以wifi遠距離傳輸為核心的非侵入式負荷監控，智能型電力系統作為智能電網的一個重要組成部分，其關鍵是靈活地實現信息流動和能量流在電網中的交互作用。作為智能用電的關鍵環節，負荷監控是通過實時采集用戶用電數據，完成對電力負荷能耗的監控，為用戶提供詳細的用電信息。在掌握了各種負荷用電信息之后，可以將負荷的使用時間和用電量合理分配，從而實現節能；電力公司了解用戶側負荷組成后，可以進一步優化電網規劃與運行，促進智能電網的發展。根據采集數據的方式，電力負荷監測可分為有侵入性和無侵入性。前一種方法是為每個負荷設置監控裝置，用于實時采集負荷信息，數據準確，有助于對負荷信息進行細化，但這種方法需要大量的監控設備，在采購、安裝、維修等過程中會耗費大量的成本。前者僅在電力供應進口端安裝監控裝置，即可實時采集用戶的總負荷能耗；采用負載識別算法將負荷類型細化，分別計算出每個負荷的用電量，實現了較低的總負荷能耗分類計量。易于安裝和維修，適合電力負荷在線實時監控。近幾年來，許多學者針對后者進行了研究。利用NIUSB-6002數據采集卡，設計前端信號調節電路，對電壓、電流采集信號進行降壓處理，實現負荷在線監控。由NI公司生產的NI6008與主要由型號為QNENGQBV200A02的電壓互感器和ChahuaCSM100AP的電流互感器組成的負荷數據采集電路，在1kHz的采樣頻率下完成負荷監測。采用ATT7022C電能計量芯片、電壓、電流互感器、ATT7022C等構成電能計量模塊，以S3C2440A處理器為主控芯片，與其他輔助模塊一起完成負荷監控。在以上的負載數據采集方案中，大多數都使用互感器對磁場干擾較大的負載數據進行采集，并用昂貴的數據采集卡對數據進行處理。作者以HLW8112為基礎，提出了一種低成本、高精度無創負荷監控裝置的設計方案，采用HLW8112型電能計量芯片取樣，對負載數據進行采集，選擇高使用率的STM32芯片作為微處理器進行數據處理，負載數據通過wifi遠距離傳輸上傳到云平臺，實現了在線實時負荷監控。

該設備主要由數據采集模塊、電源模塊、主控模塊、無線通訊模塊組成。作為研究的重點，數據采集模塊的設計是關鍵，數據采集的準確性和輸出數據的類型直接影響設備的性能，所以選擇不受磁場干擾的采樣電阻采集負荷電信號，選用HLW8112新型單相電能計量芯片HLW8112轉換電信號。功率模塊是本裝置工作的基礎，其穩壓度直接影響到設備的工作狀態，所以選擇開關電源芯片，具有效率高、穩定性好、體積小等特點。主控制模塊作為設備的核心，其調試、維修難度直接影響到設備的工程應用價值，所以選擇STM32F103單片機對數據采集模塊輸出的數據進行處理。選擇了wifi遠距離傳輸通訊模塊，將負荷數據上載到OneNET云平臺(中國移動物聯網開放平臺)，以實現對負荷的遠程在線實時監控。該設備的總體工作流程為：負荷監控裝置安裝在電力供應進口端，供電模塊向各模塊提供工作電壓；所述負載的總電壓，由數據采集模塊的高精度電阻轉換成電信號，HLW8112把電信號轉換成電壓，負載數據，如電流有效值，存儲在相應的寄存器中，主控制模塊將負荷數據作為負荷特征值進行計算處理，通訊模塊向OneNET平臺上載負載特征值，在OneNET云平臺上，用戶通過PC端或移動端瀏覽器登錄OneNET云平臺，實現了電力負荷的遠程在線實時監控。

數據采集模塊主要由HLW8112型電能計量芯片和采樣電阻等器件組成。一款高精度單相電能計量芯片，內裝晶振參考電源，僅需設計簡單的外圍電路，并編寫簡單的軟件代碼，主控模塊就能從芯片寄存器中讀取負載數據。該方法能夠實現1000∶1動態范圍內的有效電流和有效電壓測量誤差小于1%，采集精度高。選擇了溫度特性好、成本低、精度高的1mΩ銅錳電阻和200kΩ合金電阻作為取樣電阻，將電壓、電流經過電網收集、轉換成電信號后，通過芯片HLW8112內部ADC、經過DIGITALFILTER、DSP等處理后，電訊號以數字形式儲存在芯片寄存器中。HLW8112晶片管腳16腳接電源模塊提供3.3V工作電壓，以保持晶片電壓穩定，0.1μF的濾波電容供電。為了避免芯片電壓浮空而被燒壞，電路中GND與電網的零線作為參考點。按照電源的定義：P=I2R，當采樣電阻和1mΩ、2W時，該芯片可測的電流是44.72A。該芯片管腳5使用4個200kΩ和1個1kΩ的貼片合金電阻完成分壓處理，實現對負載電壓信號的采集，其中用4個相同電阻串接，解決了單一電阻耐壓不足、電網電壓波動等問題。HLW8112芯片支持SPI與US-ART通訊，為以后的無入侵性負載識別系統的研究提供了較好的硬件支持，作者選擇了高頻SPI通信方式對芯片數據進行輸出。在強電型工作環境下，數據采集模塊處于弱電環境中，為了確保主控模塊的安全，由于HLW8112大輸出頻率是6991Hz，所以采用了光耦隔離芯片來隔離這兩個模塊。該器件選用了高速光耦EL357NB和PS8101型光耦合實現SPI通訊。

