面向居民家庭智慧用能的隨器量測模塊設計與應用

摘" 要： 針對低壓居民用戶用能負荷感知、測量、采集和調控需求，文中研究了面向居民家庭智慧用能的隨器量測模塊設計與應用技術。首先，分析了居民家庭智慧用能雙向互動的業務場景；接著，進行了隨器量測模塊的硬件和軟件設計，通過搭載高精度計量芯片、HPLC+HRF雙模通信芯片和內嵌隨器量測軟件協議棧，實現了用電設備的嵌入式計量、通信、控制等主要功能。所研制隨器量測模塊經第三方機構檢測，計量精度達到1級，采樣頻率優于20 kHz，滿足用電設備高效雙向通信需求。該技術在河北開展了智慧用能示范應用，實現了居民負荷電器級深度感知和精準調節，得到工程實踐的驗證。

關鍵詞： 智慧用能； 隨器量測； 用電設備； 負荷調節； HPLC+HRF雙模通信芯片； 深度感知

中圖分類號： TN98?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）13?0180?07

Design and application of utilization measurement module for

smart energy use in residential households

CHEN Hena1， HAO Weiqi1， CAO Bo1， KANG Shouxin2， WANG Bingxiu1， WANG Xianhui1

（1. Beijing Smartchip Microelectronics Technology Co.， Ltd.， Beijing 102200， China;

2. Beijing Smartchip Semiconductor Technology Co.， Ltd.， Beijing 102299， China）

Abstract： The design and application technology of smart energy utilization measurement module （SEUMM） for residential households is studied to meet the demands of low?voltage residential users for energy load perception， measurement， collection and regulation. The business scenario of smart energy utilization with bidirectional interaction is analyzed. A detailed design of the hardware and software of the SEUMM is carried out， which achieves the main functions of embedded measurement， communication and control of electrical equipment by the installation of high?precision measurement chips， HPLC+HRF dual?mode communication chips and embedded measurement software stacks. The developed SEUMM has been tested by a third?party organization. The results show that its measurement accuracy reaches level 1， and its sampling frequency is above 20 kHz， which meet the requirements of efficient bidirectional interaction of electrical equipment. Demonstration applications have been carried out in Hebei Province， which achieve deep perception and precise adjustment of household load appliances， and the functions and performance of SEUMM have been verified by engineering practice.

Keywords： smart energy utilization; utilization measurement; electrical equipment; load regulation; HPLC+HRF dual?mode communication chip; deep perception

0" 引" 言

近年來全球能源供應緊張、能源價位持續高位振蕩，建立高效安全清潔的能源和節約能源已成為解決能源與發展間矛盾的重要共識[1?3]。隨著我國經濟社會高速發展，我國城鎮居民用電量持續飛速增長，新增用電中居民用電高達38%，空調等家電使用量猛增，已成為電網高尖峰負荷的主因[4]，同時居民用電還存在用電效率低的情況，電力發展面臨諸多難題。

低壓用戶負荷感知、測量和調控是供需互動向末端用戶延展的必要技術支撐，是提升電網能效、緩解供需失衡的重要手段。相關技術成為當下研究熱點。文獻[5]基于家庭用電成本、舒適度等多目標函數，構建了可控負荷模型，并利用粒子群算法進行求解，仿真結果顯示該模型的家庭用電成本大幅降低，不同的用戶家庭通過調整優化策略、凈成本、計算時間滿足家庭的用能需求。文獻[6]調研了居民參與電力系統調控的關鍵技術，提出了信息?物理?社會系統視角下的居民負荷調節能力精準快速感知等重點問題，并對未來研究方向進行了展望。文獻[7]研究創建了負荷協同控制架構，通過臺區負荷預測、實時運行監測與修正，實現臺區調度能力和負荷利用率提升，并開展了工程示范應用。文獻[8?9]研究了多種用能場景下用能成本計算方法，設計了智慧能源網關多表合采技術方案，負荷協同控制是智慧用能的基礎，而負荷協同的前提是基于海量的智慧用能設備數據的采集和高可靠指令的傳輸。隨器量測技術是用電設備應用中的新型感知技術，具有電參量量測和控制策略輸出等功能，可以有效打通能源感知的“最后的一公里”，支撐“源網荷”高效的互動，提高綜合能效，同時也可為統計電能替代產品及財政補貼提供數據支撐[10?11]。

