單相雙向計(jì)量多功能智能電能表設(shè)計(jì)

李 寧,李建閩,張建文,宋俊皓,段輝江,榮 宏

(1.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院,新疆 烏魯木齊 830011；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

單相雙向計(jì)量多功能智能電能表設(shè)計(jì)

李 寧1,李建閩2,張建文1,宋俊皓2,段輝江2,榮 宏2

(1.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院,新疆 烏魯木齊 830011；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

智能電表、智能用電、供用電互動(dòng)等技術(shù)既是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的基本組成部分，又是引導(dǎo)科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)用電，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)的重要研究?jī)?nèi)容。針對(duì)智能電網(wǎng)中現(xiàn)代家居智能用電以及家庭微網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展需求，提出了一種基于STM32F103微控制器，具有雙向電能計(jì)量、多參數(shù)測(cè)量和防竊電等多種功能的單相智能電能表設(shè)計(jì)方案。介紹了電能表的系統(tǒng)構(gòu)成，重點(diǎn)分析了電流、電壓信號(hào)采集電路、雙向電能計(jì)量單元硬件電路設(shè)計(jì)，詳細(xì)論述了基于兩個(gè)電流互感器、一個(gè)電壓互感器的高精度防竊電功能設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，給出了電能表的誤差分析和純軟件形式的校表方式。該單相多功能雙向計(jì)量智能電能表成本低、功能強(qiáng)。國網(wǎng)新疆電力公司的實(shí)際應(yīng)用證明了該電能表的準(zhǔn)確性與可靠性。

能源； 分布式電源； 智能電網(wǎng)； 智能電表； 計(jì)量； 電路； 誤差校正

0 引言

現(xiàn)代電能計(jì)量是電力用戶與供電單位之間的結(jié)算依據(jù)，是電網(wǎng)能效管理的重要參考指標(biāo)。近年來，各地政府相繼出臺(tái)了針對(duì)風(fēng)能、太陽能等分布式電源的鼓勵(lì)與補(bǔ)貼政策[1]。分散于居住區(qū)的大量小容量分布式電源可以將多余電能回送給電網(wǎng)系統(tǒng)[2-5]。用戶既是電網(wǎng)系統(tǒng)的電能消費(fèi)者，又是電網(wǎng)系統(tǒng)的能源供應(yīng)者。因此，雙向電能計(jì)量已成為現(xiàn)代智能電網(wǎng)必需的計(jì)量設(shè)備。

針對(duì)雙向計(jì)量需求，國內(nèi)推出了多種智能電表設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[6]基于AMI模型，本文設(shè)計(jì)了一種以STM32F103VET6為主控制芯片，以BL0929為電能計(jì)量芯片的雙向計(jì)量型智能電表系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款基于ADE7878電能計(jì)量芯片的實(shí)時(shí)測(cè)量雙向通信智能電表。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了以ARM微控制器STM32F407ZGT6為主控核心，以微控制器內(nèi)部FFT運(yùn)算函數(shù)庫作為數(shù)據(jù)處理方法的智能雙向電力計(jì)量裝置。

以上這些智能電表只從技術(shù)上解決了分布式電源接入所需要的雙向計(jì)量問題，但智能電網(wǎng)、智能用電的發(fā)展不僅需要電能表具有有功、無功電能雙向計(jì)量功能，還要求電能表同時(shí)具備需量計(jì)量、預(yù)付費(fèi)、費(fèi)率和時(shí)段設(shè)置、防竊電、事件記錄、報(bào)警等多種功能，以便電網(wǎng)和用戶雙方協(xié)同管理電能[9-10]。為此，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103微控制器，同時(shí)具有雙向電能計(jì)量、多參數(shù)測(cè)量、防竊電和事件記錄等多種功能的單相多功能雙向計(jì)量智能電能表方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

分布式電源接入后，需要結(jié)算分布式發(fā)電的補(bǔ)貼，必須單獨(dú)計(jì)量分布式發(fā)電的發(fā)電量。分布式電源接入后的雙向電能計(jì)量需求如圖1所示。

