電能計量裝置中智能電能表的實踐思路構架探討

摘要：智能電能表是智能電網發展過程中的重要組成部分。智能電能表不僅能夠有效地顯示電量，還能夠顯示相對應的電能價格，對推動用電方式的革新具有積極的意義。由于電能表是電力系統中的必要設備，因此在我國未來的電工行業中需求量極大。文章主要針對智能電能表的基本原理、軟硬件構架進行了介紹。

關鍵詞：電能計量裝置；智能電能表；防竊電；軟硬件構架；智能電網；電力系統

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0013-02

1 智能電能表簡介

1.1 基本原理

智能電能表是以電子式電能表為基礎開發出來的最新科技產品，其工作原理和基本構成和以往的感應式電表存在一定的差別。智能電能表的主要構成組件是電子元件，它們首先對電流和電壓采樣，然后通過電表集成電路將電流和電壓信號轉換為脈沖輸出，最后再通過單片機的控制、處理，將脈沖顯示輸出。其基本構成圖如圖1所示：

1.2 智能電表的基本特點

因為使用電子集成電路設計，能夠聯網進行遠程通信，因此，相對傳統電表而言，智能電能具有其顯著的優勢：

1.2.1 功耗低。由于智能電能表是使用電子元件集成而成的，每塊電能表的功耗不超過0.7W，遠低于傳統電能表。

1.2.2 精度高。由于機械磨損等無法避免的缺陷，感應電能表會出現越走越慢、誤差越來越大的情況，而智能電能表則不會出現這種情況。

1.2.3 過載大、工頻范圍廣。智能電能表的過載倍數能夠達到6～8倍左右，量程較寬，同樣，工作率也在40～1000Hz之間，范圍較傳統的電能表要廣。

1.2.4 功能多。智能電能使用了電子表技術，因此能夠通過聯網進行網絡通信，從而實現遠程控制、遠程抄表等功能，這對傳統感應電表來說是無法實現的。

2 智能電能表的總體實踐思路框架

2.1 硬件設計

從智能電能表的總體設計框架來看，可以將硬件分成五個主要的部分，如圖2所示。其中，主機和計量芯片的選擇十分重要，計量芯片是進行電力品質計算和電能分析的主要組件，因此將其分離出來進行專門的功能管理，例如費率管理、存儲管理、通信等。

2.1.1 CPU核心模塊。該部分基于ATmega64L構件，并與MAXQ3180通信，以讀取最新的相關電力參數，并使用一定的算法計算，從而獲取必要數據并將其顯示到輸出設備上。電源監視器主要用于對電壓進行監視，以保證電壓的正常范圍，從而保護CPU正常工作。電存儲器的非易失性、讀寫快、讀寫壽命長的特點對CPU的正常運行具有重要意義，主要用于保存儀表的既定參數。按鍵掃描電路則主要用于顯示和參數的設定。

2.1.2 輸入模塊。該模塊分為三相三線與三相四線兩類接線方式，主要包括電流轉換電路、電壓轉換電路和采樣電路三部分。電流和電壓調理電路是使用電流、電壓互感器，其輸出信號通過調理后轉換成電壓信號，再被傳送到電壓、電流輸入設備中進行信號變換。

2.1.3 輸出模塊。輸出模塊使用TCP/IP協議進行輸出，輸出模塊使用STM32F107微控制器通過串行接口和CPU通信，并把CPU讀取的相關數據傳送到微控制器上。這樣，智能電能表就構建了一個以太網的通信接口，方便通信網絡的構建。

