單相雙向計量多功能智能電能表設計

李 寧,李建閩,張建文,宋俊皓,段輝江,榮 宏

(1.國網新疆電力公司電力科學研究院,新疆 烏魯木齊 830011；2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

單相雙向計量多功能智能電能表設計

李 寧1,李建閩2,張建文1,宋俊皓2,段輝江2,榮 宏2

(1.國網新疆電力公司電力科學研究院,新疆 烏魯木齊 830011；2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

智能電表、智能用電、供用電互動等技術既是堅強智能電網用電環節的基本組成部分，又是引導科學、合理、經濟用電，達到節能減排目標的重要研究內容。針對智能電網中現代家居智能用電以及家庭微網發電的發展需求，提出了一種基于STM32F103微控制器，具有雙向電能計量、多參數測量和防竊電等多種功能的單相智能電能表設計方案。介紹了電能表的系統構成，重點分析了電流、電壓信號采集電路、雙向電能計量單元硬件電路設計，詳細論述了基于兩個電流互感器、一個電壓互感器的高精度防竊電功能設計，簡要介紹了系統的軟件設計，給出了電能表的誤差分析和純軟件形式的校表方式。該單相多功能雙向計量智能電能表成本低、功能強。國網新疆電力公司的實際應用證明了該電能表的準確性與可靠性。

能源； 分布式電源； 智能電網； 智能電表； 計量； 電路； 誤差校正

0 引言

現代電能計量是電力用戶與供電單位之間的結算依據，是電網能效管理的重要參考指標。近年來，各地政府相繼出臺了針對風能、太陽能等分布式電源的鼓勵與補貼政策[1]。分散于居住區的大量小容量分布式電源可以將多余電能回送給電網系統[2-5]。用戶既是電網系統的電能消費者，又是電網系統的能源供應者。因此，雙向電能計量已成為現代智能電網必需的計量設備。

針對雙向計量需求，國內推出了多種智能電表設計方案。文獻[6]基于AMI模型，本文設計了一種以STM32F103VET6為主控制芯片，以BL0929為電能計量芯片的雙向計量型智能電表系統。文獻[7]設計了一款基于ADE7878電能計量芯片的實時測量雙向通信智能電表。文獻[8]設計了以ARM微控制器STM32F407ZGT6為主控核心，以微控制器內部FFT運算函數庫作為數據處理方法的智能雙向電力計量裝置。

以上這些智能電表只從技術上解決了分布式電源接入所需要的雙向計量問題，但智能電網、智能用電的發展不僅需要電能表具有有功、無功電能雙向計量功能，還要求電能表同時具備需量計量、預付費、費率和時段設置、防竊電、事件記錄、報警等多種功能，以便電網和用戶雙方協同管理電能[9-10]。為此，設計了一種基于STM32F103微控制器，同時具有雙向電能計量、多參數測量、防竊電和事件記錄等多種功能的單相多功能雙向計量智能電能表方案。

1 系統構成及原理

分布式電源接入后，需要結算分布式發電的補貼，必須單獨計量分布式發電的發電量。分布式電源接入后的雙向電能計量需求如圖1所示。

圖1 雙向電能計量需求示意圖

電能表構成框圖如圖2所示。

圖2 電能表構成框圖

本設計以STM32F103微控制器為信息處理核心，不僅具備有功、無功電能的雙向計量功能，還具有需量計量、預付費、費率和時段設置、防竊電、事件記錄、報警等多種功能，可以很方便地實現電網主站和用戶雙方協同管理電能。整個系統主要包括電壓和電流信號采集與調理、模數轉換器(ADC)、數據通信、數據存儲、顯示與按鍵、指示燈、掉電檢測及電源管理等部分。電網電壓、電流信號經過前端信號采樣和調理電路后，轉換成在ADC輸入通道可測量輸入范圍內的電壓信號。采樣信號經ADC處理后通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)送入主控芯片STM32F103，計算得到各種電能參數，包括電壓、電流、有功功率、無功功率等。該電能表采用紅外光電、RS-485和北斗等多種通信方式。通信接口和協議均符合IEC-62056標準。北斗通信模式作為輔助通信方式，在有線通信出現故障時，能夠實現超長距離的數據傳輸。整個系統的校表參數、配置參數以及電能數據等均存儲于鐵電存儲器(ferro electric random access memory,FRAM)中。液晶顯示單元(LCD)采用定制的帶LCD驅動電路的4×22段碼液晶。有功、無功電能脈沖輸出通過主控芯片的I/O口控制，用于電能表校準。備用電池采用鋰電池供電，可實現停電抄表功能。電源管理部分為各個模塊供電。