圖1 雙向電能計(jì)量需求示意圖

電能表構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2 電能表構(gòu)成框圖

本設(shè)計(jì)以STM32F103微控制器為信息處理核心，不僅具備有功、無功電能的雙向計(jì)量功能，還具有需量計(jì)量、預(yù)付費(fèi)、費(fèi)率和時(shí)段設(shè)置、防竊電、事件記錄、報(bào)警等多種功能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)主站和用戶雙方協(xié)同管理電能。整個(gè)系統(tǒng)主要包括電壓和電流信號(hào)采集與調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示與按鍵、指示燈、掉電檢測(cè)及電源管理等部分。電網(wǎng)電壓、電流信號(hào)經(jīng)過前端信號(hào)采樣和調(diào)理電路后，轉(zhuǎn)換成在ADC輸入通道可測(cè)量輸入范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。采樣信號(hào)經(jīng)ADC處理后通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)送入主控芯片STM32F103，計(jì)算得到各種電能參數(shù)，包括電壓、電流、有功功率、無功功率等。該電能表采用紅外光電、RS-485和北斗等多種通信方式。通信接口和協(xié)議均符合IEC-62056標(biāo)準(zhǔn)。北斗通信模式作為輔助通信方式，在有線通信出現(xiàn)故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)超長距離的數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的校表參數(shù)、配置參數(shù)以及電能數(shù)據(jù)等均存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器(ferro electric random access memory,FRAM)中。液晶顯示單元(LCD)采用定制的帶LCD驅(qū)動(dòng)電路的4×22段碼液晶。有功、無功電能脈沖輸出通過主控芯片的I/O口控制，用于電能表校準(zhǔn)。備用電池采用鋰電池供電，可實(shí)現(xiàn)停電抄表功能。電源管理部分為各個(gè)模塊供電。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集電路主要包括電流、電壓采樣電路、ADC及其附屬電路。為提高測(cè)量精度并隔離信號(hào)，設(shè)計(jì)了采用基于互感方式的電流、電壓采樣方案，其中電壓采集部分采用高精度電流型電壓互感器YE-PT03-2 mA/2 mA，電壓互感器一次側(cè)線圈的兩端分別串接限流電阻，再并聯(lián)壓敏電阻后接入電網(wǎng)。信號(hào)經(jīng)過互感器后轉(zhuǎn)變?yōu)樾》档碾娏餍盘?hào)。在運(yùn)放輸入端并聯(lián)兩個(gè)反相二極管，起到限幅和保護(hù)運(yùn)放的作用。小幅值的電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)放OPA2277放大到幅值約為3 V的電壓信號(hào)。該數(shù)值可通過調(diào)節(jié)反饋電阻值來得到所需的電壓值。

根據(jù)ADC芯片ADS8556的輸入范圍，互感器二次側(cè)輸出的電流值為1 mA，則反饋電阻值為3 kΩ。在設(shè)計(jì)時(shí)，反饋回路采用串聯(lián)小電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓幅值的微調(diào)，還通過并聯(lián)額外的電阻及電容來補(bǔ)償相移。放大后的電壓信號(hào)經(jīng)過抗混疊RC濾波電路來濾除高頻信號(hào)干擾。最后，電壓信號(hào)進(jìn)入ADC采樣通道。

電流采樣部分與電壓采樣部分的原理基本相同，交流信號(hào)經(jīng)過高精度電流互感器CT07-5/2.5W后生成小電流信號(hào)；小電流信號(hào)經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路及濾波電路，傳輸給ADC芯片ADS8556完成電流信號(hào)采樣。

2.2 雙向通信電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多功能智能電表具有三種通信方式：RS-485通信、紅外光電通信和北斗通信。這三種通信方式互不干擾，RS-485通信主要用于組網(wǎng)構(gòu)建集中抄表網(wǎng)絡(luò)；光電通信主要用于校表；北斗通信模塊用于在RS-485模塊出現(xiàn)故障時(shí)，通過無線鏈路來實(shí)現(xiàn)電力用戶與供電單位的數(shù)據(jù)交互。STM32F103芯片具有三路通用非同步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)口，可分別應(yīng)用于RS-485通信、光電通信和北斗通信。RS-485通信部分電路末端采用瞬態(tài)抑制二極管防止過壓瞬變，還串聯(lián)兩個(gè)熱敏電阻起到過流保護(hù)的作用。在設(shè)計(jì)時(shí)，將電源部分與主控芯片隔離，防止雷擊等外部環(huán)境對(duì)整個(gè)電路前端造成損害。由于STM32F103本身并不具備光電通信接口，設(shè)計(jì)時(shí)，采用串行方式與片外的光電發(fā)射接收電路組成一個(gè)通信接口。實(shí)際使用時(shí)，數(shù)字信號(hào)由發(fā)射管轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖，設(shè)計(jì)采用三極管來提高驅(qū)動(dòng)能力。在接收到光信號(hào)時(shí)，三極管導(dǎo)通，微控制器的相應(yīng)接收I/O口為低電平，反之則為高電平，從而以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了光電通信。北斗通信模塊無線傳輸模型如圖3所示。

圖3 北斗通信模塊無線傳輸模型

北斗通信模塊采用基于我國自主開發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(beidou navigation satellite system,BDS)同時(shí)兼容全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)的BDS&GPS雙模定位通信模塊。該模塊集成了BDS通信、BDS/GPS定位等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星定位、通信、位置上報(bào)等功能。當(dāng)有線通路出現(xiàn)故障時(shí)，北斗通信模式作為輔助通信方式，也能夠?qū)崿F(xiàn)超長距離的數(shù)據(jù)傳輸和交互。

