王登峰，徐文濤，黃吉濤，梁 飛

(1.國家電網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001;2.國網(wǎng)寧夏營銷服務(wù)中心，寧夏 銀川 750001)

0 引言

人們對(duì)智能電能表的需求度很高，因?yàn)樗哂锌焖俚氖杖氩杉⑦h(yuǎn)程監(jiān)控和配電系統(tǒng)的控制等優(yōu)點(diǎn)[1]。與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電或電子電能表相比，人們要求智能電能表具有更多的功能。自動(dòng)抄表(automatic meter reading，AMR)系統(tǒng)就是將通信基礎(chǔ)設(shè)施與電能表相結(jié)合的產(chǎn)物。這樣的組合加快了儀表信息的采集速度，是一個(gè)可靠和有效的遠(yuǎn)程解決方案[2-3]。然而，基于AMR的電能表并不是一個(gè)高效且經(jīng)濟(jì)的解決方案。雖然它取代了人工抄表，但是需要大量的資金投入才能建立通信基礎(chǔ)設(shè)施[4-5]?；诖耍瑤Э刂蒲b置的智能電能表和雙向通信網(wǎng)絡(luò)的高級(jí)計(jì)量體系(advanced metering infrastructure，AMI)成為科研工作者的研究熱點(diǎn)。AMI能很好地解決一些舊系統(tǒng)固有存在的問題[6]。AMI由智能電表、用戶網(wǎng)關(guān)、雙向通信系統(tǒng)和抄表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。基于AMI的抄表系統(tǒng)具有需求側(cè)負(fù)荷管理(demand-side load management，DSLM)、遠(yuǎn)程電費(fèi)計(jì)劃設(shè)置、定價(jià)、計(jì)費(fèi)信息、遠(yuǎn)程連接和斷開、故障檢測(cè)、篡改保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。

本文研究了一種通用智能電能表(universal smart energy meter，USEM)。它改善了以往電能表的局限性。該研究主要通過認(rèn)證短消息服務(wù)(short message service，SMS)開發(fā)支付模式配置(預(yù)付費(fèi)-后付費(fèi))、DSLM和遠(yuǎn)程資費(fèi)計(jì)劃設(shè)置及所需要的硬件和軟件。本文所設(shè)計(jì)的USEM集成了過電壓和欠電壓保護(hù)、過載保護(hù)、篡改和旁路報(bào)警、充電報(bào)警、中斷后自動(dòng)重新連接和功率因數(shù)監(jiān)測(cè)等不同的監(jiān)測(cè)和保護(hù)方案。此外，它還集成了通過手機(jī)充值和平衡調(diào)節(jié)功能模塊，可以達(dá)到快捷充電的目的。

1 技術(shù)理論分析

智能電表可以測(cè)量千瓦時(shí)(kWh)級(jí)的電能，主要參數(shù)有實(shí)際功率、無功功率、視在功率、電壓、電流和頻率等。計(jì)算電能量需要電壓、電流和功率因數(shù)這3個(gè)參數(shù)[9]。這些參數(shù)是由電壓傳感器、電流傳感器和過零檢測(cè)器獲得的。市場(chǎng)上有一些帶有內(nèi)置能量測(cè)量和電源管理系統(tǒng)的特定能量測(cè)量芯片。它們通過計(jì)算輸出頻率來測(cè)量功率，輸出頻率與來自電壓和電流傳感器的兩個(gè)電壓信號(hào)乘積的時(shí)間平均值成比例[10]。但是，這些能量測(cè)量芯片不靈活，不適合復(fù)雜的計(jì)費(fèi)和費(fèi)率設(shè)置。

本文設(shè)計(jì)的USEM所使用的測(cè)量技術(shù)涉及到的計(jì)算公式如下。

負(fù)荷在時(shí)間間隔T內(nèi)消耗的能量為：

(1)

