摘要:分析了國內(nèi)外遠程費控電能表的研究現(xiàn)狀。依據(jù)遠程費控電能表的功能需求與參數(shù)要求，對遠程費控電能表進行設(shè)計與研究。從功能劃分角度出發(fā)，對電能表硬件電路系統(tǒng)作了模塊化設(shè)計。對電能表的功能程序軟件進行研究，實現(xiàn)了計量、記錄、監(jiān)控采集以及通信功能。通過主站系統(tǒng)下達指令可對遠程費控電能表進行控制。測試結(jié)果表明，基于智能卡的遠程費控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的主動上傳，有助于主站系統(tǒng)依靠遠程費控電能表對電能數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞:智能卡;智能電能表;遠程費控;用電信息采集;費控策略;窄帶物聯(lián)網(wǎng)

0引言

電力行業(yè)作為我國經(jīng)濟發(fā)展中的行業(yè)，其地位是十分重要的。電力企業(yè)的供電質(zhì)量、服務(wù)水平以及服務(wù)方式的升級已成為電力行業(yè)發(fā)展的主要方向。隨著信息化的普及，電力全覆蓋、費用全控制已逐漸成為我國電力行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。電力企業(yè)的計費、收費系統(tǒng)開始向智能化轉(zhuǎn)變。美國于2003年提出了“電網(wǎng)2030規(guī)劃"，其目的是促進智能電網(wǎng)的建設(shè)，實現(xiàn)數(shù)字化供電服務(wù)，并于科羅拉多州建設(shè)了座智能電網(wǎng)城市。歐盟則是依據(jù)一整套能源政策，積極推動綠色能源的發(fā)展。歐盟的智能電網(wǎng)依靠各類終端對公共部門、寫字樓的用電情況進行監(jiān)測，逐漸改變了客戶的用電習(xí)慣。中國在智能電網(wǎng)領(lǐng)域也在積極地開展與部署相關(guān)項目。中國電網(wǎng)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)，各級電網(wǎng)進行協(xié)同，開展了“三集五大"的工作部署。我國電網(wǎng)行業(yè)正在加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)電能表遠程費控的全覆蓋。

1遠程費控電能表的關(guān)鍵技術(shù)

1.1遠程費控電能表概述

遠程費控電能表一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、電能計量、數(shù)據(jù)清零、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)凍結(jié)、事件記錄告警等功能。例如，三相用電的電能表計量功能，通常涉及三相電流和電壓、頻率的測量等等，并且還包括自定義費率的功能。遠程費控電能表可以針對不同時段和不同時區(qū)進行有效的費率定義，并且具備電量的監(jiān)控功能，可以記錄*近發(fā)生的失壓、過壓、掉電和上電等告警事件。

1.2智能無線通信技術(shù)

電能表的通信控制網(wǎng)絡(luò)采用的是基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrowbandinternetofthings，NB－IoT)的無線通信技術(shù)。NB－IoT的系統(tǒng)鏈路一般分為上行鏈路與下行鏈路。本文研究的NB－IoT系統(tǒng)取消下行通道鏈路。網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路采用相移鍵控(phase－shiftkeying，PSK)調(diào)制方式，并利用單載波頻分多址技術(shù)對數(shù)據(jù)進行傳輸。為了提高覆蓋增強效益，通常會設(shè)置成3．75kHz的子載波間隔，將傳輸速率設(shè)置在160kbit/s到200kbit/s之間。該網(wǎng)絡(luò)主要是基于4GLTE的通信架構(gòu)，可以滿足低功耗和大連接的應(yīng)用場景需求，并且在NB－IoT網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)用戶電能數(shù)據(jù)直傳至省主站系統(tǒng)的功能。NB－IoT可以部署在不同的無線頻帶上，分為獨立部署、保護帶部署、帶內(nèi)部署3種情況。NB－IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)如圖1所示。

2遠程費控電能表的硬件原理與設(shè)計

2.1遠程費控電能表的功能與參數(shù)

遠程費控電能表具有計量功能、記錄功能、監(jiān)控功能和通信功能。電能表不僅能實現(xiàn)電能計量，還可進行費率的設(shè)置，同時可對功率、電壓、電流、頻率、相角、功率因數(shù)、視在功率等進行測量。通信功能是基于NB－IoT通信技術(shù)實現(xiàn)的，窄帶(narrowband，NB)通信模組提供可查詢的AT指令，用于查詢數(shù)據(jù)流量。當(dāng)每次連接上網(wǎng)絡(luò)后，NB通信模組開始自動記錄數(shù)據(jù)流量，直到連接斷開才終止流量記錄。NB通信的工作頻段和天線接口特征阻抗的參數(shù)見表1，其覆蓋頻段較寬。電能表對于超過閾值的事件，會產(chǎn)生告警信息，并依靠通信技術(shù)將監(jiān)控數(shù)據(jù)和存儲信息傳輸?shù)皆破脚_上。

2.2遠程費控電能表的硬件原理

對遠程費控電能表的硬件系統(tǒng)展開設(shè)計時，需根據(jù)其功能進行劃分。電能表的硬件架構(gòu)包含信號處理模塊、電能計量模塊、NB－IoT通信模塊和外圍電路模塊，遠程費控電能表基本硬件架構(gòu)如圖2所示。這些模塊由硬件電路組成，由對應(yīng)的軟件程序進行功能的實現(xiàn)。電源模塊為各個子模塊供電，而輔助電源則用于防止因主電源的損壞影響電能表的正常監(jiān)控功能。