2 系統主要硬件電路設計

2.1 信號采集電路設計

信號采集電路主要包括電流、電壓采樣電路、ADC及其附屬電路。為提高測量精度并隔離信號，設計了采用基于互感方式的電流、電壓采樣方案，其中電壓采集部分采用高精度電流型電壓互感器YE-PT03-2 mA/2 mA，電壓互感器一次側線圈的兩端分別串接限流電阻，再并聯壓敏電阻后接入電網。信號經過互感器后轉變為小幅值的電流信號。在運放輸入端并聯兩個反相二極管，起到限幅和保護運放的作用。小幅值的電流信號經運放OPA2277放大到幅值約為3 V的電壓信號。該數值可通過調節反饋電阻值來得到所需的電壓值。

根據ADC芯片ADS8556的輸入范圍，互感器二次側輸出的電流值為1 mA，則反饋電阻值為3 kΩ。在設計時，反饋回路采用串聯小電阻實現對輸出電壓幅值的微調，還通過并聯額外的電阻及電容來補償相移。放大后的電壓信號經過抗混疊RC濾波電路來濾除高頻信號干擾。最后，電壓信號進入ADC采樣通道。

電流采樣部分與電壓采樣部分的原理基本相同，交流信號經過高精度電流互感器CT07-5/2.5W后生成小電流信號；小電流信號經過I/V轉換電路及濾波電路，傳輸給ADC芯片ADS8556完成電流信號采樣。

2.2 雙向通信電路設計

本文設計的多功能智能電表具有三種通信方式：RS-485通信、紅外光電通信和北斗通信。這三種通信方式互不干擾，RS-485通信主要用于組網構建集中抄表網絡；光電通信主要用于校表；北斗通信模塊用于在RS-485模塊出現故障時，通過無線鏈路來實現電力用戶與供電單位的數據交互。STM32F103芯片具有三路通用非同步收發傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)口，可分別應用于RS-485通信、光電通信和北斗通信。RS-485通信部分電路末端采用瞬態抑制二極管防止過壓瞬變，還串聯兩個熱敏電阻起到過流保護的作用。在設計時，將電源部分與主控芯片隔離，防止雷擊等外部環境對整個電路前端造成損害。由于STM32F103本身并不具備光電通信接口，設計時，采用串行方式與片外的光電發射接收電路組成一個通信接口。實際使用時，數字信號由發射管轉變為光脈沖，設計采用三極管來提高驅動能力。在接收到光信號時，三極管導通，微控制器的相應接收I/O口為低電平，反之則為高電平，從而以簡單的方式實現了光電通信。北斗通信模塊無線傳輸模型如圖3所示。

圖3 北斗通信模塊無線傳輸模型

北斗通信模塊采用基于我國自主開發的北斗導航系統(beidou navigation satellite system,BDS)同時兼容全球定位系統(global positioning system, GPS)的BDS&GPS雙模定位通信模塊。該模塊集成了BDS通信、BDS/GPS定位等功能，能夠實現衛星定位、通信、位置上報等功能。當有線通路出現故障時，北斗通信模式作為輔助通信方式，也能夠實現超長距離的數據傳輸和交互。

2.3 防竊電電路設計

電能表對電流進行取樣的常用方式有錳銅分流和電流互感器加電阻取樣兩種。其中，錳銅分流方式簡單、可靠、價格低；電流互感器的電流特性好。為此，本設計選擇使用兩個電流互感器加電阻分別取樣火線電流和零線電流的方式，電流采樣電路如2.1節所述。通過比較兩個電流通道的電流值，可以準確檢測增加額外導線旁路部分電流。此外，當主副計量通道電能值的差值大于或者等于電能值的12.5%并且持續時間大于12 s時，系統將其判定為竊電0漏電事件，系統選擇電能值大的回路進行計量。因此，在發生竊電漏電事件時，通過該方式系統仍能實現電能的準確計量，并能準確檢測到竊電行為。