由于數(shù)字處理器不能處理模擬數(shù)據(jù)，故無法直接實(shí)現(xiàn)式(1)。積累電壓(V[n])和電流(I[n])采樣一段時(shí)間，然后將總積累值除以樣本數(shù)(N)，可得到真實(shí)值P。

(2)

式中：V[n]為采樣電壓；I[n]為采樣電流。

式(2)沒有功率因數(shù)項(xiàng)，即相位角。以瓦秒為單位的相位角能量可以通過式(3)獲得。

(3)

式中：Fs為采樣頻率。

(4)

式中：PPER為定時(shí)器周期寄存器值；Ft為定時(shí)器頻率。

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，輸入信號(hào)的最大頻率應(yīng)小于或等于采樣頻率的一半。電能計(jì)量規(guī)范要求精確測(cè)量次數(shù)為20次以內(nèi)的諧波含量。采樣頻率要求至少為2～4 kHz。在該項(xiàng)工作中，采樣頻率為4 kHz。視在功率可以通過瞬時(shí)電壓乘以瞬時(shí)電流得到。功率因數(shù)可以由實(shí)際功率除以視在功率得到。因此，所有的電測(cè)量參數(shù)都可以在不使用過零檢測(cè)器的情況下，通過一個(gè)具有電壓和電流采樣值的微控制器來獲得。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)采樣和累加的順序如圖1所示。

圖1 ADC采樣和累加順序圖Fig.1 ADC sampling and accumulation sequence diagram

利用單零FIR濾波器在電壓采樣中引入分?jǐn)?shù)延遲，公式如下：

y[n]=x[n]+βx[n-1]

(5)

式中：x為輸入電壓；y為延時(shí)輸出電壓；n為采樣序列；β為延時(shí)增益。

振幅和相位特性為：

(6)

式中：ω為角頻率。

(7)

組延遲可根據(jù)式(8)計(jì)算：

(8)

將濾波器組延遲與電流互感器(current transformer,CT)的固有相位相等，得到濾波器的參數(shù)如下：

(9)

為了補(bǔ)償數(shù)字濾波器的放大輸出，濾波器參數(shù)應(yīng)該乘以逆濾波器參數(shù)A-1。

(10)

濾波器系數(shù)β和A-1是在相位角校正校準(zhǔn)期間計(jì)算得出的。

電壓的離散采樣和累積可以通過式(11)計(jì)算得到。

(11)

式中：V′[n]和V″[n]分別為來自ADC通道和低通濾波器的采樣輸出電壓信號(hào)。

濾波系數(shù)Vrms和Irms為：

(12)

式中：Kv和Ki為用于獲得校正測(cè)量值而使用的高精度校準(zhǔn)常數(shù)。

最終可通過式(13)得到P。

(13)

將電壓、電流測(cè)量值分別與標(biāo)準(zhǔn)電壓表、電流表進(jìn)行比較，用試錯(cuò)法確定校準(zhǔn)常數(shù)Kv和Ki。

2 USEM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 完整系統(tǒng)架構(gòu)

USEM系統(tǒng)由用戶端、儀表端和授權(quán)端這三個(gè)主要終端組成。即用戶識(shí)別號(hào)(user Identification number，UIN)，電表識(shí)別號(hào)(meter identification mumber，MIN)和授權(quán)識(shí)別號(hào)(authority identification number，AIN)。終端具有內(nèi)置的遠(yuǎn)程訪問控制和操作USEM-DSLM選件中的所有功能，如資費(fèi)計(jì)劃設(shè)置、付款方式切換、連接-重新連接及充電中心設(shè)置等。UIN可以訪問儀表信息和遠(yuǎn)程切換儀表。MIN隨后向AIN發(fā)送必要的確認(rèn)SMS。

USEM系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 USEM系統(tǒng)模型圖Fig.2 USEM system model diagram

2.2 計(jì)量體系架構(gòu)

