智能電表的工作原理是什么？如何進行設(shè)計？

一、智能電表的基本原理

智能電能表利用電子電路/芯片來測量電能，其原理如圖所示。

智能電表工作原理圖

智能電能表用分流器或電流互感器將電 流信號變成可用于電子測量的小信號，用分壓電阻或電壓互感器將電壓信號變成可用于電子測量的小信號，再利用專用的電能測量芯片將來自電壓互感器、電流互感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并對其進行數(shù)字積分運算，然后輸出頻率與電能成正比的脈沖信號，脈沖信號被送到微計算機處理后進行液晶顯示。

電子式智能電表主要是由電子元器件構(gòu)成，其工作原理是先通過對用戶供電電壓和電流的實時采樣，再采用專用的電能表集成電路，對采樣電壓和電流信號進行處理，并轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出，最后通過單片機進行處理、控制，把脈沖顯示為用電量并輸出。

通常我們把智能電表計量一度電時A/D轉(zhuǎn)換器所發(fā)出的脈沖個數(shù)稱之為脈沖常數(shù)，對于智能電表來說，這是一個比較重要的常數(shù)，因為A/D轉(zhuǎn)換器在單位時間內(nèi)所發(fā)出脈沖數(shù)個的多少，將直接決定著該表計量的準確度。

目前智能電表大多都采用一戶一個A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計原則，但也有些廠家生產(chǎn)的多用戶集中式智能電表采用多戶共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，這樣對電能的計量只能采用分時排隊來進行，勢必造成計量準確度的下降，這點在設(shè)計選型時應(yīng)該注意：

智能電表的工作特點智能電表不只采用了電子集成電路的設(shè)計，再加上具有遠傳通信功能，可以與電腦聯(lián)網(wǎng)并采用軟件進行控制，因此與感應(yīng)式電表相比，智能電表不管在性能還是操作功能上都具有很大的優(yōu)勢。

智能電表的工作原理如下：

1. 數(shù)據(jù)采集：智能電表通過自身的傳感器采集用電量等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式發(fā)送至電力公司數(shù)據(jù)中心。電力公司通過使用通訊網(wǎng)關(guān)將智能電表的數(shù)據(jù)進行匯總，并以Web或APP的方式展示給終端用戶。

2. 數(shù)據(jù)處理與儲存：電力公司接收到智能電表采集的數(shù)據(jù)后，會將數(shù)據(jù)在云服務(wù)器上進行處理。通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和模式識別等技術(shù)，可以使用戶清楚地了解自己用電量和開支，并可以通過調(diào)整用電習慣和設(shè)備，降低用電成本，并起到節(jié)能減排的作用。

3. 遠程控制與管理：通過智能電表連接到電力公司的管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)的遠程控制管理，當電網(wǎng)發(fā)生故障或過載時，管理系統(tǒng)可以自動斷開智能電表的供電以保護用戶設(shè)備的使用安全。

二、智能電能表主要由以下幾部分組成：

1、電源模塊，給電能表提供工作電源。

2、計量模塊，利用對電壓和電流采樣，通過計量芯片轉(zhuǎn)換為實際電能的數(shù)字數(shù)據(jù)(電能脈沖)輸出。

3、顯示模塊，用來顯示電量和相關(guān)數(shù)據(jù)。

4、通信模塊，用來和主機通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?

5、安全模塊，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?

6、時鐘模塊，為系統(tǒng)提供實時時鐘，作為電量凍結(jié)、費率切換的依據(jù)。

7、存儲模塊，用來存儲電能表參數(shù)、電量、歷史數(shù)據(jù)等。

8、通斷電模塊，用來控制用戶停送電。

現(xiàn)在的智能電表已經(jīng)不僅僅是簡單的計量了，還要傳輸多種數(shù)據(jù)，還有防竊電功能，智能電表相對于之前的機械電表更加安全，甚至可以分析出我們的用電習慣，那么智能電表的工作原理到底是什么呢，現(xiàn)在把單相智能電表和三相智能電表分別講解。

單相智能電表工作原理圖

單相智能電表工作原理簡述本產(chǎn)品由計量芯片、高速數(shù)據(jù)處理器、實時時鐘、數(shù)據(jù)接口等設(shè)備組成。在高速數(shù)據(jù)處理器的控制下，通過計量芯片準確獲得電網(wǎng)運行各實時參數(shù)，并依據(jù)相應(yīng)費率等要求對數(shù)據(jù)進行處理，其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存儲器中，并隨時向外部接口提供信息和進行數(shù)據(jù)交換，其原理框圖如下圖所示。

三相智能電表工作原理圖

電能表工作時，電壓、電流經(jīng)取樣電路分別取樣后，送至放大電路緩沖放大，再由計量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，高性能微控制器負責對數(shù)據(jù)進行分析處理。由于采用高精度計量芯片，計量芯片自行完成前端高速采樣，計量算法穩(wěn)定，微控制器僅需要管理和控制計量芯片的工作狀態(tài)。圖中的微控制器還用于分時計費和處理各種輸入輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時段完成分時有、無功電能計量和最大需量計量功能，根據(jù)需要顯示各項數(shù)據(jù)、通過紅外或 485 接口進行通訊傳輸，并完成運行參數(shù)的監(jiān)測，記錄存儲各種數(shù)據(jù)。

智能電表部分組成：

1、電源模塊，給電能表提供工作電源。

2、計量模塊，利用對電壓和電流采樣，通過計量芯片轉(zhuǎn)換為實際電能的數(shù)字數(shù)據(jù)(電能脈沖)輸出。

3、顯示模塊，用來顯示電量和相關(guān)數(shù)據(jù)。

4、通信模塊，用來和主機通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?

5、安全模塊，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?

6、時鐘模塊，為系統(tǒng)提供實時時鐘，作為電量凍結(jié)、費率切換的依據(jù)。

7、存儲模塊，用來存儲電能表參數(shù)、電量、歷史數(shù)據(jù)等。

8、通斷電模塊，用來控制用戶停送電。

下面我們來著重介紹智能電能表安全模塊

智能電能表安全模塊，安裝在電能表內(nèi)，用以實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的安全存儲、數(shù)據(jù)加/解密、雙向身份認證、存取權(quán)限控制、線路加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ?。在對電能表進行參數(shù)設(shè)置、預(yù)存金額、信息返寫和下發(fā)遠程控制命令操作時，通過 ESAM 進行安全認證、數(shù)據(jù)加 / 解密處理以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾?。ESAM保存電表費率時段、表號、客戶編號、購電金額、購電次數(shù)等與計量計費相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，修改時需要認證或認證 +MAC，保障數(shù)據(jù)存儲的安全性。

智能電能表安全模塊的特點

符合國家電網(wǎng)公司《智能電能表信息交換安全認證技術(shù)規(guī)范》中的安全功能性要求

支持 7816(T=0)、 SPI 通訊協(xié)議

支持 SM1 算法

支持包括透明文件、定長記錄文件、循環(huán)記錄文件、錢包文件等多種文件類型

文件支持明文、密文、明文 +MAC、密文 +MAC 四種認證方式

支持多級分散的密鑰管理體系

7816 時鐘頻率：1 ~ 5 MHz

SPI 通信速率支持 1 ~ 10 MHz

數(shù)據(jù)保存時間大于 10 年，EEPROM 擦寫次數(shù)大于 50 萬次

支持休眠模式

封裝形式：DIP8/SOP8/SOP14/SOIC8

工作溫度：-40℃ ~85℃

工作電壓：2.7V~5.5V