基于遠程費控的智能電表的設計

徐振洪

摘要：隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，智能電表的進步成為現(xiàn)代城市生活的縮影。文章通過對某遠程費控智能電能表的具體介紹和功能實現(xiàn)，淺析了在遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)下采用大規(guī)模集成電路形成的智能電表的功能及特點。

關(guān)鍵詞：遠程費控；智能電表；使用設計

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0011-02

1 電表的基本功能

雙向計量、管理控制和雙向通信組成電表的三大基本功能，電表的基礎功能就是計量，計量里面又囊括了有功、無功、功率因素、電壓、電流量和零序電流6種計量。雙向通信在智能電表和智能電網(wǎng)之間搭建橋梁，建立起可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。作為交互式智能電網(wǎng)的終端管理單元，智能電表的管理控制功能包含費率控制、遠程控制、家電設備的智能化、發(fā)電設備控制的分布式和本地的管理工作五部分。

智能化的遠程費控，本地：不存在計費功能，以計量功能為主；遠程：由遠程的主站/售電系統(tǒng)完成計費，一旦用戶產(chǎn)生欠費，遠程系統(tǒng)將會自動發(fā)出命令，并且拉閘斷電，當用戶把欠費交清時，遠程系統(tǒng)再次發(fā)出命令，合閘供電。

發(fā)展中的智能電表技術(shù)給我們的生活帶來便利，不僅可以通過計量的手段收集到用戶給出的意見建議作為參考，并且在用戶端的控制上也顯得更加靈活了。

本文以智能電表的功能為出發(fā)點，重點介紹遠程費控功能在智能電表中的應用，同時對智能電網(wǎng)的作用提出相應結(jié)論。

2 費控功能的實現(xiàn)

電能表內(nèi)配套有專用ESAM模塊，作為安全認證接口和安全數(shù)據(jù)存儲單元。通過費控功能，實現(xiàn)本地和遠程之間電能表的區(qū)分。

2.1 遠程費控

遠程費控區(qū)別于本地費控，具有智能化、簡單化以及精準化等特點。通過網(wǎng)絡等媒介遠程對電能表實現(xiàn)費控，只有在接受遠程系統(tǒng)發(fā)出指令的情況下才會對用戶實行拉閘斷電、開閘用電等功能，對于遠程系統(tǒng)的密碼要嚴格程序才能通過，遠程系統(tǒng)必須是通過安全認證的，這樣才能確保遠程費控工作的正常進行。

2.2 本地費控

本地費控的限制性比較大，主要是依托CPU為媒介，在智能電表內(nèi)部實現(xiàn)對本地電能表的費控功能。但是本地費控擁有兩種預付費的方式，可以按照個人情況和條件選擇本地付費或者是進行遠程付費。

用戶卡主要包括開戶卡、購電卡、補卡三種電卡類型。而其中只有開戶卡可以修改電價、報警金額等信息，購電卡和補卡不能修改電價、報警金額等參數(shù)。

配合編程開關(guān)，可以在現(xiàn)場對電能表的參數(shù)進行設置和修改。通過對現(xiàn)場參數(shù)設置卡的版本和計數(shù)器的判斷使用現(xiàn)場參數(shù)設置卡，當版本號符合要求，而且計數(shù)器數(shù)字小于0的時候，就可以進行正常的現(xiàn)場參數(shù)設置。

數(shù)據(jù)回抄卡主要用于檢測電能表費控信息，為了方便檢測到電能表的費控數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)回抄卡，讀回電能表上全部的費控信息。

當你需要把電能表的密鑰從公共更新到私有或者僅僅是更新私有密鑰，都需要在密鑰下裝卡。如果你想把電能表的密鑰由私有恢復成公開，就要使用密鑰恢復卡。

當電能表內(nèi)的剩余金額小于等于報警金額1時，電能表的報警燈常亮、液晶顯示“請購電”、背光燈亮，通過購電預警告訴用戶需及時購電；當電表的報警金額為2的時候，如果電能表內(nèi)的金額小于2，電能表的報警燈亮、液晶顯示“請購電”、背光燈亮，電能表此時預跳閘，同時電能表的跳閘指示燈亮，此時用戶可插用戶卡恢復，繼續(xù)使用剩余金額。若用戶不去購電，剩余金額走到零時，電能切斷供電回路，強制用戶只有購電才能恢復。

