基于LoRa通信的智能电力测控仪设计

尹春杰，李鹏飞，王光旭，宋其征，赵 钦，胡 佳

(1.山东建筑大学信息与电气工程学院，山东 济南 250101；2.山东中科先进技术研究所有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

在国家政策的大力推动下，风、光等新能源应用规模不断扩大，以工业厂区、建筑园区等为代表的用户侧微电网建设备受关注，也对需求侧管理提出了新的要求。在计算机、通信、信号处理等技术的支持下，智能电力测控装置向着数字化、智能化、网络化的方向不断发展[1-2]。

本文立足用户侧微电网自动监控的实际需求，设计了一款智能电力测控仪，可将监测点的电量信息远程传输至上位机监控中心，让用户实时掌握设备运行状态及用电信息。通过对设备能耗、电能质量等数据的合理分析与辅助决策，有利于用户实现对新能源发、储、配各环节的有效管理、生产调度优化及远程负荷调控。

1 智能用电管理系统基本结构

微电网智能用电管理系统结构如图1所示。该系统由位于用电现场的智能电力测控仪层、作为中继节点的智能数据通信网关层及上位机监控主站层这3层组成。现场仪表层与中间通信网关层设计采用LoRa通信方式；中间网关至监控主站可采用Wi-Fi、GPRS等公用网络资源。

图1 智能用电管理系统结构图Fig.1 Structure diagram of intelligent power management system

2 智能电力测控仪构成原理

智能电力测控仪是整套系统的基础：向上传输各测点电力数据与现场设备运行状况；向下执行主站负荷调控指令。

2.1 基本功能及主要指标

智能电力测控仪的主要功能包括实时电参数计量、双向四象限电能量累计、负荷分析、电能质量分析、数据存储与传输、快速故障诊断、远程控制等[3-4]。

考虑到工作场所的复杂性，将其工作温度设定在-10～+50 ℃，湿度为20%～95%，在满足电磁兼容性的要求下达到B类仪表的精度要求。其主要精度指标如表1所示。

表1 主要精度指标Tab.1 Main accuracy indexes

2.2 基本电力参数计算方法

目前，我国市电频率为50 Hz。本设计采用N=128的等间隔交流采样方法。该方法的采样频率为FS=Nf=6 400 Hz,理论上最高可测得63次谐波值[5-6]。以电压信号为例，经模拟数字(analog to digital,A/D)转换后得到有限长电压序列{U(n)}，通过快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)可得出基波及各次谐波的实部值与虚部值，记为{(URk,Ujk)}。相应各次电参量的有效值可表示为：

(1)

(2)

(3)

当k=1时，U(k)为基波分量；当k>1时为谐波分量，u(n)为第n个采样值。这样可得各次电压的有效值。电流计算方法同理。对于每相基波分量的有功功率、无功功率和功率因数的计算，以A相基波分量为例，根据IEC电功率定义，视在功率为：

(4)

A相基波的有功功率为：

PA1=Ur1Ir1+Uj1Ij1

(5)

式中：PA1为A相基波的有功功率；Ur1为电压基波分量的实部；Ir1为电流基波分量的实部；Uj1为电压基波分量的虚部；Ij1为电流基波分量的虚部。

A相基波的无功功率QA1为：

QA1=Ir1Uj1+Ur1Ij1

(6)

式中：QA1为A相基波的无功功率。

A相瞬时功率因数cosφA为：

(7)

式中：cosφA为A相瞬时功率因数；PA1为A相基波的有功功率；QA1为A相基波的无功功率。

B、C两相的计算方式相同。三相总功率可采用“三表法”获得，表示为：

PS=PA1+PB1+PC1

(8)

QS=QA1+QB1+QC1

(9)

式中：PS为基波总有功功率；QS为基波总无功功率；PA1、PB1、PC1分别为A、B、C三相基波有功功率；QA1、QB1、QC1分别为A、B、C三相基波无功功率

三相功率因数cosφS也可由此计算出，为：

(10)

式中：cosφS为三相功率因数；PS为三相总有功功率；QS为三相总无功功率。

2.3 电能质量参数计算方法

相较于大电网，微电网由于分布式电源的不稳定性，其电能质量问题更为突出。按照我国现行有关电能质量技术标准[7-9]，主要实现频率偏差、电压偏差、三相电压不平衡度及电流、电压畸变率的计算。

①频率偏差。

Δf=fRe-fN

(11)

式中：Δf为频率偏差值；fRe为节点的实际频率值；fN为系统的标称频率值。

国内电网标称频率为50 Hz。

②三相电压电流不平衡度。

该指标反映了三相电压/电流的对称性及一致性。在三相四线制系统中，三相电流不平衡将导致较大的零线电流出线，导致损耗增大并影响用电安全性[10]。通常利用解析几何的方法推导出三相不平衡度的计算公式：

(12)

式中：FA1为正序分量；FA2为负序分量，可基于交流采样数据序列方便地求取。

③电压偏差。

电压偏差反映了实际供电电压相对于标准电压的偏离程度，是评判供电电压是否合格的重要指标。其计算公式为：

(13)

