基于物聯網的多用戶智能電表系統

黃相杰，葉茂先

（北京理工大學 珠海學院，廣東 珠海 519085）

在平時我們的生活中，原來廣泛存在的機械式電能表逐漸被電子式電能表取代。原因歸咎于前者的穩定性，精確度，靈敏度，線性動態，功耗，防竊電等部分都遠不如后者。而這些產品大都是單純針對單用戶電能的計量所設計的。為了制作出滿足智慧城市電網提出的“以服務為導向”的需求趨勢，隨著互聯網絡硬件、軟件的迅猛發展，數據采集與控制設備在逐步地走向網絡化，物聯網中的以太網可以滿足數據可靠實時的傳輸，直接連接到家庭中的網線就可以實現系統數據的傳輸，整個系統分4大功能：

1）多用戶電能計量，分數段電費統計；

2）跳閘、復電及扣費；

3）監測偷電；

4）無線GPRS短信通知用戶。

1 總體設計

設計指標：1）工作電壓：200～240 V；2）被測用戶最大工作電流：20 A；（防偷電部分為 80 A）；3）用戶電表常數：3 200 imp/kWh，阻值600μΩ（防偷電部分為 800 imp/kWh，阻值 150 μΩ）；4）最小顯示電量精度：0.01（kWh）；5）當前功率精度：0.1（W）；6）當月電費精度：0.1（元）；7）內部損耗：10（W）。

圖1為單片機STC12C5A60S2的多用戶智能電表系統主框架。從MCU部分采集多用戶電量信息，斷電跳閘保護，RFID卡復電及扣費，把數據信息通過SPI接口實現上傳至主MCU，主MCU進行對數據的處理，存貯，處理后的數據可以顯示于液晶上，通過按鍵可以在液晶上察看時間，當前電量，當前功率，當月電費，分時段峰、平、谷電費單價，RFID卡恢復用電成功及扣費提示信息。主MCU的電量、電費通過ENC28J60外圍電路連接以太網上傳實時信息到上位機供電監控系統。監控偷電電路為多用戶電表外部連接，當發現偷電情況時上位機供電監控系統發生數據異常變化，提示偷電情況信息，便于工作人員及時處理。無線GPRS短信平臺及時發送短信告知用戶停電信息，提前準備，避免不必要的損失。

2 硬件單元模塊設計

硬件如圖1中可知主要分成3部分。

圖1 多用戶智能電表系統總體框圖Fig.1 Multi-user intelligent electric meter system overall diagram

2.1 主MCU部分

其中主控MCU12C5A60S2負責多用戶電量的數據采集處理，采集電路如圖2所示，MCU對采集到的每個用戶電量數據進行脈沖統計，電能計量表達式：

式中 u（t）、i（t）、p（t）分別是順勢電壓、瞬時電流、瞬時功率值，所以測量電能的基本方法是將電壓、電流相乘，然后在時間上再累加（即積分）起來。對于大多數電子式電能表，電能計量的原理基本相同，主要包括對電壓和電流的實時采樣，將采樣得到的電壓和電流值相乘，計算出有效值、有功功率。

在此用AD7755計量芯片，芯片內部兩個ADC對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進行數字化。ADE7755的模擬輸入結構具有寬動態范圍，大大簡化了傳感器接口（可以與傳感器直接連接），也簡化了抗混疊濾波器的設計。電流通道中的PGA進一步簡化了傳感器接口。電流通道中的HPF濾掉電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或者電流失調所造成的有功功率計算上的誤差。

有功功率是從瞬時功率信號推導計算出來，瞬時功率信號是用電流和電壓信號直接相乘得到的。為了得到有功功率分量 （即直流分量），只要對瞬時功率信號進行低通濾波就行了。

圖2 AD7755電量采集原理模塊線路圖Fig.2 AD7755 power acquisition principle module circuit diagram

2.2 通信部分

當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10 M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802·3系列標準相類似。MCU數據處理后通過以太網ENC28J60傳輸到上位機管理系統，如圖3所示。

圖3 數據通過以太網ENC28J60傳輸連接圖Fig.3 Datathrough Ethernet ENC28J60 transmission connectiondiagram

以太網通訊系統是基于51內核單片機和ENC28J60網絡控制芯片的設計，接口電路采用UTP（無屏蔽雙絞線）RJ-45封裝。51單片機作為整個通訊系統的控制處理器，通過SPI串行數據接口實現和ENC28J60網絡芯片的通訊，并控制ENC28J60芯片相關寄存器，將單片機傳送過來的數據轉換成為基于IEEE802.3網絡協議的數據包格式，再通過HR911105A接口最終實現和網絡終端的數據通信。

2.3 監測偷電電路設計

監測偷電同樣依靠ENC28J60傳輸數據到上位機管理系統，上位機的數據庫通過數據處理比較可以監測到偷電情況。偷電時主要是在電表的外面支路上進行偷電，為此只需要在這個支路上設計出一個用電接口即可。

2.4 短信通知模塊

在供電局系統進行線路整改，維修，用電維護等特殊情況時系統可以通過無線GPRS短信平臺及時告知用戶停電信息，避免不必要的損失，此處我們用sim300三頻段的GSM/GPRS模塊作為發送平臺。

2.5 多用戶擴展電路圖

多用戶電表如圖4，P2，P4，P5為各個用戶，以此類推擴展更多用戶。

3 軟件設計

3.1 主MCU部分

主MCU部分包括主程序、按鍵檢測子程序、串口接收處理子程序、串口中斷服務程序。

圖4 多用戶擴展電路Fig.4 Multi-user extended circuit

圖5 主MCU程序流程圖Fig.5 Main MCU program flow chart

3.2 從MCU流程圖

二級主機部分：主程序、GSM短信發送子程序、定時器處理子程序。

圖6 從MCU程序流程圖Fig.6 From MCU program flow chart

4 測試設備以及測試數據

設備：萬用表，各種不同功率的用電器，多用戶用電測試實驗數據如表1。

表1 不同用戶用電情況Tab.1 different user electricity supply

5 結 論

經過設計和試驗，基于物聯網技術的多功能智慧電表系統不但具有對各多用戶進行數據統計，用電管理等功能，而且抄數即快速又準確，徹底解決了人工抄表的所有弊病，大大提高了工作效率，點智慧電網做出合理的設計，具有廣泛應用前景。其中的數字電度表測量精度高，性能穩定可靠，不但可以取代老式的齒輪式電度表，還可以實現遠程抄表及高效數據管理，是現代供配電管理不可缺少的用戶電功率計，相信不久將來成為老式電度表的替代產品。更是在電子式電表的基礎上進一步設計的多用戶電表系統。

在完成作品的過程中，遇到問題還是比較多的，例如方案確定上，初期經過了多番的理論分析；電路設計上不夠細心，經過多次修正后才成功；面對計量電能強電部分時，出現燒壞元件的情況；對以太網數據傳輸上花的時間比較多，通過了大量的查閱資料；在上位機界面編輯上，專業知識的不夠顯得比較吃力等。幸好最后在經過努力，把問題都一一解決，完成了本次設計。

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