1、計及環境舒適度的智能用電監控儀設計與研制劉斌，王冕(貴州電網有限責任公司電力科學研究院,貴陽 550002）摘要：針對當前普遍的智能用電終端僅能實現基本的電壓、電流、功率、電量的測量，而忽略環境質量對用電行為影響的問題，將數字信號處理技術融入插座，設計并研制了一種新型的智能用電監控儀。該監控儀采用模塊化設計，在實現基本電氣測量的基礎上，增加諧波分析、無線通信、通斷控制、數據顯示的功能，并考慮用戶體感，采集溫濕度等數據以檢測室內環境舒適度，促進家庭用電的優化。文中首先指出現有智能用電終端在數據檢測和信息交互中的不足，然后描述智能用電監控儀的硬件設計方案，并闡述其程序運行流程，所研制樣機的測試結果

2、充分驗證了該監控儀的有效性。關鍵詞：智能用電監控；諧波檢測；無線通信；環境舒適度中圖分類號：TM93 文獻標識碼：B 文章編號：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：:

3、 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 designe

4、d 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 communicatio

5、n, 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 intelligen

6、tsmart 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：: int

7、elligentsmart power monitor, harmonic detection, wireless communication, environmental comfort7 / 7文檔可自由編輯打印0引 言智能電網是一個開放式的能源系統，支持多種類型的分布式能源大規模并網，利用先進的通信技術、傳感技術、信息技術實現不同智能電子設備和用戶之間網絡化的互聯1。智能用電作為智能電網的關鍵環節，實現了電網和用戶的靈活雙向互動，促進傳統電能消費模式的革新2。電網側通過對用戶用電信息的分析整合，充分利用電價、政策等相關機制，引導用戶科學用電，實現電力資源配置的最優化，用戶則結合電網公司的

8、激勵信息及自身的用電需求選擇合適的用電方案3-4。在智能電網發展的引領下，已研發出各種針對家用電器的智能式用電終端，用電計算節點從傳統的用戶側細分至各個家用電器，并通過智能終端的通信模塊完成電器間的組網，使家庭微電網的實現成為可能。針對智能終端在家庭電能管理系統中的應用，不少專家和學者已進行了相關研究。文獻5提出一種具備Wifi通信功能的智能用電終端，然而由于WiFi技術功耗大、組網能力低，該終端并不適用于電器較多的情況。文獻6將ZigBee技術應用于智能插座，但是該插座以MCU為核心處理器，運算能力并不足以支持諧波等復雜電氣量的實時計算，且其不具備數據顯示的功能。文獻7設計面向HEMS的智能

9、交互終端，實現各電器數據的實時采集和整合分析，然而終端未計及室內環境質量數據，忽視環境舒適度對用戶用電行為的影響。由上述可知，現有的大部分智能用電終端僅實現基本的電氣測量和無線傳輸，未能集成諸如諧波檢測和數據顯示等復雜功能。同時室內溫度、濕度等環境質量數據與用戶體感舒適度密切相關，從而間接影響用戶的用電行為8。為此，本文將數字信號處理技術融入插座，并充分考慮體感舒適度對用電行為的影響，設計并研制一種計及環境舒適度的智能用電監控儀。該監控儀在實現基本電氣測量的基礎上，集諧波分析、環境檢測、無線通信、通斷控制、數據顯示于一體，可實現智能電網下各家用電器的實時監控及室內環境質量檢測。1硬件設計方案智

10、能用電監控儀硬件系統由DSP芯片、ADC芯片、存儲芯片、采樣單元、供電單元、繼電器模塊、ZigBee無線通信模塊、LCD顯示屏、溫濕度傳感器及TVOC濃度傳感器組成，其硬件結構如圖1所示。電器經智能用電監控儀后接入配電網進線端；采樣模塊從火線和零線端采集電壓電流數據，經ADC轉換后送入DSP芯片執行后續計算；繼電器由DSP控制，實現負載的可控通斷；存儲芯片用于保存關鍵變量和修正參數；ZigBee模塊用于監控儀和入戶集中器之間無線通信，實現數據上傳及整合；溫濕度傳感器及TVOC濃度傳感器分別采集室內溫度、濕度、有機化合物氣體濃度，以檢測環境質量；液晶顯示屏向用戶展示檢測數據，完善人機交互；供電單

