陕西省地方电力（集团）有限公司咸阳供电分公司 刘 欢 张宇翔 秦宏武 杨 伟

随着我国经济快速发展电力短缺日趋明显，节能和减少排放已经成为全社会的核心问题。为此，经营者积极响应国家要求加强推进节能及污染物排放减少。为确保减排措施长期有效，实时验测和持续检测，评估降低节能排放措施的影响，制定了相应的优化措施。其中，基站能耗管理中存在许多问题，如城市基站设备布局非常复杂、广泛且具有气候特性，网络基站耗电量系数过大，各基站耗电量似乎无法共享。在这种情况下，基站的电力管理器需要及时确认多个基站功耗[1]。

1 无线电流互感器装置原理及关键技术

想要同步采集到基站内的所有关键节点信息，其中最应该注意到的就是如何让异地钟同步，以及非长距离的无线传输，以上两点可通过对电压量和电流量的计算得出实时所用电量，将无线电流传感器装置制作出来。这也是此文在异地时钟同步和非长距离无线传输技术都研究一番之后才做的抉择，将本地网络式定时同步方式与Zigbee无线传输方式合二为一，进而达到同步传输的效果。

1.1 异地时钟同步技术简介

时钟技术领域以世界时间、协调世界时间与核时间为国际通用的时间标准，系统只有规定了时间标准，才能让之后不同却繁杂的时间节点得到一个标准，从而在标准时间内实现整个系统的同步。本文将时钟的同步描述为一对行为，并将分布在整个系统不同位置的条带。想要实现同步，就需要从时间同步以及频率同步着手研究，频率同步只需保证系统中拍频相同。如果要实现时间同步，不仅需确保每个节点的周期频率相同，还需确保每个节点的周期相位相同[2]。

对于寻常的远程同步记录系统来说，系统的速度远高于扫描速率和扫描信号的频率，则同步后产生的相位差对数据采集几乎没有影响。由此可见，节奏同步是指确保每个记录节点的节奏相同；最经典的时间同步莫过于移动通信网络，这也只是在时间精度方面严谨应用的典范。

1.2 短距离无线传输的技术指标

对网络而言，无线传输节点就是奠基的基础。无线传输最突出的一面莫过于是节点众多且密度极高，这就需任意一个无线节点都要拥有适量存储容量及计算能力。设置无线传输节点设计的几个指标，然后分析和比较典型的无线短距离传输技术进行选择。

低能耗。无线传输节点的基础是能量。本文研究的无线变压器以能效管理为对象，耗能问题十分严重。无特殊情况的话，电池才是无线传输节点系统的动能，然而由于电池功率的问题，导致无线传输节点只能维持数月、几年或是尽其所能的延长使用时间。现今的基站无线通信网络当中节点数量庞大，在一些节点数量众多、人口却稀少的恶劣环境中，想要更换电池的问题非常强人所难，故而因为电池大多是被无线通信的设备所消耗电力，更快捷的解决办法就是寻找适合的设备；容量大。由于现在的网络节点数量庞大，所以相应的容量也必不可小。

通讯能力。无线传输网络的节点是由通信速率及通信范围组成，也是无线通信能力最具分量的指标。通常情况下，无线通信在经过了无线传输节点后都会消耗极多的电力。而现在通信容量增长的越发迅速，数据传输时间可大大缩短，较少节点的覆盖范围可能更广，但这也与射频节点的能量消耗增加密切相关。随着通信容量的降低，这让系统越发密集，也让其需提供的节点数量越庞大，这就让整个系统的成本大幅度增多。所以对于通信容量及能源消耗的问题如何解决，怎么才能使系统成本降低，甚至还能让无线传输网络系统的使用寿命有所提升，都有待解决[3]。

传输距离。对于无线短途传输来说质量毋庸置疑，然而要是距离过远，对于传输质量还是会有影响。若是传输距离过近又会导致设备可用性的节点密度被迫增加，这会造成成本大幅度提升，并不符合本文的中心思想；可扩展性和灵活性。网络结构会因网络节点的数量而进行变化。所以在出现故障后极有可能造成节点故障，这样一来就要以新换旧。因此，为适应不断更新的网络结构，有必要为无线通信选择灵活、可扩展的传输模式。此外，在不同的应用中都能以更灵活、便捷的组合来配置组件，以便达到优先级系统的使用要求，这也让其避开了需为每个应用而开发新硬件系统的问题，对于节约成本来讲是一种不错的选择。

低成本。现今的无线传输网络对节点的需求是庞大的，唯有降低成本才是节约成本最好的选择。而现今的情况表明，唯有低成本才能让如此庞大的布局具现化，这体现了无线电源转换器的优势。因此，文中对于系统所需芯片推荐成本更低的、只要保证功能不打折即可。另外，由于设计指标并非独成一体、都是相互联系的，所以会出现某项指标出现浮动后会联动其他的指标也出现浮动，这些就属于具体情况具体分析的情况，在现实汇总以各项指标的真实数据进行分析，做最好的设计。

