以wifi遠(yuǎn)距離傳輸為核心的非侵入式負(fù)荷監(jiān)控，智能型電力系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，其關(guān)鍵是靈活地實(shí)現(xiàn)信息流動(dòng)和能量流在電網(wǎng)中的交互作用。作為智能用電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，負(fù)荷監(jiān)控是通過實(shí)時(shí)采集用戶用電數(shù)據(jù)，完成對(duì)電力負(fù)荷能耗的監(jiān)控，為用戶提供詳細(xì)的用電信息。在掌握了各種負(fù)荷用電信息之后，可以將負(fù)荷的使用時(shí)間和用電量合理分配，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能；電力公司了解用戶側(cè)負(fù)荷組成后，可以進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行，促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的方式，電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)可分為有侵入性和無侵入性。前一種方法是為每個(gè)負(fù)荷設(shè)置監(jiān)控裝置，用于實(shí)時(shí)采集負(fù)荷信息，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有助于對(duì)負(fù)荷信息進(jìn)行細(xì)化，但這種方法需要大量的監(jiān)控設(shè)備，在采購(gòu)、安裝、維修等過程中會(huì)耗費(fèi)大量的成本。前者僅在電力供應(yīng)進(jìn)口端安裝監(jiān)控裝置，即可實(shí)時(shí)采集用戶的總負(fù)荷能耗；采用負(fù)載識(shí)別算法將負(fù)荷類型細(xì)化，分別計(jì)算出每個(gè)負(fù)荷的用電量，實(shí)現(xiàn)了較低的總負(fù)荷能耗分類計(jì)量。易于安裝和維修，適合電力負(fù)荷在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。近幾年來，許多學(xué)者針對(duì)后者進(jìn)行了研究。利用NIUSB-6002數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路，對(duì)電壓、電流采集信號(hào)進(jìn)行降壓處理，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在線監(jiān)控。由NI公司生產(chǎn)的NI6008與主要由型號(hào)為QNENGQBV200A02的電壓互感器和ChahuaCSM100AP的電流互感器組成的負(fù)荷數(shù)據(jù)采集電路，在1kHz的采樣頻率下完成負(fù)荷監(jiān)測(cè)。采用ATT7022C電能計(jì)量芯片、電壓、電流互感器、ATT7022C等構(gòu)成電能計(jì)量模塊，以S3C2440A處理器為主控芯片，與其他輔助模塊一起完成負(fù)荷監(jiān)控。在以上的負(fù)載數(shù)據(jù)采集方案中，大多數(shù)都使用互感器對(duì)磁場(chǎng)干擾較大的負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并用昂貴的數(shù)據(jù)采集卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。作者以HLW8112為基礎(chǔ)，提出了一種低成本、高精度無創(chuàng)負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)方案，采用HLW8112型電能計(jì)量芯片取樣，對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，選擇高使用率的STM32芯片作為微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，負(fù)載數(shù)據(jù)通過wifi遠(yuǎn)距離傳輸上傳到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)負(fù)荷監(jiān)控。

