摘要：隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力行業(yè)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用基于微處理器的電子式多功能電能表,其具備了準(zhǔn)確、快捷地測(cè)計(jì)電力參數(shù)、記錄事件、存儲(chǔ)負(fù)荷曲線、分析電能質(zhì)量及通信等智能電能表技術(shù)功能。在本文中，筆者分析了一種基于AMI系統(tǒng)的智能電能表的結(jié)構(gòu)和功能，并且總結(jié)出在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的一些問(wèn)題。
　　關(guān)鍵詞：AMI;智能電能表
　　引言
　　智能電能表技術(shù)在智能電網(wǎng)環(huán)境下,具有更強(qiáng)的信息處理、交互、計(jì)量和通信能力,能在AMI中提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸,實(shí)現(xiàn)電功率計(jì)時(shí)計(jì)量、自動(dòng)計(jì)費(fèi)、階梯電價(jià)計(jì)費(fèi)、優(yōu)化用電等功能;并能實(shí)現(xiàn)供電企業(yè)與客戶之間的即時(shí)雙向通信交互,使每個(gè)客戶實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地了解用電情況和節(jié)省電能電費(fèi)的最佳時(shí)間,自主選擇電器使用時(shí)間段,按需調(diào)度控制用電,合理制訂節(jié)電計(jì)劃,最大限度地降低能耗,節(jié)省電費(fèi)。進(jìn)而促進(jìn)節(jié)能減排,增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提高電力企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效率。在下文中，筆者將針對(duì)AMI系統(tǒng)的智能電能表的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析。
　　1高級(jí)量測(cè)體系(AMI)
　　所謂的智能電網(wǎng)是指使用健全的雙路通信、用高靈敏度的傳感器和分布式計(jì)算機(jī)將電力傳輸和分配完成的系統(tǒng)【1-2】。它主要由4部分組成［3］:高級(jí)量測(cè)體系(AMI);高級(jí)配電運(yùn)行(ADO);高級(jí)輸電運(yùn)行(ATO);高級(jí)資產(chǎn)管理(AAM)。
　　AMI是一個(gè)用來(lái)測(cè)量、收集、儲(chǔ)存、分析和運(yùn)用客戶用電信息的完整的網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)，由安裝在客戶端的智能電能表、位于電力公司內(nèi)的量測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和連接它們的通信系統(tǒng)組成。近來(lái)，該體系又延伸到客戶住宅之內(nèi)的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，以使客戶可以分析和利用自己家中詳細(xì)的用電信息。AMI中的智能電能表能按照預(yù)先設(shè)定的并存儲(chǔ)在智能電能表及其附屬設(shè)備中的時(shí)間間隔(分鐘，小時(shí)等)記錄客戶的多種用電信息，把這些信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳到數(shù)據(jù)中心，并在那里根據(jù)不同的要求和目的，如客戶計(jì)費(fèi)、故障響應(yīng)和需求側(cè)管理等進(jìn)行處理和分析;還能向電能表發(fā)送信息，如要求更多的數(shù)據(jù)或?qū)﹄娔鼙磉M(jìn)行軟件在線升級(jí)等［4］。
　　AMI由智能電能表、通信網(wǎng)絡(luò)、量測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和客戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)組成，各部分功能如下:
　　(1)智能電能表。可以將時(shí)間分段，以便讓電力公司可以掌握多種時(shí)段的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)并提供相應(yīng)的服務(wù)。時(shí)間間隔可以為1h或者1/4h等，并實(shí)時(shí)監(jiān)控終端客戶的用電量、用電功率、電壓、電流等其他信息，最后將信息數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至用電信息主站。
　　(2)通信網(wǎng)絡(luò)。采取固定速率的可多向運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，將用電信息(包括故障和停用電控制信息)實(shí)時(shí)地從終端傳輸至柜臺(tái)、用電數(shù)據(jù)中心、甚至是銀行賬戶系統(tǒng)。
