梁志勛

(河池學(xué)院　計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 廣西　宜州　546300)

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基于塑料光纖和嵌入式技術(shù)的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁志勛

(河池學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 廣西宜州546300)

目前的用戶用電信息采集方式大部分為人工抄表方式，即使采用了自動(dòng)抄表方式，其抄表方式也是采用無線或者導(dǎo)電的銅線作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)行電力采集信息傳輸，第一種抄表方式落后，且效率低下；第二種抄表方式具有不穩(wěn)定性等因素。因此需要設(shè)計(jì)一種軟硬件可擴(kuò)展的智能電表，該電表將塑料光纖作為電力系統(tǒng)中電能電量采集的傳輸介質(zhì)，主控CPU采用的是基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器STM32F107，采用ADE7953芯片實(shí)現(xiàn)電量采集，在不采用復(fù)雜的糾錯(cuò)碼處理的情況下，可實(shí)現(xiàn)通信誤碼率低于10-9。

塑料光纖；電力信息采集；智能電網(wǎng)；智能電表

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和電力電子工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，如何科學(xué)高效地管理和利用電力資源，節(jié)能減排，倡導(dǎo)低碳生活，建立可持續(xù)發(fā)展電力電網(wǎng)機(jī)制和建立高效的智能電力電網(wǎng)系統(tǒng)[1]，以及如何實(shí)現(xiàn)智能電力電網(wǎng)的調(diào)度是目前海內(nèi)外電力技術(shù)及其相關(guān)行業(yè)重點(diǎn)研究課題之一。智能電網(wǎng)建設(shè)第三個(gè)階段為提升和引領(lǐng)階段(2016～2020年)：初步建設(shè)成穩(wěn)定可靠的智能電力電網(wǎng)，使電網(wǎng)的資源配置能力、運(yùn)行效率、安全水平，以及電網(wǎng)與電源端、終端用戶之間的信息交互性顯著提高[2]。智能電表安裝于用戶端，負(fù)責(zé)用戶的電力電能數(shù)據(jù)的采集、計(jì)量、控制和傳輸?shù)娜蝿?wù)以及其他各類信息的采集，因此高質(zhì)量的智能電表的研究與設(shè)計(jì)也是智能電網(wǎng)系統(tǒng)中重要的一部分。

1　電力電能采集傳輸介質(zhì)比較及塑料光纖的優(yōu)勢(shì)

如何將智能電表采集到的信息準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)叫畔⒉杉幚碇行?，關(guān)鍵是采用何種傳輸方式，目前智能電表的傳輸方式大致有三種。

(1)電力載波(PLC)：信號(hào)載波通信的物理信道與電力電能傳輸線纜共用，由于通信信道處于強(qiáng)電環(huán)境下，無法避免地受到電力電源的電磁干擾[3]。

(2)微功率無線傳輸：該技術(shù)利用470 MHz的射頻載波通過空氣介質(zhì)無線地將鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，既存在多路信道中信號(hào)之間相互干擾問題，又存在陰影衰減和路徑損耗，亦屬于不可靠的通信鏈路。這種傳輸方式必須采用大量的技術(shù)手段，如中繼、自組網(wǎng)、各種糾錯(cuò)編碼(CRC，前向糾錯(cuò)編碼)等方式來降低誤碼率。

(3)有線電信號(hào)傳輸電纜線及光纖傳輸：由于光纖抄表技術(shù)提供了可靠的物理傳輸鏈路，不需要路由算法、復(fù)雜的組網(wǎng)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)，只需要傳輸有效凈荷數(shù)據(jù)。這種情況下不但會(huì)極大降低抄表時(shí)間，而且塑料光纖和石英光纖抄表方式中物理信道是專用信道，屬于可靠鏈路，光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，頻譜遠(yuǎn)高于電磁波頻譜，其介質(zhì)為絕緣材料，因此對(duì)電磁干擾具備絕對(duì)的免疫能力[4]。

