(河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

為實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，科學(xué)合理地配置電力資源，全球正在進(jìn)行智能電網(wǎng)建設(shè)[1]。為適應(yīng)智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展，智能表計通信網(wǎng)絡(luò)(advanced metering infrastructure,AMI)模型應(yīng)運(yùn)而生。它包括量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(measurement data management system,MDMS)、用戶戶內(nèi)網(wǎng)(HAN)、智能電表和高級配電運(yùn)行體系(advanced distribution operational infrastructe,ADOI)4部分，其中智能電表是不可或缺的組成部分[2]。

目前,新能源供電裝置(如屋頂風(fēng)電、屋頂光電裝置)不斷接入家庭用戶。小規(guī)模供電裝置不僅可以解決用戶能源問題，而且還可把富余的電能反饋到電網(wǎng)中。這種新局面使得單向計量型電表不能滿足新能源供電系統(tǒng)的需求。所以設(shè)計與開發(fā)具有雙向計量功能的智能電表是時代賦予我們的使命[3-4]。

本文設(shè)計的雙向計量型智能電表系統(tǒng)，除具有快速安全的數(shù)據(jù)存儲、良好的人機(jī)交互等功能外，還具有雙向計量和3G遠(yuǎn)程雙向通信功能。通過對系統(tǒng)的充分測試，驗證了設(shè)計方法的可行性及系統(tǒng)的實用性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

本文設(shè)計的雙向計量型智能電表由6個結(jié)構(gòu)模塊組成：電流/電壓采集模塊、供電電源模塊、電能計量模塊、人機(jī)交互觸摸屏模塊、存儲模塊、3G通信模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中的供電電源模塊能把輸入的交流電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的電壓，為系統(tǒng)供電，確保系統(tǒng)正常工作。電壓采樣模塊和電流采樣模塊可以把交流220 V電壓和電流轉(zhuǎn)換成滿足計量芯片輸入要求的電壓、電流信號。計量模塊完成電能/頻率間轉(zhuǎn)換，最后將電能以脈沖信號輸出。同時計量模塊還可以為CPU提供電能方向的指示信號，便于CPU計量處理。主控CPU模塊完成脈沖計量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及存儲等功能。人機(jī)交互模塊通過采用觸摸屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、信息查詢和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等功能。3G通信模塊實現(xiàn)信息的雙向傳輸、網(wǎng)路遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測、實時控制、系統(tǒng)更新等功能[5-6]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控芯片及計量芯片選型

綜合考慮智能電表的功能應(yīng)用、開發(fā)及設(shè)計成本、外圍電路功能、功耗標(biāo)準(zhǔn)、計量精度等特點(diǎn)，選用STM32F103VET6作為主控芯片。它內(nèi)嵌32位的CortexTM-M3內(nèi)核，具有128 kB的閃存程序存儲器、20 kB的SRAM；擁有80個快速I/O接口、9個通信接口(I2C接口、USART接口、SPI同步串行接口、CAN接口、全速USB接口等)[7]。該芯片所擁有的資源滿足智能電表系統(tǒng)設(shè)計的硬件要求。

為實現(xiàn)雙向計量功能，系統(tǒng)設(shè)計選擇貝嶺公司的雙向計量芯片BL0929作為計量芯片。它可以實現(xiàn)對正、反向有功功率的測量，并且可以將反向有功功率轉(zhuǎn)換成與正向有功功率方向一致的脈沖輸出，同時指示反向用電情況。BL0929采用過采樣和信號處理技術(shù)，這樣可以大大提高芯片的測量精度，在輸入動態(tài)范圍(500∶1)內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1%。同時A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字電路運(yùn)算和處理，可以保證芯片長期的穩(wěn)定性。BL0929的工作原理如下。

① 首先把采樣電路采集的電壓/電流模擬信號以差分形式分別輸入到BL0929電壓/電流輸入通道。

② 接著對電流/電壓輸入信號分別進(jìn)行高精度采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。