USEM的硬件比傳統(tǒng)的智能電能表更簡(jiǎn)單、便宜。本設(shè)計(jì)沒有使用昂貴的能量測(cè)量芯片(ADE7751或類似類型)，而是開發(fā)了使用CT、電壓互感器(potential transformer,PT)、ADC IC芯片、定時(shí)器IC、ATmega2560等設(shè)備的測(cè)量電路。由于功率損耗問題，本設(shè)計(jì)沒有使用分壓器和并聯(lián)電阻電路。輸入電流和電壓分別由CT和PT轉(zhuǎn)換到合適的范圍，然后直接應(yīng)用于雙通道12位ADC。經(jīng)過適當(dāng)放大后，數(shù)字電流和電壓信號(hào)被饋送至微處理器ATmega2560。累計(jì)的電壓和電流樣本將隨時(shí)間進(jìn)行積分。微控制器根據(jù)電壓和電流測(cè)量值計(jì)算有功功率、無功功率、能耗和功率因數(shù)。它更新LCD驅(qū)動(dòng)程序以顯示計(jì)算出的能量、實(shí)際功率、功率因數(shù)等。ATmega2560具有86個(gè)I /O引腳，可以方便地針對(duì)不同的USEM進(jìn)行廣泛的控制。在這里，2個(gè)CT被用來測(cè)量主負(fù)載電流和反饋電流。其目的是檢測(cè)儀表的干擾。相線和中性線穿過CT的一次繞組，可利用相同電阻的并聯(lián)導(dǎo)線來延長。其最大電流額定值約為5 A。實(shí)時(shí)時(shí)鐘(real time clock，RTC)用于及時(shí)存儲(chǔ)EEPROM中的數(shù)據(jù)，有助于制定靈活的資費(fèi)計(jì)劃。鋰離子電池用于確保RTC在斷電時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行。電源選擇器在斷電時(shí)可以由電池供電，否則它將由電源干線供電。2個(gè)繼電器可以實(shí)現(xiàn)多種用途，如DSML操作的負(fù)載切換、連接-未付賬單的重新連接、正常連接-故障條件下用戶和權(quán)限的重新連接等。類似技術(shù)也可以應(yīng)用于三相電能表。

2.3 需求負(fù)荷側(cè)管理

DSLM系統(tǒng)與USEM的集成提高了電源利用率，并在電力短缺時(shí)可以作為應(yīng)急電源使用，從而減輕消費(fèi)者在切負(fù)荷時(shí)的壓力。

在USEM中，為了容納遠(yuǎn)程負(fù)載管理系統(tǒng)，消費(fèi)者家庭場(chǎng)所的電力負(fù)載分為重負(fù)載和應(yīng)急負(fù)載(emergency load,EL)。重負(fù)載包括加熱器、電機(jī)、冰箱、微波爐、空調(diào)、電飯煲、電視等。在一個(gè)饋線中，用戶必須分配他的EL，并將信息存儲(chǔ)在實(shí)用程序的服務(wù)器中。在缺電情況下，對(duì)饋線進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，并根據(jù)當(dāng)時(shí)饋線下的可用功率分配每個(gè)用戶的EL。從公用控制室，允許EL限制通過SMS發(fā)送到每個(gè)MIN；負(fù)載限制信息通過UIN發(fā)送給用戶。

在從AIN收到經(jīng)過認(rèn)證的EL限制短信后，USEM關(guān)閉連接到重載的繼電器，然后連接用戶允許的EL。如果連接的EL數(shù)量大于用戶允許的EL數(shù)量，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲以降低EL數(shù)量。30 s后，自動(dòng)化系統(tǒng)將關(guān)閉已連接的EL。再經(jīng)過30 s后，自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)打開EL繼電器，并重新檢查已連接的EL數(shù)量。如果連接的EL數(shù)量小于或等于允許的EL數(shù)量，則系統(tǒng)在允許的EL數(shù)量下正常運(yùn)行；否則，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，且系統(tǒng)在30 s后再次關(guān)閉連接的EL數(shù)量。該檢查-復(fù)查過程將會(huì)持續(xù)3次。如果用戶在3次內(nèi)未調(diào)整EL數(shù)量，則其所有負(fù)載將永久關(guān)閉。在這種情況下，消費(fèi)者可以使用允許的EL，方法是在減少多余負(fù)載后向MIN發(fā)送SMS。當(dāng)電源正常時(shí)，通過從公用設(shè)施控制室發(fā)送短信，可將EL限制條件切換回正常模式。耗電元件使用的負(fù)載不能超過允許的EL，并且由于負(fù)載電流始終由CT監(jiān)控，也無法更改USEM設(shè)備以使用超過允許的EL負(fù)載。