文中開展面向居民家庭智慧用能的隨器量測模塊設計研究。研制的隨器量測模塊實現了高精度負荷量測、高可靠的數據傳輸與用電設備通信三大主要功能；隨器量測模塊在智能插座、家用電器實現了集成，并結合智慧用能主站平臺，開展了居民家庭智慧用能現場示范應用。

1" 雙向互動的智慧用能業務場景分析

低壓用戶雙向互動智慧用能業務場景如圖1所示。隨器計量家電、智能插座、物聯電表等設備接入用電信息采集系統，所有設備通過HPLC（Highspeed Power Line Communication，高速電力線載波）或雙模通信組成一個整體網絡。通過居民戶內安裝智能插座、家電隨器量測模塊等方式采集用戶能耗數據，實現居民負荷電器級的深度感知和精準調節，讓居民用能與電網需求友好互動。能源控制器通過與主站平臺配合，可準確預測臺區負荷波動，并在不影響客戶生活用能的前提下，有效匯聚和調控客戶側負荷資源，配合電網削峰填谷、平滑負荷曲線，還可調節具備間歇性特征設備的負荷，推動臺區“源網荷”協同運行[9，12?13]。

2" 面向智慧用能的隨器量測模塊設計

隨器量測模塊主要實現高精度負荷量測、高可靠的數據傳輸、與用電設備通信三大主要功能，可以不依賴電能表計算用電設備的功率和電能消耗，并以不小于20 kHz的采樣頻率采集電流及電壓數據，通過雙模通信方式接入用電信息采集網絡，將數據傳輸至主節點。

因此采用低功耗MCU作為主控芯片，搭載雙模通信芯片及高精度計量芯片，通過電壓及電流互感器采集用電設備電壓及電流。模塊內嵌可擴展的用電設備通信協議棧，通過UART串口控制用電設備，執行電器工作參數的下發與獲取，并支持用電設備主動上報事件。技術指標如表1所示。

2.1" 隨器量測模塊硬件設計

隨器量測模塊主要包括主控模塊、計量模塊、雙模通信模塊、通信接口模塊、電源管理模塊等，其基本硬件結構框圖如圖2所示。

2.1.1" 主控模塊設計

主控模塊是隨器量測模塊的核心組成部分，包括低功耗STM32G070RBT6 MCU及其外圍電路，MCU內嵌FLASH存儲器與SRAM，運行嵌入式操作系統及應用軟件，控制雙模通信模塊與計量模塊協同工作，接入本地通信網絡實現用電設備用電信息的采集與指令下發。可通過弱電接口電路與用戶的用電設備進行通信，實現對用電設備工作狀態的采集與控制。主控模塊電路如圖3所示。

2.1.2" 計量模塊設計

計量模塊采用無源互感器和專用計量芯片設計，與主控模塊MCU芯片通過SPI接口通信。計量芯片通過電壓及電流互感器對交流側電壓及電流進行采樣，從而計算相關用電數據，包括電壓、電流、功率、電量、功率因數等。

隨器量測模塊電能計量精度要求為1級，即1%的計量精度，因此需要選取高精度的計量芯片，同時還需要對采樣電路進行針對性設計，電流采樣電阻需要使用1‰精度的器件以確保精度。在此設計中，選取了鉅泉光電的ATT7053C芯片，該芯片為一顆專用單相電能計量芯片，內置19 bit的Sigma?Delta ADC，支持電能計量信息解算及原始采樣數據輸出，支持采用標準交流電源進行標定以確保計量精度，如圖4所示。