2.1.4 電源開關模塊。電源開關模塊能夠輸出兩組5V、一組15V的直流電壓，從而保證CPU、輸入輸出模塊和顯示模塊的電源供應。

2.1.5 顯示模塊。顯示模塊是一個相對獨立的部分，即通過顯示器將各類電力品質參數顯示出來。

2.2 軟件設計

智能電能表的軟件部分主要包括顯示程序、鍵盤程序、監控程序、數據處理程序、設定程序、校正程序、濾波程序、時鐘程序、通信程序和算法程序等，通常使用C語言進行編程，軟件結構使用了模塊化的設計方式。智能電能表在使用的過程中，不僅能夠對電度進行測量，還能測量電壓、電流、功率、功率因數等品質參數。通常情況下，對單相兩線、三相三線和三相四線系統，都是將一次電流和電壓信號通過互感器轉換成標準電壓和電流信號，然后再經過二次電流和電壓互感器轉換成電流信號，最后再使用取樣電阻獲取相應的電壓信號，并傳送至計量芯片上，由ATmega64L控制器通過總線獲取需要的電能品質參數。因為二次電流、電壓互感器的輸入、輸出信號間存在相移的情況，因此會出現一個角差，這會對功率和電度等產生較大的影響。目前，市場上常用的產品是使用二次電流和電壓互感器的副邊使得硬件電路增加來補償相移的。由于二次電流和電壓互感器離散性較強，實現起來比較復雜。另外，還有使用放大器放大二次電流和電壓互感器處理的信號，然后再傳送到微控制器進行采樣，同時使用電位器進行調節，這會在溫度變化和振動時降低測量的精度。而計量芯片對濾波和限幅直接處理后會對電流和電壓信號采樣，然后通過補償相角，除掉硬件補償電路和信號放大電路，同時也不需要電位器進行滿量程和零點調節，從而顯著提高了測量精度。

MAXQ3180能夠提供大部分的品質參數，且只需要進行做簡單處理就能夠進行顯示、存儲、顯示和傳輸。另外，它還能提供基波電能、諧波電能、分相電流和電壓的諧波均方根，這對電力質量的監控是很重要。

3 實驗分析數據

這里我們應用精密的二相測試電源對智能電能表的精度進行論證，測試輸入的電壓為205～265V，電流范圍為1～5A。通過對電流、電壓有效值的測量實驗，結果數據如表1和表2所示：

精度驗證的結果說明，智能電能表的測量精度較高，電流的誤差范圍在0.2%以內，電壓的誤差范圍也在0.2%以內，總體上精度均達到了設計的要求。

所以說，智能電能表在測量的精度上滿足了設計的基本要求，并在電網的運行過程中實現了數據的互動，不僅能夠對采集的數據、故障記錄進行統計分析，還能滿足數據采集的實時性要求，在電能計量裝置中具有非常重要的作用。

4 結語

隨著國外對智能電能表的大力推廣，電能計量行業重新充滿了活力，為國內的用電采集設備、電能計量裝置市場帶來了巨大的機遇。在智能電能表的推廣和研究領域，國內廠商不斷掀起新的高潮，各種新技術、新材料和新工藝的使用也極大提高了國內電能計量裝置的水平，為我國的智能電網發展提供了有利的技術后盾。

參考文獻

[1] 張有順，馮井崗.電能計量基礎[M].北京：中國計量出版社，2002.

[2] 薛秀娥.基于EPON智能電表ONU光模塊嵌入式設計與實現[D].西安科技大學，2013.

[3] 徐程.適用于高寒地區的智能電能表的研究與設計

[D].華北電力大學，2013.

作者簡介：余小剛（1962-），男，四川自貢人，國網四川省電力公司自貢供電公司工程師，研究方向：用電管理。

摘要：智能電能表是智能電網發展過程中的重要組成部分。智能電能表不僅能夠有效地顯示電量，還能夠顯示相對應的電能價格，對推動用電方式的革新具有積極的意義。由于電能表是電力系統中的必要設備，因此在我國未來的電工行業中需求量極大。文章主要針對智能電能表的基本原理、軟硬件構架進行了介紹。

關鍵詞：電能計量裝置；智能電能表；防竊電；軟硬件構架；智能電網；電力系統

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0013-02

1 智能電能表簡介

1.1 基本原理

智能電能表是以電子式電能表為基礎開發出來的最新科技產品，其工作原理和基本構成和以往的感應式電表存在一定的差別。智能電能表的主要構成組件是電子元件，它們首先對電流和電壓采樣，然后通過電表集成電路將電流和電壓信號轉換為脈沖輸出，最后再通過單片機的控制、處理，將脈沖顯示輸出。其基本構成圖如圖1所示：

