高級計量體系(AMI)中的智能電能表設計

摘要：智能電能表在智能電網高級計量體系(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備，將推動新的用電方式和生活方式。為了更好地實現智能電能表的功能，采用模塊化的設計方法，對智能電能表的主要硬件及軟件進行了設計，重點對嵌入式安全模塊ESAM進行了設計說明。
關鍵詞：智能電網；高級計量體系；智能電能表；計量芯片；ESAM模塊

0 引言
    目前，智能電網建設已經全面開展。所謂智能電網，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備和用能設施，通過數字化、信息化網絡有機地連接在一起，為電力終端客戶提供全面服務，為社會充分、合理利用各種能源資源、節(jié)能減排，促進低碳經濟發(fā)展，提供強有力的基礎設施和技術支撐。它包括高級計量體系(AMI)、高級配電資產運行(ADO)、高級輸電運行(ATO)和高級資產管理(AAM)四大模塊。其中AMI是智能電網的關鍵體系，而智能電能表又是AMI的核心。本文通過分析智能電能表在AMI中的作用，對智能電能表進行模塊化設計，滿足其在智能電網中的功能要求。

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、最關鍵、最基礎組成部分，分為四層實現電力用戶與電網公司之間能量流、信息流、業(yè)務流雙向互動的新型供用電關系。
    高級計量體系分四層實現，如圖1所示。

    頂層為主站層，是AMI系統(tǒng)的測量／計量數據管理中心、AMI通信管理中心和電力用戶預付費管理中心。
    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程通信的需求，為電網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)等設備或裝置。
    其中，智能電能表作為核心設備主要實現電能計量、需量測量、階梯電價、費率和時段、凍結、預付費功能、參數設置、事件記錄及上報、遠程通信、本地通信、數據采集存儲、編程、電價計費等功能；智能手持終端輔助主站系統(tǒng)完成現場數據采集、現場售電、現場客戶服務等功能；分布式發(fā)電系統(tǒng)含電源和并網設備，實現分布式能源接入。
    最底層為戶內智能終端層，顯示終端與智能電能表構成電力用戶與電網交互的門戶。
1．2 智能電能表在AMI中的作用
    在AMI四層結構中，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者和電力公司之間實現實時通信，使人們能夠基于環(huán)境和價格的考慮，最大程度地優(yōu)化能源用量。智能電能表使智能電網具有多層智能，能夠實時分析、決策、計劃并作出積極的行為。
    目前，采用智能電能表不僅可以實現對電能質量進行監(jiān)測，而且可以通過儀表的網絡通信接口實現雙向數據遠程傳輸，組成分布式測控網絡系統(tǒng)。
    智能電能表不但能顯示用電量，而且能顯示電能價格，能實現連續(xù)的帶有時標的多種間隔用電計量，而且具有電量凍結功能，可以存儲特定時刻的電量數據，比如設定存儲月末零點時刻的電量數據，為實行居民用電階梯電價收費奠定基礎。
1．3 智能電能表的工作原理
    智能電能表是由測量單元、數據處理單元、通信單元等組成，具有電能量計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、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，是在電能計量基礎上重點擴展了信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能。
    它的工作原理如下：采用計量芯片或A／D轉換器對用戶供電電壓和電流實時采樣，通過MCU進行處理計算，完成峰谷、正反向或四象限電能的計量，并將電量信息等通過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計
2．1 計量芯片設計
    對于電能計量芯片，在功能方面除實現基本的電能計量外，還要求能夠測量電壓、電流(火線及零線)、分相功率、功率因數等電參量。而在性能方面要求具有更高的測量精度、更寬的測量范圍及更好的產品一致性。性能的提高要求在設計中計量芯片均采用單獨的芯片。計量芯片將來自電壓／電流互感器的模擬信號轉換為數字信號，并對其進行積分運算，從而精確地獲得有功、無功電能，實現防竊電功能、諧波分析等。
2．2 MCU設計
    智能電能表含有功能較強的微控制器(MCU)，將計算機的CPU，RAM，ROM，定時器／計數器和多種I／O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的微計算機。
    微控制器依據相應費率和需量等要求對數據進行處理，計算后的結果保存在數據存儲器單元中，并可隨時向外部接口提供信息和進行數據交換。有MCU的支持，可以方便地實現智能電網供電系統(tǒng)內精確、可靠地管理，不僅可以實現用戶清潔能源輸送到電網的雙向計量、雙向通信，而且還可以通過強大的I／O接口，實現智能家電的控制功能。
2．3 通信芯片設計
    智能電能表的通信芯片采用可熱拔插的通信模塊，可采用寬帶無線(McWill)、電力線載波(PLC)、無線公網(GPRS)和短距離無線、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。支持其他通信技術的無縫接入，模塊更換后具備自動識別功能。
2．4 時鐘芯片設計
    智能電能表復費率、預付費、階梯電價等多種功能的實現，都需要準確的獨立時鐘的支撐，應采用具有溫度補償功能的內置硬件時鐘電路。常用的如DS3231具有集成的溫補晶振(TCXO)和晶體。包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持精確的計時。集成晶振提高了器件的長期精確度，并減少了生產線的元件數量。其主要特性為0～40℃范圍內精度為±2 ppm，-40～+85℃范圍內精度為±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模塊設計
    智能電能表通過固態(tài)介質或虛擬介質對電能表進行參數設置、預存電費、信息返寫和下發(fā)遠程控制命令，操作時需通過嚴格的密碼驗證或ESAM模塊等安全認證，以確保數據傳輸安全可靠。
    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準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算法的安全認證芯片，它內部集成有E2PROM，可以存儲經過安全認證的數據。可以對數據進行加解密處理以確保數據傳輸的安全性和完整性。
    ESAM模塊安裝在表計內部，其ESAM模塊管腳分配及封裝圖如圖3所示。

