基于銀泉大功率無線通信模塊的電能表設計

文/王若魯 萬年旺 熊劍 陳飛

基于銀泉大功率無線通信模塊的電能表設計

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本文介紹了一款支持銀泉NIC模塊的電能表的設計方案，銀泉NIC模塊是一款大功率無線通信模塊，在海外有廣泛的應用。此方案采用ACDC開關電源給通信模塊供電，開關電源和電能表主電路中的電源是完全獨立的，互不相干。對于掉電后發送掉電信號的需求，本方案用超級電容加升壓電路配合，升壓電路有較寬的工作電壓范圍，在超級電容電壓降到很低時，升壓電路還是可以正常輸出設定的電壓值，滿足通信模塊的輸入電壓要求。此方案可以有效降低兩路電源之間的干擾，增加整個產品的可靠性，提高電源效率，降低了整表功耗。對于發送掉電信號，用更小的超級電容就可以滿足要求，增加了電能的利用率、降低了整體成本、提高了穩定性。經過一系列實驗驗證如RF抗干擾測試和掉電維持時間測試證明此方案是可行的。另外，只需要微調一下通信接口，即可應用到其它大功率無線通信模塊的電能表設計中。

智能電表 無線通信模塊 開關電源掉電信號檢測

銀泉公司Silver Spring Networks（SSN）是美國的一家通信模塊和系統集成公司，其主站系統在新加坡、澳大利亞、美國部分地區都有廣泛的應用。本文旨在設計出一款支持銀泉大功率無線通信模塊的電能表，滿足以上地區的電能表需求。此款電能表滿足IEC62056標準要求，采用超大規模數字信號處理芯片、永久保存信息的存貯器、全隔離標準RS232通訊和紅外通訊接口、大畫面寬溫液晶顯示和信息安全加密等先進技術，具有電能量計量、信息存儲及處理、實時監測、自動控制、信息交互等功能。外殼采用高強度、阻燃環保材料，造型新穎、美觀適用，具有較高的絕緣強度和耐腐蝕性。

1 背景介紹

目前電能表的抄表功能主要有紅外抄表，RS485抄表，PLC電力線載波抄表，小功率無線抄表，GPRS抄表等幾種方式。無線抄表因為具有抄通率高、通訊效率高、安裝成本低、可拓展應用多等優點在各類抄表模式中引起電表制造廠家的關注。在實際應用中無線通訊主要可以解決不入戶抄表，實時上傳數據，電表故障監測及未來實現智能電網合理分配電能等等功能。

美國銀泉公司是一家知名的無線通信模塊研發生產公司，目前新加坡、澳大利亞、美國部分地區都在使用銀泉公司的HE主站系統。供給這些地區的電能表必須要能支持銀泉的NIC通信模塊。NIC通信模塊是銀泉公司的無線接口網卡，兼容RF和3G兩種通信模式。此NIC通信模塊在GSM模式下的功耗很大，平均功率達到8.8w，峰值功率12W，需要4V電壓，最大3A電流。因此對電源的供電能力要求很高，需慎重考慮電源設計。

表1：掉電維持時間結果

另外，電能表在外部電網斷電的時候，能夠將斷電時間和數據記錄發送給集中器或主站系統，即掉電檢測功能。銀泉的NIC模塊要求在外部電網斷電后仍能在0.8A電流條件下維持6.25s供電時間（約20J能量）。

2 方案描述

電子式電能表問世以來，歷經模擬乘法器計算、模擬/數字專用計量芯片、數字乘法器計算等階段。

2.1 單相電能表基本原理

本電表設計方案采用采用超大規模數字信號處理芯片、集成的計量單元和繼電器控制單元、通訊模塊單獨供電、永久保存信息的存貯器、全隔離標準串口通訊和紅外通訊接口、大畫面寬溫液晶顯示和信息安全加密等先進技術，采用模塊化結構設計，滿足IEC62056的DLMS/COSEM協議。

具體工作原理框圖如圖1所示。智能電能表工作時，電壓、電流經傳感器件轉換為采樣信號，并通過濾波處理后送入SOC芯片計量模塊，計量模塊將能量信號轉化為數字信號送到SOC芯片，CPU模塊進行電量脈沖采集、電量累計和各項計算分析處理，其結果保存在數據存貯中，并將電能信號轉換成光電脈沖信號輸出；同時CPU模塊完成安全認證、紅外、485抄表、LCD顯示等功能處理。智能電能表帶有溫度補償功能，保證時鐘在標稱溫度下時鐘日誤差小于 0.5s/d。數據安全性上采用冗余設計，數據采用多重備份，確保計量數據可靠。

圖1：單相智能電能表的原理框圖

2.2 電源方案設計

為保證通信模塊供電，并且不影響電表本身的工作，此電表設計方案使用一個開關電源和一個線性電源。電表主電源使用高效變壓器供電，以減少電表成本，增加了電表計量功能的可靠性。通信模塊使用單獨的開關電源供電，以滿足通信模塊對電源抗干擾性、功率要求高、紋波小等要求。在開關電源上增加超級電容，并應用電壓均衡電路，升壓電路等技術，維持電源斷電后的供電時間。通信模塊放置在電表上方，通過插針的方式和電表硬連接。此方案的優點是通信模塊采用開關電源單獨供電，和電表的電源分開。這樣將大的發熱源放在電表上部，遠離電表的計量元器件，降低了電表核心元器件的溫升。另外，模塊在電表上方，方便更換損壞的模塊，且不影響電表的正常計量。工作人員在更換模塊時，也接觸不到強電的部分，不會有觸電的危險。

