基于STM32的智能電表

王肖峰

摘 要：針對目前市面上智能電表雙向互動通信費用昂貴，推廣普及困難，不能實時監(jiān)控用戶用電情況，不具有實時浮動電價等缺點，文中設計了一種基于RS 485和ZigBee組合通信的智能電表，可減少通信成本，實現(xiàn)實時雙向通信，監(jiān)控用電情況，為管理者設定浮動電價提供實時監(jiān)控信息，達到削峰填谷的效果。ZigBee節(jié)點通過太陽能供電，減少了成本，延長了ZigBee的使用壽命。設計參考DLT 645-2007協(xié)議規(guī)范，可實現(xiàn)數(shù)據和控制的實時和雙向傳輸。

關鍵詞：電能計量；STM32；ZigBee；RS 485

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-02

0 引 言

智能電表作為電網的終端設備，承擔著采集、計量和傳輸用戶用電數(shù)據的任務，目前已上市的智能電表雖然克服了抄表效率低下、數(shù)據失真、防竊電功能差等問題，具備了分時電價、預付費和剩余電量查詢等功能，但是隨著電力市場化的深入改革和分布式電源結構的大力推動，建立安全的網絡架構實現(xiàn)電網公司和用戶的雙向通信刻不容緩[1]。本設計可支持實時浮動電價，分時計價等多種計價方式，用戶可根據電網公司制定的電價機制，更好的管理用電，以達到節(jié)省電能的目的；電力供應公司可以根據用電峰谷靈活地制定分時電價，實現(xiàn)削峰填谷的目的[2]。為實現(xiàn)這些目的，就需要一個傳輸數(shù)據穩(wěn)定，具有雙向通信功能的智能電表。智能電表可幫助用戶查詢用電量，也可以接收電價調整的信息[3]。

由于目前的通信方式各有優(yōu)缺點[4]，本文所研究的智能電表采用多種方式進行通信，其現(xiàn)場設備采用RS 485和ZigBee組合的方式，網絡層采用ZigBee與GPRS相結合的方式。智能電表將用戶的用電信息實時傳送給電能管理中心，電力供應部門可根據用戶需求靈活調整發(fā)電量，并將停電等信息及時通知用戶，用戶通過操作平臺實現(xiàn)對家庭用電的實時監(jiān)控和查看[5]。

1 智能電表硬件設計及主要模塊

1.1 智能電表的主要功能

1.1.1 基本功能

智能電表可對多種電能信息如電壓、電流、需量（規(guī)定時間內的平均負荷）和功率因數(shù)進行測量和分析。具有預付費和儲存一年內的用電信息等功能，可通過顯示屏直接觀察到用電量、費用和剩余費用等信息。

1.1.2 多種電價計費方式

電力市場化改革的最主要目標就是電力需求側改革，其實質是通過電價控制用戶的用電時段，本文設計的智能電表具有分時電價、實時電價和峰值電價等多種計價方式。通過電價控制，一方面可配合供電部門合理規(guī)劃發(fā)電量，避免電能浪費；另一方面可推動用戶根據電價的變化，改變用電時間。

1.1.3 雙向通信

智能電表可按月將用戶的用電信息采集并通過遠程通信上傳到電能管理中心，電能管理中心也可將電價變動等信息發(fā)送到智能電表中提醒用戶查看。綜合考慮功耗、傳輸速率和通信方式的優(yōu)缺點等因素，決定現(xiàn)場設備層采用RS 485和ZigBee的組合通訊方式。

1.2 智能電表硬件設計

文中所設計的智能電表應包括主控模塊、輔助供電模塊、參數(shù)采樣模塊、12位SAR（逐次逼近型） ADC、RTC（實時時鐘）和儲存模塊、觸摸屏等。

1.2.1 主控模塊

主控模塊采用32位STM32F103增強型ARM微控制器。STM32具有接口豐富、價格低廉等特點，在一些低成本、高性能的自動控制領域中廣泛應用。在綜合考慮功耗和成本的問題后，決定采用STM32F103作為主控芯片[5]。

1.2.2 輔助電源模塊

智能電表各模塊采用+3.3 V直流供電，從市電中接入工頻交流電，經過一系列整流、濾波后，由穩(wěn)壓器TPS5410進行降壓得到+5 V直流電源；+5 V直流電源的另一端再經穩(wěn)壓器AMS1117后即可獲得+3.3 V直流電源。智能電表作為智能電網的終端設備，起到連接用戶和配電部門的作用，所以對電表的可靠性有很高的要求，要具有后備電源，以應對電網停電等突發(fā)狀況，可繼續(xù)為電表的重要器件提供電源，保護重要數(shù)據。同時，電表應具有完善的過流保護和過熱保護功能，并在系統(tǒng)電源端并聯(lián)壓敏電阻進行防雷擊保護。

1.2.3 參數(shù)采集模塊

市電的電壓必須降到VREF以下。模擬輸入端采用壓敏電阻對峰值電壓進行保護，然后借助分壓器進行分壓，并通過RC低通濾波器消除鋸齒波。模擬電壓輸入端如圖1所示。

圖1顯示的模擬輸入端的輸入電壓為市電電壓，VREF的電壓為芯片模塊的參考電壓2.0 V，將市電通過分壓器降到低于VREF的電壓。ADC模塊的最大電壓一般小于VREF。當電表受到諧波或過電壓的影響時可以很好地保護ADC模塊。模擬電流輸入端如圖2所示。

