基于銀泉大功率無線通信模塊的電能表設(shè)計

文/王若魯 萬年旺 熊劍 陳飛

基于銀泉大功率無線通信模塊的電能表設(shè)計

文/王若魯1萬年旺1熊劍2陳飛1

本文介紹了一款支持銀泉NIC模塊的電能表的設(shè)計方案，銀泉NIC模塊是一款大功率無線通信模塊，在海外有廣泛的應(yīng)用。此方案采用ACDC開關(guān)電源給通信模塊供電，開關(guān)電源和電能表主電路中的電源是完全獨立的，互不相干。對于掉電后發(fā)送掉電信號的需求，本方案用超級電容加升壓電路配合，升壓電路有較寬的工作電壓范圍，在超級電容電壓降到很低時，升壓電路還是可以正常輸出設(shè)定的電壓值，滿足通信模塊的輸入電壓要求。此方案可以有效降低兩路電源之間的干擾，增加整個產(chǎn)品的可靠性，提高電源效率，降低了整表功耗。對于發(fā)送掉電信號，用更小的超級電容就可以滿足要求，增加了電能的利用率、降低了整體成本、提高了穩(wěn)定性。經(jīng)過一系列實驗驗證如RF抗干擾測試和掉電維持時間測試證明此方案是可行的。另外，只需要微調(diào)一下通信接口，即可應(yīng)用到其它大功率無線通信模塊的電能表設(shè)計中。

智能電表 無線通信模塊 開關(guān)電源掉電信號檢測

銀泉公司Silver Spring Networks（SSN）是美國的一家通信模塊和系統(tǒng)集成公司，其主站系統(tǒng)在新加坡、澳大利亞、美國部分地區(qū)都有廣泛的應(yīng)用。本文旨在設(shè)計出一款支持銀泉大功率無線通信模塊的電能表，滿足以上地區(qū)的電能表需求。此款電能表滿足IEC62056標(biāo)準(zhǔn)要求，采用超大規(guī)模數(shù)字信號處理芯片、永久保存信息的存貯器、全隔離標(biāo)準(zhǔn)RS232通訊和紅外通訊接口、大畫面寬溫液晶顯示和信息安全加密等先進技術(shù)，具有電能量計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能。外殼采用高強度、阻燃環(huán)保材料，造型新穎、美觀適用，具有較高的絕緣強度和耐腐蝕性。

1 背景介紹

目前電能表的抄表功能主要有紅外抄表，RS485抄表，PLC電力線載波抄表，小功率無線抄表，GPRS抄表等幾種方式。無線抄表因為具有抄通率高、通訊效率高、安裝成本低、可拓展應(yīng)用多等優(yōu)點在各類抄表模式中引起電表制造廠家的關(guān)注。在實際應(yīng)用中無線通訊主要可以解決不入戶抄表，實時上傳數(shù)據(jù)，電表故障監(jiān)測及未來實現(xiàn)智能電網(wǎng)合理分配電能等等功能。

美國銀泉公司是一家知名的無線通信模塊研發(fā)生產(chǎn)公司，目前新加坡、澳大利亞、美國部分地區(qū)都在使用銀泉公司的HE主站系統(tǒng)。供給這些地區(qū)的電能表必須要能支持銀泉的NIC通信模塊。NIC通信模塊是銀泉公司的無線接口網(wǎng)卡，兼容RF和3G兩種通信模式。此NIC通信模塊在GSM模式下的功耗很大，平均功率達到8.8w，峰值功率12W，需要4V電壓，最大3A電流。因此對電源的供電能力要求很高，需慎重考慮電源設(shè)計。

表1：掉電維持時間結(jié)果

另外，電能表在外部電網(wǎng)斷電的時候，能夠?qū)嚯姇r間和數(shù)據(jù)記錄發(fā)送給集中器或主站系統(tǒng)，即掉電檢測功能。銀泉的NIC模塊要求在外部電網(wǎng)斷電后仍能在0.8A電流條件下維持6.25s供電時間（約20J能量）。