2　總體設(shè)計(jì)與工作原理

智能電力信息采集系統(tǒng)主要包括信息采集處理中心、通信傳送部分、用戶端采集部分。智能電力信息采集系統(tǒng)中的用戶端采集部分主要是指智能電表，上行通信時(shí)，智能電表計(jì)量用戶用電信息和其他反饋信息后打包封裝成固定的數(shù)據(jù)幀，然后通過光纖通信傳輸系統(tǒng)將相關(guān)信息傳輸?shù)叫畔⒉杉幚碇行?；同理，下行通信時(shí)，信息采集處理中心通過固定的數(shù)據(jù)幀將要發(fā)送的指令發(fā)送到智能電表。在智能電力信息采集系統(tǒng)中光纖傳輸系統(tǒng)采用深圳昆岡輝騰公司研制的OSC(光合路分路器)搭建樹形結(jié)構(gòu)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，在用戶端的采集部分利用塑料光纖將各個(gè)用戶的電表按照樹形接連在一起，然后OSC重新將各個(gè)用戶的信息封裝一次后通過石英光纖遠(yuǎn)程傳輸?shù)叫畔⒉杉幚碇行?。采集處理中心的設(shè)計(jì)，包括通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理分析以及供電公司管理/應(yīng)用/營銷，整個(gè)系統(tǒng)簡圖如圖1。

圖1　智能電力信息采集系統(tǒng)圖

3　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1智能電表的硬件設(shè)計(jì)

采用基于Cortex-M3內(nèi)核處理器STM32F107作為智能電表系統(tǒng)控制器的核心處理器，如圖2所示。微控制器通過其自帶的一個(gè)UART串行接口與ADE7953電量采集前端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，配置采集模式和電量信息交互，同時(shí)，微控制器通過其自帶的另外一個(gè)UART串行接口將數(shù)據(jù)傳送到塑料光纖模塊。塑料光纖模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過光信號(hào)與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；微控制器通過并口連接方法與液晶顯示屏連接，將電量等相關(guān)需要顯示的信息在液晶屏顯示上顯示。智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用線性電源給系統(tǒng)供電，設(shè)計(jì)了時(shí)鐘系統(tǒng)及RTC電路等，確保系統(tǒng)在掉電后，時(shí)鐘能夠自動(dòng)恢復(fù)到正確的時(shí)間。

圖2　智能電表最小嵌入式硬件系統(tǒng)

3.2智能電表中電量采集前端的設(shè)計(jì)

ADE7953是ADI公司推出的一款高性能電能計(jì)量芯片，主要應(yīng)用于單相電能計(jì)量，它能夠完成線電流和電壓的測(cè)量，并能將有功、無功、視在功率以及瞬時(shí)電流和電壓有效值計(jì)算出來，此外器件還提供了專用功率反向(REVP)、電流過零信號(hào)(ZX_I)和電壓過零(ZX)引腳。該器件內(nèi)部設(shè)置了三個(gè)積分型ADC和一個(gè)高精度電能電量計(jì)算內(nèi)核。第二個(gè)輸入通道能夠同時(shí)測(cè)量零線電流，具備零線電流計(jì)費(fèi)和竊電檢測(cè)功能。附加通道具有完整的模擬信號(hào)路徑，能夠完成各種測(cè)量。每個(gè)輸入通道都能夠獨(dú)立且靈活的設(shè)置信號(hào)增益級(jí)別，因此該電能計(jì)量芯片能夠與各種電流傳感器一起使用，比如低阻值分流器和儀用變壓器等。片內(nèi)的兩個(gè)積分器，使得和羅氏線圈傳感器一起應(yīng)用變得簡單易用[5]。如圖3，輸入前端匹配后，串聯(lián)一個(gè)1 kΩ電阻再并聯(lián)一個(gè)33 nF電容構(gòu)成一個(gè)RC低通濾波器；電源采用0.1 μF和4.7 μF電容作為退耦電容；設(shè)計(jì)一個(gè)3.58 MHz外部晶振給芯片作為內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，計(jì)量芯片通過串口與微控制器通信，即可構(gòu)成電量采集前端電路。