11、元對市電進行電壓轉換，為用電監控儀的各部分模塊提供電能，維持其穩定運行。各電器均搭配一智能用電監控儀，并將同樣搭載ZigBee模塊的入戶集中器安裝于配電箱出線處，則集中器與多個用電監控儀之間即可無線組網，實現用電信息和環境數據的整合以及家用電器的監控，從而構建一個家庭電能管理網絡。圖1 硬件結構框圖Fig.1 Hardware structure block diagram1.1核心處理器DSP 考慮到智能用電監控儀不僅需要檢測電壓電流等基本電氣數據，還需進行FFT諧波分析的復雜計算，同時負責處理好環境量傳感器與各部分模塊之間的協調運行，為滿足監控儀所需的數據運算能力和程序存存儲容量，本文在核

12、心處理器上采用TI公司生產的32位單精度浮點運算DSP芯片TMS320F28335。TMS320F28335芯片具有體積小、精度高、運算速度快的優點，工作主頻高達150 MHz，片上搭載SCI、SPI、I2C串行通信接口及eCAN、ADC等功能模塊，能適應各種工業、研發領域中精準控制和實時計算的需求。作為智能用電監控儀的核心處理器，TMS320F28335負責數據處理及協調各模塊的穩定運行。DSP與各部分模塊的通信連接如圖2所示。圖2 DSP通信連接示意圖Fig.2 Communication link schematic diagram of DSP1.2電氣信號測量如圖3所示，進線電壓利用

13、電阻分壓原理進行采樣，1 M和1 k的兩個PTF65精密電阻串聯形成降壓比約1/1000的分壓電路，電流信號的采集利用歐姆定律，在進線中串聯阻值為2.5 m的康銅電阻，將大電流信號轉變為小電壓信號，采樣信號經RC低通濾波電路濾去高頻分量后送入運算放大器INA129進行信號調理，提高信噪比。INA129是一款低功耗、高精度的通用儀表放大器，調整引腳1和引腳8之間的電阻RG可實現1至10000任一增益的選擇，增益計算公式為G=1+49.4 k/RG，本文選取RG分別等于5.6 k和1 k實現電壓信號的10倍放大、電流信號的50倍放大，以適應ADC芯片±5 V的信號輸入量程。圖3 電氣信號

14、采樣電路Fig.3 Electrical signal sampling circuit采樣得到的模擬信號需經ADC轉換為數字信號后才可送入DSP芯片進行后續的數據處理，本文選用模數轉換芯片AD7606構成ADC電路。該芯片采用逐次逼近型模數轉換器的數據采集系統，具有16位無失碼性能，轉換精度高，廣泛應用于電氣測量領域。監控儀在硬件設計上將其配置為16位并行輸出，輸出引腳連接至DSP芯片的16個I/O口。1.3通斷控制及無線通信實現通斷控制功能的繼電器及無線通信功能的ZigBee模塊的電路原理如圖4所示。為實現按需可控地通斷電器，監控儀內置繼電器模塊HF7520 005-HSTP，該模塊最大開

15、斷電壓及電流為AC 250 V/16 A，額定電壓下動作時間小于15 ms，滿足迅速開斷的要求。繼電器串聯于火線端，當監控儀的ZigBee模塊接收到集中器下達的接通/斷開負載的指令后，DSP的一個I/O引腳即向QCTL端輸出相應的信號，高電平為接通，低電平為斷開，從而自動通斷負載。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術，其名稱源于蜜蜂的八字舞，是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，相比于WiFi技術，ZigBee技術的功耗更低、組網能力更強，特別適用于網絡節點較多的情況。鑒于此，監控儀對無線通信的實現采用ZigBee模塊DRF1605H，實現監控儀與集中器的數據傳輸及無

16、線組網，兩者以主從模式進行通信。DRF1605H可配置多種串口速率，最高可達 115 200 bps，設計上兼顧數據傳輸的誤碼率和實時性，將其波特率配置為38 400 bps，并通過串行接口SCIB與DSP進行通信。圖4 繼電器及ZigBee模塊電路Fig.4 Relay and ZigBee module circuit1.4供電單元監控儀上的模塊較多，所需電壓等級不盡相同，供電單元需提供5 V、3.3 V、1.9 V三種電壓。本文在供電單元的設計上采用AC-DC-DC的電壓變換方案。如圖5所示，選用AC-DC開關電源模塊HB05N24-2636將220 V/AC變換為5 V/DC，為信號放

17、大器、ADC芯片、繼電器、傳感器、LCD顯示屏供電，該開關電源模塊具有體積小、輸出紋波低、穩壓精度達±1的優點，非常適用于整流變換電路。采用雙輸出穩壓芯片TPS73HD301將開關電源輸出的5 V/DC轉換為1.9 V/DC和3.3 V/DC，用于維持DSP穩定工作，穩壓芯片TPS73633將5 V/DC變換為3.3 V/DC，為存儲芯片、ZigBee模塊等數字單元供電。圖5 供電單元電路Fig.5 Power supply unit circuit1.5環境質量檢測及其他功能模塊考慮用電行為與室內空氣環境質量密切相關，如空調、加濕器等溫濕度敏感型負荷及其他氣象敏感型負荷的使用基本取

