基于低成本負(fù)荷管理的智能電能表研究

王登峰，徐文濤，黃吉濤，梁 飛

(1.國家電網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001;2.國網(wǎng)寧夏營銷服務(wù)中心，寧夏 銀川 750001)

0 引言

人們對智能電能表的需求度很高，因為它具有快速的收入采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控和配電系統(tǒng)的控制等優(yōu)點[1]。與標(biāo)準(zhǔn)機電或電子電能表相比，人們要求智能電能表具有更多的功能。自動抄表(automatic meter reading，AMR)系統(tǒng)就是將通信基礎(chǔ)設(shè)施與電能表相結(jié)合的產(chǎn)物。這樣的組合加快了儀表信息的采集速度，是一個可靠和有效的遠(yuǎn)程解決方案[2-3]。然而，基于AMR的電能表并不是一個高效且經(jīng)濟的解決方案。雖然它取代了人工抄表，但是需要大量的資金投入才能建立通信基礎(chǔ)設(shè)施[4-5]?；诖?，帶控制裝置的智能電能表和雙向通信網(wǎng)絡(luò)的高級計量體系(advanced metering infrastructure，AMI)成為科研工作者的研究熱點。AMI能很好地解決一些舊系統(tǒng)固有存在的問題[6]。AMI由智能電表、用戶網(wǎng)關(guān)、雙向通信系統(tǒng)和抄表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。基于AMI的抄表系統(tǒng)具有需求側(cè)負(fù)荷管理(demand-side load management，DSLM)、遠(yuǎn)程電費計劃設(shè)置、定價、計費信息、遠(yuǎn)程連接和斷開、故障檢測、篡改保護等優(yōu)點[7-8]。

本文研究了一種通用智能電能表(universal smart energy meter，USEM)。它改善了以往電能表的局限性。該研究主要通過認(rèn)證短消息服務(wù)(short message service，SMS)開發(fā)支付模式配置(預(yù)付費-后付費)、DSLM和遠(yuǎn)程資費計劃設(shè)置及所需要的硬件和軟件。本文所設(shè)計的USEM集成了過電壓和欠電壓保護、過載保護、篡改和旁路報警、充電報警、中斷后自動重新連接和功率因數(shù)監(jiān)測等不同的監(jiān)測和保護方案。此外，它還集成了通過手機充值和平衡調(diào)節(jié)功能模塊，可以達(dá)到快捷充電的目的。

1 技術(shù)理論分析

智能電表可以測量千瓦時(kWh)級的電能，主要參數(shù)有實際功率、無功功率、視在功率、電壓、電流和頻率等。計算電能量需要電壓、電流和功率因數(shù)這3個參數(shù)[9]。這些參數(shù)是由電壓傳感器、電流傳感器和過零檢測器獲得的。市場上有一些帶有內(nèi)置能量測量和電源管理系統(tǒng)的特定能量測量芯片。它們通過計算輸出頻率來測量功率，輸出頻率與來自電壓和電流傳感器的兩個電壓信號乘積的時間平均值成比例[10]。但是，這些能量測量芯片不靈活，不適合復(fù)雜的計費和費率設(shè)置。

本文設(shè)計的USEM所使用的測量技術(shù)涉及到的計算公式如下。

負(fù)荷在時間間隔T內(nèi)消耗的能量為：

(1)

由于數(shù)字處理器不能處理模擬數(shù)據(jù)，故無法直接實現(xiàn)式(1)。積累電壓(V[n])和電流(I[n])采樣一段時間，然后將總積累值除以樣本數(shù)(N)，可得到真實值P。

(2)

式中：V[n]為采樣電壓；I[n]為采樣電流。

式(2)沒有功率因數(shù)項，即相位角。以瓦秒為單位的相位角能量可以通過式(3)獲得。

(3)

式中：Fs為采樣頻率。

(4)

式中：PPER為定時器周期寄存器值；Ft為定時器頻率。

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，輸入信號的最大頻率應(yīng)小于或等于采樣頻率的一半。電能計量規(guī)范要求精確測量次數(shù)為20次以內(nèi)的諧波含量。采樣頻率要求至少為2～4 kHz。在該項工作中，采樣頻率為4 kHz。視在功率可以通過瞬時電壓乘以瞬時電流得到。功率因數(shù)可以由實際功率除以視在功率得到。因此，所有的電測量參數(shù)都可以在不使用過零檢測器的情況下，通過一個具有電壓和電流采樣值的微控制器來獲得。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)采樣和累加的順序如圖1所示。