圖3　電量采集前端電路圖

ADE7953可以通過SPI、I2C和UART通信接口訪問片內(nèi)寄存器，本設(shè)計(jì)采用了UART通信接口方式與主控制器交互信息，時(shí)序圖如圖4所示。如要讀取ADE7953內(nèi)部的數(shù)據(jù)，首先要給ADE7953發(fā)送讀指令：0x35，經(jīng)過t1(在0.2～4.0 ms之間任意值即可)時(shí)間后，發(fā)送高八位地址，再經(jīng)一個(gè)t1時(shí)間后，發(fā)送低八位地址，當(dāng)ADE7953接收到正確的地址后，將地址所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)從發(fā)送端串行發(fā)出，此時(shí)，微控制器通過串口中斷觸發(fā)，將數(shù)據(jù)接收到緩沖器，等待下一步處理。向ADE7953對(duì)應(yīng)的地址寫入數(shù)據(jù)較為簡單，依次將0xCA、高八位地址、低八位地址、高八位數(shù)據(jù)、低八位指令數(shù)據(jù)通過串行通信，發(fā)送傳輸?shù)紸DE7953的UART接收端即可。其中，每一次發(fā)送一個(gè)八位數(shù)據(jù)，需要間隔t1時(shí)間。

圖4　ADE7953電量信息數(shù)據(jù)傳輸通信時(shí)序圖

3.3智能電表中光模塊電路的設(shè)計(jì)

光模塊的選擇決定了光通信鏈路質(zhì)量的好壞，因此設(shè)計(jì)中采用了AVAGO公司650 nm波長高品質(zhì)工業(yè)鏈路模塊HFBR2521/2521，收發(fā)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)。如圖5中的設(shè)計(jì)，發(fā)送模塊是一個(gè)650 nm波長LED，采用SN75451作為驅(qū)動(dòng)芯片；接收模塊內(nèi)置放大器和斯密特輸出，可以直接與單片機(jī)接收端LVTTL電平接口兼容。

圖5　光模塊電路圖

3.4電磁兼容與可靠性設(shè)計(jì)

智能電表一旦投入工作后，對(duì)平均無故障率要求極高，假如運(yùn)行過程中出現(xiàn)任何異常情況，都要求能夠自動(dòng)恢復(fù)并回到正常工作狀態(tài)。而在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，各種電磁干擾和噪聲是無法避免的。目前，絕大多數(shù)的智能電表都在強(qiáng)干擾的現(xiàn)場(chǎng)中運(yùn)行。因此，如何提高智能電表對(duì)干擾的免疫力，保證其在規(guī)定條件下能夠較高可靠的運(yùn)行能力，以及防止智能電表內(nèi)部產(chǎn)生的電磁騷擾對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行干擾輻射，是智能儀器儀表設(shè)計(jì)必須考慮的問題，也是關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。

采用高性能線性電源給硬件系統(tǒng)供電，線性電源是由220 V經(jīng)交流變壓器降壓、整流、濾波及線性穩(wěn)壓后得到，因此這類電源的穩(wěn)壓性能高、隔離性好。于電源入口處加入EMI/EMC電源濾波器，同時(shí)將TVS瞬態(tài)抑制管并接到電源入口處能有效抑制高頻干擾。每個(gè)IC都采用磁珠和10 μF及100 nF電容進(jìn)行電源濾波，同時(shí)起到儲(chǔ)能和退偶作用，使各個(gè)IC之間的電源之間隔離互不干擾，采用多層板設(shè)計(jì)技術(shù)，PCB布局、布線方面科學(xué)合理考慮，關(guān)鍵信號(hào)具備完整的參考層；系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用max6370芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件看門狗，10 ms定時(shí)喂狗，如果程序跑飛，硬件看門狗寄存器將得不到清除，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)復(fù)位重啟，不會(huì)導(dǎo)致電表癱瘓和影響用戶使用。

4　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)

4.1智能電表的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件利用意法半導(dǎo)體提供的軟件開發(fā)包，在其基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用軟件，軟件負(fù)責(zé)初始化電能芯片ADE7953，開機(jī)時(shí)檢測(cè)是否為掉電后啟動(dòng)，若判斷為真，首先讀取掉電前保存的FLASH信息，配置掉電數(shù)據(jù)。若判斷為假，則不需要配置之前的掉電數(shù)據(jù)。接著啟動(dòng)定時(shí)器，時(shí)間間隔為50 ms定時(shí)讀取一次電量值。定時(shí)抄表并與集中器交互信息，同時(shí)定時(shí)刷新顯示屏電量信息和檢測(cè)電網(wǎng)電壓是否將要掉電，假如系統(tǒng)掉電，則立即進(jìn)行掉電處理，具體軟件流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件流程圖