1.2 智能電表的基本特點

因為使用電子集成電路設計，能夠聯網進行遠程通信，因此，相對傳統電表而言，智能電能具有其顯著的優勢：

1.2.1 功耗低。由于智能電能表是使用電子元件集成而成的，每塊電能表的功耗不超過0.7W，遠低于傳統電能表。

1.2.2 精度高。由于機械磨損等無法避免的缺陷，感應電能表會出現越走越慢、誤差越來越大的情況，而智能電能表則不會出現這種情況。

1.2.3 過載大、工頻范圍廣。智能電能表的過載倍數能夠達到6～8倍左右，量程較寬，同樣，工作率也在40～1000Hz之間，范圍較傳統的電能表要廣。

1.2.4 功能多。智能電能使用了電子表技術，因此能夠通過聯網進行網絡通信，從而實現遠程控制、遠程抄表等功能，這對傳統感應電表來說是無法實現的。

2 智能電能表的總體實踐思路框架

2.1 硬件設計

從智能電能表的總體設計框架來看，可以將硬件分成五個主要的部分，如圖2所示。其中，主機和計量芯片的選擇十分重要，計量芯片是進行電力品質計算和電能分析的主要組件，因此將其分離出來進行專門的功能管理，例如費率管理、存儲管理、通信等。

2.1.1 CPU核心模塊。該部分基于ATmega64L構件，并與MAXQ3180通信，以讀取最新的相關電力參數，并使用一定的算法計算，從而獲取必要數據并將其顯示到輸出設備上。電源監視器主要用于對電壓進行監視，以保證電壓的正常范圍，從而保護CPU正常工作。電存儲器的非易失性、讀寫快、讀寫壽命長的特點對CPU的正常運行具有重要意義，主要用于保存儀表的既定參數。按鍵掃描電路則主要用于顯示和參數的設定。

2.1.2 輸入模塊。該模塊分為三相三線與三相四線兩類接線方式，主要包括電流轉換電路、電壓轉換電路和采樣電路三部分。電流和電壓調理電路是使用電流、電壓互感器，其輸出信號通過調理后轉換成電壓信號，再被傳送到電壓、電流輸入設備中進行信號變換。

2.1.3 輸出模塊。輸出模塊使用TCP/IP協議進行輸出，輸出模塊使用STM32F107微控制器通過串行接口和CPU通信，并把CPU讀取的相關數據傳送到微控制器上。這樣，智能電能表就構建了一個以太網的通信接口，方便通信網絡的構建。

2.1.4 電源開關模塊。電源開關模塊能夠輸出兩組5V、一組15V的直流電壓，從而保證CPU、輸入輸出模塊和顯示模塊的電源供應。

2.1.5 顯示模塊。顯示模塊是一個相對獨立的部分，即通過顯示器將各類電力品質參數顯示出來。

2.2 軟件設計

智能電能表的軟件部分主要包括顯示程序、鍵盤程序、監控程序、數據處理程序、設定程序、校正程序、濾波程序、時鐘程序、通信程序和算法程序等，通常使用C語言進行編程，軟件結構使用了模塊化的設計方式。智能電能表在使用的過程中，不僅能夠對電度進行測量，還能測量電壓、電流、功率、功率因數等品質參數。通常情況下，對單相兩線、三相三線和三相四線系統，都是將一次電流和電壓信號通過互感器轉換成標準電壓和電流信號，然后再經過二次電流和電壓互感器轉換成電流信號，最后再使用取樣電阻獲取相應的電壓信號，并傳送至計量芯片上，由ATmega64L控制器通過總線獲取需要的電能品質參數。因為二次電流、電壓互感器的輸入、輸出信號間存在相移的情況，因此會出現一個角差，這會對功率和電度等產生較大的影響。目前，市場上常用的產品是使用二次電流和電壓互感器的副邊使得硬件電路增加來補償相移的。由于二次電流和電壓互感器離散性較強，實現起來比較復雜。另外，還有使用放大器放大二次電流和電壓互感器處理的信號，然后再傳送到微控制器進行采樣，同時使用電位器進行調節，這會在溫度變化和振動時降低測量的精度。而計量芯片對濾波和限幅直接處理后會對電流和電壓信號采樣，然后通過補償相角，除掉硬件補償電路和信號放大電路，同時也不需要電位器進行滿量程和零點調節，從而顯著提高了測量精度。

MAXQ3180能夠提供大部分的品質參數，且只需要進行做簡單處理就能夠進行顯示、存儲、顯示和傳輸。另外，它還能提供基波電能、諧波電能、分相電流和電壓的諧波均方根，這對電力質量的監控是很重要。

3 實驗分析數據

這里我們應用精密的二相測試電源對智能電能表的精度進行論證，測試輸入的電壓為205～265V，電流范圍為1～5A。通過對電流、電壓有效值的測量實驗，結果數據如表1和表2所示：

