配电网安全经济运行的无线监测终端设计
山东科技大学电气与自动化工程学院、青岛黄海学院的研究人员李思如、陈玉杰、陈江波、姜宝华、公鑫，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文，为提高电能采集的精确度,确保配电系统的安全经济运行,本文设计了一款改进型电力监测终端。
采用三相多功能高精度计量芯片ADE7880采集多种模式下的电能信息,通过GPRS-DTU模块与用电管理中心服务器进行数据的双向通信,并对TEA通信加密算法进行改进,确保了系统通信数据的安全性。通过实际测试,将采集到的不同模式下的电流、电压、谐波、功率等电力参数通过无线终端上传到用电管理中心服务器,其精度已满足配电网安全经济运行的要求。
随着科技的发展，人类对电力能源的需求量越来越大，因此对配电网电能信息的监测精度提出了更高的要求[1]。另外，了解具体的负载和电网质量信息，对保障电力系统安全经济运行和电网质量恶化造成不必要的损失具有重要意义[2]。
文献1采用三相高精度计量芯片ADE7878测量电力参数[3]，虽然确保了电压、电流、功率的精确度，但是没有监测谐波的相关参数，而本设计选取的ADE7880芯片进一步引入了全新的谐波测量引擎，可以同时给出基波以及谐波相关测量值；文献2将GSM作为系统的通信方式[4]，采用电路交换模式传输数据，用户即使不传送数据也独自占有无线通道浪费了大量资源。
而本文设计的GPRS-DTU模块采用分组交换传输模式，用户只有在传输数据期间才占用资源，从而提高资源的利用率，并且通信时将数据量作为计费依据，降低了通信费用，能够实现配电网的安全经济运行[5]。
1 监测终端的系统组成及功能简介
本设计主要由单片机STM32F103ZET6、前端采样及滤波电路、三相多功能计量芯片ADE7880、GPRS-DTU模块、LCD触摸屏等组成。如图1所示。
图1 系统监测终端结构图
STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，作为本系统的控制核心，搭载高运行效率的多任务管理系统µC/OS-Ⅲ[6]，并在此平台上建立GUI界面通过LCD触摸屏显示出来，使人机界面更加友好。ADE7880是由美国ADI公司推出的高精度三相多功能计量IC，采用串行接口通信，其性能结构逾越了工业上对电能计量0.2S级别的精度和动态范围的要求。
此外，ADE7880可以计算所有相别的谐波畸变和总谐波失真(THD)，还可以分析任意次谐波，对每次谐波的计算准确度限制在0.1%之内。通过GPRS-DTU模块完成将采集到的三相电压、负载电流、电压电流谐波等电力参数传输给用电管理中心服务器[7]。
2 监测终端的硬件设计
2.1 前端采样及滤波电路设计
前端采样电路位于硬件系统的最前端，必须按照设计标准规范严格设计[8]。前端采样及滤波电路将配电网一次侧的电压电流信号转换为电压信号，然后通过接口传输到ADE7880中，实现抗混叠滤波的功能。图2、3为前端采样及滤波电路[9]，L1、L2、L3、L4为磁珠，可抑制信号线上的高频噪声和尖峰干扰。
由R4、C4和R10、C10构成的抗混叠滤波器实现高精度采样。RV1、RV2为22kΩ/3W的金属膜电阻，T2是1:1的电压互感器，具有很好的隔离效果。该电路具有外围电路简单，精度高等优点。
图2 电流前端采样及滤波电路
图3 电压前端采样及滤波电路
2.2ADE7880最小系统
ADE7880内部有4个电流通道和3个电压通道。其中，电流通道的4对差分电压输入分别为IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN；INP，INN。其最大的差分信号电压范围为±0.5V。电压通道为单端输入：VAP，VBP及VCP。
此外ADE7880还提供3种串行通讯口(I2C接口、SPI接口以及HSDC接口) 以及系统校准功能。ADE7880的电源模式如表1所示，由PM0和PM1的引脚状态决定模式的不同，其原理图如图4所示。