    其內部的硬件主要包括：
    CPU及加密邏輯：保證E2PROM中數據安全，使外界不能用任何非法手段獲取E2PROM中的數據。
    RAM：工作時存放命令參數、返回結果、安全狀態(tài)及臨時工作密鑰的區(qū)域。
    ROM：存放程序的區(qū)域。
    E2PROM：存放應用數據區(qū)域，ESAM將數據以文件形式保存在E2PROM中，在滿足規(guī)定的安全條件時，可進行讀或寫。
    I／O接口：數據交換接口，用于數據的傳輸。
    文件系統(tǒng)：ESAM內嵌片上操作系統(tǒng)(Chip Operation System，COS)，對模塊內的基本操作方式為：從數據接口接收一條命令，然后經過處理返回應答信息給數據接口。其處理過程如圖4，圖5所示。

    數據在傳輸方式上有3種類型：明文方式、明文校驗方式和密文校驗方式。當數據以明文方式進行傳輸時由數據管理器將數據直接送給命令處理模塊，當數據以明文校驗或密文校驗方式傳輸時需要加密運算器對數據進行處理。
    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文件下可以有多個目錄文件DF和基本文件EF，每一個MF目錄下的DF可以存放多個基本文件EF和多個下級目錄文件DF，包括下級目錄的目錄文件為DDF，不含下級目錄的目錄文件為ADF。EF文件主要包括KEY文件、錢包文件、記錄文件。
    CPU卡的內部文件采用目錄管理的方式，即主文件管理多個目錄文件，一個目錄文件管理多個基本文件。而在主文件和目錄文件下都有密鑰文件，同時每個文件都有訪問權限，即必須達到某一權限才能進行讀取操作或修改操作。
    KEY文件以及文件中的密鑰：每個DF文件和MF文件下有且只有一個KEY文件，在任何情況下密鑰均無法讀出，一旦離開該目錄，該目錄下的所有權限將全部丟失。在KEY文件中可存放多個密鑰，每個密鑰為一個定長記錄，每條記錄長度為25個字節(jié)，記錄中規(guī)定了其標識、版本、算法、屬性以及密鑰本身等相關內容。在滿足KEY文件的增加權限時可以用writeKey命令增加一條記錄，只有在滿足某個密鑰使用權限時才可以使用該密鑰，在滿足某個密鑰修改權限時才可能修改密鑰。

4 智能電能表的軟件設計
    智能電能表系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計思想，其主要性能是滿足電能計量、電能量采集和自動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，設定程序，MAXQ3180數據讀取程序，量程自動校正與功率補償程序，數字濾波程序，算法程序，實時時鐘程序，分時電價程序，網絡通信程序等組成，采用C++語言編程，并進行模塊化設計。

5 結語
    智能電能表采用了功能模塊化設計，使電表的升級換代更加方便，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，實現了生產、檢測、校驗的自動化生產線，大大減輕了勞動強度。目前，智能電能表已經開始初步安裝使用，但離真正意義的智能電能表還有很長的路要走。智能電能表還需在穩(wěn)步發(fā)展中進一步提高，在智能電網的建設中發(fā)揮重要的推動作用。