基于LoRa技术的智能电表安全状态透明化监控系统设计_彭迪栎.pdf

，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期作者简介：彭迪栎（），男，本科，高级工程师，研究方向为电力通信专业管理及光传输；董武（），男，本科，高级工程师，研究方向为电力通信专业管理及光传输；蔡诚（），男，本科，高级工程师，研究方向为电力通信专业管理及光传输。文章编号：（）基于 技术的智能电表安全状态透明化监控系统设计彭迪栎，董武，蔡诚（贵州电网有限责任公司电力调度控制中心，贵州，贵阳 ）摘要：针对电表监控系统的电表安全等级不明确，通信成功率较低的问题，设计一种基于 技术的智能电表安全状态透明化监控系统。设计主控制器与芯片引脚，协调控制智能电表其他组件。根据电表运行信息，获取智能电表计量参数。基于 技术诊断电表运行状态，划分智能电表安全等级，计算智能电表加速寿命设置监控模式，划分软件功能模块，实现智能电表安全状态透明化监控。实验结果：在不同的通信距离下，设计的智能电表安全状态透明化监控系统的通信成功率更高，可以满足智能化抄表的工作需要。关键词：技术；智能电表；安全状态；监控系统中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；引言电力通信方式敷设成本低，但也容易受到外界信号的干扰，影响电表运行的安全。从 世纪 年代开始，美国就采用远程抄表的方式进行电力管理，主要是在电表中安装相应的微处理芯片进行电能的采集和存储。此外，美国等一些发达国家还为固定区域抄表配备了无线收发机。我国对自动抄表的研究起步较晚，但在电网上下通道的数据传输水平上取得了长足的进步。文献 应用 技术保障数据安全传输，设计了一种电源监控系统的拓扑结构，实现现场层数模拟与实时监控的目标。文献 根据计量芯片采集电网电压，结合人机交互页面特征，完成电能测控系统设计。但是以往研究方法存在电表安全等级不明确，通信成功率较低的问题，对此，本文提出基于 技术（远距离无线电，）的智能电表安全状态透明化监控系统设计。是一种基于线性扩频调制的新型扩频调制方案，具有为无线设备提供网络覆盖的功能，由于该技术具有传输距离远、电池寿命长、能耗低等优点，可以应用在智能电表安全状态判断方面。智能电表安全状态透明化监控系统硬件设计与普通电表相比，智能电表具有更高性能的集成电路，能够更准确地测量和控制智能电表的安全状态。智能电表安全状态透明监控系统的硬件设计需要同时满足远程通信和电表远程测控的运行要求。监控系统的硬件主要包括电源电路、继电器驱动电路、通信电路等模块，如图所示。根据图可知，主控制器是智能电表监控系统的关键组件，主控制器主要负责智能电表其他配件的控制与协调工 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期图系统硬件框架图作。硬件中的通信模块主要负责为系统提供相应的通信通道，并在系统的采集终端与用电模块之间建立起相应的联系。集中器主要负责连接智能电表与 网络，能够在多个电表中及时传递信息。集中器可以有效处理上行数据包与下行数据包的错误信息，并将采集到的数据信息准确传送到用电管理终端。用电管理模块主要为智能电表监控系统提供历史事件的数据记录与存储备份等功能。除了上述硬件配置外，还包括与外围一起收发电路的电表芯片，芯片结构如图所示。图电表芯片结构图图中，电表芯片包括 个引脚零件，主要包括信号接收端口、外部晶振接口以及射频信号发射端口，完成智能电表监控系统硬件设计。智能电表安全状态透明化监控系统软件设计 获取智能电表计量参数智能电表需要实时采集并反馈电表的安全状态，因此，电表软件中的网关节点和服务站点应具有移植性强、功耗低的特点。在智能电表安全状态透明化监测系统中，电能计量参数是系统软件的重要数据基础，主要包括电能有效值、功率和电能。电能有效值的计算式如下：（）其中，表示电能有效值，表示信号采集所需的时间，表示同等功率下直流量，表示电网运行的交流信号幅度。当基频数值为 时，式（）则转换为（）（）其中，表示电能有效值，表示输出信号的低通滤波，表示同等功率下直流量。