USEM的DSLM系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 DSLM系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flowchart of DSLM system

此外，USEM還可以通過測(cè)量負(fù)載電流，用與EL相同的方法監(jiān)測(cè)用戶的允許負(fù)載(permitted loads,PL)。PL是消費(fèi)者在不支付額外需求的情況下通常可以使用的最大允許負(fù)載。如果用戶試圖使用超過PL的負(fù)載，那么USEM將關(guān)閉用戶的總負(fù)載，并通過向權(quán)限控制室發(fā)送短信的方式通知用戶的狀態(tài)。

2.4 模式切換和靈活的資費(fèi)設(shè)置

USEM的每個(gè)操作，例如遠(yuǎn)程連接-重新連接、付款方式選擇和費(fèi)率計(jì)劃配置，都可以從授權(quán)端或消費(fèi)者端進(jìn)行控制。USEM的主要功能是遠(yuǎn)程模式切換和費(fèi)率計(jì)劃設(shè)置。只需通過從權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)送帶有特定SMS代碼的SMS，而無需更改任何硬件或軟件，即可將USEM設(shè)置為預(yù)付費(fèi)或后付費(fèi)模式。在資費(fèi)計(jì)劃制定中，它還具有廣泛的靈活性和多功能性。

2.5 充電系統(tǒng)

USEM的充電系統(tǒng)簡(jiǎn)單、靈活，并且功能豐富多樣，可以通過現(xiàn)有各種移動(dòng)充值的支付系統(tǒng)進(jìn)行充值。首先，消費(fèi)者通過短信將請(qǐng)求發(fā)送其個(gè)人賬號(hào)。該賬號(hào)連接著消費(fèi)者的付款賬戶(例如移動(dòng)余額)、網(wǎng)上銀行賬戶等。然后，實(shí)用程序服務(wù)器發(fā)送驗(yàn)證短信到USEM。在完成后成功充值后，消費(fèi)者會(huì)收到一條確認(rèn)SMS。

2.6 賬單計(jì)算

預(yù)付費(fèi)和后付費(fèi)模式的USEM充值系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 預(yù)付費(fèi)和后付費(fèi)模式的USEM充值系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flowchart of USEM recharge system in pre-paied and post-paied mode

操作模式可以使用微控制器從公用服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程選擇。對(duì)于后付費(fèi)計(jì)量模式，系統(tǒng)在授權(quán)后指定的日期內(nèi)支付負(fù)余額。微控制器在每個(gè)月的第n天之后檢查當(dāng)前余額，然后使用UIN將賬單狀態(tài)發(fā)送給用戶，說明賬單付款的截止日期。在截止日期之后，微控制器再次檢查當(dāng)前余額，然后作出決定。如果在規(guī)定日期內(nèi)完成充值，則電表正常工作；否則，電表將自動(dòng)斷開并發(fā)出警報(bào)。