2 方案描述

電子式電能表問世以來，歷經(jīng)模擬乘法器計算、模擬/數(shù)字專用計量芯片、數(shù)字乘法器計算等階段。

2.1 單相電能表基本原理

本電表設(shè)計方案采用采用超大規(guī)模數(shù)字信號處理芯片、集成的計量單元和繼電器控制單元、通訊模塊單獨供電、永久保存信息的存貯器、全隔離標(biāo)準(zhǔn)串口通訊和紅外通訊接口、大畫面寬溫液晶顯示和信息安全加密等先進技術(shù)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足IEC62056的DLMS/COSEM協(xié)議。

具體工作原理框圖如圖1所示。智能電能表工作時，電壓、電流經(jīng)傳感器件轉(zhuǎn)換為采樣信號，并通過濾波處理后送入SOC芯片計量模塊，計量模塊將能量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送到SOC芯片，CPU模塊進行電量脈沖采集、電量累計和各項計算分析處理，其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存貯中，并將電能信號轉(zhuǎn)換成光電脈沖信號輸出；同時CPU模塊完成安全認證、紅外、485抄表、LCD顯示等功能處理。智能電能表帶有溫度補償功能，保證時鐘在標(biāo)稱溫度下時鐘日誤差小于 0.5s/d。數(shù)據(jù)安全性上采用冗余設(shè)計，數(shù)據(jù)采用多重備份，確保計量數(shù)據(jù)可靠。

圖1：單相智能電能表的原理框圖

2.2 電源方案設(shè)計

為保證通信模塊供電，并且不影響電表本身的工作，此電表設(shè)計方案使用一個開關(guān)電源和一個線性電源。電表主電源使用高效變壓器供電，以減少電表成本，增加了電表計量功能的可靠性。通信模塊使用單獨的開關(guān)電源供電，以滿足通信模塊對電源抗干擾性、功率要求高、紋波小等要求。在開關(guān)電源上增加超級電容，并應(yīng)用電壓均衡電路，升壓電路等技術(shù)，維持電源斷電后的供電時間。通信模塊放置在電表上方，通過插針的方式和電表硬連接。此方案的優(yōu)點是通信模塊采用開關(guān)電源單獨供電，和電表的電源分開。這樣將大的發(fā)熱源放在電表上部，遠離電表的計量元器件，降低了電表核心元器件的溫升。另外，模塊在電表上方，方便更換損壞的模塊，且不影響電表的正常計量。工作人員在更換模塊時，也接觸不到強電的部分，不會有觸電的危險。

此設(shè)計方案的電源設(shè)計包括AC輸入電路、ACDC開關(guān)電源、超級電容、升壓電路、通信模塊和電能表主電路。連接結(jié)構(gòu)如圖2所示：AC輸入電路外接電網(wǎng)， AC輸入電路分別與ACDC開關(guān)電源和電能表主電路連接，ACDC開關(guān)電源分別與超級電容和通信模塊連接，超級電容通過升壓電路與通信模塊連接，通信模塊與電能表主電路數(shù)據(jù)連接。

圖2：電表電源設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

本方案電能表從外部電網(wǎng)取電，AC輸入電路分別為ACDC開關(guān)電源和電能表主電路提供220V交流電，ACDC開關(guān)電源有兩個獨立的輸出通道，一路給通信模塊供電，一路給超級電容充電。在外部電網(wǎng)斷電時，超級電容通過升壓電路給通信模塊供電，確保通信模塊將斷電的事件傳送出去。此電表主電路和通信模塊只有數(shù)據(jù)接口相連接，同時增加隔離電路，保證了兩者之間的獨立性，提高了整體產(chǎn)品的可靠性。

3 方案驗證

上述電能表用ACDC開關(guān)電源給通信模塊供電，此電源和電能表主電路中的電源是完全獨立的，互不相干，可以有效降低兩路電源之間的干擾，增加整個產(chǎn)品的可靠性；另外，此電源沒有通過主電路的轉(zhuǎn)換，中間沒有能量的損失，提高了整個產(chǎn)品的電源效率，降低了整個產(chǎn)品的功耗。