18、決于用戶體感舒適度9-10。智能用電監控儀在數據采集上計及環境舒適度的影響，將室內溫度、濕度、有機化合物氣體濃度數據加入檢測。采用溫濕度傳感器AM2302實現對環境溫度和濕度的測量，該傳感器內置電容式感濕元件和NTC測溫元件，溫度測量精度為0.1 ,濕度測量精度為2% RH，AM2302在硬件設計上與DSP采用單引腳數字通信。采用TVOC濃度傳感器KQM2801AU用于檢測室內空氣中氨氣、甲醛、一氧化碳等有機化合物氣體的濃度，檢測范圍為0.1 ppm 30.0 ppm，精度0.5 ppm，KQM2801AU與DSP的通信接口為SCIA。監控儀在運行過程中需要實時保存電器用電量，且每次重新上電后

19、都需要進行修正參數及用電量的讀取，以保證數據測量的準確性及防止電量數據的斷電丟失。結合存儲容量考慮，選用儲存芯片EEPROM AT24C64，負責用電量及修正參數的保存，存儲芯片與DSP的通信接口為I2C。為完善人機交互功能，監控儀搭載2寸的USART串口彩色液晶顯示屏，該屏幕分辨率為220´176，可根據需要自行配置字庫，與DSP的通信方式設計為SCIC。屏幕顯示電氣量及環境量數據，包括電壓、電流、功率、用電量、溫度、濕度、TVOC濃度，顯示效果如圖6所示。圖6 液晶屏顯示效果Fig.6 Display effects of LCD2程序運行流程智能用電監控儀的程序包括主程序及中斷

20、子程序，程序運行流程如圖7所示。圖7 程序運行流程Fig.7 Program running process2.1主程序主程序運行流程如下：（1）監控儀上電后，首先初始化DSP，包括GPIO口的設定、SCI及I2C等串行接口的配置、定時器的初始化等；（2）DSP讀取參數及用電量后，通過電氣測量單元采集電壓電流數據并進行A/D轉換；（3）對采集的電氣值進行數據計算，包括電壓及電流有效值、功率、用電量，并進行FFT諧波分析，分離出031次諧波各自的含量，計算完成后將用電量數據存入EEPROM；（4）控制溫濕度傳感器及TVOC濃度傳感器采集環境溫度、濕度、有機化合物濃度數據；（5）判斷數據是否有效，

21、數據正常則予以LCD顯示并進入下一循環，否則判定數據讀取錯誤，重新采集數據。2.2中斷子程序ZigBee模塊接收集中器下達的指令后，觸發中斷，進入子程序運行。子程序中依照監控儀與集中器約定好的通信協議對指令格式進行判斷：（1）若為通斷控制，則根據具體指令要求接通/斷開電器，實現負載的遠程通斷控制；（2）若為數據傳輸指令，則通過ZigBee模塊將電氣量及環境量數據上傳至集中器；（3）若指令格式不符合約定通信協議，則判定指令數據傳輸出錯，監控儀不予響應；（4）相應動作執行完畢后結束子程序，返回主程序繼續運行。3樣機功能測試本文在軟硬件設計的基礎上研制了相應的測試樣機，用于驗證智能用電監控儀的功能，

22、樣機實物如圖8所示，各主要功能模塊已標示于圖中。圖8 測試樣機圖Fig.8 Figure of testing prototype測試實驗中所用工具及儀器包括智能用電監控儀樣機、測試底板、5 V/2 A直流適配器、數字萬用電表Fluke 17B+、電測量儀表綜合校驗裝置KS833、YXDSP-XDS100V2仿真器、筆記本電腦，實驗場景如圖9所示。圖9 實驗場景Fig.9 Experimental scene3.1測量誤差測試本文采用KS833電測量儀表綜合校驗裝置作為標準源，用于驗證智能用電監控儀測試樣機的電氣檢測性能，并制作了相應的測試底板，KS833輸出的電壓及電流信號從測試底板的接線端

23、子進入，樣機通過引腳插針連接于測試底板之上，從而形成一個完整的信號檢測回路。KS833模擬配電網的進線電壓及負載電流，針對電壓、電流、負載功率分別測試，依次改變標準源輸出的設定值，并將LCD屏幕上的顯示值與設定值作比較。同時采用室內標準溫濕度測量計TH101B（精度等級溫度±1 ，濕度±5% RH）置于樣機溫濕度傳感器模塊處，對比分析其溫濕度測量誤差。一般情況下非裝修環境的室內TVOC濃度一般接近于0 ppm，該點可直接觀察LCD顯示的TVOC濃度值予以驗證。實驗測試數據如表1所示。表1 實驗測試數據Tab.1 Experimental test data項目設定值/實際值