圖1 ADC采樣和累加順序圖Fig.1 ADC sampling and accumulation sequence diagram

利用單零FIR濾波器在電壓采樣中引入分?jǐn)?shù)延遲，公式如下：

y[n]=x[n]+βx[n-1]

(5)

式中：x為輸入電壓；y為延時輸出電壓；n為采樣序列；β為延時增益。

振幅和相位特性為：

(6)

式中：ω為角頻率。

(7)

組延遲可根據(jù)式(8)計算：

(8)

將濾波器組延遲與電流互感器(current transformer,CT)的固有相位相等，得到濾波器的參數(shù)如下：

(9)

為了補償數(shù)字濾波器的放大輸出，濾波器參數(shù)應(yīng)該乘以逆濾波器參數(shù)A-1。

(10)

濾波器系數(shù)β和A-1是在相位角校正校準(zhǔn)期間計算得出的。

電壓的離散采樣和累積可以通過式(11)計算得到。

(11)

式中：V′[n]和V″[n]分別為來自ADC通道和低通濾波器的采樣輸出電壓信號。

濾波系數(shù)Vrms和Irms為：

(12)

式中：Kv和Ki為用于獲得校正測量值而使用的高精度校準(zhǔn)常數(shù)。

最終可通過式(13)得到P。

(13)

將電壓、電流測量值分別與標(biāo)準(zhǔn)電壓表、電流表進行比較，用試錯法確定校準(zhǔn)常數(shù)Kv和Ki。

2 USEM系統(tǒng)設(shè)計

2.1 完整系統(tǒng)架構(gòu)

USEM系統(tǒng)由用戶端、儀表端和授權(quán)端這三個主要終端組成。即用戶識別號(user Identification number，UIN)，電表識別號(meter identification mumber，MIN)和授權(quán)識別號(authority identification number，AIN)。終端具有內(nèi)置的遠(yuǎn)程訪問控制和操作USEM-DSLM選件中的所有功能，如資費計劃設(shè)置、付款方式切換、連接-重新連接及充電中心設(shè)置等。UIN可以訪問儀表信息和遠(yuǎn)程切換儀表。MIN隨后向AIN發(fā)送必要的確認(rèn)SMS。

USEM系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 USEM系統(tǒng)模型圖Fig.2 USEM system model diagram

2.2 計量體系架構(gòu)

USEM的硬件比傳統(tǒng)的智能電能表更簡單、便宜。本設(shè)計沒有使用昂貴的能量測量芯片(ADE7751或類似類型)，而是開發(fā)了使用CT、電壓互感器(potential transformer,PT)、ADC IC芯片、定時器IC、ATmega2560等設(shè)備的測量電路。由于功率損耗問題，本設(shè)計沒有使用分壓器和并聯(lián)電阻電路。輸入電流和電壓分別由CT和PT轉(zhuǎn)換到合適的范圍，然后直接應(yīng)用于雙通道12位ADC。經(jīng)過適當(dāng)放大后，數(shù)字電流和電壓信號被饋送至微處理器ATmega2560。累計的電壓和電流樣本將隨時間進行積分。微控制器根據(jù)電壓和電流測量值計算有功功率、無功功率、能耗和功率因數(shù)。它更新LCD驅(qū)動程序以顯示計算出的能量、實際功率、功率因數(shù)等。ATmega2560具有86個I /O引腳，可以方便地針對不同的USEM進行廣泛的控制。在這里，2個CT被用來測量主負(fù)載電流和反饋電流。其目的是檢測儀表的干擾。相線和中性線穿過CT的一次繞組，可利用相同電阻的并聯(lián)導(dǎo)線來延長。其最大電流額定值約為5 A。實時時鐘(real time clock，RTC)用于及時存儲EEPROM中的數(shù)據(jù)，有助于制定靈活的資費計劃。鋰離子電池用于確保RTC在斷電時可以繼續(xù)運行。電源選擇器在斷電時可以由電池供電，否則它將由電源干線供電。2個繼電器可以實現(xiàn)多種用途，如DSML操作的負(fù)載切換、連接-未付賬單的重新連接、正常連接-故障條件下用戶和權(quán)限的重新連接等。類似技術(shù)也可以應(yīng)用于三相電能表。