③ 將處理后的信號通過數(shù)字乘法器，得到瞬時功率信號。

④ 將瞬時功率信號通過一個截止頻率很低的取直低通濾波器，得到瞬時實功率信號。

⑤ 將瞬時實功率信號送到數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換模塊，該模塊會根據(jù)要求對瞬時實功率信號作長時或短時的積分。如果選擇的積分時間非常短，可認(rèn)為得到的是瞬時能量消耗信息或瞬時功率消耗信息；如果選擇較長的積分時間，得到的是平均能量消耗信息或平均功率消耗信息。將不同時間積分結(jié)果轉(zhuǎn)換成周期性脈沖信號，這樣輸出的脈沖信號頻率與能量消耗大小成正比。

⑥ 最后將輸出的脈沖送到CPU，經(jīng)過CPU數(shù)據(jù)處理，最終得到能量消耗信息。

2.2 計量模塊設(shè)計

計量電路是智能電表系統(tǒng)的核心模塊之一，該模塊分為采樣電路和計量電路兩個部分。計量模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 計量模塊電路原理圖

① 電壓通道的設(shè)計

輸入電壓的衰減通過九級電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，該衰減網(wǎng)絡(luò)允許至少有±30%的校驗范圍。分壓網(wǎng)絡(luò)的-3 dB頻率由兩個并聯(lián)的電阻和兩個并聯(lián)電容來實現(xiàn)。根據(jù)f=1/(2πR10C8)和通道1與通道2的匹配，本系統(tǒng)選定R17=1 kΩ、C8=33 nF。

② 電流通道的設(shè)計

考慮通道平衡和分流器寄生電感的影響，采用RC濾波器設(shè)計，即R1=R2=1 kΩ、C1=C2=33 nF，同樣滿足f=1/(2πRC)，實現(xiàn)對采樣輸入信號的濾波作用[8]。

通過對電壓/電流通道的設(shè)計，以滿足BL0929對應(yīng)的差分電壓/電流的輸入要求。

信號以差分形式輸入計量芯片BL0929，芯片根據(jù)設(shè)置的工作模式及相應(yīng)的輸出倍率將電能信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號。BL0929有F1、F2、CF三個脈沖輸出引腳。其中F1和F2為低速邏輯輸出引腳，輸出頻率正比于平均有功功率。本系統(tǒng)選擇F1引腳作為脈沖輸出端。F1引腳輸出的脈沖信號送入CPU計數(shù)器TIM2的輸入引腳PA0_WKUP，同時將負(fù)功率指示腳REVP輸出的信號送入CPU的一個I/O口引腳PE2。啟動計數(shù)后，CPU通過對PE2引腳狀態(tài)的判斷實現(xiàn)正負(fù)功率對應(yīng)脈沖的計數(shù)，從而完成雙向電能計量。CF引腳為快速脈沖輸出引腳，其輸出信號經(jīng)光耦隔離后可以進(jìn)行脈沖校驗檢測，用于校表。

2.3 存儲模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲對智能電表來說也十分重要，不但要正確，而且要及時。如果檢測到的數(shù)據(jù)不能及時寫入存儲器或者寫入錯誤，都會影響電表的精度，因此要考慮到數(shù)據(jù)的實時存儲與讀取問題。隨著智能電表在功能方面的不斷豐富，對應(yīng)的數(shù)據(jù)程序量也會越來越大，所以還需考慮存儲空間問題。同時，為保證電表數(shù)據(jù)的安全可靠存儲，還必須考慮掉電保護(hù)等問題。系統(tǒng)存儲模塊設(shè)計時選擇的核心存儲芯片是FM24V10和SST25VF016[9]。

2.4 3G通信模塊設(shè)計

為實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫與智能電表間的雙向通信，即智能電表采集的各種用電信息及運(yùn)行狀態(tài)能實時傳送到遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)庫，同時智能電表也能接收遠(yuǎn)端傳來的控制和設(shè)置命令，完成時間同步、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程配置及更新等功能，系統(tǒng)選擇的通信方式為3G通信。系統(tǒng)選擇的3G通信模塊以集成芯片MG3732為核心。3G模塊電路如圖3所示。

