基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型電能信息采集系統(tǒng)，旨在提升數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、傳輸效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，解決傳統(tǒng)系統(tǒng)在延遲、能耗、精確度方面的局限。系統(tǒng)集成了智能傳感器、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、LoRa通信模塊、云端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，利用低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高效傳輸，并通過邊緣計(jì)算提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和異常處理能力。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在精度、能耗和穩(wěn)定性上具備顯著優(yōu)勢(shì)，該設(shè)計(jì)可供大規(guī)模電網(wǎng)的智能化管理參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；電能信息采集系統(tǒng)

引言

電能信息采集系統(tǒng)是現(xiàn)代能源管理系統(tǒng)中的核心組成部分，其能夠?qū)崟r(shí)采集、傳輸并分析用電信息，為電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)化提供依據(jù)[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能信息采集系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和智能化方面的優(yōu)勢(shì)愈加突出。傳統(tǒng)的電能采集系統(tǒng)面臨采集數(shù)據(jù)量大、傳輸延遲長(zhǎng)、能耗高等問題，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效解決這些挑戰(zhàn)。本文旨在設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能信息采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更加高效的電能信息采集和管理。

1. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電能信息采集中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電能信息采集中的應(yīng)用涵蓋了數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，顯著提升了電力系統(tǒng)的智能化管理水平[2]。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的智能傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度等電能參數(shù)，并通過低功耗設(shè)計(jì)確保在廣域電網(wǎng)環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定工作，適應(yīng)低成本、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)采集需求。低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，如LoRa技術(shù)和NB-IoT技術(shù)，為電能信息采集系統(tǒng)提供了高效的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸方案，保障了大規(guī)模節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，并通過低功耗延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少了維護(hù)成本。與此同時(shí)，邊緣計(jì)算技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的應(yīng)用，使得采集到的數(shù)據(jù)能夠在源頭附近進(jìn)行處理，有效減少了數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求和系統(tǒng)延遲，顯著提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。邊緣節(jié)點(diǎn)還能夠?qū)崟r(shí)分析數(shù)據(jù)，及時(shí)檢測(cè)異常并發(fā)出預(yù)警，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的這些綜合應(yīng)用為電能信息采集系統(tǒng)帶來了更高的效率和智能化管理能力。

2. 電能信息采集系統(tǒng)需求分析

為確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足電網(wǎng)實(shí)時(shí)管理和智能化需求，在設(shè)計(jì)電能信息采集系統(tǒng)時(shí)，需詳細(xì)分析其需求。需求分析主要包括功能需求、性能需求和安全需求。

2.1 功能需求

系統(tǒng)的功能需求包括具備對(duì)電壓、電流、功率等多種電能信息的實(shí)時(shí)采集能力，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行初步分析和存儲(chǔ)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器[4]。此外，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，在檢測(cè)到異常時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，確保電力系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行。

2.2 性能需求

性能方面，系統(tǒng)應(yīng)具有較高的采集精度，確保數(shù)據(jù)傳輸延遲不超過200毫秒，從而保證信息的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)還需具備高可靠性和穩(wěn)定性，確保在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)采集具有準(zhǔn)確性和一致性。同時(shí)，傳感器和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備低功耗設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)的整體節(jié)能性能。

2.3 安全需求

安全性方面，系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，確保在復(fù)雜的電磁環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中應(yīng)采用加密算法，防止數(shù)據(jù)被篡改或竊取，保障電能信息的完整性和安全性。

3. 電能信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電能信息采集系統(tǒng)的硬件包括傳感器、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、通信模塊和電源管理模塊，硬件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是保證數(shù)據(jù)采集的精度、通信的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的低功耗。整體的系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

3.1 傳感器

電能信息采集系統(tǒng)中的傳感器部分采用了基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的智能傳感器。這些傳感器能夠精準(zhǔn)地采集電壓、電流和溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并將模擬信號(hào)通過內(nèi)置的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過這種設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在多變的電網(wǎng)環(huán)境中依然能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的高精度與穩(wěn)定性。