對于掉電后發(fā)送掉電信號的需求，上述電能表用超級電容加升壓電路配合，因為升壓電路有較寬的工作電壓范圍，在超級電容電壓降到很低時，升壓電路還是可以正常輸出設(shè)定的電壓值，滿足通信模塊的輸入電壓要求，因此，只需要用更小的超級電容就可以滿足要求，增加了電能的利用率、降低了整個產(chǎn)品的成本；另外，相比超級電容的輸出電壓會隨放電時間由高向低線性變化，升壓電路的輸出電壓是恒定的值；因此穩(wěn)定性更高，更符合通信模塊對電壓變化率的要求。

為驗證此方案的可行性，除了電能表的一些基本參數(shù)，如精度、電磁兼容性能等，本電表還重點測試了電表的RF immunity性能和掉電維持性能。

3.1 電表RF immunity測試

針對本方案電能表的RF immunity測試，按銀泉的要求搭建了實驗環(huán)境，完成測試。

環(huán)境測試框圖見圖3，實際的整體實驗環(huán)境圖見圖4。

測試步驟如下：

（1）用導(dǎo)線引出電能表的4V輸出電壓線，并用示波器監(jiān)測4V電壓。

（2）打開信號發(fā)生器，發(fā)射頻率調(diào)至900M左右

（3）逐漸加大RF發(fā)射強度，觀察4V電壓是否有跌落，記錄跌落時的發(fā)射強度。

根據(jù)銀泉公司的要求，電表需要在38dBm環(huán)境下能正常工作，40dBm環(huán)境下能正常顯示。我們在此實驗環(huán)境下，當(dāng)RF的發(fā)射強度達到48dBm 的時候，開關(guān)電源的4V輸出電壓仍然不跌落且保持穩(wěn)定，滿足銀泉公司的要求。

3.2 掉電維持時間測試

針對掉電維持時間，本方案測量了斷電事件最差負載情況下電能表的電源續(xù)航能力。保持時間應(yīng)足夠使NIC傳遞最后一息信息。測試步驟為：

圖3：RF immunity環(huán)境搭建框圖

圖4：整體實驗環(huán)境

（1）設(shè)定AC源到要求的電壓和頻率；

（2）使AC源給電能表供電10分鐘以上，保證超級電容充滿電；

（3）在電能表的模塊4V供電端接DC直流負載，設(shè)定DC負載為800mA；

（4）關(guān)閉AC輸入電壓。通過DC負載和示波器觸發(fā)；

（5）記錄示波器波形；

（6）在25℃，-25℃和75℃的不同溫度環(huán)境下重復(fù)測試1-5。

測試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)銀泉公司的要求，電能表在工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)，800mA負載情況下，掉電維持時間不低于6.25s。從上述測試結(jié)果看，此方案的掉電時間能夠滿足其要求。

4 結(jié)語

本文介紹了一款大功率通信模塊電能表的設(shè)計方案，此方案用ACDC開關(guān)電源給通信模塊供電，電源和電能表主電路中的電源是完全獨立的，可以有效降低兩路電源之間的干擾，增加整個產(chǎn)品的可靠性。另外，上述電能表用超級電容加升壓電路配合，因為升壓電路有較寬的工作電壓范圍，在超級電容電壓降到很低時，升壓電路還是可以正常輸出設(shè)定的電壓值，滿足通信模塊的輸入電壓要求。因此，只需要用更小的超級電容就可以滿足要求，增加了電能的利用率、降低了整個產(chǎn)品的成本。為了驗證此方案的可行性，除了電表常規(guī)的精度、功能測試、電磁兼容測試等，本文還專門正對無線通信模塊的RF抗干擾能力和掉電維持能力進行了測試，結(jié)果表明此方案是可行的。上述電能表只需要微調(diào)一下通信接口，即可應(yīng)用到其它大功率無線通信模塊的電能表設(shè)計中，后期可繼續(xù)研究優(yōu)化。

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作者單位1.國電南瑞三能電力儀表（南京）有限公司江蘇省南京市 210032
2.國電南瑞科技股份有限公司 江蘇省南京市 211106

王若魯(1988-)，男，碩士研究生，中級工程師，從事用電智能采集終端硬件研發(fā)。萬年旺(1972-)，男，高級工程師，從事用電智能采集終端研發(fā)。熊劍(1978-)，男，高級工程師，從事用電智能采集終端研發(fā)。陳飛(1982-)，男，工程師，從事用電智能采集終端產(chǎn)品研發(fā)測試。