摘要：隨著電子技術的高速發(fā)展，電力行業(yè)已經廣泛地應用基于微處理器的電子式多功能電能表,其具備了準確、快捷地測計電力參數、記錄事件、存儲負荷曲線、分析電能質量及通信等智能電能表技術功能。在本文中，筆者分析了一種基于AMI系統的智能電能表的結構和功能，并且總結出在設計中應當注意的一些問題。
　　關鍵詞：AMI;智能電能表
　　引言
　　智能電能表技術在智能電網環(huán)境下,具有更強的信息處理、交互、計量和通信能力,能在AMI中提供實時數據采集、存儲和傳輸,實現電功率計時計量、自動計費、階梯電價計費、優(yōu)化用電等功能;并能實現供電企業(yè)與客戶之間的即時雙向通信交互,使每個客戶實時準確地了解用電情況和節(jié)省電能電費的最佳時間,自主選擇電器使用時間段,按需調度控制用電,合理制訂節(jié)電計劃,最大限度地降低能耗,節(jié)省電費。進而促進節(jié)能減排,增強電力系統的穩(wěn)定性,提高電力企業(yè)的經營效率。在下文中，筆者將針對AMI系統的智能電能表的設計進行深入的分析。
　　1高級量測體系(AMI)
　　所謂的智能電網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算機將電力傳輸和分配完成的系統【1-2】。它主要由4部分組成［3］:高級量測體系(AMI);高級配電運行(ADO);高級輸電運行(ATO);高級資產管理(AAM)。
　　AMI是一個用來測量、收集、儲存、分析和運用客戶用電信息的完整的網絡處理系統，由安裝在客戶端的智能電能表、位于電力公司內的量測數據管理系統和連接它們的通信系統組成。近來，該體系又延伸到客戶住宅之內的室內網絡，以使客戶可以分析和利用自己家中詳細的用電信息。AMI中的智能電能表能按照預先設定的并存儲在智能電能表及其附屬設備中的時間間隔(分鐘，小時等)記錄客戶的多種用電信息，把這些信息通過通信網絡傳到數據中心，并在那里根據不同的要求和目的，如客戶計費、故障響應和需求側管理等進行處理和分析;還能向電能表發(fā)送信息，如要求更多的數據或對電能表進行軟件在線升級等［4］。
　　AMI由智能電能表、通信網絡、量測數據管理系統和客戶戶內網絡組成，各部分功能如下:
　　(1)智能電能表。可以將時間分段，以便讓電力公司可以掌握多種時段的收費標準并提供相應的服務。時間間隔可以為1h或者1/4h等，并實時監(jiān)控終端客戶的用電量、用電功率、電壓、電流等其他信息，最后將信息數據通過通信網絡傳輸至用電信息主站。
　　(2)通信網絡。采取固定速率的可多向運行網絡，將用電信息(包括故障和停用電控制信息)實時地從終端傳輸至柜臺、用電數據中心、甚至是銀行賬戶系統。
　　(3)計量數據管理系統(MDMS)。存貯所有客戶信息及電網實時分析信息，并與AMI自動數據收集系統配合使用，處理各類計量值。
　　(4)客戶室內網(HAN)。通過網關或者電力線，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（前提是在統一的通信規(guī)約下），使得客戶可以方便地通過電力公司提供的接口控制自己家中的每個裝置的開閉。
　　2基于AMI系統的智能電能表
　　通過智能電能表提供的客戶實時用電信息，AMI系統能更靈活有效地調配電力供需，并通過差異電價，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，對電力供需雙方都有利。而智能電能表本身除了實現電能計量的作用外，更重要的還有電能管理和交易服務、通訊與數據處理服務，以及連結到客戶家中的“智能家電”，讓客戶輕松有效地節(jié)能。基于AMI開放的系統和建立共享的信息模式，整合系統數據，優(yōu)化電網的運行和管理，通過智能終端，智能電能表將客戶之間、客戶和電網公司之間形成即時鏈接的網絡互動，從而實現數據讀取實時、高速、雙向的效果，提高電網的綜合效率。
　　由于能實現帶有時段的多種計量，智能電能表實際上成為分布于網絡上的系統傳感器和量測點。因此，高級計量體系不僅能為電力公司提供遍及系統的通訊網絡和設施，也能提供系統范圍的量測和可視性，被視為是實現智能電網的第一步。
　　智能電能表除了以上所介紹的功能外，還應具備以下功能:1)客戶可得到連續(xù)及時的計量信息;2)支持靈活的分時電價;3)對參與市場的客戶提供實時電價查詢，并實現同實時電價相結合的自動負荷控制;4)降低負荷峰值，提高系統資產利用率，降低應對需求增長所需的固定投資成本;5)集成客戶側的分布式發(fā)電;6)遠程監(jiān)視電能質量與實施電壓控制;7)快速的系統故障定位和響應;8)非技術性能量損耗的檢測;9)為系統調度、規(guī)劃和運行提供精確的系統負荷信息;10)在新一代的智能設備和高級服務之間實現信息共享。
　　3基于AMI功能的智能電能表的設計
　　根據上述AMI系統需實現的功能，智能電能表設計可以分為以下幾個部分(見圖1):1)電能計量模塊;2)通訊模塊;3)存儲模塊;4)時鐘模塊;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構圖
　　3．1電能計量模塊
　　遠程費控智能電能表電能計量芯片精度高、可靠性強，能精確測量正、反向及組合有功電能，正、反向及組合無功電能、四象限無功電能，能實時測量有功、無功功率、電壓、電流和頻率等參數。通過表內輸出信號來控制斷路器實現負載的通與斷，實現督促客戶及時購電或繳費功能;具有雙備份數據存儲，自動參數糾錯以及自檢和報警功能;支持全數字的增益、相位和Offset校正;內部的電源監(jiān)控電路可以保證通電和斷電時芯片的可靠工作;MCU通過SPI(SerialPeripheralInterface串行外圍接口)實時讀取電能表運行參數，在發(fā)生異常時，進行事件記錄，等待遠程主站系統的查詢。