為了精確采集交流電壓，選取ZMPT112型精密微型電壓互感器，從隨器量測模塊強電接口取電，采用3個68 kΩ電阻串聯方式對輸入220 V交流電進行電壓電流轉換，互感器變比為2 mA∶2 mA，在220 V標準電壓下的電流值為：220 V÷（68 kΩ×3）=1.07 mA。互感器后級采用100 Ω電阻將電流信號轉換回電壓信號，0～2 mA電流對應電壓檢測范圍為0～200 mV，接入計量芯片電壓通道接口用于電壓采樣。電壓互感器電路如圖5所示。

2.1.3" 雙模通信模塊設計

雙模通信模塊主要由HPLC+HRF雙模通信芯片、發送功放電路、接收濾波電路、強電耦合電路以及HRF（Highspeed Radio Frequency）接口電路與內置天線組成。雙模通信芯片支持HPLC與HRF兩種通信方式，內部運行本地通信網絡協議棧程序，支持國家電網公司發布的雙模互聯互通技術標準，與主控模塊的MCU通過UART方式進行通信。強電接口電路用于將HPLC信號耦合至強電線路，實現強弱電之間的隔離。HRF接口電路與內置天線用于實現HRF收發功能，提供對HRF信號的收發切換以及濾波功能，其發送功放電路如圖6所示。

2.1.4" 弱電接口電路設計

弱電接口電路用于實現隨器量測模塊與用電設備之間的通信鏈路，實現控制指令的下發以及狀態信息的獲取。該電路模塊將主控MCU芯片的UART接口引出，并由內部的保護電路提供EMC防護，避免在惡劣工業環境下外部引入的靜電、脈沖群干擾導致隨器量測模塊工作異常或損壞，設計時遵循《GB/T 17626 電磁兼容試驗和測量技術》標準中對通信接口電路的相關要求。

2.2" 隨器量測模塊軟件設計

2.2.1" 軟件整體架構設計

隨器量測模塊軟件基于FreeRTOS操作系統開發，運行于隨器量測模塊硬件平臺，其軟件架構如圖7所示。

系統啟動時首先進行硬件初始化，初始化計量芯片及雙模通信芯片，讀取內部非易失存儲器中保存的設備基本信息，如設備本地地址、計量芯片校準數據、協議版本及類型、雙模通信參數等，并根據讀取到的參數對本機進行配置。全部配置完成后即可啟動FreeRTOS操作系統，并建立3個主要任務：雙模通信任務、智能電器管理任務、計量模塊控制任務。雙模通信任務主要執行本地通信相關事務，管理雙模通信模塊入網、數據通信等。智能電器管理任務用于根據平臺下發的指令對外部智能電器進行控制，進行協議指令的轉換。計量模塊控制任務主要執行電能計量、波形采樣等核心功能。

為保障采樣精度達到1級，出廠前需要對隨器量測模塊進行校準，模塊上電后啟動操作系統之前將監聽本地調試串口。若檢測到校準指令，則直接進入計量芯片校準流程，使用標準源重新標定計量芯片電壓增益轉換系數、電流增益轉換系數、功率增益轉換系數等，將計量精度校準至1%以內，然后重新初始化硬件，使用新的校準信息啟動操作系統。

2.2.2" 雙模通信軟件模塊設計

雙模通信任務啟動時首先判斷配置信息中的工作模式，選擇DLT645模式、DLT698.45模式、透傳模式進行配置，然后監聽與雙模通信模塊連接的串行接口，接收到數據幀后調用相應的協議棧處理函數接口進行處理。若接收到搜表尋址報文，則向雙模通信模塊返回本機地址，若接收到業務相關報文，則通過協議棧回復相關數據。特別需要注意的是，若處于透傳模式下，沒有給雙模通信模塊接口回復過本機地址，則需要通過協議棧處理搜表尋址報文，若已經回復過本機地址，則進入正常工作模式，不再響應搜表報文，建立隨器量測模塊與主站之間的業務通道，流程圖如圖8所示。