圖3 3G模塊電路圖

系統(tǒng)采用USB接口實現(xiàn)CPU數(shù)據(jù)和3G數(shù)據(jù)的交互，兩者之間由VBUS、USB_D+、USB_D-連通。其中VBUS與外host端VBUS相連接。MG3732通過VSIM、SIM_IO、SIM_CLK、SIM_RST四個引腳控制SIM卡。

2.5 人機(jī)交互模塊設(shè)計

為更好地實現(xiàn)人機(jī)簡便式交互，系統(tǒng)選擇以ADS7846為核心芯片的4線式阻性觸摸屏來實現(xiàn)人機(jī)交互功能。

本系統(tǒng)采用3線串行接口，將觸摸屏的觸摸位置坐標(biāo)接入TOUCH端口，它具有觸摸壓力檢測和自動省電模式。電阻觸摸屏功能電路如圖4所示。轉(zhuǎn)換成的坐標(biāo)位置數(shù)字量通過系統(tǒng)SPI2總線方式與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而完成用戶觸摸操作與數(shù)據(jù)控制傳輸工作[10]。

圖4 電阻觸摸屏功能電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

穩(wěn)定和高效的軟件系統(tǒng)在智能電表整個功能實現(xiàn)上起著決定性作用。由于整個電表管理比較復(fù)雜，本系統(tǒng)采用的程序設(shè)計思想是層次化設(shè)計與模塊化設(shè)計相結(jié)合的方法。這樣設(shè)計不僅使整個程序結(jié)構(gòu)清晰，而且增加了程序的可維護(hù)性和調(diào)試性，同時也使整個程序運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，主程序流程如圖5所示。其中系統(tǒng)的初始化包括控制器STM32F103VET6初始化、LCD初始化、存儲器初始化、通信參數(shù)初始化、計量芯片BL0929初始化等部分。

電能計量是該智能電表系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心之一。雙向電能計量的中斷服務(wù)程序如圖6所示。主要設(shè)計思想是：啟動計數(shù)器對脈沖進(jìn)行計數(shù)，同時判斷負(fù)功率指示引腳REVP的狀態(tài)，如果是高電平，則負(fù)向脈沖計數(shù)加1，反之正向脈沖計數(shù)加1；然后由CPU對計數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理及更新；最終通過顯示屏將正、負(fù)向用電信息呈現(xiàn)給用戶。

圖5 主程序流程圖

圖6 計量中斷服務(wù)流程圖

4 結(jié)束語

本文對設(shè)計的智能電表系統(tǒng)在一段時間內(nèi)且在有正負(fù)電量切換的情形下進(jìn)行了系統(tǒng)測試。通過對數(shù)據(jù)的計算及分析得出：該智能電表具有低功耗、高精度、高速度、多功能、開放性、數(shù)據(jù)控制通信便捷和用戶應(yīng)用快捷等特點(diǎn)，滿足實際應(yīng)用和現(xiàn)代智能電網(wǎng)的發(fā)展要求，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 謝開,劉永奇,朱治中,等.面向未來的智能電網(wǎng)[J].中國電力,2008,41(6):19-22.

[2] Bennett C,Highfill D.Networking AMI smart meters[C]∥2008 IEEE Energy 2030 Conference,2008:1-8.

[3] 李楊,徐志艷.光伏發(fā)電并網(wǎng)及電能計量問題探究[J].科技風(fēng),2012(22):61-64.

[4] 常婧.智能電網(wǎng)建設(shè)對智能儀表的技術(shù)需求分析[J].儀器儀表,2010(4):58-60.

[5] 王思影,周暉,袁瑞銘,等.智能電能表的概念及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(4):17-23.

[6] 張春暉.中國智能電表發(fā)展過程與導(dǎo)向[J].環(huán)球表計,2010(2):64-65.

[7] 孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計算機(jī)應(yīng)用,2010,31(12):59-63.

[8] 侯曦,殳國華,張士文.數(shù)字雙向多功能電度表設(shè)計[J].微處理機(jī),2007,1(1):16-18.

[9] 靜恩波.智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表,2010,47(7A):36-39.

[10]左新斌.電能表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通信方式的設(shè)計[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2011.