2.3 防竊電電路設(shè)計(jì)

電能表對(duì)電流進(jìn)行取樣的常用方式有錳銅分流和電流互感器加電阻取樣兩種。其中，錳銅分流方式簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格低；電流互感器的電流特性好。為此，本設(shè)計(jì)選擇使用兩個(gè)電流互感器加電阻分別取樣火線電流和零線電流的方式，電流采樣電路如2.1節(jié)所述。通過比較兩個(gè)電流通道的電流值，可以準(zhǔn)確檢測(cè)增加額外導(dǎo)線旁路部分電流。此外，當(dāng)主副計(jì)量通道電能值的差值大于或者等于電能值的12.5%并且持續(xù)時(shí)間大于12 s時(shí)，系統(tǒng)將其判定為竊電0漏電事件，系統(tǒng)選擇電能值大的回路進(jìn)行計(jì)量。因此，在發(fā)生竊電漏電事件時(shí)，通過該方式系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)電能的準(zhǔn)確計(jì)量，并能準(zhǔn)確檢測(cè)到竊電行為。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

雙向計(jì)量多功能電能表在完成上電后，首先要進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，包括設(shè)置定時(shí)器、存儲(chǔ)器自檢、配置LCD驅(qū)動(dòng)及對(duì)ADC模塊初始配置等。緊接著，對(duì)控制器進(jìn)行掉電檢測(cè)。由于電源部分源頭來自于電力系統(tǒng)，檢測(cè)得到電源正常的時(shí)候則電網(wǎng)電壓正常，可進(jìn)行下一步處理；否則，后續(xù)還要對(duì)主電源進(jìn)行正常性檢測(cè)。

主程序中電能計(jì)量部分屬于整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分。其主要工作包括：讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘、根據(jù)費(fèi)率情況判斷雙向?qū)崟r(shí)電價(jià)；計(jì)算出各項(xiàng)所需參數(shù)并計(jì)量相應(yīng)時(shí)鐘費(fèi)率階段所消耗的電量，包括雙向有功電能量、無功電能量、電流、電壓以及功率因數(shù)等；將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FRAM中。主程序以時(shí)間為設(shè)計(jì)主線，循環(huán)、有序地完成各個(gè)模塊操作，包括雙向通信、數(shù)據(jù)計(jì)算和計(jì)量、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。

3.2 系統(tǒng)主要子程序設(shè)計(jì)

3.2.1 雙向通信模塊軟件設(shè)計(jì)

RS-485模塊接收中斷和發(fā)送中斷流程圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 RS-485模塊接收中斷流程圖

圖6 RS-485模塊發(fā)送中斷流程圖

本文設(shè)計(jì)的雙向通信電能表采用IEC 62056-21通信協(xié)議，其為設(shè)備語言報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)和能源計(jì)量配套標(biāo)準(zhǔn)(device language message specification/companion specification for energy metering, DLMS/COSEM)中關(guān)于電能表本地直接數(shù)據(jù)交換的技術(shù)規(guī)范。而STM32F103有三個(gè)UART口，可分別應(yīng)用于光電通信、RS-485通信和北斗通信。

下面以RS-485為例，闡述通信接收中斷流程。由于IEC 62056-21通信協(xié)議明確規(guī)定了每幀數(shù)據(jù)的幀頭和幀尾，因此可以按照協(xié)議規(guī)定制定一個(gè)表格，把每種通信模式下的幀頭和幀尾數(shù)據(jù)保存到該表格中。通信接收中斷可通過比較接收到的幀頭、幀尾數(shù)據(jù)與表格中的數(shù)據(jù)是否一致，判斷是否接收完畢。

因?yàn)閰f(xié)議中規(guī)定數(shù)據(jù)字節(jié)之間最大時(shí)間間隔為500 ms，握手之后等待接收的最大時(shí)間間隔為1 500 ms；因此，需要在數(shù)據(jù)接收時(shí)判斷延時(shí)時(shí)間。由于北斗通信作為RS-485通信的輔助通信方式，且光電通信和RS-485通信協(xié)議一致。三者的發(fā)送和中斷流程類似，此處不再贅述。

3.2.2 電能參數(shù)計(jì)量軟件設(shè)計(jì)

電能參數(shù)計(jì)算是電能計(jì)量的核心，其主要的電能參數(shù)有電壓、電流有效值，有功、無功功率，有功、無功電能及功率因數(shù)等。系統(tǒng)通過一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)的ADC采樣點(diǎn)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)計(jì)量。根據(jù)電工基礎(chǔ)理論，交流電壓U、電流信號(hào)I的有效值為：