2.2.3" 計量軟件模塊設計

計量軟件模塊用于控制計量芯片相關任務，執行計量芯片校準、采樣數據收集以及原始ADC波形數據采集等功能，支持20 kHz的高速電流或電壓波形采集。正常處于電能計量狀態時，模塊以1 Hz的頻率進行計量數據更新，針對20 kHz的電壓與電流波形采樣需求，采用了基于主控芯片DMA（Direct Memory Access，直接存儲器訪問）數據傳輸和中斷觸發采集技術。啟動采樣時，由DMA硬件直接控制高速的SPI接口，從計量芯片將原始ADC時域采樣數據搬移至內存指定區域。此過程無需CPU干預，直接通過DMA控制器完成外設與存儲器之間的數據高速傳輸。預定采樣工作完成后觸發中斷通知CPU對數據進行處理。DMA控制器大大增強了系統整體的數據處理能力，實現了原始電壓電流波形的高速采樣，其工作流程如圖9所示。

進入采樣模式后，計量模塊控制任務從指令中獲取采樣深度參數。根據20 kHz采樣率的要求，設定定時器溢出計數值為50 μs，通過定時器溢出標志位觸發DMA動作，控制SPI通信，將外設數據搬移至SRAM中指定地址，完成一次DMA操作后，數據指針指向下一個內存單元。達到預定采樣深度后退出波形采樣模式，恢復正常計量模式，同時向雙模通信模塊控制任務發送消息，觸發數據傳輸，將采樣到的波形數據通過雙模通信信道傳輸至主站平臺。

2.2.4" 智能電器管理功能設計

智能電器通信任務軟件流程圖如圖10所示，主要控制本地接口接收及發送智能電器控制報文，兼做調試串口指令處理。任務執行時，監測本地接口接收到的接口報文，檢測接收到的報文類別是否為私有指令，如模式配置指令、校表模式專用指令等。若為私有指令則進行相關處理，若處于透傳模式則調用雙模通信協議棧進行上傳，否則，調用智能電器相關協議棧接口函數進行處理，與智能電器進行數據交互。

3" 隨器量測模塊檢測驗證

3.1" 隨器量測模塊研制

根據第2節的研究，研制了嵌入電空調、電熱水器等各種家用電器的隨器量測模塊，如圖11a）所示，嵌入智能插座等小型設備中的隨器量測模塊如圖11b）所示。本文研制的隨器量測模塊可實現家用電器等用能數據采集以及控制指令下發。

3.2" 隨器量測模塊測試驗證

針對隨器量測模塊搭建測試環境，如圖12所示。對模塊功耗、接口功能、事件告警、波形采樣、計量功能、通信性能等關鍵技術指標進行測試驗證。

文中研制的隨器量測模塊經第三方檢測機構檢測，性能和功能全部符合技術指標要求，靜態功耗低于0.22 W，波形采樣率大于20 kHz，計量精度優于1級，通信性能符合雙模互聯互通技術規范，測試結果如表2所示。

3.3" 智慧用能應用示范案例

在河北雄安，基于本文研制的隨器計量模塊和智能插座開展了低壓負荷調控系統的示范應用，如圖13所示。

智能插座內嵌隨器量測模塊或智能家電直接內嵌隨器測量模塊，主站系統基于低壓用戶負荷的高精度信息量測與高頻數據數據采集分析，可向客戶推送用能優化建議。客戶通過APP遠程控制家用電熱暖、空調等家電的工作時間，實現低壓客戶合理用能的精準指導，提升負荷調控的靈活性。主站平臺也可以基于隨器量測數據信息準確預測臺區負荷波動，并在不影響客戶生活用能的前提下，實現臺區峰值削減，推動臺區“源網荷”協同運行。

4" 結" 語

本文設計了面向居民家庭智慧用能的隨器量測模塊。該模塊搭載高精度計量芯片和雙模通信芯片，并且模塊內嵌有可擴展的用電設備通信協議棧。經第三方檢測機構測試模塊計量精度等級達到1級，采樣頻率不低于20 kHz，與用電設備之間可完成指令控制需求。在江蘇和河北等地開展了示范應用研究，進行了隨器量測模塊在智慧用能系統中的工程實踐，驗證了隨器量測模塊的功能和性能，為其大規模推廣應用奠定了基礎。

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