高級(jí)計(jì)量體系(AMI)中的智能電能表設(shè)計(jì)

摘要：智能電能表在智能電網(wǎng)高級(jí)計(jì)量體系(AMI)中起著重要的作用，是客戶與電力公司雙向交互的重要終端設(shè)備，將推動(dòng)新的用電方式和生活方式。為了更好地實(shí)現(xiàn)智能電能表的功能，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)智能電能表的主要硬件及軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)嵌入式安全模塊ESAM進(jìn)行了設(shè)計(jì)說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；高級(jí)計(jì)量體系；智能電能表；計(jì)量芯片；ESAM模塊

0 引言
    目前，智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)全面開展。所謂智能電網(wǎng)，就是將各種能源資源的開發(fā)利用，發(fā)電、蓄電、輸電、配電、用電以及終端用戶的各種電氣設(shè)備和用能設(shè)施，通過(guò)數(shù)字化、信息化網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地連接在一起，為電力終端客戶提供全面服務(wù)，為社會(huì)充分、合理利用各種能源資源、節(jié)能減排，促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)支撐。它包括高級(jí)計(jì)量體系(AMI)、高級(jí)配電資產(chǎn)運(yùn)行(ADO)、高級(jí)輸電運(yùn)行(ATO)和高級(jí)資產(chǎn)管理(AAM)四大模塊。其中AMI是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵體系，而智能電能表又是AMI的核心。本文通過(guò)分析智能電能表在AMI中的作用，對(duì)智能電能表進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，滿足其在智能電網(wǎng)中的功能要求。

1 智能電能表在AMI中的作用
1．1 AMl概述
    AMI作為智能用電最核心、最關(guān)鍵、最基礎(chǔ)組成部分，分為四層實(shí)現(xiàn)電力用戶與電網(wǎng)公司之間能量流、信息流、業(yè)務(wù)流雙向互動(dòng)的新型供用電關(guān)系。
    高級(jí)計(jì)量體系分四層實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

    頂層為主站層，是AMI系統(tǒng)的測(cè)量／計(jì)量數(shù)據(jù)管理中心、AMI通信管理中心和電力用戶預(yù)付費(fèi)管理中心。
    第二層為上行通信層，滿足主站與電表、主站與手持終端等遠(yuǎn)程通信的需求，為電網(wǎng)公司和電力用戶提供雙向交互的通信信道。
    第三層為智能計(jì)量與分布式電源接入層，包含智能電能表、智能手持終端、分布式發(fā)電系統(tǒng)等設(shè)備或裝置。
    其中，智能電能表作為核心設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量、需量測(cè)量、階梯電價(jià)、費(fèi)率和時(shí)段、凍結(jié)、預(yù)付費(fèi)功能、參數(shù)設(shè)置、事件記錄及上報(bào)、遠(yuǎn)程通信、本地通信、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、編程、電價(jià)計(jì)費(fèi)等功能；智能手持終端輔助主站系統(tǒng)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)售電、現(xiàn)場(chǎng)客戶服務(wù)等功能；分布式發(fā)電系統(tǒng)含電源和并網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)分布式能源接入。
    最底層為戶內(nèi)智能終端層，顯示終端與智能電能表構(gòu)成電力用戶與電網(wǎng)交互的門戶。
1．2 智能電能表在AMI中的作用
    在AMI四層結(jié)構(gòu)中，智能電能表發(fā)揮著重要作用。智能電能表將有助于在消費(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。智能電能表使智能電網(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。
    目前，采用智能電能表不僅可以實(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)。
    智能電能表不但能顯示用電量，而且能顯示電能價(jià)格，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的帶有時(shí)標(biāo)的多種間隔用電計(jì)量，而且具有電量?jī)鼋Y(jié)功能，可以存儲(chǔ)特定時(shí)刻的電量數(shù)據(jù)，比如設(shè)定存儲(chǔ)月末零點(diǎn)時(shí)刻的電量數(shù)據(jù)，為實(shí)行居民用電階梯電價(jià)收費(fèi)奠定基礎(chǔ)。
1．3 智能電能表的工作原理
    智能電能表是由測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成，具有電能量計(jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、信息交互等功能的電能表。單、三相智能電能表都是多功能意義上的電能表，是在電能計(jì)量基礎(chǔ)上重點(diǎn)擴(kuò)展了信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、信息交互等功能。
    它的工作原理如下：采用計(jì)量芯片或A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)用戶供電電壓和電流實(shí)時(shí)采樣，通過(guò)MCU進(jìn)行處理計(jì)算，完成峰谷、正反向或四象限電能的計(jì)量，并將電量信息等通過(guò)顯示或通信的方式輸出。智能電能表工作原理圖如圖2所示。