(1)

(2)

式中：u(t)和i(t)分別為被測(cè)電壓、電流信號(hào);T為信號(hào)周期。

將式(1)、式(2)離散化，得：

(3)

(4)

式中：N為一個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；u(n)和i(n)分別為被測(cè)電壓、電流信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后的離散序列。

3.2.3 電能表誤差分析

本設(shè)計(jì)的電能表誤差主要來自于前端采樣電路各電子器件參數(shù)的初始偏差，以及各種偏差引起的電表初始誤差，例如電壓電流計(jì)量的比例誤差和互感器帶入的相角誤差[11-12]。下面以電壓通道為例，進(jìn)行電能表誤差分析，電流通道也可同理分析。電壓通道前端信號(hào)調(diào)理電路等效模型如圖7所示。圖7中：RA為限流電阻，虛線部分為電流型電壓互感器(TV)等效電路;Rf為運(yùn)放的等效放大電阻，其他為抗混疊濾波器等效電路。此時(shí)，TV存在比例誤差(比差)、相角誤差(角差)、非線性誤差等；取樣電阻因溫漂、精度不足而產(chǎn)生誤差；運(yùn)算放大器因溫漂、零漂而產(chǎn)生誤差；抗混疊濾波器的相頻特性不一致，則導(dǎo)致角差誤差等。

圖7 電壓信號(hào)調(diào)理電路等效模型

(5)

(6)

(7)

式中：ΔRA、ΔRf分別為限流電阻RA與取樣電阻Rf的溫漂電阻。

由式(7)可見，比差Ki與信號(hào)頻率無關(guān)，選取溫漂較小的限流電阻大幅度減低誤差。此外，可在額定輸入條件下，將電能表電壓通道和電流通道的測(cè)量值與實(shí)際輸入值進(jìn)行比較，可得到各個(gè)通道的校正系數(shù)；而后將計(jì)算得出的校表系數(shù)寫入FRAM中保存，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)對(duì)這些存儲(chǔ)值進(jìn)行讀取，進(jìn)而根據(jù)各通道的校表系數(shù)值自動(dòng)修正計(jì)量偏差。

4 結(jié)束語

本文給出了基于STM32F103微處理器結(jié)構(gòu)的單相雙向計(jì)量多功能電能表設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)以及軟硬件的主要實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行了電能表相關(guān)誤差分析。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，且具有雙向電能計(jì)量、多參數(shù)測(cè)量、防竊電和事件記錄等多種功能。國網(wǎng)新疆電力公司投用表明，該電能表計(jì)量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景；同時(shí)，也驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方法的可行性及系統(tǒng)的實(shí)用性。

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Design of the Single Phase Smart Energy Meter with Multifunction for Bi-directional Metering

LI Ning1,LI Jianmin2,ZHANG Jianwen1,SONG Junhao2,DUAN Huijiang2,RONG Hong2

(1.State Grid Electric Power Research Institute of Xinjiang Electric Power Company,Urumqi 830011,China;2.School of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Technologies of smart meters,intelligent utilizing of electricity,and the interaction of intelligent power supplying and utilizing are both the basic components of electricity link in strong smart grid and an important research content for leading scientific,reasonable,and economic power utilization;and achieving the goal of energy conservation and emissions reduction. In accordance with the development demands for smart grid,including intelligent power utilizing of modern household and the home micro-grid generation,the design scheme of single-phase smart energy meter based on STM32F103 micro controller is proposed. This energy meter features bi-directional energy metering,multi-parameter measurement,stealing electricity prevention,and many other functions. The systematic composition of the energy meter is introduced,and the circuit design of the current and voltage signal sampling circuits and the bi-directional energy metering unit are emphasized. In addition,the design of high precision stealing electricity prevention circuit based on two current transformers and one voltage transformer is described in detail. The software design of the system is briefly introduced,the error analysis of the electric energy meter and the calibration method in the form of pure software are given. The single-phase smart energy meter with multiple functions for bi-directional metering is low cost but offers powerful functions. Its application in Xinjiang electric power company of the State Grid validates the correctness and reliability of the meter.

Energy; Distrubuted power; Smart grid; Smart meter； Metering; Circuitry; Error correction

李寧(1960—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事電力營銷、電能計(jì)量和電能質(zhì)量技術(shù)的研究。E-mail：patton5@sina.com。 榮宏(通信作者)，男，學(xué)士，講師,主要從事電測(cè)新技術(shù)、智能信息處理、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方向的學(xué)術(shù)研究和技術(shù)開發(fā)工作。 E-mail：hrobot@sina.com。

TH71;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703019

修改稿收到日期:2016-08-10