精度驗證的結果說明，智能電能表的測量精度較高，電流的誤差范圍在0.2%以內，電壓的誤差范圍也在0.2%以內，總體上精度均達到了設計的要求。

所以說，智能電能表在測量的精度上滿足了設計的基本要求，并在電網的運行過程中實現了數據的互動，不僅能夠對采集的數據、故障記錄進行統計分析，還能滿足數據采集的實時性要求，在電能計量裝置中具有非常重要的作用。

4 結語

隨著國外對智能電能表的大力推廣，電能計量行業重新充滿了活力，為國內的用電采集設備、電能計量裝置市場帶來了巨大的機遇。在智能電能表的推廣和研究領域，國內廠商不斷掀起新的高潮，各種新技術、新材料和新工藝的使用也極大提高了國內電能計量裝置的水平，為我國的智能電網發展提供了有利的技術后盾。

參考文獻

[1] 張有順，馮井崗.電能計量基礎[M].北京：中國計量出版社，2002.

[2] 薛秀娥.基于EPON智能電表ONU光模塊嵌入式設計與實現[D].西安科技大學，2013.

[3] 徐程.適用于高寒地區的智能電能表的研究與設計

[D].華北電力大學，2013.

作者簡介：余小剛（1962-），男，四川自貢人，國網四川省電力公司自貢供電公司工程師，研究方向：用電管理。

摘要：智能電能表是智能電網發展過程中的重要組成部分。智能電能表不僅能夠有效地顯示電量，還能夠顯示相對應的電能價格，對推動用電方式的革新具有積極的意義。由于電能表是電力系統中的必要設備，因此在我國未來的電工行業中需求量極大。文章主要針對智能電能表的基本原理、軟硬件構架進行了介紹。

關鍵詞：電能計量裝置；智能電能表；防竊電；軟硬件構架；智能電網；電力系統

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0013-02

1 智能電能表簡介

1.1 基本原理

智能電能表是以電子式電能表為基礎開發出來的最新科技產品，其工作原理和基本構成和以往的感應式電表存在一定的差別。智能電能表的主要構成組件是電子元件，它們首先對電流和電壓采樣，然后通過電表集成電路將電流和電壓信號轉換為脈沖輸出，最后再通過單片機的控制、處理，將脈沖顯示輸出。其基本構成圖如圖1所示：

1.2 智能電表的基本特點

因為使用電子集成電路設計，能夠聯網進行遠程通信，因此，相對傳統電表而言，智能電能具有其顯著的優勢：

1.2.1 功耗低。由于智能電能表是使用電子元件集成而成的，每塊電能表的功耗不超過0.7W，遠低于傳統電能表。

1.2.2 精度高。由于機械磨損等無法避免的缺陷，感應電能表會出現越走越慢、誤差越來越大的情況，而智能電能表則不會出現這種情況。

1.2.3 過載大、工頻范圍廣。智能電能表的過載倍數能夠達到6～8倍左右，量程較寬，同樣，工作率也在40～1000Hz之間，范圍較傳統的電能表要廣。

1.2.4 功能多。智能電能使用了電子表技術，因此能夠通過聯網進行網絡通信，從而實現遠程控制、遠程抄表等功能，這對傳統感應電表來說是無法實現的。

2 智能電能表的總體實踐思路框架

2.1 硬件設計

從智能電能表的總體設計框架來看，可以將硬件分成五個主要的部分，如圖2所示。其中，主機和計量芯片的選擇十分重要，計量芯片是進行電力品質計算和電能分析的主要組件，因此將其分離出來進行專門的功能管理，例如費率管理、存儲管理、通信等。

2.1.1 CPU核心模塊。該部分基于ATmega64L構件，并與MAXQ3180通信，以讀取最新的相關電力參數，并使用一定的算法計算，從而獲取必要數據并將其顯示到輸出設備上。電源監視器主要用于對電壓進行監視，以保證電壓的正常范圍，從而保護CPU正常工作。電存儲器的非易失性、讀寫快、讀寫壽命長的特點對CPU的正常運行具有重要意義，主要用于保存儀表的既定參數。按鍵掃描電路則主要用于顯示和參數的設定。