表1 电源模式
图4 ADE7880最小系统
2.3GPRS-DTU模块
本系统通信单元采用济南有人物联网技术有限公司生产的型号为 USR-GPRS232-700的GPRS-DTU 模块。该模块不仅同时支持数据透明传输模式和AT指令模式，还支持透明传输和AT指令模式在线切换，可以在不断电、不重启的情况下切换两种状态，只需向串口发送“+++”，如果3秒内返回“a”则表示切换成功。
GPRS芯片采用SIMCOM公司生产的SIM900A芯片，其主要部件有基带引擎、射频电路、存储器、SIM卡接口、串口以及一些外围电路。该芯片内部封装了TCP/IP协议栈以及PPP拨号协议，具有TCP/IP数据通信以及GPRS拨号上网功能，可直接与Internet网络连接[10]。单片机通过RS232串口发送AT命令给SIM900A，从而实现对SIM900A的控制。GPRS的基本原理图如图5所示。
图5 GPRS的基本原理图
3 监测终端的软件设计
3.1 ADE7880的初始化
软件部分首先应该完成单片机对ADE7880的驱动，然后完成对配电网电力参数的读取、处理及通信模块的设计。由于MCU会将ADE7880的PM0和PM1引脚保持为高电平，所以ADE7880始终在休眠模式(PSM3)中执行上电。然后，MCU分别通过将PM0置为高电平、PM1置为低电平使ADE7880进入正常模式(PSM0) [11]。图6为ADE7880的初始化流程图。
图6 ADE7880初始化流程图
3.2 TEA通信加密算法的改进
数据在传输过程中有可能受到网络攻击，严重影响配电网经济运行，因此本文引入TEA加密算法[12]，并在该算法中加入交织算法确保数据的安全性。TEA算法包括加密和解密两个过程。首先使用128位的密钥对64位（8个字节）的数据明文加密，进而产生一个64位的密文。循环加密的次数越多，加密强度越大，本文将该算法的迭代次数定义为16次，该条件下，TEA就具有较强的抗暴力破解和抗差分攻击能力。在加密过程中，64位明文被分两部分，128位密钥被分为四部分。
其中来源于黄金分割率的加密算子delta计算如公式（1）所示。
因为加密过程运用的所有运算都是可逆的，解密过程与加密过程相反。
为防止128位密钥泄露后通信加密信息被轻易破解，在TEA算法中加入交织算法。交织算法是将数据明文进行分组，每组为8个字节，将第一组明文与8字节的初始向量进行异或运算，并对运算结果进行TEA加密产生第一组密文；第一组密文与第二组明文进行倒序异或运算后产生新的第二组明文，然后对第二组明文进行TEA加密，按上述步骤循环到最后一组。
其中初始向量为用户自定义的8字节常数。在密钥失窃的情况下，改进型TEA算法比TEA算法的破解难度大，增强了通信信息的安全性。图7为改进型的TEA算法示意图，每个小方块表示1字节，8字节为一组明文。
图7 改进型的TEA算法
4 终端的实验测试结果与分析
本设计通过监测终端对电压、电流和电压电流谐波进行了实际测试，测试结果如表2～5所示。其中表2、3给出了A、C两相的电压电流测试数据。
表2 电压测试数据
表3 电流测试数据
表4 含量为5%的电压谐波
表5 含量为5%的电流谐波
通过对实验测试数据的分析，电压的测量误差小于0.08%；电流的测量误差小于0.09%；电压谐波的测量误差小于0.484%；电流谐波的测量误差小于0.546%，结果显示ADE7880在测量精度上具有巨大优势。
5 结论
本设计利用计量芯片ADE7880能够准确全面监测电力参数，通过不同的模式转换降低功率损耗，并且采用GPRS-DTU模块能够高效率地将数据储存和下载。引入TEA加密算法并对其改进，确保了配电网通信数据信息的安全性。通过对监测终端的实验测试，测量基本误差能够满足监测终端对配电网电能信息测量精度的要求。该终端对实现配电系统的安全经济运行具有重要价值。