智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0引言

隨著全球資源逐漸稀缺、環(huán)境壓力不斷增大、電力市場(chǎng)化進(jìn)程不斷深入及用戶對(duì)電能可靠性和質(zhì)量要求的不斷提升，電力行業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，建設(shè)更加安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的電力系統(tǒng)已經(jīng)成為全球電力行業(yè)的共同目標(biāo)。智能電網(wǎng)(SmartGrid)就是利用現(xiàn)代測(cè)量、通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等IT先進(jìn)技術(shù)，允許可再生能源順利接入電網(wǎng)，提高電力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換和傳輸效率，確保電網(wǎng)運(yùn)行更可靠、更靈活、更經(jīng)濟(jì)，能為用戶提供更高的供電質(zhì)量和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。智能電網(wǎng)包含從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六個(gè)環(huán)節(jié)，智能電表屬于智能用電的環(huán)節(jié)。智能電網(wǎng)建設(shè)對(duì)電力設(shè)備提出更高層次的要求，智能電表和數(shù)字化變電站面臨較高景氣度，掌握該核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)將從中受益。因此，加大智能電表的研發(fā)力度將對(duì)我國(guó)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展具有重要意義。

1智能電表概述

智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由四部分組成，分別是高級(jí)量測(cè)體系A(chǔ)MI、高級(jí)配電運(yùn)行體系A(chǔ)DOI、高級(jí)輸電運(yùn)行體系A(chǔ)TOI和高級(jí)資產(chǎn)管理體系A(chǔ)AMI。智能電網(wǎng)必須具備靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和集成的通信系統(tǒng)，才能形成上述四大體系。

高級(jí)量測(cè)體系A(chǔ)M(IAdvancedMeteringInfrastructure)主要功能是授權(quán)給用戶，使系統(tǒng)同負(fù)荷建立起聯(lián)系，使用戶能夠支持電網(wǎng)的運(yùn)行。AMI是許多技術(shù)和應(yīng)用集成的解決方案，其關(guān)鍵技術(shù)和功能主要包括：

(1)智能電表

智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)電價(jià)是電力改革的關(guān)鍵。在發(fā)展智能電網(wǎng)中，智能電表受到前所未有的重視。智能電表不但能顯示用電量，而且能顯示電能價(jià)格，將推動(dòng)新的用電方式和生活方式。

(2)通信網(wǎng)絡(luò)

采取固定的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，能夠把采集的數(shù)據(jù)信息(包括故障報(bào)警和裝置干擾報(bào)警)實(shí)時(shí)地從智能電表傳到數(shù)據(jù)中心，是全部高級(jí)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

(3)計(jì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)MDMS

這是一個(gè)帶有分析工具的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與AMI自動(dòng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的配合使用，處理和儲(chǔ)存電表的計(jì)量值。

(4)用戶室內(nèi)網(wǎng)HAN

通過(guò)網(wǎng)關(guān)或用戶入口把智能電表和用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置連接起來(lái)，使得用戶能根據(jù)電力公司的需要，積極參與需求響應(yīng)或電力市場(chǎng)。

(5)提供用戶服務(wù)

如分時(shí)或?qū)崟r(shí)電價(jià)等。

(6)遠(yuǎn)程接通或斷開

AMI的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能電表，將有助于在消費(fèi)者和電力公司之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，使人們能夠基于環(huán)境和價(jià)格的考慮，最大程度地優(yōu)化能源用量。智能電表使智能電網(wǎng)具有多層智能，能夠?qū)崟r(shí)分析、決策、計(jì)劃并作出積極的行為。智能電表在智能電網(wǎng)中具備了電力的價(jià)值信號(hào)收集和發(fā)布功能，使電網(wǎng)能夠優(yōu)化所有的投資和運(yùn)行費(fèi)用，使發(fā)電機(jī)組與用戶電器的關(guān)系更加協(xié)調(diào)。由于人們對(duì)于智能電表的發(fā)展給予了極大的重視，所以智能電表的發(fā)展異常迅速。

智能電表可以讓用戶將屋頂風(fēng)電、屋頂光電裝置所生產(chǎn)的電能賣給電網(wǎng)，將有利于改進(jìn)能源預(yù)測(cè)，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部副部長(zhǎng)望月晴文指出，日本將根據(jù)自身的國(guó)情，圍繞大規(guī)模開發(fā)太陽(yáng)能等新能源、確保電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，來(lái)構(gòu)建獨(dú)具日本特色的智能電網(wǎng)。

