗的特殊要求。下面将对目前应用比较广泛的短距离通信方式进行分析对比，并结合工厂通信环境特殊性，选择合适的通信技术。近几年通讯技术在不断进步，目前各类信息采集系统已形成有线和无线通讯共同快速发展的模式，不同的通信技术，根据各自通信的特点分别在不同的应用场景中得到了广泛应用。主要有 RS485 方式、电力线载波通信方式、短距离无线方式（zigbee、433M、wifi、蓝牙、微功率无线）、远程无线方式（GPRS、3G）等，各种通讯方式均有各自特定的应用环境，具体选择中要充分考虑应用场景和未来的扩展需求。RS485一般采用两线制接线方式，相称总线拓朴结构，一般传输距离在 12km 以下，若通信节点之间距离超过2km则中间需加中继才能防止信号丢失，是目前使用最多的一种总线式采集方式。前期需要施工布线，但后期维护比较简单，相对经济实用。电力线载波通信PLC，是英文 Power line Communication 的简称。它是利用已存在的电力线，通过载波方式将数字信号调制耦合到电力线上进行高速传输的技术。由于传输介质为现存的坚固可靠的电力线，因此不需要额外的布线开销，但是该通信方式与电网环境关系密切，其调试难度较大，开发费用高。短距离无线方式是基于免费的频段，一般传输距离不超过 1km，不需要第三方支持，开发难度适中，但是通讯可靠性一般，容易受到物体阻挡及其他无线干扰，其应用范围受到了大大的限制，对安装环境有要求，在实际应用中无法得到大面积的推广，只能在特定环境下使用或者与其他通讯方式相结合使用。GPRS远程无线方式以移动或联通的现有网络为基础，通过 TCP/IP 或 UDP 协议，将数据发送到固定 IP 中。优点是但网络覆盖面全，基本非偏远地区都能正常的进行通讯，缺点是对安装环境有要求，如果网络不稳定将导致通讯不正常，且后期维护需要给运营商相关费用不适合大批量密集布置。各通信方式的对比如下表2-4：表2-4 各通信方式对比鉴于成熟工厂重新施工布线难度较高，对于工厂应用范围大且分散的大型电动设备，施工布线将成为系统实施的最大障碍，故无法采用485方式；而GPRS对于厂区这种高密度大量部署环境后期运营成本相对较高；故考虑使用电力线载波或短距离无线技术通信方式。而由于短距离无线通信受物体遮挡影响，信号衰减严重，天线的安装位置需要现场测试，设备变换位置后严重影响通讯效果。综上，采用电力线载波通信方式进行系统组网，其优点为施工难度较低、维护方便，减少了施工布线的人工及材料投入，减了对线路排查的工作量及难度。针对电力线载波链路不稳定，干扰严重等问题，为降低系统丢包率，提出硬件和软件两个层面的解决办法。在硬件层面，测试调研多家公司载波通信芯片，包括青岛东软、青岛鼎、ST、ECHELON、Maxim、福星晓程等公司。经过测试ST公司的窄带载波芯片ST7580在所有测试芯片中效果最好，故选择ST7580作为载波Modem芯片。软件层面采用多跳传输方案，在多跳网络中，当系统某一用户终端无法直接将数据发送至网关时，可由其他用户终端完成数据包的转发，保证系统的鲁棒性。2.3 系统设计框架如下图2-2所示，系统采用用户终端 智能网关 云管理平台的三级架构设计。其中，用户终端作为整个系统的核心电能采集部分，安装在工厂大型电动设备的三相线进线旁，多点监测并采集电动设备的电能参数以及线缆温度等非电能参数，并对电能质量参数做分析处理，综合评估监测设备的电能质量，达到电能质量异常事件告警并及时上报的目的；智能网关作为台区下所有用户侧终端设备的根节点，汇聚来自终端各项参数，打包发送至云管理平台，并能第一时间响应用户终端异常事件告警信号，准确判断故障点位置和事件类型；云平台实现终端电能质量数据的显示、存储、分析、管理以及针对告警事件提供合理化建议，为用户侧以及供配电侧的决策和服务提供数据支撑。图2-2 系统框架2.3.1 系统硬件整体框架设备硬件由用户终端、智能网关、电力载波通信模块构成。不同的用户终端挂载于工厂不同的电动设备的三相进线处，终端结构包含三相四线电能监测模块和三相四线温度监测模块并能通过三相载波模块将数据上传；而网关包含三相载波模块可与台区下所有用户终端通信，同时包含GPRS/3G/以太网接口能将台区所有数据上报到公网。图2-3 设备硬件整体框架2.3.2 用户终端及智能网关软件框架用户终端、智能网关软件都是由三个独立的部分组成：应用程序，实时操作系统以及硬件驱动。