2 无线同步模块的硬件与软件设计

2.1 无线同步方案的设计

由于本地网络式的时间同步方式，方案的组成中电压测量主站无线模块与若干个电流测量节点终端无线模块分别一一对应，当主控中心、也就是主站无线模块将区域记录的电压信号作为参考信号后，对于时间脉冲和每个周期的时间信号提取就成为了时间信号上升方向发送无线电发射模块、并发送时间顺序。先将将发送时间排序，后将所收集到的本地电压数据进行有效值的计算。在下次发送时间信号之前，测量值将会发往每个终端无线电模块。这也是每个终端无线电模块收到独立国家时间信号时、使用硬件序列号探测器接收时间信号，激活终端并接收时间信号时接收每个分支的当前信号。

在主控中心处，主站无线模块以本地采集的电压信号作为参考信号，提取定时脉冲，每周期提取一个定时信号，以定时信号的上升沿触发无线发送模块，发送定时序列。当定时序列发送完毕后，立即启动本地电压数据采集并计算其有效值。待下次发送定时信号时，再将测量值发送到电流测量处的各终端无线模块。同时各终端无线模块接收主站发送的定时序列，采用硬件序列检测器检测定时信号，当收到定时信号时，同时启动各终端采集信号采集各分支的电流信号。

由于距离较近，无线传输时间可以忽略不计，这样各终端模块采集电流的时间即可以与电压模块的采集时间保持同步。并根据计算出的电流有效值以及第一点的电流瞬时值，即可以确定电流信号与参考电压信号的相位差。从而保证精确计算出各分支的能量信息。

通过这种方法，各终端模块根据采集的分支电流，以及主站模块发送的参考电压信号实时计算各分支的有功功率、无功功率、统计分支电度数。并根据要求，定时向主站模块发送各分支的电能信息等技术参数[4]。

图1 无线同步模块总体软件设计流程图

2.2 无线同步模块总体软件设计

打开无线同步调制器，初始化LPC2214主处理器与Zigbee无线电模块包括以下环节：系统速度、IampO端口、ADC、外部中断与UART的初始化。经以上步骤再次启动后，测量的过程中主无线模块将以电压信号作为参考值，产生的脉冲时间与各地每周定时信号和提取时间信号保持一致性。无线传输模块通过上边缘时间信号来激发传输同步码序列，同时无线端模块也开始搜寻同步码序列，同步后将发送，且无线传输模块将及时对局部电压数据进行采集。终端无线电模块也将对同步代码序列进行扫描，之后同步实时信息。在传输下一个同步编码同步时，将前一段时间的电压测量数据传输到每个无线终端模块，计算并恢复同步采集的电压和电流数据。

综上，本文深入分析了时钟同步和无线传输的原则，并监控基于能源效率管理的实时无线同步获取系统中的电力。考虑到系统的可能性、能源消耗和成本，设计了无线同步采集系统的设计，通过实际应用实现了最终测量数据的完美效果。

3 测试结果及分析

系统设计完成后，需要对系统的性能进行测试，以验证是否达到了预期的设计目的。同时利用仿真软件分析系统数据，对系统性能进行评判。系统测试可分为部分测试和整体测试两部分，部分测试主要包括网络传输测试、同步测试、存储测试三个方面。系统实物图如图2所示。

图2 系统实物图

本文针对于部分测试的内容多从实际观察角度即可得知、在此不做具体的分析，主要对网络整体测试进行分析，本文对网络整体得测试即为对电能的测试。从狭义的角度又可将电能测试分为电压测试、电流测试和电能测试。对一个终端进行分析，针对于本文不在同一点进行电能的监测系统相应的建设了同点检测系统作为对照。即在每个终端安装测电压装置，设置与数据中心相同的频率。在每次接收到数据中心数据同时会在终端处测定一下实际的电压数据，以此作为对比。实验中测定10000个点，两电压对比图如图3所示，将结果数据分析，对终端实时电能的消耗进行分析，如图4所示。

图3 电压数据对比

图4 电能数据对比

可以看出，通过此种方法所测得的电能消耗与真实数据之间偏差较小，偏差与实际数据的比值＜3%、在允许范围之内，本文提出的方法可行。分析出现偏差的原因，主要是因为：终端收到的电压数据是经过数据中心整理的有效电压、与网络实际的电压偏差。另外，电压数据经过传输后到达终端，在此虽然时间较短，但也并不能是的数据完全同步，可能会引起数据的偏差。

4 结语

本课题在开始阶段，通过阅读大量的相关文献，从时钟同步和无线传输的原理、发展和国际水平等方面进行了系统的学习和研究，面向能效管理的需求做出了特殊环境下的实时监测电量的无线同步采集系统。基于方案可能性、系统功耗大小、系统成本高低等多方面考虑，最终确定了实时监测电量的无线同步采集系统的设计方案。经过两年的研究和设计，最终测量数据完美达到效果。

本课题完成的工作主要有以下几个方面：结合我国能源紧缺的现状，并查阅分析了现阶段国内外在时钟同步和无线传输的发展现状，通过调查了解明确了课题的实用价值以及研究意义，并最终确定了可以实时监测电量的无线同步采集系统的具体方案；设计并实现了基于LPC2214核心处理器的无线同步模块各部分硬件电路的设计；设计并实现了无线同步模块各部分软件电路的设计，并进行了实验加以验证。