在不同的电流通道内，提取电表过零信号信息。智能电表的电压表达式为 （）（）其中，表示智能电表的电压，表示智能电表的电压有效值，表示监控系统的角频率，表示信号采集所需的时间。智能电表的电流表达式为 （）（）其中，表示智能电表的电流，表示智能电表的电流有效值，表示监控系统的角频率，表示信号采集所需的时间。根据式（）与式（），得出智能电表的瞬时功率计算式，如下：（）（）（）（）（）（）（）其中，表示智能电表的瞬时功率，表示智能电表的电压，表示智能电表的电压有效值，表示监控系统的角频率，表示信号采集所需的时间，表示智能电表的电流，表示智能电表的电流有效值。则电能的表达式如下：（）（）（）（）其中，表示智能电表的电能，表示智能电表的采样周期，表示电表 的 离 散 时 间 采 样 数 量，表 示 智 能 电 表 的 瞬 时功率。基于上述计算，完成获取智能电表的计量参数，为诊断电表安全状态提供数据支持。基于 技术诊断电表运行状态利用 技术对仪表的工作状态进行诊断，设计了系统软件。智能电表的运行状态诊断是监控系统的主要功能。在电网运行过程中，一旦部分功率元件发生故障，系统会及时向终端发送故障信息并进行预警。仪表的运行状态分为正常等级、注意等级、检查等级和紧急等级，故障风险等级依次增大。智能电表的安全状态诊断流程如图所示。图安全状态诊断图图中，智能电表的运行状态指标与各种电源参数有关，包括线路温度、漏电流等因素。结合 技术和功率参数标准值，判断智能电表的运行状态是安全的。一旦线路温度过高或出现三次电压故障，将直接停止运行。如果智能电表的各项指标都在安全范围内，则继续操作。智能电表的安全指数计算式如下：（）（）（）（）（）（）（），研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期其中，表示智能电表中的输入指标，表示标准区间的上限值，表示标准区间的下限值，表示运行区间的斜率，表示区间内的拐点。通过系统中硬件部分的集中器，得出安全状态指标，利用 技术完成电表安全状态诊断。计算智能电表加速寿命设置监控模式智能电表安全状态透明化监测系统需要满足电表的多参数测量功能、存储功能、时间校准功能和通信功能。根据系统需求，对系统功能模块进行了划分。其中，多个参数包括耗电量、速率、瞬时量等参数；存储功能包括电网运行状态的事件记录和停电保护数据；时间校准功能是指电网故障事件的附加标签；通信功能主要是保证通信节点和通信接口的有功功率和脉冲输出，其伪代码为 （：）设计存储单元？：判断是否启动监控程序 （：，启动条件 ：，：）查看参数是否符合规定长度 （：，查看输入参数是否匹配 ：，：）查看参数是否超过正常标准 （：，如果符合要求，校准功能启动 ：，：）（：，：，：）根据监控系统的软件功能要求，计算智能电表的加速寿命，设置系统的监控模式。设定智能电表的湿度和电压等变量的数值都符合安全运行标准，则加速寿命因子的表达式如下：（）其中，表示智能电表运行加速时间，表示智能电表零件产品的退化量，表示任意大于的常数，表示玻尔兹曼参数，表示激活电表运行的能量，表示电表工作时的热力学温度。由式（）得出，智能电表的寿命特征与热力学温度之间的关系如下：（）其中，表示智能电表零件产品的退化量，表示任意大于的常数，表示玻尔兹曼参数，表示激活电表运行的能量，表示电表工作时的热力学温度，表示智能电表的寿命特征。则智能电表的加速寿命表达式为 （）（）其中，表示智能电表的加速寿命，表示加速寿命因子，表示玻尔兹曼参数，表示激活电表运行的能量，表示智能电表正常运行状态下的热力学温度，表示工作条件下的热力学温度。根据加速寿命的计算结果，对整个系统软件中的智能电表通信协议、路径探测以及抄表流程进行规划与设计，合理有效地设置监控模式，完成系统软件设计，实现基于 技术的智能电表监控系统稳定运行。实验研究 获取智能电表通信指标为了测试此次设计的智能电表安全状态透明化监控系统的性能，进行系统通信成功率测试。将实验设置在 的实时电流条件下，搭建实验环境并获取智能电表的通信指标。搭建实验环境如下。实验环境的硬件配置、软件配置与网络运行环境如表所示。