式中：UN为标称额定电压；UR为实际测量电压。

④电压电流畸变率。

非线性负载的使用导致电压电流波形发生畸变，出现谐波信号。通常采用电压总畸变率和电流总畸变率对电压及电流的波形质量作出评判。其计算公式分别为：

(14)

(15)

式中：Un为n次谐波电压含量;In为n次谐波电流含量，均采用FFT算法求取。

3 智能电力测控仪硬件设计

测控仪的硬件系统结构如图2所示。

图2 硬件系统结构示意图Fig.2 Hardware system structure diagram

主控芯片选用STM32F103RET6，工作频率为72 MHz，体积小、功耗低、外设资源丰富[11]。人机交互方式采用128×64点阵式LCD液晶显示、8路LED状态指示及7个功能按键；扩展3路电压、3路电流采样变换电路，2路继电器控制输出电路，3路开关量采集电路，另外包括非易失数据存储电路、实时时钟电路、通信电路等。通信电路设计RS-422/485、LoRa等多种通信接口，可满足不同场合应用要求。

3.1 电压电流采样变换电路

A相采样变换电路如图3所示。

图3 A相采样变换电路Fig.3 Sampling conversion circuit of phase A

本设计将三相电压和三相电流分别用PT107电压互感器和CT103电流互感器转换为与一次电路电气隔离的交流小信号，并采用LM258同向比例放大器实现交流信号平移、滤波，将完成采样变换的信号送入主控芯片内置的模拟数字转换器(analog to digital converter,ADC)进行交流采样。低通滤波截至频率约3 000 Hz，可避免128点FFT变换出现频谱混叠现象。

由图3可知，A相电压及A相电流采样变换电路。B相、C相与A相同理。

3.2 LoRa通信电路设计

LoRa是一种专门用于无线电扩频调制解调的通信技术[12]。各通信技术特点如表2所示。

表2 各通信技术特点表Tab.2 Characteristics of different communication technologies

从表2可以看出，LoRa通信具有通信距离远、功耗低等优点。

LoRa模块的硬件设计主要由Semtech公司最新推出的SX1268 和PE4259芯片构成。LoRa模块硬件电路如图4所示。

图4 LoRa模块硬件电路图Fig.4 Hardware circuit diagram of Lora module

由图4可知：微控制单元(microcontroller unit，MCU)采用串行外围设备接口(serial peripheral interface，SPI)协议对SX1268芯片进行工作频率、带宽、扩频因子等参数初始化设置；射频芯片SX1268通过控制选择开关PE4295经天线电路实现信号接收与发送。

4 软件方案设计

软件部分采用模块化思路，编写各功能模块的驱动函数。主程序可调用各功能子函数，以便日后的升级与移植，提高了程序的可靠性和兼容性，降低了开发难度。

4.1 主程序设计

系统的主程序流程如图5所示。由图5可知，初始上电后仪器完成所有模块初始化，然后开启软件定时器中断功能。中断周期为156.25 μs。在此软件定时中断服务程序中，可实现定间隔交流采样及数据变换处理。主程序主要实现LCD显示、LED状态刷新、键盘扫描、数据存储、通信数据库刷新等功能。

图5 主程序流程图Fig.5 Main program flowchart

4.2 LoRa模块收发功能软件设计

LoRa模块收发功能实现流程如图6所示。SX1268射频芯片是半双工收发器，发送与接收过程需分别考虑。

发送数据流程如图6(a)所示：首先，将Mode设置为001并进入待机模式，随后在发送初始化过程中使能发送中断，设定数据长度、数据地址等参数；然后，将需要发送的数据写入先进先出(first input first output,FIFO)队列中，再将Mode设置为011并进入发送模式；最后，等待数据发送完成，清除中断标志位，结束发送。

结合实际情况，接收数据流程采用连续接收模式，如图6(b)所示。进入待机模式后，在接收初始化过程中，配置接收中断标志、接收时间等参数。接收完成后，对数据包进行循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)。校验成功后，读取FIFO中的数据，然后清除中断标志位，结束接收。

图6 LoRa模块收发功能实现流程图Fig.6 Implementation flowchart of LoRa module transceiver function

5 样机测试分析

本文参考《GB/T 1242—2000 安装式指示和记录电测量仪表的尺寸》，选用常用的42方型仪表样式，完成了试验样机研制，并进行了基本电参量检测精度测试。

电压有效值、电流有效值、频率测试结果分别如表3～表5所示。

表3 电压有效值测试结果Tab.3 Voltage RMS test results

表4 电流有效值测试结果Tab.4 Current RMS test results

表5 频率测试结果Tab.5 Frequency test results

从表3～表5可以看出，所研制样机的基本电力参数检测相对误差均能控制在0.3%以内，可满足预定的设计指标要求。

6 结论

本文针对工业用户用电管理实际需求，研究了由现场仪表层、中间网关层、监控主站层构成的用电管理系统基本架构。所设计的智能电力测控仪可实现用电参数实时采集计算、电能质量参数在线分析计算等功能，支持LoRa无线通信组网方式。样机测试结果符合设计要求，对提升工业用户用电管理水平具有积极意义。