基于智能电网和高级量测体系实现智能用户端的设计

引言

在现代电网的发展过程中，各国结合其电力工业发展的具体情况，通过不同领域的研究和实践，形成了各自的发展方向和技术路线，也反映出各国对未来电网发展模式的不同理解。近年来，随着各种先进技术在电网中的广泛应用，智能化已经成为电网发展的必然趋势，发展智能电网已在世界范围内形成共识。从技术发展和应用的角度看，世界各国、各领域的专家、学者普遍认同以下观点：智能电网是将先进的传感量测技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。

随着信息时代的来临，如何更高效地利用能源、节约能源，在全球范围内被给予了越来越多的关注，电力行业正面临着诸多新挑战。作为顺应电力发展趋势的产物，智能电网必将掀起一番新浪潮。智能电网（smart power grids），就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。如图1 所示。

1 智能电表

1.1 智能电表主要功能

由用户交费对智能IC卡充值并输入电表中，电表[1]才能供电，表中电量用完后自动拉闸断电，从而有效地解决上门抄表和收电费难的问题。同时，用户的购电信息实行微机管理，方便进行查询、统计、收费及打印票据等。工作原理用户持IC卡到供电部门交款购电，供电部门用售电管理机将购电量写入IC卡中，用户持IC卡在感应区刷非接触式IC卡（简称刷卡，下同），即可合闸供电，供电后将卡拿走。当表内剩余电量等于报警电量时，拉闸断电报警（或蜂鸣器报警），此时用户在感应区刷卡即可恢复供电；当剩余电量为零时，自动拉闸断电，用户必须再次持卡交费购电，才可以恢复用电。

1）电能计量：对多种时段多种费率模式电能分别统计，对有功、无功电能使用情况进行计量，测算电能电压、电流、频率、功率因数等丰富信息，从而更好地帮助用户分析用电情况，制定合理的用电规划。

2）电能监管：与实时费率系统配合，将电能使用量控制在设置的阈值以内。与分布式发电相配合，将其发出的电能并网供给用户直接使用或者由相关机构统一管理，当主电网故障时，与分布式发电管理系统共同协作实现孤岛系统的平稳过渡。

3）通信系统：采用双向通信模式，在发送数据信息的同时接受指令信息。

1.2 智能电表硬件设计

根据智能电表的各项功能，设计其结构框图，如图2 所示。智能电表包含有控制管理、电源、计量、通信、时钟、数据存储、LCD、LED、按键等模块。

1.2.1 控制管理模块

控制管理模块作为智能电表的核心单元，它的主要作用是将各个模块整合成整体、协调合作。芯片的集成度、功耗以及价位均是需要考虑的因素。

1.2.2 电源模块

智能电表各模块所需电压为+5 V 和+3.3 V 两种。从电网接入工频单相交流电，经变压器降压、整流、滤波后，由三端稳压器78L05 获得+5 V 电源；+5 V 电源的另一个支路再经三端稳压器LM1117IMPX-3.3 即可获得+3.3 V 电源，并将+3 V 电池作为后备电源与+3.3 V 电源并联，当电网停电时，电池作为后备电源为指定器件供电。

1.2.3 电能计量模块

目前，电能表的计量芯片有模拟型乘法器和数字型乘法器两种。前者主要分为时分割乘法器和吉尔波特变跨导乘法器两类，后者则根据A/D 变换原理不同分成逐次比较型数字乘法器和Σ-△型数字乘法器。Σ-△型电能计量芯片由于其高精度占据了较大的市场份额。

本设计选用ADI 公司的一款高精度电能计量芯片ADE7753。它内置数字积分器，具有di/dt 微分电流传感器接口，提供有功、无功、视在功率能量值，采样波形以及电压和电流有效值，在1000:1 的动态范围内，误差小于0.1％，低功耗，并且具有与SPI 兼容的串行接口。

1.2.4 通信模块

目前常用的通信方式有RS485、红外、低压电力载波和无线等。

RS485 双绞线通信方式实现较易，但传输距离短、布线复杂、维护困难；红外通信自动化程度低，抄收距离受限，已渐渐退出通信前沿；低压电力载波通过输电线路来实现通信，该方式的最大优点是无需单独布线，但目前在传输距离和信号质量上仍存在一些难题，可靠性稍差；无线通信在许多地区已盛行，其中具有代表性的无线抄表方案有基于GPRS 的无线数据接入、基于WLAN（无线局域网）技术的无线接入、基于CFDA 技术的无线数据接入技术以及ZigBee 技术。

ZigBee 是近年来发展迅猛的一种无线通信技术，是一种基于IEEE 802.15.4 无线标准提出的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，用以解决传感器间数据传递和交换。ZigBee 具有网络稳定性好、容量大、安装维护方便、抗干扰能力强、安全性好、功耗低、造价低等特点，适用于电子设备间的无线数据传输。通信模块选用TI 公司的芯片CC2530，它是一个真正用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 应用的片上系统解决方案，能够以非常低的成本建立强大的网络节点，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰性。

