一種新型無線電能計量表的設計與實現

付曉，沈永名，孫良凱，李健

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004;2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京210061;3.浙江嘉興電力局，浙江 嘉興 314033)

1 引言

由于傳統能源的逐漸枯竭以及環境保護的需求，建設更加安全、可靠、優質、環保、經濟的電力系統已變得越來越，智能電網由此誕生。它允許可再生能源接入電網，支持互動式用戶管理以及對電網的智能化管理。智能電表是高級量測體系(AMI)和智能電網數據采集的基本設備，承擔著原始電參量采集、計量和傳輸的任務，是實現信息集成、分析優化和信息顯示的基礎。智能電表技術的發展，一方面可以通過先進的計量手段為用戶提供用電建議，另一方面也為用戶端的控制提供了靈活接口。

從智能電表的組成來說，主要包括通信、電源及電源管理、計量、存儲等功能模塊。本文提出的電表結合了電能計量芯片、微控制器與無線數傳模塊等器件的應用，實現了遠程自動抄表、雙向計量、交互式等功能。作為直接接在輸電線路上的電表，它具有抗干擾能力強，測量精度高，防竊電能力強，性價比高等優勢。

2 系統框架

2.1 系統基本組成

這套電能計量表分為兩個部分:一是前端采集器，直接接在輸電線路上，用于采集三相的電壓和電流等電參數并通過射頻把數據傳送給集中器;二是位于配電房的集中器，接收前端采集器發送的數據。然后集中器通過RS232收發器把數據通過網絡傳給上位機。上位機的主要職責就是接收與儲存各種電力數據，匯總并統計數據，制作報表，下發控制命令。

圖1 無線電能表原理圖

3 系統硬件設計

3.1 電源電路設計

3.1.1 前端采集器的供電

由于采集器直接固定在輸電線路上，所以能量補充問題是關鍵問題之一。感應取電的方法具有轉換效率高，應用便捷的優點。目前，感應取電的研究方向有兩種，一種是無蓄電池儲能的，如果用電裝置可以接受較大范圍電壓的波動，則可以無需蓄電池穩壓;第二種是有蓄電池儲能的，這種方式更適合需要穩定電壓供給的用電裝置，比如芯片，所以這里我們采用兩塊蓄電池交替工作的模式來給前端采集器供電。

由于采集器直接固定于輸電線路上，故感應取電后，經過整流和濾波給蓄電池充電從而給PCB板提供穩定的直流電壓源。采用兩塊蓄電池交替供電的方式，當蓄電池BT1此時作為工作蓄電池供電給電路板時，蓄電池BT2作為熱備用正在充電，由輸電線路感應充電。等待工作蓄電池電壓降至5.5V時，繼電器動作，切換線路，把滿電的電池切換為工作電源。作為6V的電壓源，蓄電池的輸出經過低壓差電壓調整器AMS1117-3.3和TPS7350Q的處理，分別輸出3.3V和5V的直流電壓。

3.1.2 集中器的供電

集中器安置于配電房內，故取電比較便捷，使用低壓差電壓調整器AMS1117-3.3把5V電壓轉換成3.3V電源Vcc并加以濾波，以便供電給 C8051F021、EEPROM、JTAG 接口、時鐘芯片 SD2405ALPI、RS485收發器SP3072E;使用5V電源直接供電給歐姆龍繼電器 G6H-2、門電路 SN74HC04、無線數傳模塊 FC-211AP。

3.2 電能計量模塊設計

采用Cirrus Logic公司的雙向集成功率測量芯片CS5463。它可用于研制開發單相兩線或三線電表。CS5463控制電路如圖2所示。

圖2 CS5463外圖接線

CS5463的特性如下:測量精度高，可達±0.1%;片內功能多:這里我們采集的參數包括:瞬時電壓、瞬時電流和有功功率、無功功率、功率因數、頻率。另外芯片功耗低，小于12 mW。

我們采用使用手冊推薦的晶振頻率4.096MHz作為時鐘脈沖。+5V電源通過VA+和VD+引腳給芯片提供電源。CS5463可以使用EEPROM進入“自引導”模式，這個模式下使得CS5463能獨自工作，并在系統上電后自動初始化。也就是說，CS5463可從一個外部EEPROM中下載啟動指令和寄存器數據。使用該模式，CS5463在工作時不需要外加微控制器，因此，當電表用于大量住宅電能計量時，可降低電表的成本。因為這里不采用“自引導”模式，故將MODE引腳接地。

PFMON引腳是起電源監視的作用，當模擬電源下降到一個極限值時，狀態寄存器被置位表明處于低電壓狀態。SDI、SDO、SCLK引腳是CS5463與MCU連接的SPI接口，數據傳輸速度總體來說比IIC總線快，可以達到幾兆每秒。而引腳7則是從器件使能信號，由主器件MCU控制，低電平有效。

CS5463的校準及實現:該芯片的電流、電壓通道要求輸入最大±250mV的交流差分信號，既芯片輸入的極限有效值約等于AC 176 mV RMS。

校準過程如下(指單相)

零點校正:

(1)分別短路電流和電壓輸入端的IIN+、IIN-、VIN+、VIN-并使之連接到模擬地。

(2)分別發送電流、電壓偏移(零點)校準命令，CS5463內部自動把偏移值保存到各自的偏移寄存器，此時電流、電壓寄存器的值為0。

(3)保存電流、電壓偏移寄存器值到采樣器的EEROM存儲器(供下次復位后重新恢復)。

滿度校正:

(1)由于芯片輸入的極限有效值約等于AC176mVRMS，一般把滿度值衰減為極限值的60%，這樣才有一定的采樣余量。例:本系統分別把35kV的電壓和100A電流衰減到150mVRMS。

(2)電流和電壓輸入端的 IIN+、IIN-、VIN+、VIN-分別接入150mVRMS校準信號(實際上電流輸入10mA信號，通過15Ω的取樣電阻得到150mVRMS校準信號)。

(3)分別發送電流、電壓增益(滿度)校準命令，CS5463內部自動把增益值保存到各自的增益寄存器，此時電流、電壓寄存器的值為0.6。

(4)保存電流、電壓增益寄存器值到采樣器的EEROM存儲器(供下次復位后重新恢復)。

3.3 無線數傳模塊

采用的FC211AP模塊是新一代多通道高速率嵌入式微功率無線數傳模塊，其主要特點如下:

(1)低功耗:發射功率 20mW，休眠電流低于15uA，接收模式下消耗電流低于27mA，發射模式下消耗電流低于38mA;

(2)工作在無線計量頻段，符合國家無委標準，免申請頻點;

(3)可靠性高、穩定性強:基于GFSK的調制方式，高抗干擾能力和低誤碼率，提高數據抗干擾能力;

(4)傳輸距離遠:視距情況下，可靠傳輸600m。實際使用中的視距約50m，所以可靠性是可以得到保證的。

實現數據正確傳輸必須具備以下幾個條件:

(1)接收器與用戶的系統連接時，必須保持串行接口特征一致，即:奇偶校驗情況、波特率、停止位、數據位;

(2)信道選擇相同;

(3)空中傳輸速率相同。這里我們選擇默認值9600bps，與數據傳輸串口速率相同。

圖3 無線數傳模塊示意圖

圖3為無線模塊的傳輸示意圖，前端采集側從MCU出來的信號是TTL電平，由于RS485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強，同時傳輸距離長，可靠性高，所以這里把數據用RS485收發器轉換后送入無線模塊。通過射頻發射至集中器側的電臺，再通過RS485轉接口把信號送至MCU。這里RS485轉換器選用Sipex公司的+3.3V低功耗半雙工的SP3072E。SP3072E的D I口和RO口接單片機P0.0(TXD)腳和P0.1(RXD)腳。單片機P3.3管腳控制SP3072E的使能。SP3072E的A口接到FC211AP的A/TX引腳，B口接到B/RX引腳。

3.4 顯示界面的設計

顯示儀表位于配電房，與集中器側的MCU通過插頭連接，這里采用 YAOYUTECHNOLOGY的YM240128a-5型液晶屏來顯示實時數據。正常運行時讓屏幕顯示第一頁數據:總有功電量、總無功電量、峰時段電量、平時段電量、谷時段電量、總有功功率、總無功功率、頻率、功率因數。點擊按鈕進入第二頁，第二頁顯示A、B、C三相各自的電壓、電流大小，溫度、頻率、功率因數。在通訊故障時對應的數據用灰色顯示。根據實際需要，正常運行時只顯示第一頁的內容。

3.5 防竊電設計

制成的PCB電路板放在一個金屬腔體內，而腔體與輸電線路直接串聯，輸電線路的高壓可以有效防止竊電。

4 軟件設計方案

圖4為前端采集器和集中器的軟件流程圖。

圖4 集中器和采集器器軟件流程圖

4.1 采集器的程序實現

采集器的程序主要由初始化和中斷處理組成。初始化程序完成MCU、CS5463以及MCU外設的設置。中斷程序主要有串口通訊中斷和CS5463采樣定時中斷組成。串口通訊中斷接收集中器發來的電參數查詢命令，并給以適當的回應。CS5463電能芯片對電參數的采樣引起了MCU每秒的定時中斷，該采樣通過SPI接口完成。而有功、無功電能分別由CS5463的E1、E3兩個引腳發出的脈沖進行累計。

4.2 集中器的程序實現

集中器的程序主要也由初始化和中斷處理組成。除了同樣要對MCU及外設進行初始化外，增加了液晶顯示輸出和上位機的查詢請求應答。集中器的中斷處理程序有:定時查詢采集器的電參數、定時刷新顯示數據、按鍵掃描及處理、相應上位機的查詢命令等。集中器分別讀取A、B、C三相的采集器數據，把采集結果進行合并，得到該線路的總電參數。

4.3 交互的實現

當用戶在一定時間內的用電量超過一個極限值，MCU下發命令控制斷路器從而實現拉閘限電。

5 結論

本文從硬件和軟件兩個方面闡述了系統的設計過程。系統通過采用CS5463芯片作為微功率無線收發模塊.實現了對高壓輸電線路用電信息的高效、快速和可靠采集。

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