I1+和I1- 是輸入傳感器后的電流。負載電阻R24基于所選取的電流范圍和CT匝比規(guī)格選取。此處選用的負載電阻設計值為12.4 Ω。在負載電阻之后，由電阻和電容組合成的電路可消除鋸齒波。當最大的額定電流為100 A時，其轉換器的輸入信號是一個全差分輸入電壓，為±877 mV。

2 遠程無線抄表的實現(xiàn)

RS 485總線通信具有控制方便、電路設計簡單、架設成本低廉等優(yōu)點。ZigBee具有自組網、低功耗、低數(shù)據無線協(xié)議等優(yōu)點，得益于其簡單性和易用性，常用于短程無線通信。

由于RS 485和ZigBee各有優(yōu)缺點，故采用兩種通信方式相結合的方式進行通信。

在布線復雜度低的地方采用RS 485通信，在布線復雜的地方采用ZigBee通信。通過智能電表采集每戶的用電信息，并通過RS 485傳送到ZigBee采集器中，再由無線通信將數(shù)據傳送到ZigBee中心節(jié)點進行遠程通信，將數(shù)據傳送給控制中心。該設計充分利用了RS 485和ZigBee的優(yōu)點，不僅節(jié)省成本，還大大提高了電表利用率[6-9]。endprint

3 軟件的實現(xiàn)

目前的智能電表大多都采用硬件電路來實現(xiàn)其功能，導致電路愈加復雜，同時也增加了智能電表的成本，不利于市場推廣。設計采用軟件的方法來實現(xiàn)其功能，可以減少成本，大大提高其靈活性和通用性。

3.1 參數(shù)計算

電壓和電流從ADC12獲得采樣值，通過以下公式獲得電壓和電流的有效值：

其中： ph為相位參數(shù)計算（A相=1，B相=2，C相=3）；Vph（n）為電壓采樣樣本；Voffset，ph為電壓變換產生的加性高斯白噪聲（AWGN）；iph（n）為電流采樣樣本；ioffset，ph為電流變換產生的加性高斯白噪聲；Sample count為每一秒的樣本值；Kv，ph為電壓的比例數(shù)； Ki，ph為相應的電流比例數(shù)。

功率和電能通過采樣參數(shù)進行計算，這些參數(shù)通過修正后傳送給主程序，通過如下公式進行計算：

式中：V90，ph（n）為每900采樣一次的采樣電壓；KACT，ph為有功功率的比例系數(shù)；KREACT，ph為無功功率的比例系數(shù)。

計算出有功功率和無功功率后，每項的視在功率可以通過如下公式計算：

3.2 主程序設計

智能電表主程序流程圖如圖3所示。

硬件和軟件初始化設置后，參照DLT 645-2007協(xié)議管理規(guī)范，查看是否電能積累，如果電能積累，則計算相應的測量參數(shù)顯示在觸摸屏上。

圖3 智能電表主程序流程圖

4 結 語

通過對智能電表通信方式的設計，可實現(xiàn)雙向交互通信，電力供應部門可根據智能電表所統(tǒng)計的各時段的用電數(shù)據，合理規(guī)劃發(fā)電量，避免浪費；用戶也可根據供電部門提供的實時浮動的電價信息，自主規(guī)劃用電，錯開用電高峰；控制中心可實時監(jiān)控用電數(shù)據，根據監(jiān)測數(shù)據提高輸電質量；隨時保存帶有時標的電能數(shù)據，供用戶隨時查詢用電數(shù)據。本電表支持實時浮動電價等多種計價方式，有力促進了電力市場的改革。

參考文獻

[1]張國衡，張沛，張科.美國智能電網試點項目述評[J].南方電網技術，2013，7（4）：6-11.

[2]王思彤，周暉，袁瑞銘，等.智能電表的概念及應用[J].電網技術，2010，34（4）：17-23.

[3]欒文鵬.高級量測體系[J].南方電網技術，2009，3（2）：6-10.

[4]苗彧智，王艷.基于單片機的智能電表設計[J].現(xiàn)代電子技術，2015，38（2）：59-61.

[5]顏偉，段磊，楊煥燕，等.基于智能電表量測的三相四線制配網抗差估計[J].中國電機工程學報，2015，35（1）：60-67.

[6]彭剛，徐慶江，張崇金，等.基于STM32單片機的RS485總線分布式數(shù)據采集系統(tǒng)設計[J].伺服控制，2011（2）：64-67，84.

[7]高倩，陳桂華.基于Si4438的無線智能電表設計[J].現(xiàn)代電子技術，2015，38（14）：105-108.

[8]岳麗娟，曾成.雙向計量型智能電表系統(tǒng)的設計[J].自動化儀表，2014，35（4）：75-78.

[9]陳亮，律方成，謝慶，等.實時測量雙向通信智能電表的研發(fā)[J].中國電機工程學報，2011，31（A1）：94-99.endprint