4.2智能電表的軟件校準(zhǔn)

對(duì)于外部電阻網(wǎng)絡(luò)阻抗、前端采樣電路設(shè)計(jì)等引起的計(jì)量誤差，可以通過設(shè)置ADE7953的增益校準(zhǔn)和通過軟件數(shù)字校準(zhǔn)、失調(diào)校準(zhǔn)及相位校準(zhǔn)來減少電表的計(jì)量誤差[7]。兩個(gè)電流通道可以分別通過對(duì)有功、無功和視在功率測(cè)量的校準(zhǔn)來補(bǔ)償和減少不同電表存在的增益偏差。對(duì)通道A電流的有功功率增益校準(zhǔn)控制可以通過配AWGAIN寄存器(地址:0x2820x382)來完成；同樣，對(duì)通道B電流的有功功率增益校準(zhǔn)控制可以通過對(duì)BWGAIN寄存器(地址：0x28E0x38E)的配置來完成。xWGAIN寄存器的初始值為0x400000，該值表示無增益校準(zhǔn)?？梢詫懭離WGAIN寄存器的數(shù)值范圍為:0x200000～0x600000，其數(shù)值相對(duì)應(yīng)可以調(diào)整范圍為-50%～+50%的增益。公式1反映了增益調(diào)整與xWGAIN寄存器中數(shù)值的關(guān)系。

(1)

對(duì)于無功功率和視在功率，也有對(duì)應(yīng)的可設(shè)置增益校準(zhǔn)寄存器。兩個(gè)電流通道的無功功率可以分別對(duì)寄存器AVARGAIN(地址：0x283/0x383)和BVARGAIN(地址：0x28F/0x38F)的配置來進(jìn)行增益校準(zhǔn)。兩個(gè)電流通道的視在功率也可以分別對(duì)寄存器AVAGAIN(地址:0x284/0x384)和BVAGAIN(地址：0x290/0x390)的配置來進(jìn)行增益校準(zhǔn)。配置寄存器xVARGAIN和xVAGAIN對(duì)無功和視在功率的影響方式與配置寄存器xWGAIN對(duì)有功功率的影響方式類同。因此可以對(duì)公式1進(jìn)行修改，以配置無功和視在功率的增益校準(zhǔn)，如公式2和公式3所示。

(2)

(3)

4.3軟件容錯(cuò)措施

STM32系列微控制器內(nèi)部集成了軟件可配置的看門狗，除了設(shè)計(jì)外部硬件看門狗之外，在做軟件設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)啟用內(nèi)部軟件看門狗，進(jìn)行雙冗余保護(hù)；通過優(yōu)化內(nèi)部代碼，使用STM32控制器內(nèi)部硬件資源，如定時(shí)器等硬件資源來實(shí)現(xiàn)軟件的功能，使得軟件更加強(qiáng)壯，魯棒性好。

5　測(cè)試分析

本次設(shè)計(jì)主要對(duì)通信誤碼率進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證塑料光纖作為通信介質(zhì)的優(yōu)越性，通過所研制的兩臺(tái)樣機(jī)，分別采用五類線和塑料光纖做對(duì)比測(cè)試。測(cè)試時(shí)，預(yù)先編寫一個(gè)測(cè)試用的臨時(shí)軟件，用于產(chǎn)生M序列偽隨機(jī)碼。利用主控處理器的UART全雙工收發(fā)器，自發(fā)自收后對(duì)比兩組偽隨機(jī)碼后可得誤碼率，測(cè)試塑料光纖時(shí)，直接采用樣機(jī)即可測(cè)試，測(cè)試五類線時(shí)需要將板內(nèi)的收發(fā)線引出來，再另外臨時(shí)搭建一個(gè)RS232電平轉(zhuǎn)換電路即可進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為：1.環(huán)境溫度：15 ℃～35 ℃；2.相對(duì)濕度：20%～80%；3.大氣壓力：測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的大氣壓力；4.M序列偽隨機(jī)序列碼發(fā)送；5.通信距離：塑料光纖50 m、五類線50 m。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　五類線和塑料光纖通信誤碼率測(cè)試