2.1.2 輸入模塊。該模塊分為三相三線與三相四線兩類接線方式，主要包括電流轉換電路、電壓轉換電路和采樣電路三部分。電流和電壓調理電路是使用電流、電壓互感器，其輸出信號通過調理后轉換成電壓信號，再被傳送到電壓、電流輸入設備中進行信號變換。

2.1.3 輸出模塊。輸出模塊使用TCP/IP協議進行輸出，輸出模塊使用STM32F107微控制器通過串行接口和CPU通信，并把CPU讀取的相關數據傳送到微控制器上。這樣，智能電能表就構建了一個以太網的通信接口，方便通信網絡的構建。

2.1.4 電源開關模塊。電源開關模塊能夠輸出兩組5V、一組15V的直流電壓，從而保證CPU、輸入輸出模塊和顯示模塊的電源供應。

2.1.5 顯示模塊。顯示模塊是一個相對獨立的部分，即通過顯示器將各類電力品質參數顯示出來。

2.2 軟件設計

智能電能表的軟件部分主要包括顯示程序、鍵盤程序、監控程序、數據處理程序、設定程序、校正程序、濾波程序、時鐘程序、通信程序和算法程序等，通常使用C語言進行編程，軟件結構使用了模塊化的設計方式。智能電能表在使用的過程中，不僅能夠對電度進行測量，還能測量電壓、電流、功率、功率因數等品質參數。通常情況下，對單相兩線、三相三線和三相四線系統，都是將一次電流和電壓信號通過互感器轉換成標準電壓和電流信號，然后再經過二次電流和電壓互感器轉換成電流信號，最后再使用取樣電阻獲取相應的電壓信號，并傳送至計量芯片上，由ATmega64L控制器通過總線獲取需要的電能品質參數。因為二次電流、電壓互感器的輸入、輸出信號間存在相移的情況，因此會出現一個角差，這會對功率和電度等產生較大的影響。目前，市場上常用的產品是使用二次電流和電壓互感器的副邊使得硬件電路增加來補償相移的。由于二次電流和電壓互感器離散性較強，實現起來比較復雜。另外，還有使用放大器放大二次電流和電壓互感器處理的信號，然后再傳送到微控制器進行采樣，同時使用電位器進行調節，這會在溫度變化和振動時降低測量的精度。而計量芯片對濾波和限幅直接處理后會對電流和電壓信號采樣，然后通過補償相角，除掉硬件補償電路和信號放大電路，同時也不需要電位器進行滿量程和零點調節，從而顯著提高了測量精度。

MAXQ3180能夠提供大部分的品質參數，且只需要進行做簡單處理就能夠進行顯示、存儲、顯示和傳輸。另外，它還能提供基波電能、諧波電能、分相電流和電壓的諧波均方根，這對電力質量的監控是很重要。

3 實驗分析數據

這里我們應用精密的二相測試電源對智能電能表的精度進行論證，測試輸入的電壓為205～265V，電流范圍為1～5A。通過對電流、電壓有效值的測量實驗，結果數據如表1和表2所示：

精度驗證的結果說明，智能電能表的測量精度較高，電流的誤差范圍在0.2%以內，電壓的誤差范圍也在0.2%以內，總體上精度均達到了設計的要求。

所以說，智能電能表在測量的精度上滿足了設計的基本要求，并在電網的運行過程中實現了數據的互動，不僅能夠對采集的數據、故障記錄進行統計分析，還能滿足數據采集的實時性要求，在電能計量裝置中具有非常重要的作用。

4 結語

隨著國外對智能電能表的大力推廣，電能計量行業重新充滿了活力，為國內的用電采集設備、電能計量裝置市場帶來了巨大的機遇。在智能電能表的推廣和研究領域，國內廠商不斷掀起新的高潮，各種新技術、新材料和新工藝的使用也極大提高了國內電能計量裝置的水平，為我國的智能電網發展提供了有利的技術后盾。

參考文獻

[1] 張有順，馮井崗.電能計量基礎[M].北京：中國計量出版社，2002.

[2] 薛秀娥.基于EPON智能電表ONU光模塊嵌入式設計與實現[D].西安科技大學，2013.

[3] 徐程.適用于高寒地區的智能電能表的研究與設計

[D].華北電力大學，2013.

作者簡介：余小剛（1962-），男，四川自貢人，國網四川省電力公司自貢供電公司工程師，研究方向：用電管理。