　　(3)計(jì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(MDMS)。存貯所有客戶信息及電網(wǎng)實(shí)時(shí)分析信息，并與AMI自動(dòng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)配合使用，處理各類計(jì)量值。
　　(4)客戶室內(nèi)網(wǎng)(HAN)。通過(guò)網(wǎng)關(guān)或者電力線，把智能電能表和電器裝置(可裝有控制器與傳感器)連接起來(lái)（前提是在統(tǒng)一的通信規(guī)約下），使得客戶可以方便地通過(guò)電力公司提供的接口控制自己家中的每個(gè)裝置的開閉。
　　2基于AMI系統(tǒng)的智能電能表
　　通過(guò)智能電能表提供的客戶實(shí)時(shí)用電信息，AMI系統(tǒng)能更靈活有效地調(diào)配電力供需，并通過(guò)差異電價(jià)，改變客戶的用電行為模式，降低尖峰用電，起到削峰填谷，節(jié)約用電的作用，有助于全面大幅節(jié)能減碳，對(duì)電力供需雙方都有利。而智能電能表本身除了實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量的作用外，更重要的還有電能管理和交易服務(wù)、通訊與數(shù)據(jù)處理服務(wù)，以及連結(jié)到客戶家中的“智能家電”，讓客戶輕松有效地節(jié)能。基于AMI開放的系統(tǒng)和建立共享的信息模式，整合系統(tǒng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行和管理，通過(guò)智能終端，智能電能表將客戶之間、客戶和電網(wǎng)公司之間形成即時(shí)鏈接的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取實(shí)時(shí)、高速、雙向的效果，提高電網(wǎng)的綜合效率。
　　由于能實(shí)現(xiàn)帶有時(shí)段的多種計(jì)量，智能電能表實(shí)際上成為分布于網(wǎng)絡(luò)上的系統(tǒng)傳感器和量測(cè)點(diǎn)。因此，高級(jí)計(jì)量體系不僅能為電力公司提供遍及系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施，也能提供系統(tǒng)范圍的量測(cè)和可視性，被視為是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的第一步。
　　智能電能表除了以上所介紹的功能外，還應(yīng)具備以下功能:1)客戶可得到連續(xù)及時(shí)的計(jì)量信息;2)支持靈活的分時(shí)電價(jià);3)對(duì)參與市場(chǎng)的客戶提供實(shí)時(shí)電價(jià)查詢，并實(shí)現(xiàn)同實(shí)時(shí)電價(jià)相結(jié)合的自動(dòng)負(fù)荷控制;4)降低負(fù)荷峰值，提高系統(tǒng)資產(chǎn)利用率，降低應(yīng)對(duì)需求增長(zhǎng)所需的固定投資成本;5)集成客戶側(cè)的分布式發(fā)電;6)遠(yuǎn)程監(jiān)視電能質(zhì)量與實(shí)施電壓控制;7)快速的系統(tǒng)故障定位和響應(yīng);8)非技術(shù)性能量損耗的檢測(cè);9)為系統(tǒng)調(diào)度、規(guī)劃和運(yùn)行提供精確的系統(tǒng)負(fù)荷信息;10)在新一代的智能設(shè)備和高級(jí)服務(wù)之間實(shí)現(xiàn)信息共享。
　　3基于AMI功能的智能電能表的設(shè)計(jì)
　　根據(jù)上述AMI系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能，智能電能表設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)部分(見(jiàn)圖1):1)電能計(jì)量模塊;2)通訊模塊;3)存儲(chǔ)模塊;4)時(shí)鐘模塊;5)液晶顯示模塊;6)電源模塊;7)ESAM模塊;8)控用電模塊。
　　
　　
　　圖1智能電能表功能部件結(jié)構(gòu)圖
　　3．1電能計(jì)量模塊
　　遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電能表電能計(jì)量芯片精度高、可靠性強(qiáng)，能精確測(cè)量正、反向及組合有功電能，正、反向及組合無(wú)功電能、四象限無(wú)功電能，能實(shí)時(shí)測(cè)量有功、無(wú)功功率、電壓、電流和頻率等參數(shù)。通過(guò)表內(nèi)輸出信號(hào)來(lái)控制斷路器實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通與斷，實(shí)現(xiàn)督促客戶及時(shí)購(gòu)電或繳費(fèi)功能;具有雙備份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，自動(dòng)參數(shù)糾錯(cuò)以及自檢和報(bào)警功能;支持全數(shù)字的增益、相位和Offset校正;內(nèi)部的電源監(jiān)控電路可以保證通電和斷電時(shí)芯片的可靠工作;MCU通過(guò)SPI(SerialPeripheralInterface串行外圍接口)實(shí)時(shí)讀取電能表運(yùn)行參數(shù)，在發(fā)生異常時(shí)，進(jìn)行事件記錄，等待遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)的查詢。