3.2 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)的濾波、去噪和壓縮[5]。系統(tǒng)采用基于ARM Cortex-M處理器的邊緣計(jì)算模塊，具有低功耗和高性能的優(yōu)勢(shì)。邊緣節(jié)點(diǎn)通過快速處理數(shù)據(jù)，有效提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并能夠在異常情況下及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，確保系統(tǒng)運(yùn)行的高效性與穩(wěn)定性。

3.3 通信模塊

系統(tǒng)的通信模塊采用LoRa技術(shù)，支持遠(yuǎn)距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸[6]。LoRa模塊工作在915MHz頻段，傳輸距離可達(dá)15千米，滿足電網(wǎng)內(nèi)大范圍數(shù)據(jù)采集的需求。LoRa技術(shù)在電磁環(huán)境復(fù)雜的情況下依然具備很強(qiáng)的抗干擾能力，確保系統(tǒng)在分布式電網(wǎng)中保持穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 電源管理模塊

電源管理模塊通過太陽能電池供電，結(jié)合智能電源管理系統(tǒng)，確保設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行中的穩(wěn)定性。該模塊具備能量?jī)?chǔ)存和智能調(diào)度功能，能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)切換到備用電池供電，同時(shí)通過優(yōu)化功耗延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。智能電源管理的設(shè)計(jì)降低了設(shè)備的維護(hù)成本，并在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供了可持續(xù)的能源供應(yīng)解決方案。

4. 電能信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電能信息采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要側(cè)重于電能數(shù)據(jù)的處理、傳輸，以及用戶界面的設(shè)計(jì)。整體軟件架構(gòu)分為數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、通信協(xié)議和云端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，確保系統(tǒng)在處理海量電能數(shù)據(jù)時(shí)保持高效、準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

為確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，系統(tǒng)在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。通過自適應(yīng)卡爾曼濾波器對(duì)電壓、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，去除噪聲和干擾?？柭鼮V波器的狀態(tài)方程為

（1）

式中，xk是當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)變量，代表系統(tǒng)當(dāng)前的電壓或電流數(shù)據(jù)；xk-1是前一時(shí)刻的狀態(tài)，表示上一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)；矩陣A描述了系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；矩陣B代表控制輸入的影響；uk為系統(tǒng)的控制輸入，通常與負(fù)載變化等因素相關(guān)；wk表示過程噪聲，反映系統(tǒng)內(nèi)部不確定性的影響。

卡爾曼濾波器的觀測(cè)方程為

（2）

式中，zk為當(dāng)前的觀測(cè)值，即傳感器采集到的電壓或電流數(shù)據(jù)；H為觀測(cè)矩陣，將狀態(tài)變量映射到觀測(cè)空間；vk為觀測(cè)噪聲，用來描述測(cè)量設(shè)備的誤差或環(huán)境噪聲影響。通過卡爾曼濾波器的遞推過程，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)采集的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和優(yōu)化。

4.2 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采用LoRaWAN協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。LoRaWAN協(xié)議支持異步通信方式，具備低功耗、長(zhǎng)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，適合大規(guī)模電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用。每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔向主站發(fā)送數(shù)據(jù)，主站通過輪詢機(jī)制接收多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)[7]。

在通信協(xié)議的設(shè)計(jì)中，每個(gè)數(shù)據(jù)包中包含節(jié)點(diǎn)ID、時(shí)間戳、電壓、電流、功率等信息。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕到y(tǒng)在數(shù)據(jù)包中加入了校驗(yàn)碼，并使用AES加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，確保傳輸過程中不會(huì)受到外部攻擊或被竊取。數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w流程如圖2所示。