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

本系統的軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

雙向計量多功能電能表在完成上電后，首先要進行系統初始化操作，包括設置定時器、存儲器自檢、配置LCD驅動及對ADC模塊初始配置等。緊接著，對控制器進行掉電檢測。由于電源部分源頭來自于電力系統，檢測得到電源正常的時候則電網電壓正常，可進行下一步處理；否則，后續還要對主電源進行正常性檢測。

主程序中電能計量部分屬于整個設計的核心部分。其主要工作包括：讀取實時時鐘、根據費率情況判斷雙向實時電價；計算出各項所需參數并計量相應時鐘費率階段所消耗的電量，包括雙向有功電能量、無功電能量、電流、電壓以及功率因數等；將數據存儲在FRAM中。主程序以時間為設計主線，循環、有序地完成各個模塊操作，包括雙向通信、數據計算和計量、數據的存儲等。

3.2 系統主要子程序設計

3.2.1 雙向通信模塊軟件設計

RS-485模塊接收中斷和發送中斷流程圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 RS-485模塊接收中斷流程圖

圖6 RS-485模塊發送中斷流程圖

本文設計的雙向通信電能表采用IEC 62056-21通信協議，其為設備語言報文標準和能源計量配套標準(device language message specification/companion specification for energy metering, DLMS/COSEM)中關于電能表本地直接數據交換的技術規范。而STM32F103有三個UART口，可分別應用于光電通信、RS-485通信和北斗通信。

下面以RS-485為例，闡述通信接收中斷流程。由于IEC 62056-21通信協議明確規定了每幀數據的幀頭和幀尾，因此可以按照協議規定制定一個表格，把每種通信模式下的幀頭和幀尾數據保存到該表格中。通信接收中斷可通過比較接收到的幀頭、幀尾數據與表格中的數據是否一致，判斷是否接收完畢。

因為協議中規定數據字節之間最大時間間隔為500 ms，握手之后等待接收的最大時間間隔為1 500 ms；因此，需要在數據接收時判斷延時時間。由于北斗通信作為RS-485通信的輔助通信方式，且光電通信和RS-485通信協議一致。三者的發送和中斷流程類似，此處不再贅述。

3.2.2 電能參數計量軟件設計

電能參數計算是電能計量的核心，其主要的電能參數有電壓、電流有效值，有功、無功功率，有功、無功電能及功率因數等。系統通過一段連續時間內的ADC采樣點計算，實現電能參數計量。根據電工基礎理論，交流電壓U、電流信號I的有效值為：

(1)

(2)

式中：u(t)和i(t)分別為被測電壓、電流信號;T為信號周期。

將式(1)、式(2)離散化，得：

(3)

(4)

式中：N為一個工頻周期內的采樣點數；u(n)和i(n)分別為被測電壓、電流信號經ADC轉換后的離散序列。

3.2.3 電能表誤差分析

本設計的電能表誤差主要來自于前端采樣電路各電子器件參數的初始偏差，以及各種偏差引起的電表初始誤差，例如電壓電流計量的比例誤差和互感器帶入的相角誤差[11-12]。下面以電壓通道為例，進行電能表誤差分析，電流通道也可同理分析。電壓通道前端信號調理電路等效模型如圖7所示。圖7中：RA為限流電阻，虛線部分為電流型電壓互感器(TV)等效電路;Rf為運放的等效放大電阻，其他為抗混疊濾波器等效電路。此時，TV存在比例誤差(比差)、相角誤差(角差)、非線性誤差等；取樣電阻因溫漂、精度不足而產生誤差；運算放大器因溫漂、零漂而產生誤差；抗混疊濾波器的相頻特性不一致，則導致角差誤差等。

圖7 電壓信號調理電路等效模型

(5)

(6)

(7)

式中：ΔRA、ΔRf分別為限流電阻RA與取樣電阻Rf的溫漂電阻。

由式(7)可見，比差Ki與信號頻率無關，選取溫漂較小的限流電阻大幅度減低誤差。此外，可在額定輸入條件下，將電能表電壓通道和電流通道的測量值與實際輸入值進行比較，可得到各個通道的校正系數；而后將計算得出的校表系數寫入FRAM中保存，在系統上電初始化時對這些存儲值進行讀取，進而根據各通道的校表系數值自動修正計量偏差。

