雙向計量型智能電表系統的設計

(河北工業大學信息工程學院，天津 300401)

0 引言

為實現社會經濟和資源環境的可持續發展，科學合理地配置電力資源，全球正在進行智能電網建設[1]。為適應智能電網建設和發展，智能表計通信網絡(advanced metering infrastructure,AMI)模型應運而生。它包括量測數據管理系統(measurement data management system,MDMS)、用戶戶內網(HAN)、智能電表和高級配電運行體系(advanced distribution operational infrastructe,ADOI)4部分，其中智能電表是不可或缺的組成部分[2]。

目前,新能源供電裝置(如屋頂風電、屋頂光電裝置)不斷接入家庭用戶。小規模供電裝置不僅可以解決用戶能源問題，而且還可把富余的電能反饋到電網中。這種新局面使得單向計量型電表不能滿足新能源供電系統的需求。所以設計與開發具有雙向計量功能的智能電表是時代賦予我們的使命[3-4]。

本文設計的雙向計量型智能電表系統，除具有快速安全的數據存儲、良好的人機交互等功能外，還具有雙向計量和3G遠程雙向通信功能。通過對系統的充分測試，驗證了設計方法的可行性及系統的實用性。

1 系統結構和原理

本文設計的雙向計量型智能電表由6個結構模塊組成：電流/電壓采集模塊、供電電源模塊、電能計量模塊、人機交互觸摸屏模塊、存儲模塊、3G通信模塊。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

系統中的供電電源模塊能把輸入的交流電轉換成系統所需的電壓，為系統供電，確保系統正常工作。電壓采樣模塊和電流采樣模塊可以把交流220 V電壓和電流轉換成滿足計量芯片輸入要求的電壓、電流信號。計量模塊完成電能/頻率間轉換，最后將電能以脈沖信號輸出。同時計量模塊還可以為CPU提供電能方向的指示信號，便于CPU計量處理。主控CPU模塊完成脈沖計量、數據轉換及存儲等功能。人機交互模塊通過采用觸摸屏實現數據顯示、信息查詢和系統參數設置等功能。3G通信模塊實現信息的雙向傳輸、網路遠程狀態監測、實時控制、系統更新等功能[5-6]。

2 硬件電路設計

2.1 主控芯片及計量芯片選型

綜合考慮智能電表的功能應用、開發及設計成本、外圍電路功能、功耗標準、計量精度等特點，選用STM32F103VET6作為主控芯片。它內嵌32位的CortexTM-M3內核，具有128 kB的閃存程序存儲器、20 kB的SRAM；擁有80個快速I/O接口、9個通信接口(I2C接口、USART接口、SPI同步串行接口、CAN接口、全速USB接口等)[7]。該芯片所擁有的資源滿足智能電表系統設計的硬件要求。

為實現雙向計量功能，系統設計選擇貝嶺公司的雙向計量芯片BL0929作為計量芯片。它可以實現對正、反向有功功率的測量，并且可以將反向有功功率轉換成與正向有功功率方向一致的脈沖輸出，同時指示反向用電情況。BL0929采用過采樣和信號處理技術，這樣可以大大提高芯片的測量精度，在輸入動態范圍(500∶1)內，非線性測量誤差小于0.1%。同時A/D轉換后的數據經過數字電路運算和處理，可以保證芯片長期的穩定性。BL0929的工作原理如下。

① 首先把采樣電路采集的電壓/電流模擬信號以差分形式分別輸入到BL0929電壓/電流輸入通道。

② 接著對電流/電壓輸入信號分別進行高精度采樣及模數轉換處理。

③ 將處理后的信號通過數字乘法器，得到瞬時功率信號。

④ 將瞬時功率信號通過一個截止頻率很低的取直低通濾波器，得到瞬時實功率信號。

⑤ 將瞬時實功率信號送到數字/頻率轉換模塊，該模塊會根據要求對瞬時實功率信號作長時或短時的積分。如果選擇的積分時間非常短，可認為得到的是瞬時能量消耗信息或瞬時功率消耗信息；如果選擇較長的積分時間，得到的是平均能量消耗信息或平均功率消耗信息。將不同時間積分結果轉換成周期性脈沖信號，這樣輸出的脈沖信號頻率與能量消耗大小成正比。

⑥ 最后將輸出的脈沖送到CPU，經過CPU數據處理，最終得到能量消耗信息。

2.2 計量模塊設計

計量電路是智能電表系統的核心模塊之一，該模塊分為采樣電路和計量電路兩個部分。計量模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 計量模塊電路原理圖

① 電壓通道的設計

輸入電壓的衰減通過九級電阻分壓網絡來實現，該衰減網絡允許至少有±30%的校驗范圍。分壓網絡的-3 dB頻率由兩個并聯的電阻和兩個并聯電容來實現。根據f=1/(2πR10C8)和通道1與通道2的匹配，本系統選定R17=1 kΩ、C8=33 nF。

② 電流通道的設計

考慮通道平衡和分流器寄生電感的影響，采用RC濾波器設計，即R1=R2=1 kΩ、C1=C2=33 nF，同樣滿足f=1/(2πRC)，實現對采樣輸入信號的濾波作用[8]。

