基于電力載波通信的高精度智能電能表的研制

徐瑞麗

(河南職業技術學院電氣工程系，河南鄭州450046)

0 引言

電能表是每個家庭的必備電能計量儀表，隨著城市化進程的發展，其數量越來越多，相應的計量、管理和收費工作日益繁雜，產生了巨大的工作量，而且抄表的準確性和及時性也受到了挑戰［1-3］。電能表性能也直接影響著電能管理的效率和科技水平，顯然傳統的機械式電能表已不能滿足電力管理部門的需要。電力線載波通信是電力系統特有的通信方式，利用現有電力線通過載波方式傳輸模擬或數字信號。低壓電力線載波技術是通過低壓220 V/50 Hz交流線路實現的雙向通訊，但是低壓電力線上用戶眾多，所接負載也多種多樣，如何克服低壓電力線上特有的高阻抗、高噪聲和電磁輻射是目前的難點［4］。為此，本文采用電力載波通信技術設計了高精度智能電能表，通過專業的電能計量模塊和擴頻通信芯片，結合抗干擾耦合電路，實現了智能電能表的高精度測量，并提供了接口協議與外界保持穩定的通信。

1 智能電能表的工作原理與硬件結構

根據國家電網規定，所設計的整個電能表工作時的實際功率不能大于2 W，因此設計該裝置的軟硬件時，盡可能地考慮了功耗的問題。

1.1 電能表的工作原理

智能電能表終端主要由單片機ATmega128L、擴頻通信芯片PLCi36G-Ⅲ-E、信號耦合電路、濾波調理電路、E2PROM存儲器24C01、電能計量模塊ADE7755、繼電器、顯示屏LCD和電源管理單元等組成。智能電能表整體框圖如圖1所示。電能計量芯片ADE7755從家用220 V/50 Hz交流電線路上采集電壓、電流信號，經處理后進行乘積運算，運算的結果通過功率-頻率轉換器轉換成與平均功率成正比的脈沖信號從CF引腳輸出，單片機ATmega128L接收傳過來的高頻脈沖并在一個計數周期內進行計數，然后轉換為功率傳給外擴存儲器和LCD進行顯示。設計中通過硬件配置設定3 200個脈沖為1 W的電能，在一個計數周期內測得的脈沖數除以3 200就是這一周期內負載消耗的電量ΔP。存儲器在記錄電量的同時，通過內部累加計算出電量P，同時記錄此時的時間，便于以后查詢。

圖1 智能電能表整體框圖

當集中器要獲取某一時間段的用電記錄時，下發相應的指令后，單片機立即從存儲器里取出相關數據并進行累加，并將結果返回給集中器。當用戶的繳費用盡時，電能表會自動驅動火線上的繼電器斷開，集中器也可以發送斷開指令，強制關閉用戶的用電。同時也為其他系統提供了RS485通信接口，方便系統的擴展。

1.2 硬件結構組成

1.2.1 單片機 ATmega128L

綜合考慮系統對控制器的資源需求，選用了8位低功耗微處理器ATmega128L，相對于其他通用的8位微處理器來說，它具有非常豐富的資源，工作于16 MHz時性能高達16 MIPS，4 K字節的數據存儲器和4 K字節的E2PROM;具有兩個16位定時器/計數器;具有片內128 K字節的程序存儲器，具有53個通用I/O口線、實時時鐘 RTC、兩個 USART、兩路8位PWM、與IEEE1149.1規范兼容的 JTAG測試接口用于片上調試，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式，大大降低了系統的功耗，符合國家電網對設計電能表的規定。

1.2.2 電能計量模塊

ADE7755是ADI公司生產的一款單相電能計量芯片，在50/60 Hz輸入信號時都能滿足IEC687/1036標準規定的測試精度要求，在1000∶1的輸入動態范圍內，測試誤差都小于0.1%。ADE7755具有雙通道采樣電路，通道1由錳銅分流器J4的全差分采樣電路獲取用戶的電流參數，其差分電壓最大輸入時為±470 mV;通道2由電壓采樣電路獲取，其最大全差分輸入時為±500 mV的電壓參量。ADE7755的CF引腳輸出的脈沖正比于即時功率，該脈沖通過高速光耦傳到單片機ATmega128L的計數器進行累加，并計算出電能計量信息。ADE7755只在ADC和基準源中使用模擬電路，所有其他信號處理都使用數字電路，這使它即便在惡劣的環境條件下，仍能保持極高的準確度和長期穩定性［5-7］。

1.2.3 電力載波通信單元

擴頻通信芯片PLCi36G-Ⅲ-E是專門為電力線介質作為通信信道而設計的，它能夠實現基于電力線通信網絡的電子終端設備之間可靠的數據交換，數據鏈路層通信協議遵循高級數據鏈路控制通信協議，應用層通信協議完全兼容于DL/T645-1997規范和DL/T645-2007規范，在保證DL/T645協議完整性的前提下，擴充了DL/T645對網絡數據通信的支持。在整個通信網絡中，每個智能電能表的網絡地址是唯一的，其物理地址用6個字節來表示，并存貯在外部的I2C串行E2PROM中，對網絡地址的管理通過/WP、SCL和SDA三個端口完成。它可采用集中式和分布式混合網絡結構，合理高效的壓縮算法，最大程度地壓縮報文，提高了通訊能力與穩定性，碼率高達20.8 kbps。該芯片具有通信可靠性高、高效幀中繼轉發策略、信號強度指示、相位檢測以及完善的網絡數據通信協議集，且具有低成本、低功耗和外圍器件少等優點［8-9］。