2.3 需求負(fù)荷側(cè)管理

DSLM系統(tǒng)與USEM的集成提高了電源利用率，并在電力短缺時可以作為應(yīng)急電源使用，從而減輕消費者在切負(fù)荷時的壓力。

在USEM中，為了容納遠(yuǎn)程負(fù)載管理系統(tǒng)，消費者家庭場所的電力負(fù)載分為重負(fù)載和應(yīng)急負(fù)載(emergency load,EL)。重負(fù)載包括加熱器、電機、冰箱、微波爐、空調(diào)、電飯煲、電視等。在一個饋線中，用戶必須分配他的EL，并將信息存儲在實用程序的服務(wù)器中。在缺電情況下，對饋線進行自動計算，并根據(jù)當(dāng)時饋線下的可用功率分配每個用戶的EL。從公用控制室，允許EL限制通過SMS發(fā)送到每個MIN；負(fù)載限制信息通過UIN發(fā)送給用戶。

在從AIN收到經(jīng)過認(rèn)證的EL限制短信后，USEM關(guān)閉連接到重載的繼電器，然后連接用戶允許的EL。如果連接的EL數(shù)量大于用戶允許的EL數(shù)量，則蜂鳴器發(fā)出警報聲以降低EL數(shù)量。30 s后，自動化系統(tǒng)將關(guān)閉已連接的EL。再經(jīng)過30 s后，自動化系統(tǒng)自動打開EL繼電器，并重新檢查已連接的EL數(shù)量。如果連接的EL數(shù)量小于或等于允許的EL數(shù)量，則系統(tǒng)在允許的EL數(shù)量下正常運行；否則，蜂鳴器發(fā)出警報聲，且系統(tǒng)在30 s后再次關(guān)閉連接的EL數(shù)量。該檢查-復(fù)查過程將會持續(xù)3次。如果用戶在3次內(nèi)未調(diào)整EL數(shù)量，則其所有負(fù)載將永久關(guān)閉。在這種情況下，消費者可以使用允許的EL，方法是在減少多余負(fù)載后向MIN發(fā)送SMS。當(dāng)電源正常時，通過從公用設(shè)施控制室發(fā)送短信，可將EL限制條件切換回正常模式。耗電元件使用的負(fù)載不能超過允許的EL，并且由于負(fù)載電流始終由CT監(jiān)控，也無法更改USEM設(shè)備以使用超過允許的EL負(fù)載。

USEM的DSLM系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 DSLM系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flowchart of DSLM system

此外，USEM還可以通過測量負(fù)載電流，用與EL相同的方法監(jiān)測用戶的允許負(fù)載(permitted loads,PL)。PL是消費者在不支付額外需求的情況下通?？梢允褂玫淖畲笤试S負(fù)載。如果用戶試圖使用超過PL的負(fù)載，那么USEM將關(guān)閉用戶的總負(fù)載，并通過向權(quán)限控制室發(fā)送短信的方式通知用戶的狀態(tài)。

2.4 模式切換和靈活的資費設(shè)置

USEM的每個操作，例如遠(yuǎn)程連接-重新連接、付款方式選擇和費率計劃配置，都可以從授權(quán)端或消費者端進行控制。USEM的主要功能是遠(yuǎn)程模式切換和費率計劃設(shè)置。只需通過從權(quán)威機構(gòu)發(fā)送帶有特定SMS代碼的SMS，而無需更改任何硬件或軟件，即可將USEM設(shè)置為預(yù)付費或后付費模式。在資費計劃制定中，它還具有廣泛的靈活性和多功能性。

2.5 充電系統(tǒng)

USEM的充電系統(tǒng)簡單、靈活，并且功能豐富多樣，可以通過現(xiàn)有各種移動充值的支付系統(tǒng)進行充值。首先，消費者通過短信將請求發(fā)送其個人賬號。該賬號連接著消費者的付款賬戶(例如移動余額)、網(wǎng)上銀行賬戶等。然后，實用程序服務(wù)器發(fā)送驗證短信到USEM。在完成后成功充值后，消費者會收到一條確認(rèn)SMS。

2.6 賬單計算

預(yù)付費和后付費模式的USEM充值系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 預(yù)付費和后付費模式的USEM充值系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flowchart of USEM recharge system in pre-paied and post-paied mode

操作模式可以使用微控制器從公用服務(wù)器進行遠(yuǎn)程選擇。對于后付費計量模式，系統(tǒng)在授權(quán)后指定的日期內(nèi)支付負(fù)余額。微控制器在每個月的第n天之后檢查當(dāng)前余額，然后使用UIN將賬單狀態(tài)發(fā)送給用戶，說明賬單付款的截止日期。在截止日期之后，微控制器再次檢查當(dāng)前余額，然后作出決定。如果在規(guī)定日期內(nèi)完成充值，則電表正常工作；否則，電表將自動斷開并發(fā)出警報。