　　3．2通訊模塊
　　智能電能表采用2種通訊方式來實現通訊功能，分別是:RS-485和紅外IR傳輸。考慮到智能電能表會安裝在戶外，因此需要在RS-485總線上接入避雷的保護措施。RS-485的信號通過光耦和單片機系統進行隔離，從而防止遭遇雷擊時對整個系統造成破壞。每只智能電能表都有一個確定的唯一的12位十進制通訊地址，主站系統采用DL/T645-2007《多功能電能表通信協議》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，便把應答信息及其校驗碼打包向上傳送給遠程主站系統，實現數據集中抄讀。同時具備抗紅外通信干擾的功能。
　　3．3存儲模塊
　　智能電能表的功能眾多，實現復雜，在運行過程中會產生大量的數據，如12個月歷史電量數據、事件記錄數據、凍結量數據等。所選用的存儲芯片必須容量夠大，可靠性高，保存時間長，功耗低。所以采用的存儲單元不僅應具有低功耗、待機、工作電流小，而且需要有存儲容量大、擦寫次數多過電能表使用年限、數據保存時間長的特點。
　　3．4時鐘模塊
　　時鐘電路采用具高精度、低功耗時鐘芯片，內置溫度補償晶振，可在寬溫范圍內實現精確計時，并和目前在電能表領域得到廣泛應用的EPSONRX-8025SA引腳兼容。按照CPU外部通訊接收到的校時數據來設置時鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續(xù)走時，有2個中斷報警引腳可設置為輸出秒或分同步脈沖。MCU每隔一段時間通過通訊接口讀取當前的時間，計算出該時刻所屬的時段，實現多費率電能表的分時段計量電能。時鐘電路具備鋰電池，正常工作時有主電源Vcc供電，當出現停電時，自動切換鋰電池為時鐘電路供電，即使停電，時鐘走時也準確。
　　3．5液晶顯示
　　智能電能表要求電能表能夠支持液晶LCD顯示運行信息，通過液晶上的各種顯示字符組合來顯示電能表各種運行信息，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效的情況下提供備用鋰電池電源，以滿足電能表MCU、時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。拉閘指示燈用來指示客戶負載的切斷與否，報警指示燈用來指示電能表運行中發(fā)生的異常，電能表運行脈沖指示LED用來指示客戶用電，脈沖輸出用來校表及計量，脈沖輸出的電路和多功能口輸出電路由普通I/0口加光耦隔離實現。
　　3．8ESAM模塊
　　ESAM安全模塊的應用是和各種專用或通用智能設備相關的，對于所有需要身份認證、數據加密/解密、安全存儲、通訊保密等較高數據安全要求的產品和應用系統，ESAM嵌入式安全控制模塊都可以發(fā)揮其獨到的安全控制作用。對于遠程費率智能電能表而言，電費的計算在遠程售電系統中完成，表內不存儲、顯示與電費、電價相關的信息。電能表接收遠程售電系統下發(fā)的拉閘、合閘、ESAM數據抄讀指令時，需通過嚴格的密碼驗證及安全認證。在智能電能表中ESAM模塊只負責完成安全認證和數據的存儲，此模塊可在電力公司設置完畢后，提供給表廠安裝在智能電能表中。今后的數據存取以及密鑰的安全認證過程都在遠程主站系統與智能電能表中的ESAM模塊之間進行，與表中的微控制器無關，微控制器仍然由表廠負責設計，完成智能電能表的功能。這樣既實現了系統的安全性由運行管理方控制，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系統工作原理
　　智能電能表實時檢測系統供電的狀態(tài)，當檢測模擬端口檢測到外部供電時，系統啟動內部主時鐘全速運行，通過SPI與計量芯片通訊，實時讀取電能表運行的狀態(tài)內容，如實時電壓、電流值、功率、功率因數等，并判斷是否在正常工作范圍內，如出現異常，通過串口與時鐘模塊通訊，讀取此刻時間，然后將這些數據存儲到存儲單元中，以備主站系統查詢，同時報警指示燈報警，通過串口通訊將實時數據傳輸至顯示芯片內并顯示在LCD液晶屏上。智能電能表運行過程中，不斷讀取時鐘芯片的時間值，來判斷是否可進入下一費率時段運行，以便進行時段投切。
　　當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標準的命令數據，電能表通過規(guī)約解析，讀取存儲芯片中的數據，打包后由紅外或485通訊信道上傳。如485通訊信道接收到遠程主站系統下發(fā)的加密費率命令，MCU會將此數據傳送給ESAM模塊進行解密分析，成功后返回給MCU，通過命令分析執(zhí)行相應的費控操作。外部供電消失后，系統電源切換到備用鋰電池電源，關閉內部高速時鐘，啟動低速時鐘，關閉外圍功能，進入低功耗工作狀態(tài)。
　　3．10其他功能說明
　　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管腳進行開蓋檢測，當檢測到電能表蓋被打開時，會自動通知CPU并自動記錄開蓋時間。當獨立防竊芯片檢測到對其獨立供電的電池被斷開時，也會自動通知CPU并記錄時間。做到從硬件協助客戶進行防竊電取證和記錄。
　　可使用非接觸式讀卡技術完成預付費，并通過通訊網絡與銀行柜員主機相聯系，在獲得費控信息后，完成對電能表開關的關合。
　　電能表內小信號分析單元，與諧波過濾芯片配合，對電力線上傳輸過來的非正弦波形進行過濾。