4 結束語

本文給出了基于STM32F103微處理器結構的單相雙向計量多功能電能表設計方案，介紹了系統的整體架構以及軟硬件的主要實現方法，并進行了電能表相關誤差分析。該方案結構簡單、成本低廉，且具有雙向電能計量、多參數測量、防竊電和事件記錄等多種功能。國網新疆電力公司投用表明，該電能表計量準確、性能穩定，具有很好的應用價值和市場前景；同時，也驗證了本文設計方法的可行性及系統的實用性。

[1] 蘇劍,周莉梅,李蕊. 分布式光伏發電并網的成本/效益分析[J]. 中國電機工程學報,2013(34):50-56，11.

[2] 申展,胡輝勇,雷金勇，等. 分布式電源接入用戶及用戶側微電網雙向電能計量問題[J]. 南方電網技術,2015(4):14-21.

[3] 楊新法,蘇劍,呂志鵬,等. 微電網技術綜述[J]. 中國電機工程學報,2014(1):57-70.

[4] 陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,等. 智能電網技術綜述[J]. 電網技術,2009(8):1-7.

[5] 黃麗麗. 電子電能表與電能測量技術講座[J]. 儀表技術,2004(1):50-52.

[6] 岳麗娟,曾成. 雙向計量型智能電表系統的設計[J]. 自動化儀表,2014(4):75-78.

[7] 陳亮,律方成,謝慶,等. 實時測量雙向通信智能電表的研發[J]. 中國電機工程學報,2011,31(S1):94-99.

[8] 劉復玉,陳璨,李林,等. 一種新型智能雙向電力計量實驗裝置[J]. 化工自動化及儀表,2015,42(12):1358-1361,1370.

[9] 曹宏宇,劉冰巖. 基于智能電能表雙向交互系統構建探討[J]. 電測與儀表,2015,52(11):10-14.

[10]解德英,謝品芳,付志紅,等. 電網工頻信號非整周期采樣誤差分析[J]. 電子測量與儀器學報,2010,24(2):113-118.

[11]祝恩國,竇健. 用電信息采集系統雙向互動功能設計及關鍵技術[J]. 電力系統自動化,2015(17):62-67.

[12]LOCCI N,MUSCAS C. A digital compensation method for improving current transformer accuracy[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2000,15(4):1104-1109.

Design of the Single Phase Smart Energy Meter with Multifunction for Bi-directional Metering

LI Ning1,LI Jianmin2,ZHANG Jianwen1,SONG Junhao2,DUAN Huijiang2,RONG Hong2

(1.State Grid Electric Power Research Institute of Xinjiang Electric Power Company,Urumqi 830011,China;2.School of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Technologies of smart meters,intelligent utilizing of electricity,and the interaction of intelligent power supplying and utilizing are both the basic components of electricity link in strong smart grid and an important research content for leading scientific,reasonable,and economic power utilization;and achieving the goal of energy conservation and emissions reduction. In accordance with the development demands for smart grid,including intelligent power utilizing of modern household and the home micro-grid generation,the design scheme of single-phase smart energy meter based on STM32F103 micro controller is proposed. This energy meter features bi-directional energy metering,multi-parameter measurement,stealing electricity prevention,and many other functions. The systematic composition of the energy meter is introduced,and the circuit design of the current and voltage signal sampling circuits and the bi-directional energy metering unit are emphasized. In addition,the design of high precision stealing electricity prevention circuit based on two current transformers and one voltage transformer is described in detail. The software design of the system is briefly introduced,the error analysis of the electric energy meter and the calibration method in the form of pure software are given. The single-phase smart energy meter with multiple functions for bi-directional metering is low cost but offers powerful functions. Its application in Xinjiang electric power company of the State Grid validates the correctness and reliability of the meter.

Energy; Distrubuted power; Smart grid; Smart meter； Metering; Circuitry; Error correction

李寧(1960—)，男，學士，高級工程師，主要從事電力營銷、電能計量和電能質量技術的研究。E-mail：patton5@sina.com。 榮宏(通信作者)，男，學士，講師,主要從事電測新技術、智能信息處理、嵌入式系統應用方向的學術研究和技術開發工作。 E-mail：hrobot@sina.com。

TH71;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703019

修改稿收到日期:2016-08-10