該設(shè)備主要由數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、主控模塊、無線通訊模塊組成。作為研究的重點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和輸出數(shù)據(jù)的類型直接影響設(shè)備的性能，所以選擇不受磁場(chǎng)干擾的采樣電阻采集負(fù)荷電信號(hào)，選用HLW8112新型單相電能計(jì)量芯片HLW8112轉(zhuǎn)換電信號(hào)。功率模塊是本裝置工作的基礎(chǔ)，其穩(wěn)壓度直接影響到設(shè)備的工作狀態(tài)，所以選擇開關(guān)電源芯片，具有效率高、穩(wěn)定性好、體積小等特點(diǎn)。主控制模塊作為設(shè)備的核心，其調(diào)試、維修難度直接影響到設(shè)備的工程應(yīng)用價(jià)值，所以選擇STM32F103單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。選擇了wifi遠(yuǎn)距離傳輸通訊模塊，將負(fù)荷數(shù)據(jù)上載到OneNET云平臺(tái)(中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái))，以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。該設(shè)備的總體工作流程為：負(fù)荷監(jiān)控裝置安裝在電力供應(yīng)進(jìn)口端，供電模塊向各模塊提供工作電壓；所述負(fù)載的總電壓，由數(shù)據(jù)采集模塊的高精度電阻轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，HLW8112把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓，負(fù)載數(shù)據(jù)，如電流有效值，存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中，主控制模塊將負(fù)荷數(shù)據(jù)作為負(fù)荷特征值進(jìn)行計(jì)算處理，通訊模塊向OneNET平臺(tái)上載負(fù)載特征值，在OneNET云平臺(tái)上，用戶通過PC端或移動(dòng)端瀏覽器登錄OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電力負(fù)荷的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由HLW8112型電能計(jì)量芯片和采樣電阻等器件組成。一款高精度單相電能計(jì)量芯片，內(nèi)裝晶振參考電源，僅需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的外圍電路，并編寫簡(jiǎn)單的軟件代碼，主控模塊就能從芯片寄存器中讀取負(fù)載數(shù)據(jù)。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)1000∶1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的有效電流和有效電壓測(cè)量誤差小于1%，采集精度高。選擇了溫度特性好、成本低、精度高的1mΩ銅錳電阻和200kΩ合金電阻作為取樣電阻，將電壓、電流經(jīng)過電網(wǎng)收集、轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過芯片HLW8112內(nèi)部ADC、經(jīng)過DIGITALFILTER、DSP等處理后，電訊號(hào)以數(shù)字形式儲(chǔ)存在芯片寄存器中。HLW8112晶片管腳16腳接電源模塊提供3.3V工作電壓，以保持晶片電壓穩(wěn)定，0.1μF的濾波電容供電。為了避免芯片電壓浮空而被燒壞，電路中GND與電網(wǎng)的零線作為參考點(diǎn)。按照電源的定義：P=I2R，當(dāng)采樣電阻和1mΩ、2W時(shí)，該芯片可測(cè)的電流是44.72A。該芯片管腳5使用4個(gè)200kΩ和1個(gè)1kΩ的貼片合金電阻完成分壓處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電壓信號(hào)的采集，其中用4個(gè)相同電阻串接，解決了單一電阻耐壓不足、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等問題。HLW8112芯片支持SPI與US-ART通訊，為以后的無入侵性負(fù)載識(shí)別系統(tǒng)的研究提供了較好的硬件支持，作者選擇了高頻SPI通信方式對(duì)芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。在強(qiáng)電型工作環(huán)境下，數(shù)據(jù)采集模塊處于弱電環(huán)境中，為了確保主控模塊的安全，由于HLW8112大輸出頻率是6991Hz，所以采用了光耦隔離芯片來隔離這兩個(gè)模塊。該器件選用了高速光耦EL357NB和PS8101型光耦合實(shí)現(xiàn)SPI通訊。

STM32F103對(duì)HLW8112芯片寄存器中的負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行SPI通信。監(jiān)控設(shè)備打開，初始化每個(gè)模塊，HLW8112芯片12引腳置低，數(shù)據(jù)采集模塊開啟SPI通訊方式；HLW8112芯片11針置低，晶片選擇和進(jìn)入工作模式；HLW8112芯片10針置低，在默認(rèn)情況下，芯片時(shí)鐘信號(hào)從0開始，HLW8112芯片9管腳置位低，寫芯片寄存器的值默認(rèn)為0。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為上升沿時(shí)，主控模塊將HLW8112的命令寄存器寫入0XE5，以開啟寫使能。并且對(duì)芯片系統(tǒng)進(jìn)行控制，計(jì)量控制等寄存器寫到初值，之后，寫使能的關(guān)閉方法是寫入0XDC到命令寄存器；時(shí)鐘信號(hào)是下降沿時(shí)，主控制模塊通過將HLW8112寫到相應(yīng)寄存器地址，完成對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)主機(jī)向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送讀寫指令時(shí)，通過判斷HLW8112芯片命令寄存器7位的值來決定命令類型，如果值為0，則讀取命令；如果值為1，則寫入命令。主控制模塊中的負(fù)載特性值的計(jì)算方式是1)電流有效值=(電流有效值寄存器的值與電流的值寄存器的值)/(電流系數(shù)×223)，該設(shè)備選用1mΩ銅錳電阻采集負(fù)載電流，按采樣阻抗值=電流系數(shù)×1mΩ，電流系數(shù)可以用1求得。2)電壓有效值=(電壓有效值寄存器值×電壓有效值系數(shù)寄存器值)/(電壓系數(shù)×222)，由圖2可知，按電壓分壓電阻比(電壓系數(shù)×1kΩ)/1MΩ，實(shí)際占1∶1000，按電壓分壓電阻比例計(jì)算，電壓系數(shù)可以用1求得。3)有功功率值=(有功功率寄存器的數(shù)值×有功功率系數(shù)寄存器的值)/(電流系數(shù)×電壓系數(shù)×231)。