當設置透支金額時（透支電量由用電管理部門設置），電能表中的剩余金額小于等于報警金額2時，液晶上顯示“請購電”、背光燈亮、報警燈亮，同時電能表跳閘，此時可插用戶卡恢復；可以透支使用設置的透支門限金額，當透支金額大于等于透支門限時，電能表液晶顯示“請購電”、報警燈亮、背光燈亮、跳閘指示燈亮，繼電器跳閘。當用戶再次購電時，電能表自動從本次購電金額中扣除透支金額。

3 基于遠程費控功能的智能電表的功能設計

本文所設計的智能電表采用的單片機與傳統(tǒng)的不同，它的工作原理是根據(jù)一種稱為2B8的單片機來實現(xiàn)遠程控制電費的功能，這是一種性價比高，并且應用于智能電表的開發(fā)非常合適的單片機。該電表的工作方式是通過低功耗電、時鐘電路、高低速振蕩器、硬件乘法器、串行通信口全雙工3個、中斷結(jié)構(gòu)7級、軟件中斷4個、內(nèi)部中斷23個、外部中斷5個、計數(shù)定時器6個、專用輸入口2個以及上拉電阻、CMOSI/O口編程45個、內(nèi)部RAM3k、閃速存儲器字節(jié)648K字節(jié)。

這種智能電能表，根據(jù)相關(guān)遠程費控功能的要求，設計了相關(guān)的模塊，具體的設計內(nèi)容如下：

3.1 時鐘模塊

時鐘電路低功耗時鐘、支持I2C總線、RX8205T芯片的一種，補償溫度內(nèi)置晶振，精度很高，精確計時可以在寬溫的范圍內(nèi)輕松達到目的，引腳兼容當前廣泛應用于電表領(lǐng)域的EPSONRX-8025SA。設置日歷以及時鐘時通過從外部通訊口接收到相應的校時數(shù)據(jù)來完成，主要經(jīng)由CPU來完成，繼續(xù)持續(xù)走時則是完全依靠自身的振蕩來進行。與CPU連接是利用I2C方式2線，與2B8相連的方式則是通過SCL腳以及SDA腳，設置與分或者秒同步的脈沖完成2個報警引腳的中斷，當前時間的讀取則是單片機系統(tǒng)從I2C通訊接口每隔一段時間進行的，該時刻所在的時段就是這么計算出來的。電能的分時段計量在多費率電能表的應用中得以實現(xiàn)。時鐘的運行也能夠最小程度免受來自電力的影響，在由主電源為時鐘進行供電的時候，時鐘可以正常運行，當在電源供應中斷的時候，在時鐘里本身自帶的鋰電池就會自動發(fā)揮作用，代替主電源，確保時鐘的正常運行，精準運行。

3.2 存儲模塊

智能電表復雜實現(xiàn)、擁有眾多功能，大量的數(shù)據(jù)會在運行過程中產(chǎn)生，例如凍結(jié)量數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)、歷史電量數(shù)據(jù)等等。同時，存儲芯片必須在那些功耗低、長保存時間、高可靠性、大容量的芯片中選擇，因此在此過程中選用的都是串行低功耗存儲器芯片，采用MCU通訊以及I2C接口，工作電流以及待機電流以此分別為1mA和1μA，保存數(shù)據(jù)時間在200年以上，擦寫次數(shù)達到10萬次、64K字節(jié)的存儲容量。

3.3 通訊模塊

紅外IR傳輸以及RS-485傳輸分別是通訊功能實現(xiàn)多采用的主要的方式，之所以在RS-485總線接口之外采用避雷等措施進行保護，是因為顧慮到大部分的智能電表的安裝位置都不是在室內(nèi)，在戶外會有遭到雷擊的可能性。ISL3152芯片為RS-485接口芯片，可以單片機系統(tǒng)以及光耦NEC2501完成隔離，最終達到避免由于雷擊而對系統(tǒng)產(chǎn)生致命的破壞性。

