智能電網AMI中的智能電表系統設計

王強

摘要：當前，全球資源緊張，環境壓力也在逐漸增加，電力市場化加快，用戶對于電能的要求逐漸提升，因此，要建設具有安全性及環保性還有經濟性和可靠性的電力系統。智能電網就是在這種形式下產生的，智能電表是其中的一個重要構成部分，需要對其設計工作加以重視。本文首先對AMI進行了簡要介紹，然后對智能電表系統的相關設計工作加以闡述。

關鍵詞：智能電網；AMI；智能電表系統

0引言

AMI是智能電網之中的一個重要構成，它是對用戶用電信息進行測量及收集還有儲存與運用的網絡與系統。而智能電表是其中的重要內容，不僅能夠顯示具體的用電量，同時還可以對電能價格進行顯示，實現用電與生活的新方式。

1概述

智能電網通過完善的雙路通信及靈敏度比較高的傳感器與分布式計算機等對電力進行傳輸與分配。AMI是其中的一個重要構成，它是對用戶用電信息進行測量及收集還有存儲與運用的網絡系統，其主要構成包括智能電表及量測數據的相關管理系統與通信系統等三個部分構成。從當前情況看，這一體系已經被延伸到室內網絡之中，這樣用戶能夠對自己的用電信息進行詳細分析與利用。智能電表可以結合事前已經設定好的在電表和附屬設備里的時間間隔對用戶用電信息進行記錄，并利用通信網絡將其傳輸至數據中心，在其中結合用戶計費及故障相應還有需求側管理等各種要求與目的加以處理，同時還可以將信息發送給電表。

這一系統可以對電力供需進行有效調配，利用智能電表實時獲得用電信息，從而對其用電行為模式加以改變，實現節約用電的目的。與此同時，利用差異電價，減少尖峰階段的用電，從而避免龐大投資，能夠實現實現節能減排。對于電子電表來說，不但能夠達到電能計量的效果，同時還可以實現電能管理及交易服務還有通訊和數據處理服務，從而實現節能效果。AMI具有開放系統，構建共享信息模式，對系統數據進行整合，并對電網運行及管理進行優化，智能電表利用智能終端，使用戶之間還有用戶與電網企業之間構成一個網絡互動，能夠實時及雙向讀取數據，使電網綜合效率得以提升[1]。

對智能電表來說，能夠實現各種帶有時標的計量，實質上已經成為系統傳感器及量測點。AMI不但能夠提供在系統中遍布的通訊網絡及設施，同時還能提供出系統范圍以內的量測及可視性。另外，智能電表的功能還包括以下方面：第一，用戶通過智能電表能夠獲得具有及時性與連續性的計量信息。第二，能夠實行分時電價，比較靈活。第三，對電能質量及電壓控制進行遠程監視。第四，在系統發生故障的時候能夠快速定位并進行響應。第五，能夠檢測非技術造成的能量損耗。第六，能夠減少負荷峰值，使資產利用率得以提升，減少固定投資的相關成本。第七，對于參與到市場中的用戶，可以為其提供實時性的電價，同時還能自動對負荷進行控制。第八，提供科學的負荷信息，確保系統調度及規劃與運行的正常。第九，能夠實現信息的共享。

2系統設計

2.1關于硬件

在對智能電表系統進行設計時，計量芯片選擇的是MAXQ3180這一型號，其主要構成包括兩個部分：一是DSP，二是集成ADC。它能夠對多相負載的各種多相電壓及電流還有電能和功率等參數進行采集和計算。在芯片里有SPI總線，外部主機利用它將計算結果讀取出來，同時通過它對芯片工作模式進行配置，對其工作狀態加以監測。對智能電表來說，其硬件結構的兩個關鍵是計量芯片及主機。在對其進行設計時，計量芯片可以對電能以及電力品質參數等進行計算，因此，要分離嵌入式控制器，專門利用它實現通信及實時電價還有存儲管理和費率時段管理等各種功能。選擇的計量芯片型號是MAXQ3180，其能耗比較低，功能比較多，主機采用的是增強型的ARM控制器，其型號是STM32F107。在選擇了主機之后，還要加上以太網物理層收發器及聯接器，從而提供以太網的相關通信接口，最之用構成一個分布式的相關通信網絡。與此同時，在智能電表中還配備了HMI這一人機接口，能夠通過液晶顯示模塊對相關數據及各種設定信息進行顯示。通過FRAM這一存儲器對累計的電能及事前設定好的信息進行保存[2]。