　　3．2通訊模塊
　　智能電能表采用2種通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊功能，分別是:RS-485和紅外IR傳輸。考慮到智能電能表會(huì)安裝在戶外，因此需要在RS-485總線上接入避雷的保護(hù)措施。RS-485的信號(hào)通過(guò)光耦和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，從而防止遭遇雷擊時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成破壞。每只智能電能表都有一個(gè)確定的唯一的12位十進(jìn)制通訊地址，主站系統(tǒng)采用DL/T645-2007《多功能電能表通信協(xié)議》下發(fā)命令信息，智能電能表接收到與自己地址匹配的信息，便把應(yīng)答信息及其校驗(yàn)碼打包向上傳送給遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中抄讀。同時(shí)具備抗紅外通信干擾的功能。
　　3．3存儲(chǔ)模塊
　　智能電能表的功能眾多，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如12個(gè)月歷史電量數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)、凍結(jié)量數(shù)據(jù)等。所選用的存儲(chǔ)芯片必須容量夠大，可靠性高，保存時(shí)間長(zhǎng)，功耗低。所以采用的存儲(chǔ)單元不僅應(yīng)具有低功耗、待機(jī)、工作電流小，而且需要有存儲(chǔ)容量大、擦寫次數(shù)多過(guò)電能表使用年限、數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。
　　3．4時(shí)鐘模塊
　　時(shí)鐘電路采用具高精度、低功耗時(shí)鐘芯片，內(nèi)置溫度補(bǔ)償晶振，可在寬溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)，并和目前在電能表領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的EPSONRX-8025SA引腳兼容。按照CPU外部通訊接收到的校時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置時(shí)鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續(xù)走時(shí)，有2個(gè)中斷報(bào)警引腳可設(shè)置為輸出秒或分同步脈沖。MCU每隔一段時(shí)間通過(guò)通訊接口讀取當(dāng)前的時(shí)間，計(jì)算出該時(shí)刻所屬的時(shí)段，實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率電能表的分時(shí)段計(jì)量電能。時(shí)鐘電路具備鋰電池，正常工作時(shí)有主電源Vcc供電，當(dāng)出現(xiàn)停電時(shí)，自動(dòng)切換鋰電池為時(shí)鐘電路供電，即使停電，時(shí)鐘走時(shí)也準(zhǔn)確。
　　3．5液晶顯示
　　智能電能表要求電能表能夠支持液晶LCD顯示運(yùn)行信息，通過(guò)液晶上的各種顯示字符組合來(lái)顯示電能表各種運(yùn)行信息，從而方便客戶使用。
　　3．6電源模塊
　　電源模塊由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分組成，使干擾脈沖的數(shù)量和幅度有所減少，并加裝專用的電源監(jiān)控電路。
　　由于智能電能表具備停電喚醒功能，因此它的電源供給:一是由火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是由在主電源無(wú)效的情況下提供備用鋰電池電源，以滿足電能表MCU、時(shí)鐘芯片和液晶顯示的需要。電能表提供多種省電模式:睡眠、深度睡眠、掉電、深度掉電，以滿足各種優(yōu)先級(jí)中斷的喚醒。
　　3．7輸出模塊
　　與以前使用的電能表不同，智能電能表輸出的LED指示燈的功能也不相同。拉閘指示燈用來(lái)指示客戶負(fù)載的切斷與否，報(bào)警指示燈用來(lái)指示電能表運(yùn)行中發(fā)生的異常，電能表運(yùn)行脈沖指示LED用來(lái)指示客戶用電，脈沖輸出用來(lái)校表及計(jì)量，脈沖輸出的電路和多功能口輸出電路由普通I/0口加光耦隔離實(shí)現(xiàn)。
　　3．8ESAM模塊