2.7 保護方案

在USEM中提供防止非法用電的保護方案，例如繞過電表、斷開中性線和篡改。在中性線斷開/部分旁路的情況下，通過使用2個CT比較相電流和中性電流來提供保護。如果2個測量值不相等，則檢測到部分旁路。在完全旁路的情況下，USEM中的PT會測量電壓，并在PT上找不到電壓時向AIN發(fā)送短信，以通知無電狀態(tài)。如果授權(quán)機構(gòu)確認(rèn)用戶可以使用電源，那么授權(quán)機構(gòu)將采取必要的措施。在電表篡改保護方面，在打開表蓋時，儀表蓋與儀表的接觸將斷開，使用微控制器的接地引腳和中斷引腳很容易檢測到這種情況；當(dāng)檢測到篡改時，USEM斷開負(fù)載并通過發(fā)送SMS通知授權(quán)。再者，在始終監(jiān)視電壓和電流的情況下，USEM可以在過電壓、欠電壓和過載的情況下保護家用電器。如果電壓/電流低于或超過公用事業(yè)公司設(shè)定的特定值，則智能電表將關(guān)閉用電設(shè)備的負(fù)載，并通知相關(guān)部門和使用者。

2.8 監(jiān)測和通知系統(tǒng)

USEM不僅可以檢測到欠壓、過壓和過流，還可以針對這些故障提供保護并通知授權(quán)機構(gòu)。這種類型的監(jiān)視和保護系統(tǒng)提供了額外的家庭保護。管理部門可以從公用程序服務(wù)器監(jiān)視每個消費者的狀態(tài)，并且可以通過SMS接收所有必要的信息，例如賬單信息、最后付款日期、電表狀態(tài)、減載通知和設(shè)備通知等。

3 USEM的性能研究

已實現(xiàn)的USEM設(shè)備可以直接顯示能耗、連接負(fù)載、剩余余額、功率因數(shù)和系統(tǒng)電壓等。本文中對已實現(xiàn)的USEM在不同電阻、電感和電容負(fù)載情況下進行了測試。USEM與標(biāo)準(zhǔn)儀表(Fluke)測量結(jié)果對比如表1所示。表1中顯示的結(jié)果表明，已開發(fā)的USEM的準(zhǔn)確性非常高。

表1 USEM與標(biāo)準(zhǔn)儀表(Fluke)測量結(jié)果對比Tab.1 Comparison of measurement results between USEM and standard instrument(Fluke)

USEM和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀的測量結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 USEM和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀(Fluke)的測量結(jié)果比較Fig.5 Comparison of measurement results between USEM and standard calibrators(Fluke)

已實現(xiàn)的USEM在其正常工作范圍內(nèi)進行了較好的校準(zhǔn)。在不同電壓、電流范圍內(nèi)，對不同負(fù)載下USEM的測量精度和所有功能都進行了測試。將所有測量得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀Fluke 5502A的測試數(shù)據(jù)進行比較。本文中使用USEM測量了150～300 V的電壓，并將其與Fluke 5502A進行了比較，如圖5(a)所示。試驗結(jié)果表明，在這個電壓范圍內(nèi)，USEM產(chǎn)生的誤差非常小。同時，測試比較了一定電流范圍內(nèi)的電流值，結(jié)果如圖5(b)所示。

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計了一個USEM，并在試驗室完成實現(xiàn)預(yù)付費及后付費2種配置模式。該儀表除了具備商業(yè)智能電表的所有功能外，還具有DSLM選項功能。DSLM模式可以在PL限制和EL限制條件下通過SMS進行配置，從而在電力不足時實現(xiàn)完全無停電。與傳統(tǒng)的電能表相比，采用USEM的充電系統(tǒng)具有性價比高、吸引力強、操作簡單等優(yōu)點。同時，USEM具有靈活的資費計劃設(shè)置，可以簡單地通過短消息遠(yuǎn)程配置和重新配置。USEM還提供了遠(yuǎn)程斷開電源、重新連接電源、斷開電源報警和篡改報警等附加功能，可以減少大量的技術(shù)和非技術(shù)成本以及人力成本。此外，USEM原型在直接和間接負(fù)載管理、遠(yuǎn)程軟件更新、蜂窩控制系統(tǒng)等方面具有重要的學(xué)術(shù)研究價值。