2 智能電能表的硬件設(shè)計(jì)
2．1 計(jì)量芯片設(shè)計(jì)
    對(duì)于電能計(jì)量芯片，在功能方面除實(shí)現(xiàn)基本的電能計(jì)量外，還要求能夠測(cè)量電壓、電流(火線及零線)、分相功率、功率因數(shù)等電參量。而在性能方面要求具有更高的測(cè)量精度、更寬的測(cè)量范圍及更好的產(chǎn)品一致性。性能的提高要求在設(shè)計(jì)中計(jì)量芯片均采用單獨(dú)的芯片。計(jì)量芯片將來(lái)自電壓／電流互感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算，從而精確地獲得有功、無(wú)功電能，實(shí)現(xiàn)防竊電功能、諧波分析等。
2．2 MCU設(shè)計(jì)
    智能電能表含有功能較強(qiáng)的微控制器(MCU)，將計(jì)算機(jī)的CPU，RAM，ROM，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和多種I／O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的微計(jì)算機(jī)。
    微控制器依據(jù)相應(yīng)費(fèi)率和需量等要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算后的結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元中，并可隨時(shí)向外部接口提供信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。有MCU的支持，可以方便地實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)供電系統(tǒng)內(nèi)精確、可靠地管理，不僅可以實(shí)現(xiàn)用戶清潔能源輸送到電網(wǎng)的雙向計(jì)量、雙向通信，而且還可以通過(guò)強(qiáng)大的I／O接口，實(shí)現(xiàn)智能家電的控制功能。
2．3 通信芯片設(shè)計(jì)
    智能電能表的通信芯片采用可熱拔插的通信模塊，可采用寬帶無(wú)線(McWill)、電力線載波(PLC)、無(wú)線公網(wǎng)(GPRS)和短距離無(wú)線、RS 485、電力紅外等方式與智能顯示終端、智能手持終端雙向通信。支持其他通信技術(shù)的無(wú)縫接入，模塊更換后具備自動(dòng)識(shí)別功能。
2．4 時(shí)鐘芯片設(shè)計(jì)
    智能電能表復(fù)費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)、階梯電價(jià)等多種功能的實(shí)現(xiàn)，都需要準(zhǔn)確的獨(dú)立時(shí)鐘的支撐，應(yīng)采用具有溫度補(bǔ)償功能的內(nèi)置硬件時(shí)鐘電路。常用的如DS3231具有集成的溫補(bǔ)晶振(TCXO)和晶體。包含電池輸入端，斷開主電源時(shí)仍可保持精確的計(jì)時(shí)。集成晶振提高了器件的長(zhǎng)期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。其主要特性為0～40℃范圍內(nèi)精度為±2 ppm，-40～+85℃范圍內(nèi)精度為±3～ppm，始終滿足約±5 ppm(0．5 s／d)的行業(yè)要求。該芯片提供電池備份輸入，有效地降低了功耗。

3 嵌入式安全模塊ESAM模塊設(shè)計(jì)
    智能電能表通過(guò)固態(tài)介質(zhì)或虛擬介質(zhì)對(duì)電能表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、預(yù)存電費(fèi)、信息返寫和下發(fā)遠(yuǎn)程控制命令，操作時(shí)需通過(guò)嚴(yán)格的密碼驗(yàn)證或ESAM模塊等安全認(rèn)證，以確保數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。
    嵌入式安全模塊(Embedded Secure Access Module，ESAM模塊)是一種智能CPU卡，ESAM模塊是將智能卡芯片封裝成標(biāo)準(zhǔn)DIP8集成電路模塊的形狀。
    電能表中采用的ESAM模塊，是集成了SM1算法的安全認(rèn)證芯片，它內(nèi)部集成有E2PROM，可以存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的數(shù)據(jù)。可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾浴?br />     ESAM模塊安裝在表計(jì)內(nèi)部，其ESAM模塊管腳分配及封裝圖如圖3所示。