STM32F103對HLW8112芯片寄存器中的負載數據進行SPI通信。監控設備打開，初始化每個模塊，HLW8112芯片12引腳置低，數據采集模塊開啟SPI通訊方式；HLW8112芯片11針置低，晶片選擇和進入工作模式；HLW8112芯片10針置低，在默認情況下，芯片時鐘信號從0開始，HLW8112芯片9管腳置位低，寫芯片寄存器的值默認為0。當時鐘信號為上升沿時，主控模塊將HLW8112的命令寄存器寫入0XE5，以開啟寫使能。并且對芯片系統進行控制，計量控制等寄存器寫到初值，之后，寫使能的關閉方法是寫入0XDC到命令寄存器；時鐘信號是下降沿時，主控制模塊通過將HLW8112寫到相應寄存器地址，完成對負載數據的讀取。當主機向數據采集模塊發送讀寫指令時，通過判斷HLW8112芯片命令寄存器7位的值來決定命令類型，如果值為0，則讀取命令；如果值為1，則寫入命令。主控制模塊中的負載特性值的計算方式是1)電流有效值=(電流有效值寄存器的值與電流的值寄存器的值)/(電流系數×223)，該設備選用1mΩ銅錳電阻采集負載電流，按采樣阻抗值=電流系數×1mΩ，電流系數可以用1求得。2)電壓有效值=(電壓有效值寄存器值×電壓有效值系數寄存器值)/(電壓系數×222)，由圖2可知，按電壓分壓電阻比(電壓系數×1kΩ)/1MΩ，實際占1∶1000，按電壓分壓電阻比例計算，電壓系數可以用1求得。3)有功功率值=(有功功率寄存器的數值×有功功率系數寄存器的值)/(電流系數×電壓系數×231)。

通訊模塊選擇了wifi遠距離傳輸WiFi芯片，具有組網簡單、成本低、傳輸速率高等特點。針對監控設備與云平臺的數據傳輸，作者采用透明傳輸方式，以保證負載wifi遠距離傳輸數據傳輸的質量。為了讓通信模塊云平臺進行遠程通信，以路由器作為連接網絡的橋梁，實現了模塊無線連接距離的延伸。常規配網方式中，當通訊模塊與新路由器相連時，設備需要修改主控模塊的底層代碼，以實現路由帳號和口令的修改，這不利于設備的工程應用。為此，作者把帳號和口令通過網頁配網的方式輸入到EEPROM中，動態地連接新路由。經過用戶名和密碼驗證，wifi遠距離傳輸WiFi模塊通過AT指令設置為1)AT+RST：重啟WiFi模塊。2)AT+WSKEY=WPA2PSK：配置如何配置訪問密碼加密。3)AT+CWMODE=STA：將WiFi模塊配置為Station模式，它可以在當前環境下連接到WiFi熱點。4)AT+CIP-MUX=DISABLE：將WiFi配置為單路連接方式。5)AT+CIPSTART="TCP","183.230.40.33","80"：為云服務器的IP地址建立TCP連接。6)AT+CIPSEND=">"：在接收到的數據格式為>>時，模塊進入傳輸模式，并將數據發送到云平臺服務器。基于HTTP和JSON數據格式的無線通信模塊與云平臺之間以RESTfulAPI進行通信，使wifi遠距離傳輸通信模塊與云平臺服務器之間建立了短接，方便了數據傳輸。

選用LED燈，7W功率，32W電源的電風扇，以及23W功率的LCD顯示器作為實驗對象，在開電3種負荷情況下，實時采集各負荷瞬時電流的有效值，并且選擇是否有測量精度及是否有多負荷的投切過程作為設備的性能指標。在儀器測量精度的測試中，作者采用了型號為VIC-TORVC890D的數字式萬用表測量的三位半(分辨率為1/2000)和±2.0%的萬用表進行比較。采用該裝置和萬用表分別測量3種電力負荷的工作電流，并計算出1、50,100次各測得的電流平均值，并通過二者之間的相對誤差計算該裝置的測量精度。該儀器和萬用表的測量結果見表1。從表1可以看出：該裝置經過多次測量，該裝置與萬用表間平均電流值的相對誤差不超過1%，即可以達到99%以上，從而表明該裝置可以實現電力負荷數據的高精度測量。另外，還進行了LED燈泡、電風扇、液晶顯示器的測試，同時實時采集其瞬時電流有效值，并根據電流波形的變化檢驗該裝置是否能進行多重負荷投切。該設備可以監測負荷從開至穩運行的暫態過程數據和穩態過程數據，能夠較好地描述各種電力負荷在工作時的電氣特性，為無入侵性負荷識別系統的研究提供了依據。

云平臺是開發的一個物聯網開放平臺，可以方便地幫助負荷監測設備實現接入和連接，快速完成監測設備開發部署，并為負荷監控設備提供完善的物聯網方案。負載數據的監測界面如圖8所示，左邊顯示的是電力負荷的歷史負荷信息，右邊顯示的是負荷的實時信息。當用戶登錄到云平臺后，可以在監控界面上實時在線瀏覽電力負荷的電壓、電流和功率信息，分析負荷歷史信息，可以了解負荷歷史情況。

作者所研制的無創負荷監控裝置，是用一種新型的單相電能計量芯片HLW8112，將采集到的電阻器電位器轉換成數字電荷形式的負荷數據。該系統精度高、成本低、維修簡便、不受磁場干擾，適用于單、多載條件下監控，測試準確度達99%以上。不僅能獲得負載的電壓、電流、有功功率等有效值，還能獲得負載電壓、電流峰值、瞬時、波形圖等電力參數。在數據傳輸方面，設計了串口和wifi遠距離傳輸兩種通訊方式，可通過串口打印負載功率參數，通過wifi遠距離傳輸WiFi網絡用戶可登錄云平臺，實現對用電負荷的在線實時監控。該設備為無創負荷識別系統可望實現電網智能優化調度。