　　ESAM安全模塊的應(yīng)用是和各種專用或通用智能設(shè)備相關(guān)的，對(duì)于所有需要身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密/解密、安全存儲(chǔ)、通訊保密等較高數(shù)據(jù)安全要求的產(chǎn)品和應(yīng)用系統(tǒng)，ESAM嵌入式安全控制模塊都可以發(fā)揮其獨(dú)到的安全控制作用。對(duì)于遠(yuǎn)程費(fèi)率智能電能表而言，電費(fèi)的計(jì)算在遠(yuǎn)程售電系統(tǒng)中完成，表內(nèi)不存儲(chǔ)、顯示與電費(fèi)、電價(jià)相關(guān)的信息。電能表接收遠(yuǎn)程售電系統(tǒng)下發(fā)的拉閘、合閘、ESAM數(shù)據(jù)抄讀指令時(shí)，需通過(guò)嚴(yán)格的密碼驗(yàn)證及安全認(rèn)證。在智能電能表中ESAM模塊只負(fù)責(zé)完成安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，此模塊可在電力公司設(shè)置完畢后，提供給表廠安裝在智能電能表中。今后的數(shù)據(jù)存取以及密鑰的安全認(rèn)證過(guò)程都在遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)與智能電能表中的ESAM模塊之間進(jìn)行，與表中的微控制器無(wú)關(guān)，微控制器仍然由表廠負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，完成智能電能表的功能。這樣既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的安全性由運(yùn)行管理方控制，又不妨礙表廠繼續(xù)發(fā)展和完善智能電能表的功能和性能。
　　3．9系統(tǒng)工作原理
　　智能電能表實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)供電的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)模擬端口檢測(cè)到外部供電時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)內(nèi)部主時(shí)鐘全速運(yùn)行，通過(guò)SPI與計(jì)量芯片通訊，實(shí)時(shí)讀取電能表運(yùn)行的狀態(tài)內(nèi)容，如實(shí)時(shí)電壓、電流值、功率、功率因數(shù)等，并判斷是否在正常工作范圍內(nèi)，如出現(xiàn)異常，通過(guò)串口與時(shí)鐘模塊通訊，讀取此刻時(shí)間，然后將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元中，以備主站系統(tǒng)查詢，同時(shí)報(bào)警指示燈報(bào)警，通過(guò)串口通訊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至顯示芯片內(nèi)并顯示在LCD液晶屏上。智能電能表運(yùn)行過(guò)程中，不斷讀取時(shí)鐘芯片的時(shí)間值，來(lái)判斷是否可進(jìn)入下一費(fèi)率時(shí)段運(yùn)行，以便進(jìn)行時(shí)段投切。
　　當(dāng)智能電能表接收到紅外或485通訊信道下發(fā)格式遵循DL/T645-2007標(biāo)準(zhǔn)的命令數(shù)據(jù)，電能表通過(guò)規(guī)約解析，讀取存儲(chǔ)芯片中的數(shù)據(jù)，打包后由紅外或485通訊信道上傳。如485通訊信道接收到遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)下發(fā)的加密費(fèi)率命令，MCU會(huì)將此數(shù)據(jù)傳送給ESAM模塊進(jìn)行解密分析，成功后返回給MCU，通過(guò)命令分析執(zhí)行相應(yīng)的費(fèi)控操作。外部供電消失后，系統(tǒng)電源切換到備用鋰電池電源，關(guān)閉內(nèi)部高速時(shí)鐘，啟動(dòng)低速時(shí)鐘，關(guān)閉外圍功能，進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)。
　　3．10其他功能說(shuō)明
　　智能電能表具有防竊電等多種功能，擁有專門的防竊電檢測(cè)管腳進(jìn)行開蓋檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到電能表蓋被打開時(shí)，會(huì)自動(dòng)通知CPU并自動(dòng)記錄開蓋時(shí)間。當(dāng)獨(dú)立防竊芯片檢測(cè)到對(duì)其獨(dú)立供電的電池被斷開時(shí)，也會(huì)自動(dòng)通知CPU并記錄時(shí)間。做到從硬件協(xié)助客戶進(jìn)行防竊電取證和記錄。
　　可使用非接觸式讀卡技術(shù)完成預(yù)付費(fèi)，并通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)與銀行柜員主機(jī)相聯(lián)系，在獲得費(fèi)控信息后，完成對(duì)電能表開關(guān)的關(guān)合。
　　電能表內(nèi)小信號(hào)分析單元，與諧波過(guò)濾芯片配合，對(duì)電力線上傳輸過(guò)來(lái)的非正弦波形進(jìn)行過(guò)濾。