1.2.4 信號耦合電路

線路上的各種參數，如分布電容、分布電感、負載性質、負載阻抗值大小和噪聲干擾等都是不確定的，而電力線負載的開關和負載大小變化會引起電流的劇烈波動，導致電力線周圍產生電磁輻射，這些必然使低壓電力線路工作環境非常惡劣，也勢必會對載波通訊信號的傳輸造成困難和嚴重干擾，因此低壓電力線通信必須首先解決好信號的耦合問題［10］。

信號耦合電路是將載波通信單元與電力線連接的關鍵單元，主要的作用是濾除220 VAC/50 Hz的交流信號和抑制瞬時電壓沖擊，也能夠高效率地將發射信號注入電力線，保證在電力線上的有效信號功率，對來自電力線上的有用信號實現最小的衰減和最佳接收，最大限度地抑制來自電力線上的噪聲干擾。根據通信系統的載波中心頻率fc=270 kHz的要求，信號耦合電路的設計如圖2所示。

圖2 耦合電路

在信號耦合電路中，電容C11濾除交流50 Hz信號，采用隔離變壓器T2使電力線回路和通信單元安全隔離，并由電容C11和隔離變壓器的次級線圈電感構成高通濾波器。電容C11采用長壽命高性能的安規電容，因為安規電容存在壽命問題，隨著使用時間的推移，容量會變得越來越小，若容量小于10 nF將導致耦合電路失效。

2 電能表軟件設計

智能電能表的軟件開發采用C語言設計，由AVR Studio編寫C語言程序，經過GCC交叉編譯得到單片機可運行的HEX文件。AVR Studio-GCC中的C語言編程和計算機普通程序編程沒有區別，控制語句、格式、頭文件等完全相同，只是在單片機的寄存器讀取方面需要參考該型號單片機的說明文件［11］。

程序是一個循環主函數，各種功能的執行是通過調用子函數完成的，包括數據的發送和接收、用電量計算、LCD顯示、數據的本地存儲和讀取、指令的解析和封裝、繼電器控制和延時等。軟件程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件工作流程

智能電能表終端上電后，首先單片機ATmega128L進行系統初始化，包括對控制器各寄存器狀態、電能計量及擴頻通信芯片的工作方式、顯示屏LCD和存儲器24C01等的配置。根據計數器計算用電量信息，將數據存到存儲器里并刷新LCD;然后監聽是否收到了從集中器發出的指令，如果沒有收到繼續計算用電量;如監聽到指令，解析指令并執行。指令一般包括:系統權限管理、上傳用電量、設置自動抄表周期、負荷越限設置和遠程斷電等操作，執行完畢后，智能電能表終端需要將執行結果和狀態數據打包并上傳至集中器。最后，根據管理系統的設置，選擇程序的延時時間，再次進入下次的循環。

載波發送接收是由單片機ATmega128L以中斷的方式實現，這樣使得電能表能實時偵聽公網電力線上的消息，達到隨時在線的功能，其常態為載波接收狀態。載波發送信號經過功率放大耦合到公網電力線上，通過載波通信與安裝在電力公網線上的集中器進行數據交換，集中器再通過其他方式與監控管理中心進行數據交換，從而實現遠程無線抄表和控制的功能。

3 試驗結果

在完成了系統的硬件和軟件調試后，為了測試智能電能表的通信和精度，采用HY5302標準計量表，對設計的電能表進行了6個點的記錄測試，并得出了相對誤差，實驗測試數據如表1所示。

表1 實驗測試數據

根據國家電網公司2009年發布的最新單相智能電能表技術規范Q/GDW364_2009中對單相智能電表的測量及監測要求:測量誤差不超過±1%。從表1的數據可以看出，6次測量的平均相對誤差為0.368%，小于行業允許的誤差值;而且這6次的相對誤差都是小于標準值的，還可通過修正校準進一步提高該智能電能表的測量精度。

4 結論

本文所設計的智能電能表主要解決了在低電壓電力線上的通信和測量精度問題，給出了電能表終端的硬件組成和工作原理，實現了遠程對用戶的用電控制和抄表等功能。所測6個點的實驗數據表明，設計的智能電能表的測量誤差僅為0.368%，遠遠小于行業標準，且該智能電能表無需人工入戶抄表、抄表準確、公平公正和減少糾紛，節省了大量的人力物力，還可實現預付費及欠費的遠程拉閘，解決了收費難問題，適用于城市小區多用戶和農村住戶相對集中地方，避免了大量部署通信線路的繁瑣。

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