利用上述实验环境与配置参数，获取 （：）中某智能电表流行数据集，形成室内通信指标与户外通信指标，如表、表所示。表实验环境实验环境应用服务器数据库服务器客户端硬件参数 ：软件参数 ：网络运行环境 利用搭建的实验环境与通信指标，进行智能电表安全状态透明化监控系统的通信成功率测试，并得出测试结果。智能电表安全状态透明化监控系统通信成功率测试实验选取种现有监控系统和（文献 方法和文献 方法）与此次设计的监控系统进行实验对比，在集中器模块接入 短棒天线，分别在不同的通信距离下进行通信成功率测试，通信成功率的主要影响因素为通信距离、线路电流、电缆温度。因为通信成功率属于信道范畴，取决于通信设备的物理特性、发射接收环境和通信距离。通信距离带来了无线电传播衰减。设通信成功率为，则通信成功率的公式为 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期表室内通信指标节点编号线路电流电缆温度节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 （）（）（）（）其中，通信距离为，电缆温度为，线路电流为，单次表户外通信指标节点编号线路电流电缆温度节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 成功接收通信信息的概率为。根据表，线路电流和电缆温度为固定值，则以通信距离作为唯一变量。测试结果如图所示。（）通信距离 （）通信距离 （）通信距离 （）通信距离 图通信成功率测试结果根据图可以得出种监控系统的通信成功率均值，设计系统 比 其 他 种 监 控 系 统 的 通 信 成 功 率 分 别 高 出 、。因为 技术基于线性扩频调制方案，能够为无线设备提供远距离网络覆盖，具有更高性能的集成电路，能够更准确地测量和控制智能电表的安全状况，因此通信成功率更高。智能电表安全状态透明化监控系统时间复杂度测试时间复杂度越高，系统运行效率越低，通信时间更长，种监控系统的时间复杂度测试结果如表所示。根据表可知，在不同的通信距离下，此次设计的智能电表安全状态透明化监控系统时间复杂度最低，运行效率最高。总结此次设计的智能电表安全状态透明化监控系统是建立在 技术基础上的，其获取智能电表的计量参数，根据主控制器和 芯片设计结果，基于 技术对智能电表的运行状态进行诊断，划分智能电表的安全等级，计算智能电表的加速寿命，实现对智能电表安全状态的透明监控，在一定程度上推动了智能电表监控系统领域的发展。，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期表时间复杂度 通信距离现有监控系统 现有监控系统设计监控系统 参考文献陆霞，张国华 基于单片机的智能家居机器人安全监控系统设计科技通报，（）：李子木，陆川，王继龙，等基于 技术的校园弱电管网智能监控管理系统设计和应用深圳大学学报（理工版），（）：杨亚龙，刘为，高格，等基于 的 极向场电源现场层监控系统设计核聚变与等离子体物理，（）：钟永彦，吴亚，陈娟，等基于 和 的电能测控系统设计电子器件，（）：张鹏翀，张宏 基于 总线的可燃危险品库安全监控系统设计舰船科学技术，（）：牟福元，汪忠，张玉 嵌入式电气安全智能监控系统的设计及 应 用：评 电气安全工程 电 镀 与 精 饰，（）：宋晓霞，陈明，池涛 基于 的小龙虾生态养殖监控系统设计 与 实 现 渔 业 现 代 化，（）：李丽兰，卢伟基于 技术的注塑机多点温度监测系统研究合成树脂及塑料，（）：郭勇，王福贺，潘超琼，等基于 的风电供热站智能监 控 终 端 设 计 电 网 与 清 洁 能 源，（）：钱斌，蔡梓文，肖勇，等基于边缘计算的电表计量系统数据协同检测方案中国电力，（）：申晓杰，廖华，袁卫义 变电站集中监控模式的指挥策略及系统设计科学技术与工程，（）：郑贵林，汪体成基于 的温室环境智能监控系统的设计江苏农业科学，（）：向红标，巴简程，杨璐，等基于 的智能楼宇无线多传感器监控系统设计中国测试，（）：李彤，李博，常成基于 技术的智能灯控系统设计计算机工程与设计，（）：刘江文，梁纯 基于 的煤矿机电设备开关状态智能 监 控 系 统 设 计 煤 炭