摘 要 ：為解決現有電力數據采集終端采集速度慢、功能擴展差的問題，提出了一種基于 SCM701 的電力數據采集終端設計方案。該方案以新一代自主研發的 SCM701 型處理器為管理核心，以操作系統平臺為基礎，以獨立應用為支撐，以硬件模塊化、軟件功能 APP 化為設計思路。經過實驗室大量試驗和現場長時間運行表明，基于該方案設計的采集終端采集速率和數據傳輸穩定性均有較大提升，可擴展性強，可根據現場用戶需求，靈活配置硬件功能模塊和軟件應用 APP，大大降低了現場運維成本，是新一代電力數據采集終端面向未來需求的一種較好發展方向。

0 引 言

按國家發展和改革委員會、國家能源局、工業和信息化部聯合發布的《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》相關要求[1-3]，結合采集系統的建設現狀，采集系統將向云計算、大數據+計量、清潔能源互動化、采集系統共享復用等方向發展[4-5]，為此要求電力數據采集終端（以下簡稱“采集終端”）應滿足相應系統發展要求，適應“大云物移”的發展方向。現有的采集終端設備結構單一、功能配置固定、資源配置偏低，難以滿足各種采集現場的個性化安裝及使用要求，采集終端設備面臨著升級換代的問題[6-9]。

1 需求分析

通過總結當前采集終端功能應用情況和應用經驗[10-12]，分析應用中的不足，制定新一代采集終端需求如下：

（1）硬件功能可擴展：根據不同的應用需求，設計各類應用模塊，不同規格的模塊以統一接口方式連接，形成適應不同業務需求的終端，實現采集功能；

（2）管理統一化：采用統一操作系統為平臺，方便管理采集終端文件系統及各應用接口，實現統一管控；

（3）業務軟件可升級：充分利用面向對象的抽象性、封裝性、繼承性和多態性等特性，使系統易于維護、便于擴展、可升級。

2 硬件設計

針對以上需求,面向未來應用,融合業界成熟的新技術,提出新型用電信息采集終端“模塊化、平臺化”設計思路，包含主控、加密、時鐘、藍牙通信、電源控制、交流采樣、以太網、USB、按鍵、LED指示、液晶顯示，支持熱插拔更換的模塊有HPLC模塊、4G模塊、控制模塊、485模塊和備用模塊，其中備用模塊可以根據用戶自身需求靈活配置，以實現個性化功能。硬件架構如圖1所示。

2.1 主控單元

2.3 4G 模塊

為確保在寒冷地區SIM卡可以正常通信，4G模塊增加SIM卡預熱電路，通過讀取運行環境溫度采取相應措施。當環境溫度低-20 ℃時，開啟SIM卡預熱電路，當環境溫度達到 -20 ℃以上時，關閉加熱電路，此舉可有效保證采集終端在極寒條件下的4G通信穩定性。圖3為4G模塊SIM卡預熱電路，通過三極管Q7完成加熱電路的開啟和關閉，實現方式簡單，成本低，性能可靠。

2.4 交流采樣電路

采集終端不是法定計量器具，其交采采樣數據不用于電費結算，但在實際應用中，其采樣數據對臺區線損治理、計量參考等具有重要意義，因此對終端的計量精度也提出較高要求。本設計方案中采用珠海炬泉出品的三相計量芯片ATT7022E，該芯片是三相多功能防竊電電能專業計量芯片，集成了七路二階 sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數的采樣 ；輸出采樣數據和有效值，芯片本身特性配合合適的外圍電路，可以實現0.5級精度的電能計量，滿足實際應用需求。在設計中，為避免電壓采樣電阻網絡發熱引起計量誤差，電阻網絡的電阻封裝選擇1206，大焊盤利于散熱，阻值選型經過計算留有充足的余量，并在 PCB LAYOUT時合理布局，避免密度過大引起局部熱量聚集，造成電阻阻值漂移。交流采樣電阻網絡如圖4所示。

4 應用設計

應用基于嵌入式操作系統，采集終端的功能應用劃分為基礎APP、高級業務APP、邊緣計算APP。

（1）基礎APP是高級業務APP的共用部分，包括系統管理、數據中心、無線遠程撥號管理、本地抄表模塊管理、模組管理器等。

（2）高級業務APP，基于基礎APP結合業務自身邏輯實現，包括居民家庭用能管理、大用戶用能管理、電動汽車有序充電、分布式能源管理、企業能效管理、臺區智能監測等。

（3）邊緣計算APP，基于業務APP實現，是對業務APP的擴展應用。

5 實驗驗證

為全面驗證該型采集終端的性能，針對該設計開展了兩個階段的驗證 ：實驗室驗證和現場試運行驗證，現場試運行驗證在實驗室驗證滿足要求后開展，通過兩個階段實驗的驗證結果表明，該型終端在功能和性能上完全滿足標準要求，部分性能超出標準要求。

5.1 實驗室驗證

依據國家標準和國家電網企業標準共開展各類檢測項目共計40余項，試驗項目涵蓋電氣性能、電磁兼容、環境影響、機械性能和功能，我們從中抽取功率消耗試驗和數據傳輸試驗的結果向大家展示。表1所列為功率消耗實驗結果，可以看出，該型采集終端的有功功率消耗相當于技術要求的1/4，遠遠高于標準的技術要求，這也符合我國低碳發展的要求。

該型采集終端數據傳輸信道的各項性能指標測試結果如圖5所示，發現采集終端的該項指標高于標準的技術要求，尤其是終端帶載能力中的紋波電壓遠遠高于指標要求，也從另一方面說明終端供電電源的質量較高，為終端未來現場持續穩定運行提供了有力保障。

5.2 現場試運行

選取××城市的5個小區10個臺區作為試點，經過長達3個月的運行，整機運行穩定，產品在通信速度、通信穩定性等方面表現出良好性能，具有較好的推廣價值。

6 結 語

通過大量驗證結果表明，基于 SCM701 的采集終端采用軟件 APP 化、硬件模組化的設計思路，使得該產品具有極大的靈活性，能夠適應不同的應用場景，用戶可以根據自身需求靈活選擇硬件模塊和安裝相應功能 APP，提升產品的通用性。該型采集終端在現場經過長期運行，各方面展現出的性能指標相比之前的終端有較大提升，具有較好的推廣價值，為用電信息采集設備的發展提供了一種思路，但對一些具體的算法研究還需進一步優化。

審核編輯 ：李倩