2.2關于軟件

對智能電表來說，其軟件構成包括：一是監控程序，二是顯示程序，三是鍵盤掃描程序，四是芯片數據的相關讀取程序，五是數字濾波程序，六是實時時鐘程序，七是網絡通信程序，八是設定程序，九是分時電價程序，十是自動校正量程和功率補償的相關程序。通過C++語言進行編程，同時開展模塊設計工作。對于智能電表來說，不但可以對電度及無功電度等進行測量，同時還能夠對電力品質參數，比如，電流及電壓還有功率因素與諧波含量等等進行測量。不管是單相兩線還是三相四線還是三相三線系統，都需要通過一次電壓及電流互感器使一次電壓及電流信號成為標準電壓及電流信號，之后，利用二次電壓及電流互感器成為幾毫安到幾十毫安的電流信號，利用取樣電阻得到0伏到2伏的交流電壓信號，并將其送到計量芯片之中，嵌入式控制器利用芯片中的SPI總線將需要的電能及各種電力品質參數讀取出來。對二次電壓及電流互感器來說，其輸入信號以及輸出信號是有著相移存在的，會有角差產生，如果角差不等于0，那么就會對功率及無功功率還有電度和無功電度等方面的測量精度造成極大的影響。從市場產品來看，其主要的應對措施是在互感器副邊添加硬件電路對相移進行補償。二次電壓及電流互感器還有其元器件具有較大離散性，難以實現，因此，不能夠適應批量化生產。另外，對于互感器中的輸出信號，市場產品通過運算放大器對其做放大處理工作之后，將其送到微控制器中交流采樣，同時通過電位器開展零點和滿量程的相關調節工作。如果儀表產生振動和溫度變化，就會使得零點和滿量程出現漂移現象，從而對測量的精度造成影響。在本次設計過程中采用的計量芯片能夠直接采樣那些已經進行了濾波及限幅之后電流信號與電壓信號，利用相角補償，將硬件補償電路還有信號放大電路去除，同時不用調節零點和滿量程，也不會有零點和滿量程漂移現象，從而使得測量精度得到提升。芯片可以將大多數電力品質參數都提供出來，僅僅需要對其進行簡單處理就能夠對相關數據進行存儲及顯示與傳輸。同時，它還可以提供出諧波電能及基波電能還有分相電流和電壓的每次諧波具體的均方根值。諧波測量會對電力質量監控造成極大的影響，通過數字濾波器對其進行測量。endprint

2.3關于節能降耗設計

對智能電表來說，主機是其重要的核心，對電源管理有著重要作用。因為使用了專門的計量芯片，而主機僅需要開展管理及通信工作，選擇設計中的嵌入式控制器能夠滿足相應的要求。為了減少計量功耗，能夠采取的措施包括：第一，使用的供電電壓為3.3伏。對計量芯片來說，對3.3伏的電壓進行使用，能夠與主流3.3伏供電的相關微控制器之間進行接口，減少系統造成的功耗。第二，減少動態功耗。對計量芯片來說，在其工作的時候，有些部分選擇了間歇性的方式進行工作，這樣暫時用不到的部位就處在關斷的狀態之下，從而使系統平均功耗得到減少。如果需要工作，需要實現快速啟動，因此，要在對計量芯片進行設計時，對時鐘及時序等進行合理分配，而設計中采用的計量芯片正是利用了這種先進技術，其節能效果比較好。第三，選擇休眠模式及快速喚醒。計量芯片通過休眠模式及快速喚醒的利用，能夠縮短工作時間，使占空比減少，并減少平均電流。第四，對低功耗模式進行利用。計量模式受到微控制器相關控制，降低其工作頻率，選擇低功耗模式進行測量，功耗僅僅是正常工作狀態時的25%到30%之間，且這個時候的功能是基本上不會變化的。第五，對開關電源進行利用。從當前情況看，在對電能表進行設計時，一般會對傳統變壓器加上線性穩壓器的方式進行利用，其電源效率低，優點是可靠性比較高，且紋波比較小[3]。若是需要減少功耗，要利用傳統的電壓器并加上開關穩壓器，從而使電源效率得以提升，但是它的缺點是有可能會有諧波產生，有噪聲引入到精密測量那一部分，使得測量精度受到影響。因此，在對電路板進行設計的過程中，要制定相關措施，另外，還要對模擬電源及地線等加以濾波，避免噪聲造成的影響。

3結語

綜上所述，智能電表是AMI系統中的一個重要構成，在電網中發揮著重要的作用，因此要對其進行科學設計，本文對智能電表系統的硬件設計及軟件設計和節能降耗設計等方面進行了闡述，希望給同行以參考。

參考文獻：

[1]靜恩波.智能電網AMI中的智能電表系統設計[J].電測與儀表,2010（S2）:36-39.

[2]鄭欣.基于AMI系統的智能電表的設計[J].湖北電力,2011(01):23-25.

[3]袁強,何樂生,王威廉.一種基于AMI系統的無線三相智能電表的設計[J].電子測量與儀器學報,2013(05):473-478.endprint