通過對電壓/電流通道的設計，以滿足BL0929對應的差分電壓/電流的輸入要求。

信號以差分形式輸入計量芯片BL0929，芯片根據設置的工作模式及相應的輸出倍率將電能信號轉換成脈沖信號。BL0929有F1、F2、CF三個脈沖輸出引腳。其中F1和F2為低速邏輯輸出引腳，輸出頻率正比于平均有功功率。本系統選擇F1引腳作為脈沖輸出端。F1引腳輸出的脈沖信號送入CPU計數器TIM2的輸入引腳PA0_WKUP，同時將負功率指示腳REVP輸出的信號送入CPU的一個I/O口引腳PE2。啟動計數后，CPU通過對PE2引腳狀態的判斷實現正負功率對應脈沖的計數，從而完成雙向電能計量。CF引腳為快速脈沖輸出引腳，其輸出信號經光耦隔離后可以進行脈沖校驗檢測，用于校表。

2.3 存儲模塊設計

數據存儲對智能電表來說也十分重要，不但要正確，而且要及時。如果檢測到的數據不能及時寫入存儲器或者寫入錯誤，都會影響電表的精度，因此要考慮到數據的實時存儲與讀取問題。隨著智能電表在功能方面的不斷豐富，對應的數據程序量也會越來越大，所以還需考慮存儲空間問題。同時，為保證電表數據的安全可靠存儲，還必須考慮掉電保護等問題。系統存儲模塊設計時選擇的核心存儲芯片是FM24V10和SST25VF016[9]。

2.4 3G通信模塊設計

為實現遠程數據庫與智能電表間的雙向通信，即智能電表采集的各種用電信息及運行狀態能實時傳送到遠端的數據庫，同時智能電表也能接收遠端傳來的控制和設置命令，完成時間同步、遠程控制、遠程配置及更新等功能，系統選擇的通信方式為3G通信。系統選擇的3G通信模塊以集成芯片MG3732為核心。3G模塊電路如圖3所示。

圖3 3G模塊電路圖

系統采用USB接口實現CPU數據和3G數據的交互，兩者之間由VBUS、USB_D+、USB_D-連通。其中VBUS與外host端VBUS相連接。MG3732通過VSIM、SIM_IO、SIM_CLK、SIM_RST四個引腳控制SIM卡。

2.5 人機交互模塊設計

為更好地實現人機簡便式交互，系統選擇以ADS7846為核心芯片的4線式阻性觸摸屏來實現人機交互功能。

本系統采用3線串行接口，將觸摸屏的觸摸位置坐標接入TOUCH端口，它具有觸摸壓力檢測和自動省電模式。電阻觸摸屏功能電路如圖4所示。轉換成的坐標位置數字量通過系統SPI2總線方式與CPU進行數據交換，從而完成用戶觸摸操作與數據控制傳輸工作[10]。

圖4 電阻觸摸屏功能電路圖

3 軟件系統設計

穩定和高效的軟件系統在智能電表整個功能實現上起著決定性作用。由于整個電表管理比較復雜，本系統采用的程序設計思想是層次化設計與模塊化設計相結合的方法。這樣設計不僅使整個程序結構清晰，而且增加了程序的可維護性和調試性，同時也使整個程序運行更加穩定可靠，主程序流程如圖5所示。其中系統的初始化包括控制器STM32F103VET6初始化、LCD初始化、存儲器初始化、通信參數初始化、計量芯片BL0929初始化等部分。

電能計量是該智能電表系統軟件設計的核心之一。雙向電能計量的中斷服務程序如圖6所示。主要設計思想是：啟動計數器對脈沖進行計數，同時判斷負功率指示引腳REVP的狀態，如果是高電平，則負向脈沖計數加1，反之正向脈沖計數加1；然后由CPU對計數器內的數據信息進行處理及更新；最終通過顯示屏將正、負向用電信息呈現給用戶。

圖5 主程序流程圖

圖6 計量中斷服務流程圖

4 結束語

本文對設計的智能電表系統在一段時間內且在有正負電量切換的情形下進行了系統測試。通過對數據的計算及分析得出：該智能電表具有低功耗、高精度、高速度、多功能、開放性、數據控制通信便捷和用戶應用快捷等特點，滿足實際應用和現代智能電網的發展要求，具有很好的應用前景。

[1] 謝開,劉永奇,朱治中,等.面向未來的智能電網[J].中國電力,2008,41(6):19-22.

[2] Bennett C,Highfill D.Networking AMI smart meters[C]∥2008 IEEE Energy 2030 Conference,2008:1-8.

[3] 李楊,徐志艷.光伏發電并網及電能計量問題探究[J].科技風,2012(22):61-64.

[4] 常婧.智能電網建設對智能儀表的技術需求分析[J].儀器儀表,2010(4):58-60.

[5] 王思影,周暉,袁瑞銘,等.智能電能表的概念及應用[J].電網技術,2010,34(4):17-23.

[6] 張春暉.中國智能電表發展過程與導向[J].環球表計,2010(2):64-65.

[7] 孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].微計算機應用,2010,31(12):59-63.

[8] 侯曦,殳國華,張士文.數字雙向多功能電度表設計[J].微處理機,2007,1(1):16-18.

[9] 靜恩波.智能電網AMI中的智能電表系統設計[J].電測與儀表,2010,47(7A):36-39.

[10]左新斌.電能表遠程抄表系統通信方式的設計[D].濟南:山東大學,2011.