圖2 電能信息采集系統(tǒng)中的

數(shù)據(jù)傳輸流程

4.3 云端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

在電能信息采集系統(tǒng)中，云端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)承擔(dān)著關(guān)鍵的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和用戶交互功能。當(dāng)采集到的電能數(shù)據(jù)通過LoRaWAN協(xié)議傳輸?shù)皆贫撕?，系統(tǒng)利用分布式架構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模并發(fā)處理，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性[8]。云平臺(tái)能夠?qū)﹄妷骸㈦娏?、溫度、功率等多種電能參數(shù)進(jìn)行深入分析，并生成詳細(xì)的用電報(bào)告。用戶可通過如圖3所示的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面直觀地查看這些關(guān)鍵電能信息，并通過圖形化的方式掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和電能消耗趨勢(shì)[9]。界面上設(shè)有多個(gè)操作按鈕，包括“啟動(dòng)”“停止”和“保存數(shù)據(jù)”，用戶可通過這些按鈕靈活控制監(jiān)控的開始、停止，以及數(shù)據(jù)的保存。“啟動(dòng)”按鈕用于啟動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，系統(tǒng)將開始采集并顯示電能數(shù)據(jù)；“停止”用于終止當(dāng)前監(jiān)控，防止不必要的數(shù)據(jù)干擾；“保存數(shù)據(jù)”將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，以供后續(xù)的分析和優(yōu)化操作，確保數(shù)據(jù)的安全性和有效性。平臺(tái)還支持通過Web端和移動(dòng)端訪問，用戶能夠隨時(shí)隨地監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，并基于平臺(tái)提供的個(gè)性化節(jié)能建議，優(yōu)化電能使用方案。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確保了用戶在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作和能耗管理等方面的高效性和便捷性。

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

5. 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證電能信息采集系統(tǒng)的實(shí)際性能，進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，評(píng)估其在數(shù)據(jù)采集精度、傳輸速度、功耗和穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn)。測(cè)試過程涵蓋了系統(tǒng)的多個(gè)核心功能，確保其滿足電網(wǎng)監(jiān)控和管理的需求。

5.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試在一個(gè)模擬電網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行，搭建了包括智能傳感器、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、LoRa通信模塊和云端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的完整系統(tǒng)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置了多個(gè)電壓和電流傳感器，用于采集不同區(qū)域的電能數(shù)據(jù)，測(cè)試設(shè)備的傳輸距離設(shè)置為10千米，以模擬實(shí)際電網(wǎng)中的遠(yuǎn)距離通信需求。測(cè)試環(huán)境溫度為25℃，電源供應(yīng)穩(wěn)定，確保設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

5.2 測(cè)試過程

測(cè)試分為兩個(gè)階段：第一階段，通過傳感器對(duì)電壓、電流、功率等電能信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)通過LoRaWAN協(xié)議傳輸至云端平臺(tái)。在此過程中，記錄了每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t、丟包率，以及數(shù)據(jù)處理時(shí)間；第二階段，模擬電網(wǎng)異常情況，如電壓波動(dòng)和傳輸干擾，評(píng)估系統(tǒng)的抗干擾性能和異常預(yù)警功能。整個(gè)測(cè)試過程中，系統(tǒng)保持連續(xù)運(yùn)行，觀察其在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

5.3 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，電能信息采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集精度、傳輸效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性方面均表現(xiàn)出色。電壓和電流的采集誤差分別為0.5%和0.7%，均滿足誤差要求小于1%的標(biāo)準(zhǔn)，表明系統(tǒng)具備較高的測(cè)量精度。在數(shù)據(jù)傳輸方面，平均延遲為150ms，符合設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性要求（延遲小于200ms）。系統(tǒng)在10千米的傳輸距離內(nèi)，丟包率保持在0.2%以內(nèi)，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的0.5%，表明LoRa通信在遠(yuǎn)距離和復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。功耗方面，傳感器的功耗為1.8W，低于設(shè)計(jì)上限的2W，顯示出系統(tǒng)在能耗控制上的優(yōu)化。

測(cè)試證明了電能信息采集系統(tǒng)在精度、能耗、數(shù)據(jù)傳輸效率、抗干擾能力上均達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠勝任大規(guī)模電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和管理的實(shí)際應(yīng)用需求。

結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能信息采集系統(tǒng)大幅提升了電能管理的智能化水平，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和能耗方面的挑戰(zhàn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備良好的數(shù)據(jù)采集精度、低延遲傳輸和高穩(wěn)定性，能夠勝任大規(guī)模電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和管理的實(shí)際應(yīng)用[10]。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，系統(tǒng)的功能和性能將不斷優(yōu)化，為電力系統(tǒng)的智能化運(yùn)行和高效管理提供更加全面的解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：竺興妹，本科，副教授，289655781@qq.com，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)。