    其內(nèi)部的硬件主要包括：
    CPU及加密邏輯：保證E2PROM中數(shù)據(jù)安全，使外界不能用任何非法手段獲取E2PROM中的數(shù)據(jù)。
    RAM：工作時(shí)存放命令參數(shù)、返回結(jié)果、安全狀態(tài)及臨時(shí)工作密鑰的區(qū)域。
    ROM：存放程序的區(qū)域。
    E2PROM：存放應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)域，ESAM將數(shù)據(jù)以文件形式保存在E2PROM中，在滿足規(guī)定的安全條件時(shí)，可進(jìn)行讀或?qū)憽?br />     I／O接口：數(shù)據(jù)交換接口，用于數(shù)據(jù)的傳輸。
    文件系統(tǒng)：ESAM內(nèi)嵌片上操作系統(tǒng)(Chip Operation System，COS)，對(duì)模塊內(nèi)的基本操作方式為：從數(shù)據(jù)接口接收一條命令，然后經(jīng)過(guò)處理返回應(yīng)答信息給數(shù)據(jù)接口。其處理過(guò)程如圖4，圖5所示。

    數(shù)據(jù)在傳輸方式上有3種類型：明文方式、明文校驗(yàn)方式和密文校驗(yàn)方式。當(dāng)數(shù)據(jù)以明文方式進(jìn)行傳輸時(shí)由數(shù)據(jù)管理器將數(shù)據(jù)直接送給命令處理模塊，當(dāng)數(shù)據(jù)以明文校驗(yàn)或密文校驗(yàn)方式傳輸時(shí)需要加密運(yùn)算器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
    ESAM的基本文件系統(tǒng)是由主控文件MF(Master File)，目錄文件DF(Directory File)和基本文件EF(Element File)組成。主文件MF在CPU卡中惟一存在，在MF文件下可以有多個(gè)目錄文件DF和基本文件EF，每一個(gè)MF目錄下的DF可以存放多個(gè)基本文件EF和多個(gè)下級(jí)目錄文件DF，包括下級(jí)目錄的目錄文件為DDF，不含下級(jí)目錄的目錄文件為ADF。EF文件主要包括KEY文件、錢包文件、記錄文件。
    CPU卡的內(nèi)部文件采用目錄管理的方式，即主文件管理多個(gè)目錄文件，一個(gè)目錄文件管理多個(gè)基本文件。而在主文件和目錄文件下都有密鑰文件，同時(shí)每個(gè)文件都有訪問(wèn)權(quán)限，即必須達(dá)到某一權(quán)限才能進(jìn)行讀取操作或修改操作。
    KEY文件以及文件中的密鑰：每個(gè)DF文件和MF文件下有且只有一個(gè)KEY文件，在任何情況下密鑰均無(wú)法讀出，一旦離開該目錄，該目錄下的所有權(quán)限將全部丟失。在KEY文件中可存放多個(gè)密鑰，每個(gè)密鑰為一個(gè)定長(zhǎng)記錄，每條記錄長(zhǎng)度為25個(gè)字節(jié)，記錄中規(guī)定了其標(biāo)識(shí)、版本、算法、屬性以及密鑰本身等相關(guān)內(nèi)容。在滿足KEY文件的增加權(quán)限時(shí)可以用writeKey命令增加一條記錄，只有在滿足某個(gè)密鑰使用權(quán)限時(shí)才可以使用該密鑰，在滿足某個(gè)密鑰修改權(quán)限時(shí)才可能修改密鑰。

4 智能電能表的軟件設(shè)計(jì)
    智能電能表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，其主要性能是滿足電能計(jì)量、電能量采集和自動(dòng)控制的可靠性和精度。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)。

5 結(jié)語(yǔ)
    智能電能表采用了功能模塊化設(shè)計(jì)，使電表的升級(jí)換代更加方便，而且具有統(tǒng)一規(guī)范的規(guī)格要求、顯示要求、外形尺寸、端子接線、材料及工藝等型式要求，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、檢測(cè)、校驗(yàn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，智能電能表已經(jīng)開始初步安裝使用，但離真正意義的智能電能表還有很長(zhǎng)的路要走。智能電能表還需在穩(wěn)步發(fā)展中進(jìn)一步提高，在智能電網(wǎng)的建設(shè)中發(fā)揮重要的推動(dòng)作用。