吳小東，郝朝

（1.上海電器科學(xué)研究院，上海200063;2.上海電力學(xué)院，上海 200090）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，能源短缺、資源緊張、氣候變化等問(wèn)題日益突出.為應(yīng)對(duì)全球資源環(huán)境問(wèn)題以及滿足更高的用戶服務(wù)質(zhì)量要求，全球電力行業(yè)都在積極研究并且提出未來(lái)的發(fā)展方向，而建設(shè)智能電網(wǎng)、構(gòu)建新型智能用電體系已成為電力部門(mén)應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的共同選擇.智能用電是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié).支持電能量的友好交互，滿足用戶的多元化需求，實(shí)現(xiàn)靈活互動(dòng)的供用電新模式，是未來(lái)智能用電技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì).［1］本文從雙向互動(dòng)智能用電的需求出發(fā)，提出一種面向家庭能源管理的智能用電體系結(jié)構(gòu)，介紹了一種雙向互動(dòng)的智能電表的硬件、軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)了基本功能.

1 智能用電體系的構(gòu)建

1.1 智能用電概念

智能用電是依托智能電網(wǎng)和現(xiàn)代管理理念，利用高級(jí)計(jì)量、高效控制、高速通信、快速儲(chǔ)能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)響應(yīng)迅速、計(jì)量公正準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、收費(fèi)方式多樣、服務(wù)高效便捷等功能，構(gòu)建智能電網(wǎng)與電力用戶電力流、信息流、業(yè)務(wù)流實(shí)時(shí)互動(dòng)的一種新型供用電關(guān)系.

圖1 智能用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 智能用電系統(tǒng)構(gòu)架

本文提出了一種面向家庭能源管理的智能用電體系結(jié)構(gòu)，將家庭用電納入智能用電的整體框架加以考慮，其中包含了微型分布式電源接入及需求側(cè)響應(yīng)等智能電網(wǎng)的要素.［2］此系統(tǒng)可為電網(wǎng)公司和電力用戶之間提供友好開(kāi)放的雙向交互門(mén)戶，提高家庭能效和節(jié)能管理水平，實(shí)現(xiàn)家庭用能效益的最大化，并根據(jù)電網(wǎng)及分布式電源的出力狀態(tài)，自動(dòng)變換不同的能源使用策略，從而構(gòu)建一個(gè)對(duì)供需雙方都有利的能源消費(fèi)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的目的.面向居民家庭能源管理的智能用電系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1.

它由智能電表、智能插座、智能互動(dòng)終端、家庭局域網(wǎng)絡(luò)、分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和電動(dòng)汽車等組成.系統(tǒng)的軟硬件按家庭本地設(shè)備層、家庭集中控制層和能源服務(wù)層3個(gè)層次部署，共同協(xié)調(diào)配合完成基于互聯(lián)網(wǎng)的家庭能源管理及控制任務(wù).［3-6］

1.3 智能用電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

智能用電關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)是智能電網(wǎng)研究的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)智能用電、雙向互動(dòng)營(yíng)銷的基礎(chǔ)，可以有效改變長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法及時(shí)、完整、準(zhǔn)確掌控電力用戶信息的局面，滿足各層面、各專業(yè)對(duì)于電力用戶用電信息的迫切需求，具有重要意義.其關(guān)鍵設(shè)備主要包括智能互動(dòng)終端、智能雙向電能表、智能家庭網(wǎng)關(guān)、智能插座和智能充放電設(shè)備等智能需求響應(yīng)關(guān)鍵裝備.［7］

2 智能電表的開(kāi)發(fā)

智能電表是綜合了電能計(jì)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代通信技術(shù)的高級(jí)測(cè)量設(shè)備，其設(shè)計(jì)需要滿足通信信道的承受能力、分布式能源的接入以及互動(dòng)通信等條件.智能電表的主要功能包括：電能計(jì)量功能;費(fèi)率和時(shí)段功能;控制功能;預(yù)付費(fèi)功能;雙向通信功能等.本文基于CS5460電能計(jì)量芯片，設(shè)計(jì)了單相復(fù)費(fèi)率智能雙向電表.