2.3遠程費控電能表的模塊設(shè)計

設(shè)計關(guān)鍵電路模塊時，應(yīng)基于遠程費控電能表的基本架構(gòu)。其中遠程費控電能表信號處理模塊主要是依賴數(shù)據(jù)采集ADC模塊來進行采樣。采樣功能以電流采樣電路為例進行說明，該電路是將各相電流進行轉(zhuǎn)換，其基本原理是依靠電流互感器，將電路的一側(cè)接地，另一側(cè)與系統(tǒng)相連接來完成采樣。其具體原理圖如圖3所示。由于對計量芯片的要求是保證2．5mA的電流幅值，因此通過該采樣電路可將5A電流轉(zhuǎn)換成2．5mA的電流，完成電流－電壓的轉(zhuǎn)換目的。

計量功能模塊以計量芯片ADE7878為核心，該芯片的功能十分強大，具備很好的信號處理能力。對于電能表的電壓和電流有效值的測量、有功功率和視在功率的測量，該芯片具有十分明顯的計量優(yōu)勢。芯片的正常模式、省電模式和低功耗模式電能表對節(jié)能降耗的要求。該芯片輸入電壓的變化幅值范圍為－0．5～0．5V，晶振頻率為16．4MHz。芯片的RSET管腳是復(fù)位輸入管腳，芯片的CF1管腳和CF3管腳是頻率校準(zhǔn)的邏輯輸出管腳。CF1管腳和CF3管腳完成頻率校準(zhǔn)邏輯輸出的功能。計量芯片的基本電路原理圖如圖4所示。

NB－IoT無線通信模塊采用移遠公司的BC95－B5通信模組，該通信模組具備超低功耗的特點，接收頻率保持在869～894MHz，發(fā)送頻率的范圍為824～849MHz，該模組可擴展串口、內(nèi)置芯片式用戶身份識別(embeddedsubscriberidentitymodule，eSIM)卡接口等應(yīng)用接口。模組內(nèi)部不僅包含F(xiàn)lash和靜態(tài)隨機存取存儲器(staticrandom－accessmemory，SRAM)，還擁有射頻電路和eSIM卡座電路。該無線通信模塊的降壓穩(wěn)壓電路如圖5所示。

電能表的智能卡采用eSIM內(nèi)嵌的插卡方式進行通信，取消了傳統(tǒng)用戶識別模塊(subscriberidentitymodule，SIM)卡的插拔式動作，實現(xiàn)了電能表直接通信的方式。通過將eSIM卡與電能表綁定，電能表在645協(xié)議基礎(chǔ)上擴展數(shù)據(jù)項，并在出廠時就將eSIM卡號(即手機號)寫入到電表內(nèi)部，通過擴展的645協(xié)議進行讀取。eSIM卡的尺寸為6mm×5mm，并以外置貼片的方式焊接到電路板上，有助于eSIM卡發(fā)生故障后的維修與更換，便于電能表與eSIM卡的臺賬明細管理。

3遠程費控電能表的軟件架構(gòu)設(shè)計

3.1架構(gòu)及程序設(shè)計

電能表的軟件架構(gòu)設(shè)計是依據(jù)硬件電路系統(tǒng)而形成的，先設(shè)計核心主程序，再依照核心主程序一次性地設(shè)計各模塊的子程序，其軟件架構(gòu)如圖6所示。

遠程費控電能表的計量子程序，主要用來完成對實時時鐘數(shù)據(jù)的讀取以及用戶端使用電量的分階段計量。在電能計量方面，子程序要分別針對有功電能、無功電能進行計量，具有正向有功、反向有功電能計量功能，可設(shè)置、組合有功電能;而無功電能可設(shè)置成任意4個象之和，并可設(shè)置、組合無功電能。信號處理程序首先要求電能表使用者進行安全認證;其次依照初始化命令對電能表進行初始化工作，對電能表進行模式選擇;然后啟動無線通信功能，遠程接收命令，并在讀取芯片數(shù)據(jù)后，通過LCD將結(jié)果顯示出來。遠程費控電能表的計量子程序流程如圖7所示。在計量費控方面，可以實現(xiàn)遠程費控和本地費控的功能。當(dāng)電能表的金額小于設(shè)定的報警金額，電能表的LCD屏?xí)@示或者報警燈亮起，提醒用戶續(xù)繳電費。

本文的無線通信子程序是重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，NB－IoT網(wǎng)絡(luò)是借助eSIM智能卡進行無線通信，基于現(xiàn)有遠程費控電能表的通信規(guī)約，制定系統(tǒng)主站和電能表之間的數(shù)據(jù)傳輸幀格式、數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。在不同通信燈閃爍時，遠程費控電能表與采集系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換，其程序流程圖如圖8所示。

4安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

4.1概述

 用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應(yīng)用場所

  （1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

  （2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）；

  （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

  （4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、衛(wèi)生、體育建筑等）；

  （5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

  （6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

2）電能統(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動到每個回路附近時，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?，鼠?biāo)單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4.5系統(tǒng)硬件配置清單