目前，采用智能電表不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且可以通過(guò)儀表的網(wǎng)絡(luò)通信接口實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，組成分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2智能電表的硬件設(shè)計(jì)

2.1 MAXQ3180簡(jiǎn)介

MAXQ3180主要由DSP和集成ADC組成，是專用的電氣參數(shù)測(cè)量前端，它采集并計(jì)算多相負(fù)載的多相電壓、電流、功率、電能等多種電力品質(zhì)參數(shù)。外部主機(jī)通過(guò)片內(nèi)SPI總線讀出計(jì)算結(jié)果，并且通過(guò)SPI總線來(lái)配置MAXQ3180的工作模式，監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)。

2.2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能電表的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中計(jì)量芯片和主機(jī)的選擇是關(guān)鍵。在智能電表的設(shè)計(jì)中，專用計(jì)量芯片更便于電能和相關(guān)電力品質(zhì)參數(shù)的計(jì)算，所以將嵌入式控制器分離出來(lái)專門實(shí)現(xiàn)管理功能，如通信、費(fèi)率時(shí)段管理、實(shí)時(shí)電價(jià)、存儲(chǔ)管理等。

計(jì)量芯片選用Maxim生產(chǎn)的多功能低功耗計(jì)量芯片MAXQ3180，主機(jī)選用ST公司生產(chǎn)的STM32F107xx增強(qiáng)型ARM嵌入式控制器。由于STM32F107只具有10/100 Ethernet MAC，所以需外加10/100 Mb/s以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848CVV和RJ45連接器J0011D21B。這樣，智能電表可提供一個(gè)以太網(wǎng)通信接口，便于組成分布式通信網(wǎng)絡(luò)。

另外，智能電表還配有HMI人機(jī)接口，采用LCD液晶顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)和設(shè)定信息的顯示。采用非易失鐵電存儲(chǔ)器FRAM保存累計(jì)電能和設(shè)定信息。

3智能電表的軟件設(shè)計(jì)

智能電表的軟件主要由監(jiān)控程序，鍵盤掃描程序，顯示程序，設(shè)定程序，MAXQ3180數(shù)據(jù)讀取程序，量程自動(dòng)校正與功率補(bǔ)償程序，數(shù)字濾波程序，算法程序，實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序，分時(shí)電價(jià)程序，網(wǎng)絡(luò)通信程序等組成，采用C++語(yǔ)言編程，并進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

4降低系統(tǒng)功耗的設(shè)計(jì)方法

主機(jī)作為智能電表的核心之一，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電源管理負(fù)有重要的作用。由于專用計(jì)量芯片MAXQ3180的使用，主機(jī)只進(jìn)行管理和通信工作，選用低功耗產(chǎn)品STM32F107xx嵌入式控制器可以滿足要求。

降低計(jì)量部分的功耗，可以采用已下五種方法：

(1)采用3.3V供電電壓

MAXQ3180采用3.3V供電，使其可以和主流3.3V供電的微控制器接口，從而有效地降低了系統(tǒng)的功耗。

(2)采用低功耗模式

MAXQ3180能夠在微控制器的控制下降低工作頻率，進(jìn)入低功耗測(cè)量模式，其功耗可低到正常工作模式的25%~30%而保持功能基本不變。

(3)采用休眠模式和快速喚醒

MAXQ3180使用低功耗模式使得工作電流大大降低，而休眠模式和快速喚醒可以使得實(shí)際工作的時(shí)間縮短，從而減小占空比，并最終降低平均電流。

(4)降低動(dòng)態(tài)功耗

在計(jì)量芯片工作過(guò)程中，有很多部分采用間歇性工作方式，使得暫時(shí)不使用的部分處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣可以有效地降低系統(tǒng)平均功耗。在需要工作時(shí)，快速啟動(dòng)也是非常重要的，這就需要在計(jì)量芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中很好地分配時(shí)鐘和時(shí)序。MAXQ3180采用了這一先進(jìn)的技術(shù)，取得了非常好的節(jié)能效果。

(5)采用開關(guān)電源

在智能電表的設(shè)計(jì)中采用開關(guān)電源，這可以大大提高電源效率。

5防竊電技術(shù)的設(shè)計(jì)

MAXQ3180具備了低功耗模式和休眠模式，其中一個(gè)重要的應(yīng)用就是在防失(欠)壓竊電方面。當(dāng)發(fā)生失(欠)壓情況時(shí)，智能電表內(nèi)的電子單元失去了電壓線圈的主供電方式，就必須使用電池供電的方式。