FreeROTS是一个实时的、抢占式的、多线程的开源操作系统，应用程序和硬件驱动都基于FreeRTOS开发。应用程序主要管理设备工作逻辑，而硬件驱动则完成对底层物理硬件的调用。对于用户终端，其软件框架组成如下图2-4：（1）应用程序：实现所有电能和非电能参数的在线测量、对电能质量优劣分析及判定、告警事件和测量事件的管理、基于文件系统的数据存储与读取以及通信管理等功能。此部分是用户终端软件设计的重点，本文第四章主要描述的就是应用程序的设计逻辑和相关任务的实现逻辑。（2）操作系统：FreeRTOS可以分解为三个主要部分：任务，通讯和硬件接口。FreeRTOS完成了所有有关创建、调度和维护任务的繁重工作，任务和中断之间使用消息队列互相发送数据，并且使用信号量和互斥量来发送临界资源的使用情况。有少量的FreeRTOS的核心代码，作为屏蔽底层硬件驱动的垫片角色，提供统一的接口给应用层用户设计，使应用层无需关心底层设计，支持多种硬件架构部分。（3）硬件驱动：实现对三相电能测量芯片，温度测量模块，电力载波通信模块，红外通信接口，SPI Flash等多种外设的驱动。应用程序只需调用对应的驱动接口而无需关心底层硬件，完成所需的功能操作。图2-4 用户终端设备软件整体框架对于智能网关，其软件框架组成如下图2-5：（1）应用程序：实现终端数据的汇总和打包处理、参数配置、通信管理等功能。此部分是网关软件设计的重点，本文第四章主要描述的就是应用程序的设计逻辑和相关任务的实现逻辑。（2）操作系统：与用户终端相同。（3）硬件驱动：实现对GPRS/3G模块，以太网模块，电力载波模块，红外通信接口，SPI Flash等多种外设的驱动。应用程序只需调用对应的驱动接口而无需关心底层硬件，完成所需的功能操作。图2-5 智能网关设备软件整体框架2.4 本章小结本章主要从项目需求出发，指明了项目的功能和性能要求。在此基础上确认项目核心难点在于实现用户终端电能质量参数的采集与分析判定以及系统各级设备数据之间的互联互通。通过分析影响电能质量的相关参数和电能质量问题造成的影响，做出了基本的电能质量优劣的评估算法，通过分析不同的信息采集通信技术优缺点选择了符合项目实际需求的电力线载波通信方式。最后给出了系统的整体硬件框架以及用户终端和智能网关的软件框架，指导项目下一步细节设计。第三章 系统硬件设计本章分别从用户终端、智能网关以及电力载波通信模块三个部分来详细介绍硬件设计及其功能。由于本系统为实际工程应用，应用于工厂电力线这种走线特殊的环境，会对电力线通信的可靠性要求较高，施工安装的难度会给设备的设计带来局限，所以设计方案既要能保证稳定的电力线通信又要能保证合理的设备结构。3.1 用户终端硬件设计本节首先简要介绍用户终端硬件的结构，其次详细介绍用户终端中每个组成模块分别如何设计及其详细功能。3.1.1 用户终端硬件结构如图3-1所示用户终端设备由电源管理模块、微控制单元（MCU）、三相电力线电能采集模块、电力线载波通信模块和温度等非电能参数采集模块以及红外通信、flash、LCD屏等外设模块组成。图3-1 用户终端硬件结构框图电源管理模块将220V交流转为12V、5V、3.3V三种模块工作需要的直流电压；三相电力线电能采集模块可以测得用户电力线上各类电能质量参数，在MCU中做电能质量的分析评估，在LCD屏上实时显示电能质量参数和评估结果，并通过电力线载波通信将电能质量原始参数及电能质量优劣评估结果上传；与此同时，红外通信实现用户终端与手持设备的人机交互，进行指令和参数的配置；温度等非电能参数采集模块采集到的电线线缆温度以及环境温湿度信号经处理后也通过电力线载波模块上传。3.1.2 用户终端硬件模块设计下面分别从用户终端的电源管理模块、微控制单元、电力线载波模块、三相电力线电能采集模块、温度等非电能参数采集模块以及红外通信、flash、LCD等外设模块进行详细介绍。一、电源管理模块首先介绍用户终端的电源管理模块，电源管理模块主要由AC-DC模块LS05、线性稳压芯片AMS1117-5.0、AMS1117-3.3组成。LS05的特点：（1）宽输入电压：85264VAC/100400VDC；（2）具有过压、过流保护和短路保护功能；（3）高效率，3000VAC 高安全隔离；（4）超小体积，工业级设计；（5）通过IEC60950,UL60950,EN60950认证。