1.2.5 时钟模块

实时时钟的主要作用是为电表提供精确的时间基准，它与电表的系统误差、电费结算、事件记录等都有一定关联。本设计采用EPSON 公司专为中国表计行业设计的一款实时计时芯片RX8025，采用IIC 总线通信模式，功耗低且精准度高。

1.2.6 数据存储模块

电表对安全性的要求非常高，一些重要数据丢失将会造成严重后果，因此本设计中，选用Ramtron 公司的铁电存储器FM24CL64，它与EEPROM 相比，读写速度和耐用性能高出几个数量级，无读写次数限制，且功耗极低，能充分满足智能电表的要求。

1.2.7 其他模块

本智能电表的人机接口部分设计采用段码式LCD 显示各种信息；三个LED 作报警提示；一个按键供工作人员进行相关调试；并设有开盖检测电路对电表的开盖事件作记录上报，防止非法操作，确保电表安全。

2 智能电器开关

图3 即为智能电器开关示意图，它是一个连接用电器和电源的中间设备，由于现阶段电器的智能化尚无法满足构建户内智能网络的要求，因此可将智能电器开关看作一种过渡型器件。

2.1 智能电器开关主要功能

1）对用电器的用电量进行计量；

2）通过无线通信将用电信息上报；

3）接收户内控制系统下发的控制命令，对用电器执行通断等操作。

2.2 智能电器开关硬件设计

图4 即为智能电器开关框图，它与智能电表相比少了LCD 模块，多了开关模块。

2.2.1 控制管理模块

同智能电表相比，智能电器开关在功能上要少很多，但安装数量较多，因此在设计时经济实用性着重考虑。该模块选用ATMEL 公司的一款低功耗8 位芯片ATmega8535。

2.2.2 电源模块

智能电器开关接入的是户内供电网络，在电源模块设计时省去了雷击保护，均采用直流+5 V 供电，并配有+3 V 电池作后备电源。

2.2.3 电能计量模块

由于智能电器开关只需记录电能的使用量即可，其电能计量模块选用ADI 的计量功能相对较少一些的芯片ADE7756。

2.2.4 开关模块

用电器电源的通断由微型继电器来实现，MCU的输出信号经过光耦隔离后对继电器进行控制。

2.2.5 数据存储模块

考虑到智能电器开关数据量相对较小，它的存储模块选用价格较为低廉的EEPROM 存储。

2.2.6 其他模块

通信、时钟等其他模块均与智能电表相同。

3 户内控制系统

户内控制系统是智能电网新特性的主要体现点之一，有关它的说法较多，有些文献中将其称为户内显示系统（In Home Display）或者户内能源管理系统。用户通过该平台了解电能使用信息，并结合实时费率等资讯，对各用电器用电情况进行控制，调整自己的用电方案。

3.1 户内控制系统主要功能

1）接收智能电表、智能电器开关发送的大量数据信息并进行实时显示；

2）为用户提供操作平台，使其可获取详细的电能使用情况及其他相关信息，并协助用户分析调整电能的使用；

3）将用户下达的控制指令发送给各用电器。

3.2 户内控制系统硬件设计

如图5 即为设计的户内控制系统框图。

3.2.1 控制管理模块

户内控制系统需要处理大量信息，因此需要一个性能优异的芯片才能保证其高效稳定工作。本设计选用TI 公司基于ARM 核心的LM3S9000 系列，主频达80 MHz，性能优异。

3.2.2 电源模块

考虑到便捷性和舒适性，将户内控制系统设计成一款手持式移动设备，采用+3 V 电池供电。

3.2.3 显示模块

该模块包括LCD 液晶屏、LCD 驱动、按键三个部分。LCD驱动芯片为EPSON公司的S1D13517，适合于多种屏幕及分辨率；按键共有八个，分别是电源键、重启键、上下左右四个方向键、确定键、取消/返回键。

图6 为模拟的户内控制系统主界面，它包含有电能、电价、用电器、分布式发电等模块。户内控制系统将接收到的用电信息经过处理，以图表的形式直观的展现出来。

3.2.4 数据存储模块

户内控制系统的数据存储模块包含MCU 的铁电存储器以及LCD 的SDRAM 显存。

3.2.5 其他模块

时间和通信等其他模块均与智能电表类似。

4 结论

本文以智能电网为背景，结合高级量测体系和通信的发展，对智能电网的智能用户端进行了硬件原理的设计。包括可对电能进行多项精准测量记录并支持实时电价多重费率的智能电表、计量用电器用电情况并根据控制指令进行开关操作的智能电器开关，以及为用户提供控制平台以实现对户内用电网络进行管理的户内控制系统。三者相互配合，从而达到更合理地分配电能、更高效地利用能源的目的。

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