2.1 總體設(shè)計(jì)及工作原理

前端電壓采樣模塊采用變比為1∶1的電壓互感器，電流采樣模塊采用變比為2 000∶1的電流互感器，利用取樣電阻采樣信號(hào)，經(jīng)變換后的信號(hào)以差模電壓的形式接入電能計(jì)量芯片CS5460，經(jīng)CS5460轉(zhuǎn)換后將電壓、電流、功率、電能信號(hào)傳給單片機(jī)MSP430，對(duì)瞬時(shí)電能進(jìn)行累加得到累計(jì)電能，最終由LCD顯示，并可通過(guò)上位機(jī)來(lái)控制計(jì)費(fèi)模式.

電能在物理上表示的是用電設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)從電源獲得的能量流，電功率表示在單位時(shí)間內(nèi)消耗電能的快慢程度，瞬時(shí)功率是瞬時(shí)吸收的功率.在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)用電設(shè)備瞬時(shí)功率進(jìn)行積分就是該段時(shí)間內(nèi)消耗的總的有功功率P.［8］

瞬時(shí)功率p（t）是隨著時(shí)間變化的函數(shù)，設(shè)瞬時(shí)電壓為u（t），瞬時(shí)電流為i（t），則：

p（t）在某個(gè)周期內(nèi)的平均值即平均功率應(yīng)等于p（t）對(duì)時(shí)間積分后再除以時(shí)間間隔，所以平均功率為：［9-10］

如果電壓和電流均為正弦交流信號(hào)，則式（1）等價(jià)為：

式中：α——電壓超前于電流的相角，功率因素cosα=P/UI;

U，I——交流電壓和電流的有效值.

在電網(wǎng)中，電壓信號(hào)不僅包含50 Hz的基頻分量，還包含很多2倍頻、3倍頻、4倍頻等諧波的正弦信號(hào).而且電網(wǎng)負(fù)載尤其是電網(wǎng)中的電力電子開(kāi)關(guān)設(shè)備會(huì)引入各種各樣的噪聲，會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生諧波干擾和引起電壓波形畸變.［11］瞬時(shí)功率p（t）含有直流分量和高頻分量，而對(duì)任意非零的頻率分量在時(shí)間上的積分是不影響電能計(jì)量的，因此電能計(jì)量就相當(dāng)于計(jì)算瞬時(shí)功率P的直流分量在時(shí)間上的積分.

2.2 硬件設(shè)計(jì)

總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示.電壓電流互感器完成對(duì)大電壓和大電流信號(hào)到小電壓小電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換;電能計(jì)量模塊CS5460采集互感器轉(zhuǎn)換的電壓、電流信號(hào)，完成對(duì)電能的計(jì)量;顯示模塊LCD1602完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示;通信模塊為RS232通信接口，輔助完成上位機(jī)控制抄表、手持抄表等功能;時(shí)鐘模塊PCF8583為系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間，輔助完成分時(shí)計(jì)量功能;存儲(chǔ)器模塊FM 24C256完成對(duì)用電量的存儲(chǔ)，可在掉電情況下仍保存有效數(shù)據(jù);控制模塊MSP430F149為中央控制單元.

圖2 硬件結(jié)構(gòu)示意

2.2.1 主控模塊MSP430F149

系統(tǒng)主控制器選用的是TI公司64腳QFP封裝形式的MSP430F149單片機(jī)，是一個(gè)特別強(qiáng)調(diào)超低功耗的單片機(jī).它具有活動(dòng)模式（225μA，1 MHz，2.2 V）、待機(jī)模式（0.8μA）和掉電模式（0.1μA）3種超低功耗模式，以及5種省電模式，從待機(jī)到喚醒模式響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)6μs;內(nèi)部具有ESD保護(hù)及抗干擾能力強(qiáng)等特征.MSP430系列單片機(jī)憑借高可靠性和超低功耗的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā).［12］

2.2.2 電能計(jì)量芯片

為實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，首先前端調(diào)理電路將大電壓、大電流調(diào)理成小電壓、小電流信號(hào)，然后通過(guò)電能計(jì)量芯片上的IIN+，IIN－，UIN+，UIN－接口送入CS5460，小電壓、小電流信號(hào)經(jīng)芯片放大、濾波、采樣等過(guò)程后，計(jì)算出瞬時(shí)功率，結(jié)合式（1）和式（2）以及周期計(jì)數(shù)寄存器內(nèi)已設(shè)定的計(jì)數(shù)周期，計(jì)算出電能值，并將其存入相應(yīng)的寄存器中.MSP430通過(guò)與CS5460通信將相應(yīng)寄存器中的電能值讀出，上傳至上位機(jī)或用自帶的LCD顯示.CS5460串行口包括串行時(shí)鐘（SCLK）、串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）、串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）和片選（CS）4條控制線.［13］CS5460的EOUT口可輸出與電能成正比的脈沖信號(hào)，便于電能表對(duì)電能的檢測(cè).CS5460的電路連接原理如圖3所示.