AMS1117-5.0的特点：（1）提供正向低压降电压输出；（2）输入电压最大18V，最小6.2V；（3）输出电压5V，输出电流高达1A；（4）输出电压精度为正负1%（25摄氏度）；（5）温度范围：-40125。AMS1117-3.3的特点：（1）提供正向低压降电压输出；（2）输入电压最大12V，最小4.75V；（3）输出电压3.3V，输出电流高达1A；（4）输出电压精度为正负1%（25摄氏度）；（5）温度范围：-65150。电源管理模块电路图如图3-2所示，220V三相交流电经过电解电容耦合后输入到LS05中，输出12V直流电压，电路中使用保险丝（T1A250V）来保证电路稳定安全；然后12V直流电压通过5VLDO，输出5V直流电压，以提供串口屏等外设模块工作，通过3.3VLDO，输出3.3V直流电压，以提供MCU以及其他各外设模块工作。图3-2 用户终端电源管理部分电路二、微控制单元微控制单元模块使用ST公司的STM32F103RC芯片，LQFP64的封装，采用ARM 32位Cortex M3内核，主要特点有：（1）具备单周期乘法运算和硬件除法运算功能；（2）具有312位、1的A / D转换器（最多21通道）；（3）包含多达13个通信接口，5个串口，2个I2C接口，3个SPI接口以及1个CAN总线接口，1个USB2.0全速接口和1个SDIO接口。用户终端MCU部分原理图如图3-3所示，MCU引出多个通信接口，与各类采集模块进行通信。图3-3 MCU部分电路MCU具体IO分配如表3-1，其中SPI1用于三相电力线电能采集（与电能采集芯片通信），SPI2用于读写外部Flash，USART1用于将采集的电能参数和电能质量评估数据上传（与电力载波通信模块通信），USART2用于与手持设备进行交互的红外管通信，USART4用于用户终端的LCD屏幕显示，USART5作为调试接口用于打印调试信息，四路通道ADC用于采集三相四线的温度数据，其他的普通IO外设用于开关和LED以及预留接口。 表3-1 用户终端、智能网关部分主MCU相关引脚分配表三、电力线载波通信模块如图3-4，电力载波通信模块采用意法半导体的ST7580芯片，本章第三节会详细介绍，其在用户终端、智能网关电路上均采用三相电力线载波通信，在每一相火线上都利用一个0.15uF的安规电容连接到其电力载波通信输入输出引脚上，相当于将三路发送/接收信号耦合到同一个通信端口，以达到工厂场景中通信要求。此处三相电力线载波通信模块为串口透传模式，所以引出串口TXD、RXD引脚。用户终端MCU采集到电能质量参数之后，通过串口将电力数据发送到电力载波通信模块以完成数据上传。图3-4 载波通信接口电路四、三相电力线电能采集模块三相电力线电能采集模块采用ANALOG DEVICES的集成谐波监控多相多功能电能计量芯片ADE7880，其主要特点如下：（1）高精度，支持IEC 62053-23、EN 50470-3、ANSI C12.20和IEEE1459标准，并且支持IEC 61000-4-7 I类和II类精度规格；（2）兼容三相三线或三相四线(三角形或Y形)及其它三相配置；（3）可测量零线电流上2.8 kHz通带范围内所有谐波的RMS和谐波失真；（4）TA = 25C时，在2000:1的动态范围内谐波电流和电压有效值、谐波有功和无功功率的误差小于1%。此芯片可采集三相电压、三相电流、谐波分量、线路频率、电压闪变、漏电流、RMS电压功率因数、RMS电流功率因数、有功功率、视在功率、有功电能、视在电能等参数，较其他采集芯片相比，参数更多，精度更高。在用户终端电能采集电路设计中，在ADE7880芯片前级采用电压/电流互感器电路+采集电路。芯片前端所设计的电压互感器采用线圈比为1：1的电流式电压互感器DL-PT202D，电路如图3-5所示，220V三相交流信号从互感器输入后，经R2、R5、R7（110k 0.1%）限流，使得初级线圈内电流为2mA；次级线圈接R4、R6、R8(10R 0.1%)采样电阻，输出20mV电压信号（VAP_IN、VBP_IN、VCP_IN），电压按比缩小了1100倍，对于零线N本身对大地的电压不为0（取决于负载），所以直接经R9（110k 0.1