24、測量值相對誤差/%110.000110.4040.367電壓/V170.000170.4280.252230.000230.6490.2821.0001.0090.900電流/A5.0005.0410.82010.00010.0870.870220.000221.6290.740功率/W660.000665.9490.9011100.0001109.3930.854溫度/21.021.20.952濕度/%54.053.6-0.741 TVOC/ppm00.1由實驗結果可知，智能用電監控儀樣機對電氣量測量的相對誤差很小，其中電壓誤差小于0.5%，電流和功率誤差基本保持在1%以內，室內環境的溫度、

25、濕度、TVOC濃度的測量值與標準值相差甚小，由此可知，所研制樣機的測量精度基本滿足要求。3.2無線通信及通斷控制測試為測試智能用電監控儀的無線通信和通斷控制功能，實驗中將一個樣機的ZigBee模塊配置為主發送模式，另一樣機的ZigBee模塊配置為從接收模式，程序內部自定義通信協議，主樣機向從樣機發送指令，從樣機收到指令后返回相應數據給主樣機。依次改變主樣機的發送指令，通過仿真器連接測試底板的JTAG接口，可在電腦端觀察兩樣機內存的接收及發送情況。對于通斷控制指令執行成功與否的驗證，則通過數字萬用表Fluke 17B+測量繼電器兩端，判斷繼電器是否已正常接通或斷開。實驗結果如表2所示，由此可知樣

26、機的無線通信及通斷控制功能正常實現。表2 無線通信及通斷控制測試結果Tab.2 Test results of wireless communication and on-off control主樣機發送數據從樣機接收數據返回數據*DP=Y（要求返回肯定信號）*DP=Y#P=OK（肯定應答信號）*DP=N（要求返回否定信號）*DP=N#P=NO（否定應答信號）*DP=1（要求接通負載）*DP=1#P=ON（繼電器已接通）*DP=0（要求斷開負載）*DP=0#P=OF（繼電器已斷開）*#DP=Y（非協議命令）*#DP=Y（非協議命令，不予響應）4結束語在實現基本電氣測量的基礎上，將室內空氣質量加

27、入檢測，設計并研制了一種計及環境舒適度的智能用電監控儀，彌補了傳統智能用電終端沒有考慮環境對用戶用電行為影響的缺陷，是一個集用電監控、無線通信、數據顯示、環境檢測于一體的多功能智能用電監控儀，測試樣機的實驗結果表明該監控儀具有較高的檢測精度，并能正常實現無線通信和通斷控制等復雜功能。各家用電器均通過該智能用電監控儀接入配電網，并結合相應的入戶集中器使用，即可實現電器的無線組網，實現用電信息和環境數據的整合分析以及家用電器的監控，進而構建一個計及環境舒適度的家庭電能管理網絡。為推廣該智能用電監控儀在智能電網中的應用，后續應重點開展智能入戶集中器研發與計及環境舒適度的用電優化理論研究。參 考 文

28、獻1 張新昌, 周逢權. 智能電網引領智能家居及能源消費革新J. 電力系統保護與控制, 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 李揚, 王蓓蓓, 李方興. 靈活互動的智能用電展望與思考J. 電力系統自動化, 2015, (17): 2-9.Li Yang

29、, 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 蔣心澤, 朱耀明, 夏偉. 電能管理終端在家庭智能用電中的應用J. 電器與能效管理技術, 2014, (21): 65-68.Jiang Xinze, Zhu Yaoming, Xia Wei. Application of the Energy Managem

30、ent Terminal in Smart Grid User Side J. Electrical & Energy Management Technology, 2014, (21): 65-68.4 章鹿華, 王思彤, 易忠林, 等. 面向智能用電的家庭綜合能源管理系統的設計與實現J. 電測與儀表, 2010, (9): 35-38.Zhang Luhua, Wang Sitong, Yi Zhonglin, et al. The Design and Implementation of Family Comprehensive Energy Management System

31、Facing the Smart Power J. Electrical Measurement & Instrumentation, 2010, (9): 35-38.5 徐茂鑫, 余濤, 徐豪. 基于DSP的智能用電終端設計與實現J. 電測與儀表, 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):

32、24-29.6 徐偉, 姜元建, 王斌. ZigBee技術在智能插座設計中的應用J. 電力系統通信, 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 武東升, 李中偉, 孟迪, 等. 家庭智能用電管理系統智能交互終端設計J. 自動化與儀表, 2017, (1): 34-38+42.Wu Dongshe