圖3 CS5460硬件連接示意

2.2.3 前端調(diào)理電路

在電壓電流采樣電路中，系統(tǒng)采用互感器接入方式，通過(guò)電流型電壓互感器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再經(jīng)電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)用電流互感器獲得電流信號(hào)，經(jīng)電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào).電壓模塊采用變比為1∶1的電壓互感器TAV14，電流模塊采用變比為2 000∶1的電流互感器TA17（L）-04，電壓互感器、電流互感器的電氣連接圖如圖4所示.

電壓互感器TAV14的參數(shù)如表1所示，電流互感器TA17（L）-04的參數(shù)如表2所示.

圖4 電壓、電流互感器的電氣連接示意

表1 TAV14電壓互感器的相關(guān)參數(shù)

表2 TA17（L）-04電流互感器的相關(guān)參數(shù)

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由初始化程序、中斷服務(wù)程序、LCD顯示驅(qū)動(dòng)程序以及數(shù)據(jù)保存程序等組成.主程序通過(guò)直接調(diào)用或中斷方式調(diào)用子程序，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能.

2.3.1 主程序流程

主程序主要用于調(diào)試各個(gè)子程序模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能.整個(gè)單片機(jī)資源的調(diào)配、管理以及信息的流向都由主程序來(lái)實(shí)現(xiàn).［14］主程序使單片機(jī)能夠指揮各部分電路有序地完成電能的計(jì)量、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與通信，并加以顯示.主程序流程如圖5所示.

2.3.2 電能脈沖采集程序

電能脈沖采集程序是電能表最核心的功能.采集后的電量值存放在電能脈沖計(jì)量模塊中.在中斷服務(wù)子程序中，CS5460的電能采集程序?yàn)椋合扰袛嗍欠裼兄袛?，若有事件中斷，則讀取有功功率、無(wú)功功率、電壓、電流等值.電能采集程序流程如圖6所示.

CS5460初始化步驟如下：一是復(fù)位CS5460，對(duì)CS5460的復(fù)位腳發(fā)復(fù)位脈沖，脈沖不少于10 ms;二是寫(xiě)同步控制命令字;三是從外部存儲(chǔ)器讀原來(lái)保存的校準(zhǔn)值，并將讀出的值寫(xiě)入相應(yīng)的校準(zhǔn)寄存器;四是寫(xiě)控制寄存器，設(shè)置各寄存器參數(shù);五是清狀態(tài)寄存器;六是啟動(dòng)CS5460開(kāi)始轉(zhuǎn)換;七是讀出CS5460的AD轉(zhuǎn)換值或計(jì)算結(jié)果.

讀寫(xiě)CS5460步驟如下：一是讀能量寄存器;二是讀電流有效值寄存器;三是讀電壓有效值寄存器;四是讀狀態(tài)寄存器，回寫(xiě)狀態(tài)寄存器.

圖5 主程序流程示意

圖6 電能采集程序流程

3 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了一種新型智能用電體系框架，由智能電表、智能互動(dòng)終端、智能插座、家庭局域網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成;可以支持分布式電源、電動(dòng)汽車充電樁等系統(tǒng)或設(shè)備的靈活接入，具有計(jì)量、綜合能耗監(jiān)測(cè)、家用電器智能控制以及與用戶的雙向互動(dòng)等功能.此外，重點(diǎn)介紹了一種基于CS5460電能計(jì)量芯片的單相復(fù)費(fèi)率智能雙向電表硬件和軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程.采用RS-232可以上傳電量和實(shí)時(shí)功率，LCD可以顯示當(dāng)月使用電量.實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，智能電表具備0.5%以上的計(jì)量精度，且可實(shí)時(shí)地與智能互動(dòng)終端雙向互動(dòng).

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