2.7 保護(hù)方案

在USEM中提供防止非法用電的保護(hù)方案，例如繞過電表、斷開中性線和篡改。在中性線斷開/部分旁路的情況下，通過使用2個(gè)CT比較相電流和中性電流來提供保護(hù)。如果2個(gè)測(cè)量值不相等，則檢測(cè)到部分旁路。在完全旁路的情況下，USEM中的PT會(huì)測(cè)量電壓，并在PT上找不到電壓時(shí)向AIN發(fā)送短信，以通知無電狀態(tài)。如果授權(quán)機(jī)構(gòu)確認(rèn)用戶可以使用電源，那么授權(quán)機(jī)構(gòu)將采取必要的措施。在電表篡改保護(hù)方面，在打開表蓋時(shí)，儀表蓋與儀表的接觸將斷開，使用微控制器的接地引腳和中斷引腳很容易檢測(cè)到這種情況；當(dāng)檢測(cè)到篡改時(shí)，USEM斷開負(fù)載并通過發(fā)送SMS通知授權(quán)。再者，在始終監(jiān)視電壓和電流的情況下，USEM可以在過電壓、欠電壓和過載的情況下保護(hù)家用電器。如果電壓/電流低于或超過公用事業(yè)公司設(shè)定的特定值，則智能電表將關(guān)閉用電設(shè)備的負(fù)載，并通知相關(guān)部門和使用者。

2.8 監(jiān)測(cè)和通知系統(tǒng)

USEM不僅可以檢測(cè)到欠壓、過壓和過流，還可以針對(duì)這些故障提供保護(hù)并通知授權(quán)機(jī)構(gòu)。這種類型的監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)提供了額外的家庭保護(hù)。管理部門可以從公用程序服務(wù)器監(jiān)視每個(gè)消費(fèi)者的狀態(tài)，并且可以通過SMS接收所有必要的信息，例如賬單信息、最后付款日期、電表狀態(tài)、減載通知和設(shè)備通知等。

3 USEM的性能研究

已實(shí)現(xiàn)的USEM設(shè)備可以直接顯示能耗、連接負(fù)載、剩余余額、功率因數(shù)和系統(tǒng)電壓等。本文中對(duì)已實(shí)現(xiàn)的USEM在不同電阻、電感和電容負(fù)載情況下進(jìn)行了測(cè)試。USEM與標(biāo)準(zhǔn)儀表(Fluke)測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表1所示。表1中顯示的結(jié)果表明，已開發(fā)的USEM的準(zhǔn)確性非常高。

表1 USEM與標(biāo)準(zhǔn)儀表(Fluke)測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of measurement results between USEM and standard instrument(Fluke)

USEM和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 USEM和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀(Fluke)的測(cè)量結(jié)果比較Fig.5 Comparison of measurement results between USEM and standard calibrators(Fluke)

已實(shí)現(xiàn)的USEM在其正常工作范圍內(nèi)進(jìn)行了較好的校準(zhǔn)。在不同電壓、電流范圍內(nèi)，對(duì)不同負(fù)載下USEM的測(cè)量精度和所有功能都進(jìn)行了測(cè)試。將所有測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀Fluke 5502A的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。本文中使用USEM測(cè)量了150～300 V的電壓，并將其與Fluke 5502A進(jìn)行了比較，如圖5(a)所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在這個(gè)電壓范圍內(nèi)，USEM產(chǎn)生的誤差非常小。同時(shí)，測(cè)試比較了一定電流范圍內(nèi)的電流值，結(jié)果如圖5(b)所示。

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)USEM，并在試驗(yàn)室完成實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)及后付費(fèi)2種配置模式。該儀表除了具備商業(yè)智能電表的所有功能外，還具有DSLM選項(xiàng)功能。DSLM模式可以在PL限制和EL限制條件下通過SMS進(jìn)行配置，從而在電力不足時(shí)實(shí)現(xiàn)完全無停電。與傳統(tǒng)的電能表相比，采用USEM的充電系統(tǒng)具有性價(jià)比高、吸引力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，USEM具有靈活的資費(fèi)計(jì)劃設(shè)置，可以簡(jiǎn)單地通過短消息遠(yuǎn)程配置和重新配置。USEM還提供了遠(yuǎn)程斷開電源、重新連接電源、斷開電源報(bào)警和篡改報(bào)警等附加功能，可以減少大量的技術(shù)和非技術(shù)成本以及人力成本。此外，USEM原型在直接和間接負(fù)載管理、遠(yuǎn)程軟件更新、蜂窩控制系統(tǒng)等方面具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。