MAXQ3180具有低功耗模式和休眠模式，更便于全失壓情況下的安培小時(shí)累計(jì)。MAXQ3180模式電源接線圖如圖3所示。

MAXQ3180可以使用和嵌入式控制器同樣的電池供電方式，這樣減少了電平轉(zhuǎn)換和電源管理芯片的成本。它可以在不需要時(shí)處于休眠模式，僅消耗少于1μA的電流，而在需要時(shí)由嵌入式控制器通過(guò)片選瞬間喚醒，進(jìn)入低功耗測(cè)量模式運(yùn)行。由于在休眠模式下所有的參數(shù)設(shè)置均保留，所以在喚醒后不需要進(jìn)行初始化就可直接工作，從而大大減少了工作時(shí)間，而且低功耗測(cè)量模式下不需要嵌入式控制器參與工作，嵌入式控制器可再次進(jìn)入休眠，直到MAXQ3180使用中斷或者使用嵌入式控制器自身資源再次喚醒，并將測(cè)量結(jié)果讀到嵌入式控制器中進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示和傳輸。

MAX3180全失壓安培小時(shí)累計(jì)模式時(shí)序圖如圖4所示。

在圖4中，嵌入式控制器和MAXQ3180的工作時(shí)序如下：

(1)嵌入式控制器和MAXQ3180休眠;

(2)嵌入式控制器喚醒;

(3)MAXQ3180上電;

(4)MAXQ3180預(yù)熱，只需幾個(gè)μs;

(5)MAXQ3180測(cè)量只需0.5～1個(gè)周期;

(6)MAXQ3180運(yùn)行，嵌入式控制器休眠;

(7)MAXQ3180測(cè)量結(jié)束，發(fā)送IRQ，將嵌入式控制器喚醒;

(8)嵌入式控制器讀數(shù)據(jù)結(jié)束，MAXQ3180回到休眠狀態(tài);

(9)嵌入式控制器回到休眠狀態(tài)。

在系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程中，工作電流很小，而且工作時(shí)間很短，最終使得平均電流相對(duì)于傳統(tǒng)方案大幅降低。這樣，在同等電池容量和運(yùn)行時(shí)間的要求下，MAXQ3180可以使用更高的頻率來(lái)進(jìn)行間歇性的安培小時(shí)累計(jì)，當(dāng)頻率高到一定的程度，可以近似認(rèn)為這樣的累計(jì)是連續(xù)的。

6結(jié)束語(yǔ)

本文以MAXQ3180計(jì)量芯片為例，采用ST公司生產(chǎn)的STM32F107 ARM嵌入式控制器為主機(jī)，介紹了智能電表的軟硬件設(shè)計(jì)和降低功耗的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)介紹了防竊電技術(shù)，為智能電表的開發(fā)提供了一個(gè)詳細(xì)的案例，通過(guò)以太網(wǎng)接口可以很容易組成通信網(wǎng)絡(luò)。

智能電網(wǎng)下的高級(jí)量測(cè)體系A(chǔ)MI包括智能電表、網(wǎng)絡(luò)通信、電表數(shù)據(jù)管理三個(gè)系統(tǒng)。借助該體系能實(shí)現(xiàn)智能需求側(cè)管理，比如用電狀況收集、需求側(cè)/電網(wǎng)雙向通信、實(shí)時(shí)電價(jià)響應(yīng)、智能家電控制、虛擬電廠和微網(wǎng)控制、防偷電等任務(wù)。通過(guò)智能電網(wǎng)中的智能電表，一些電力消費(fèi)會(huì)轉(zhuǎn)移到價(jià)格便宜的峰谷時(shí)段，減輕用電堵塞并降低對(duì)新設(shè)施建設(shè)的需要，使得消費(fèi)者省錢，排放量下降。電動(dòng)混合汽車可以在用電需求較低的晚間充電，甚至還可以在白天停放期間將電能重新輸回電網(wǎng)。智能電網(wǎng)不只是電網(wǎng)的發(fā)展機(jī)會(huì)，也是電器工業(yè)的發(fā)展機(jī)會(huì)，是信息技術(shù)的發(fā)展機(jī)會(huì)。未來(lái)我國(guó)智能電表具有非常廣闊的市場(chǎng)，將為我國(guó)電工儀表行業(yè)帶來(lái)巨大的商機(jī)，并推動(dòng)我國(guó)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展。