遠程主站系統(tǒng)利用RS485總線與智能電表達到相連的目的，主MCU則是通過光耦隔離還有UART這一串行異步通訊接口和ISL3152接口芯片（來自RS-485）進行相連。同時由于各個智能電表采取的12位的以十進制計算的通訊地址是唯一而確定的，只要主站系統(tǒng)通過DL/T645-2007下達命令協(xié)議，與自己地址相匹配的信息數(shù)據(jù)就會傳送到智能電能表的方向，與此同時，校驗碼以及相應的應答信息也會進一步自下而上傳達到遠程主站系統(tǒng)終端，達到回抄數(shù)據(jù)的最終目的。

紅外通信容易受到外界環(huán)境的一系列干擾，尤其是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞绞遣捎眉t外發(fā)射管的時候。為了避免傳輸過程中出錯，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準，常用的抗擊干擾的途徑是，首先將載波調(diào)整到30～40kHz，此時需要傳送的數(shù)據(jù)則需要再一次發(fā)送，就可以有效抗擊干擾。2B8單片機所采用的定時器管腳能夠產(chǎn)生38kHz的低頻載波輸出，實現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)發(fā)送功能的過程是TXD腳驅(qū)動（來自單片機的UART口）串聯(lián)到另外一個三極管，實現(xiàn)“1”和“0”等二進制信號數(shù)據(jù)的傳送運輸功能。接收紅外的時候，高頻紅外信號的解調(diào)是通過紅外一體化來進行HM238R的模塊接收的。當?shù)碗娖綇慕邮展茌敵鰰r，高頻紅外信號則是HM238R接收到的；當高電平從接收管輸出時，高頻信號則沒有傳送到HM238R。由接收管進行紅外線解調(diào)處理后的數(shù)據(jù)就是由RXD管腳（UART口）再將其記入單片機內(nèi)，然后進行一系列的選擇處理。

3.4 電能計量模塊

由于采用的是可靠性強、精度高的RN8209國產(chǎn)芯片，因此遠程費控智能電表在計量電能時可以測量出無功能量、有功能量、無功功率、有功功率等，防竊電方案可以有效靈活地實現(xiàn)，通過零中斷、電壓電流有效值、有功功率有效值、2路獨立等等，可以達到對Offset校正、全數(shù)字的相位、增益的支持。斷電以及上電時的可靠芯片工作可以從來自內(nèi)部的電源來對電路監(jiān)控而實現(xiàn)，同時，QF、PF管腳能夠分別從無功、有功的電能脈沖來實現(xiàn)。

另外，在正常的工作中可以實現(xiàn)MCU2B8與SPI串行相互間的通訊，電表運行的參數(shù)可以從SPI口實時讀取；假設發(fā)生異常的情況，MCU可以事件記錄同時進行，直到來自系統(tǒng)的查詢結(jié)果證實遠程主站可以支持運行為止。

根據(jù)上述設計，在電能表費控管理菜單下，主要包括主站控用戶管理、主站控用戶審核、主站遠程控制明細、主站控統(tǒng)計分析和主站遠程控制5個子功能模塊。

4 結(jié)語

電能表可以很好地對電量進行測量，并且及時地做好數(shù)據(jù)處理，做到自動化的實時監(jiān)控、在信息上面能夠有效的交互、對負載做到有效的控制。在如今的智能電網(wǎng)用戶中，智能電表技術(shù)的運用顯得尤為重要，一方面是完善了以往電能表的功能，另一方面為新功能的開發(fā)提供了機會，如一卡通、地位預測、遠程家居。

通過符合國際標準的智能CPU卡為購電介質(zhì)或由后臺系統(tǒng)以通信信道為虛擬介質(zhì)，依據(jù)表內(nèi)用戶用電信息控制斷路器實現(xiàn)負載的通與斷，為了使用電朝著合理化、有效化的發(fā)展，必須要通過多種費率對電網(wǎng)的負載情況進行

調(diào)節(jié)。

參考文獻

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作者簡介：徐洪振（1967—），男，廣東蕉嶺人，武漢大學在職研究生，廣東電網(wǎng)公司佛山供電局電力計算機應用工程師，研究方向：電力技術(shù)應用。