由表1中五類線和塑料光纖的測(cè)試數(shù)據(jù)可見，當(dāng)傳輸速率小于4 800 bit/s時(shí)兩種介質(zhì)的傳輸誤碼率均為零。當(dāng)傳輸速率大于9 600 bit/s時(shí)，五類線開始出現(xiàn)了誤碼，其誤碼率為1×10-9，仍在可接受范圍，傳輸速率繼續(xù)增大時(shí)，五類線的傳輸誤碼率也跟著繼續(xù)增大，直到傳輸速率為56 000 bit/s時(shí)，塑料光纖作為傳輸介質(zhì)才開始出現(xiàn)了1×10-11的誤碼率。經(jīng)過觀察分析可見，塑料光纖作為通信傳輸介質(zhì)，其誤碼率明顯低于五類線。

6　結(jié)束語

本文扼要闡述并分析了目前智能電力電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用情況，應(yīng)用ADI公司推出的ADE7953作為電量采集芯片，采用意法半導(dǎo)體公司的嵌入式微控制器STM32F107為主控CPU，研究設(shè)計(jì)了一種軟硬件可擴(kuò)充的智能電表，特別地引進(jìn)了一種通信新材料新星-通信級(jí)塑料光纖，構(gòu)建高質(zhì)量專用物理通信通道，在沒有采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)情況下，仍達(dá)到10-9以下的誤碼率，在抄表通信中，能夠達(dá)到極高的數(shù)據(jù)通信可靠性。同時(shí)采用軟硬件設(shè)計(jì)措施提高了智能電表的可靠性。此外，采用嵌入式微控制器STM32F107作為主控CPU，該嵌入式微控制器內(nèi)部集成有TCP/IP協(xié)議物理層的MAC模塊，為以后擴(kuò)展TCP/IP通信應(yīng)用提供可擴(kuò)充性。

[1]王達(dá).電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的集中器研制[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2013.

[2]劉喜梅，睢杰.智能電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的復(fù)雜性特征分析及啟示[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2013(2)：20-24.

[3]張海亮，袁靜偉，岳在春.POF塑料光纖在智能電力抄表系統(tǒng)的應(yīng)用[C]//2011電力通信管理暨智能電網(wǎng)通信技術(shù)論壇.北京：中國通信學(xué)會(huì)普及與教育工作委員會(huì)，2011.

[4]石懷德，袁靜偉，王會(huì)芳，魯開朗.電力信息傳輸系統(tǒng)塑料光纖應(yīng)用方法研究[C]//2012年電力通信管理暨智能電網(wǎng)通信技術(shù)論壇.北京：中國通信學(xué)會(huì)普及與教育工作委員會(huì)，2013.

[5]Analog Device公司器件手冊(cè)[Z].ADE7953:Single Phase,Multifunction Metering IC with Neutral Current Measurement Data Sheet(Rev A,11/2011).

[6]張麗麗，黃鶴松.智能電表設(shè)計(jì)中的抗干擾措施[J].中國住宅設(shè)施，2004(3):41-44.

[7]鐘智勇.基于ADE7756的電能表的數(shù)字校準(zhǔn)[J].自動(dòng)化博覽，2007，24(2):83-85.

[責(zé)任編輯劉景平]

Design of Intelligent Electric Meters Based on the Plastic Optical Fiber and Embedded Technology

LIANG Zhi-xun

(School of Computer and Information Engineering, Hechi University, Yizhou, Guangxi 546300, China)

At present, manual meter reading is most used for collecting users’ electric power information. Even with the automatic collecting mode, the meter reading methods still use wireless or conductive copper wire as the transmission medium for power information transmission. The first method of meter reading is outdated and with low efficiency; the second method can bring instability factors. So the design of an intelligent electric meter in which software and hardware can be extended is needed. The smart electric meter introduces the plastic optical fiber as transmission medium of electricity power acquisition in the power system, uses the microcontroller STM32F107 based on architecture of the ARM Cortex-M3 core as master CPU, uses ADE7953 chip for electric energy acquisition. Without using complex error correcting code processing, the communication error rate lower than the 10-9can be realized.

plastic optical fiber; electric power information collection; smart power grids; smart electric meters

TN253；TM764

A

1672-9021(2016)02-0094-07

梁志勛(1986-)，男(水族)，廣西柳州人，河池學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院助教，主要研究方向：電子電路與系統(tǒng)集成，嵌入式技術(shù)應(yīng)用。

2015-06-30