通訊模塊選擇了wifi遠(yuǎn)距離傳輸WiFi芯片，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、成本低、傳輸速率高等特點(diǎn)。針對(duì)監(jiān)控設(shè)備與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸，作者采用透明傳輸方式，以保證負(fù)載wifi遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。為了讓通信模塊云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，以路由器作為連接網(wǎng)絡(luò)的橋梁，實(shí)現(xiàn)了模塊無線連接距離的延伸。常規(guī)配網(wǎng)方式中，當(dāng)通訊模塊與新路由器相連時(shí)，設(shè)備需要修改主控模塊的底層代碼，以實(shí)現(xiàn)路由帳號(hào)和口令的修改，這不利于設(shè)備的工程應(yīng)用。為此，作者把帳號(hào)和口令通過網(wǎng)頁配網(wǎng)的方式輸入到EEPROM中，動(dòng)態(tài)地連接新路由。經(jīng)過用戶名和密碼驗(yàn)證，wifi遠(yuǎn)距離傳輸WiFi模塊通過AT指令設(shè)置為1)AT+RST：重啟WiFi模塊。2)AT+WSKEY=WPA2PSK：配置如何配置訪問密碼加密。3)AT+CWMODE=STA：將WiFi模塊配置為Station模式，它可以在當(dāng)前環(huán)境下連接到WiFi熱點(diǎn)。4)AT+CIP-MUX=DISABLE：將WiFi配置為單路連接方式。5)AT+CIPSTART="TCP","183.230.40.33","80"：為云服務(wù)器的IP地址建立TCP連接。6)AT+CIPSEND=">"：在接收到的數(shù)據(jù)格式為>>時(shí)，模塊進(jìn)入傳輸模式，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)服務(wù)器?；贖TTP和JSON數(shù)據(jù)格式的無線通信模塊與云平臺(tái)之間以RESTfulAPI進(jìn)行通信，使wifi遠(yuǎn)距離傳輸通信模塊與云平臺(tái)服務(wù)器之間建立了短接，方便了數(shù)據(jù)傳輸。

選用LED燈，7W功率，32W電源的電風(fēng)扇，以及23W功率的LCD顯示器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在開電3種負(fù)荷情況下，實(shí)時(shí)采集各負(fù)荷瞬時(shí)電流的有效值，并且選擇是否有測(cè)量精度及是否有多負(fù)荷的投切過程作為設(shè)備的性能指標(biāo)。在儀器測(cè)量精度的測(cè)試中，作者采用了型號(hào)為VIC-TORVC890D的數(shù)字式萬用表測(cè)量的三位半(分辨率為1/2000)和±2.0%的萬用表進(jìn)行比較。采用該裝置和萬用表分別測(cè)量3種電力負(fù)荷的工作電流，并計(jì)算出1、50,100次各測(cè)得的電流平均值，并通過二者之間的相對(duì)誤差計(jì)算該裝置的測(cè)量精度。該儀器和萬用表的測(cè)量結(jié)果見表1。從表1可以看出：該裝置經(jīng)過多次測(cè)量，該裝置與萬用表間平均電流值的相對(duì)誤差不超過1%，即可以達(dá)到99%以上，從而表明該裝置可以實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的高精度測(cè)量。另外，還進(jìn)行了LED燈泡、電風(fēng)扇、液晶顯示器的測(cè)試，同時(shí)實(shí)時(shí)采集其瞬時(shí)電流有效值，并根據(jù)電流波形的變化檢驗(yàn)該裝置是否能進(jìn)行多重負(fù)荷投切。該設(shè)備可以監(jiān)測(cè)負(fù)荷從開至穩(wěn)運(yùn)行的暫態(tài)過程數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)過程數(shù)據(jù)，能夠較好地描述各種電力負(fù)荷在工作時(shí)的電氣特性，為無入侵性負(fù)荷識(shí)別系統(tǒng)的研究提供了依據(jù)。

云平臺(tái)是開發(fā)的一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，可以方便地幫助負(fù)荷監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)接入和連接，快速完成監(jiān)測(cè)設(shè)備開發(fā)部署，并為負(fù)荷監(jiān)控設(shè)備提供完善的物聯(lián)網(wǎng)方案。負(fù)載數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)界面如圖8所示，左邊顯示的是電力負(fù)荷的歷史負(fù)荷信息，右邊顯示的是負(fù)荷的實(shí)時(shí)信息。當(dāng)用戶登錄到云平臺(tái)后，可以在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)在線瀏覽電力負(fù)荷的電壓、電流和功率信息，分析負(fù)荷歷史信息，可以了解負(fù)荷歷史情況。

作者所研制的無創(chuàng)負(fù)荷監(jiān)控裝置，是用一種新型的單相電能計(jì)量芯片HLW8112，將采集到的電阻器電位器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電荷形式的負(fù)荷數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)精度高、成本低、維修簡(jiǎn)便、不受磁場(chǎng)干擾，適用于單、多載條件下監(jiān)控，測(cè)試準(zhǔn)確度達(dá)99%以上。不僅能獲得負(fù)載的電壓、電流、有功功率等有效值，還能獲得負(fù)載電壓、電流峰值、瞬時(shí)、波形圖等電力參數(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸方面，設(shè)計(jì)了串口和wifi遠(yuǎn)距離傳輸兩種通訊方式，可通過串口打印負(fù)載功率參數(shù)，通過wifi遠(yuǎn)距離傳輸WiFi網(wǎng)絡(luò)用戶可登錄云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電負(fù)荷的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。該設(shè)備為無創(chuàng)負(fù)荷識(shí)別系統(tǒng)可望實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能優(yōu)化調(diào)度。