此設計方案的電源設計包括AC輸入電路、ACDC開關電源、超級電容、升壓電路、通信模塊和電能表主電路。連接結構如圖2所示：AC輸入電路外接電網， AC輸入電路分別與ACDC開關電源和電能表主電路連接，ACDC開關電源分別與超級電容和通信模塊連接，超級電容通過升壓電路與通信模塊連接，通信模塊與電能表主電路數據連接。

圖2：電表電源設計結構框圖

本方案電能表從外部電網取電，AC輸入電路分別為ACDC開關電源和電能表主電路提供220V交流電，ACDC開關電源有兩個獨立的輸出通道，一路給通信模塊供電，一路給超級電容充電。在外部電網斷電時，超級電容通過升壓電路給通信模塊供電，確保通信模塊將斷電的事件傳送出去。此電表主電路和通信模塊只有數據接口相連接，同時增加隔離電路，保證了兩者之間的獨立性，提高了整體產品的可靠性。

3 方案驗證

上述電能表用ACDC開關電源給通信模塊供電，此電源和電能表主電路中的電源是完全獨立的，互不相干，可以有效降低兩路電源之間的干擾，增加整個產品的可靠性；另外，此電源沒有通過主電路的轉換，中間沒有能量的損失，提高了整個產品的電源效率，降低了整個產品的功耗。

對于掉電后發送掉電信號的需求，上述電能表用超級電容加升壓電路配合，因為升壓電路有較寬的工作電壓范圍，在超級電容電壓降到很低時，升壓電路還是可以正常輸出設定的電壓值，滿足通信模塊的輸入電壓要求，因此，只需要用更小的超級電容就可以滿足要求，增加了電能的利用率、降低了整個產品的成本；另外，相比超級電容的輸出電壓會隨放電時間由高向低線性變化，升壓電路的輸出電壓是恒定的值；因此穩定性更高，更符合通信模塊對電壓變化率的要求。

為驗證此方案的可行性，除了電能表的一些基本參數，如精度、電磁兼容性能等，本電表還重點測試了電表的RF immunity性能和掉電維持性能。

3.1 電表RF immunity測試

針對本方案電能表的RF immunity測試，按銀泉的要求搭建了實驗環境，完成測試。

環境測試框圖見圖3，實際的整體實驗環境圖見圖4。

測試步驟如下：

（1）用導線引出電能表的4V輸出電壓線，并用示波器監測4V電壓。

（2）打開信號發生器，發射頻率調至900M左右

（3）逐漸加大RF發射強度，觀察4V電壓是否有跌落，記錄跌落時的發射強度。

根據銀泉公司的要求，電表需要在38dBm環境下能正常工作，40dBm環境下能正常顯示。我們在此實驗環境下，當RF的發射強度達到48dBm 的時候，開關電源的4V輸出電壓仍然不跌落且保持穩定，滿足銀泉公司的要求。

3.2 掉電維持時間測試

針對掉電維持時間，本方案測量了斷電事件最差負載情況下電能表的電源續航能力。保持時間應足夠使NIC傳遞最后一息信息。測試步驟為：

圖3：RF immunity環境搭建框圖

圖4：整體實驗環境

（1）設定AC源到要求的電壓和頻率；

（2）使AC源給電能表供電10分鐘以上，保證超級電容充滿電；

（3）在電能表的模塊4V供電端接DC直流負載，設定DC負載為800mA；

（4）關閉AC輸入電壓。通過DC負載和示波器觸發；

（5）記錄示波器波形；

（6）在25℃，-25℃和75℃的不同溫度環境下重復測試1-5。

測試結果如表1所示。

根據銀泉公司的要求，電能表在工作環境溫度范圍內，800mA負載情況下，掉電維持時間不低于6.25s。從上述測試結果看，此方案的掉電時間能夠滿足其要求。

4 結語

本文介紹了一款大功率通信模塊電能表的設計方案，此方案用ACDC開關電源給通信模塊供電，電源和電能表主電路中的電源是完全獨立的，可以有效降低兩路電源之間的干擾，增加整個產品的可靠性。另外，上述電能表用超級電容加升壓電路配合，因為升壓電路有較寬的工作電壓范圍，在超級電容電壓降到很低時，升壓電路還是可以正常輸出設定的電壓值，滿足通信模塊的輸入電壓要求。因此，只需要用更小的超級電容就可以滿足要求，增加了電能的利用率、降低了整個產品的成本。為了驗證此方案的可行性，除了電表常規的精度、功能測試、電磁兼容測試等，本文還專門正對無線通信模塊的RF抗干擾能力和掉電維持能力進行了測試，結果表明此方案是可行的。上述電能表只需要微調一下通信接口，即可應用到其它大功率無線通信模塊的電能表設計中，后期可繼續研究優化。

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作者單位1.國電南瑞三能電力儀表（南京）有限公司江蘇省南京市 210032
2.國電南瑞科技股份有限公司 江蘇省南京市 211106

王若魯(1988-)，男，碩士研究生，中級工程師，從事用電智能采集終端硬件研發。萬年旺(1972-)，男，高級工程師，從事用電智能采集終端研發。熊劍(1978-)，男，高級工程師，從事用電智能采集終端研發。陳飛(1982-)，男，工程師，從事用電智能采集終端產品研發測試。