双向计量型智能电表系统的设计

时间：2024-07-28

(河北工业大学信息工程学院，天津 300401)

0 引言

为实现社会经济和资源环境的可持续发展，科学合理地配置电力资源，全球正在进行智能电网建设[1]。为适应智能电网建设和发展，智能表计通信网络(advanced metering infrastructure,AMI)模型应运而生。它包括量测数据管理系统(measurement data management system,MDMS)、用户户内网(HAN)、智能电表和高级配电运行体系(advanced distribution operational infrastructe,ADOI)4部分，其中智能电表是不可或缺的组成部分[2]。

目前,新能源供电装置(如屋顶风电、屋顶光电装置)不断接入家庭用户。小规模供电装置不仅可以解决用户能源问题，而且还可把富余的电能反馈到电网中。这种新局面使得单向计量型电表不能满足新能源供电系统的需求。所以设计与开发具有双向计量功能的智能电表是时代赋予我们的使命[3-4]。

本文设计的双向计量型智能电表系统，除具有快速安全的数据存储、良好的人机交互等功能外，还具有双向计量和3G远程双向通信功能。通过对系统的充分测试，验证了设计方法的可行性及系统的实用性。

1 系统结构和原理

本文设计的双向计量型智能电表由6个结构模块组成：电流/电压采集模块、供电电源模块、电能计量模块、人机交互触摸屏模块、存储模块、3G通信模块。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

系统中的供电电源模块能把输入的交流电转换成系统所需的电压，为系统供电，确保系统正常工作。电压采样模块和电流采样模块可以把交流220 V电压和电流转换成满足计量芯片输入要求的电压、电流信号。计量模块完成电能/频率间转换，最后将电能以脉冲信号输出。同时计量模块还可以为CPU提供电能方向的指示信号，便于CPU计量处理。主控CPU模块完成脉冲计量、数据转换及存储等功能。人机交互模块通过采用触摸屏实现数据显示、信息查询和系统参数设置等功能。3G通信模块实现信息的双向传输、网路远程状态监测、实时控制、系统更新等功能[5-6]。

2 硬件电路设计

2.1 主控芯片及计量芯片选型

综合考虑智能电表的功能应用、开发及设计成本、外围电路功能、功耗标准、计量精度等特点，选用STM32F103VET6作为主控芯片。它内嵌32位的CortexTM-M3内核，具有128 kB的闪存程序存储器、20 kB的SRAM；拥有80个快速I/O接口、9个通信接口(I2C接口、USART接口、SPI同步串行接口、CAN接口、全速USB接口等)[7]。该芯片所拥有的资源满足智能电表系统设计的硬件要求。

为实现双向计量功能，系统设计选择贝岭公司的双向计量芯片BL0929作为计量芯片。它可以实现对正、反向有功功率的测量，并且可以将反向有功功率转换成与正向有功功率方向一致的脉冲输出，同时指示反向用电情况。BL0929采用过采样和信号处理技术，这样可以大大提高芯片的测量精度，在输入动态范围(500∶1)内，非线性测量误差小于0.1%。同时A/D转换后的数据经过数字电路运算和处理，可以保证芯片长期的稳定性。BL0929的工作原理如下。

① 首先把采样电路采集的电压/电流模拟信号以差分形式分别输入到BL0929电压/电流输入通道。

② 接着对电流/电压输入信号分别进行高精度采样及模数转换处理。

③ 将处理后的信号通过数字乘法器，得到瞬时功率信号。

④ 将瞬时功率信号通过一个截止频率很低的取直低通滤波器，得到瞬时实功率信号。

⑤ 将瞬时实功率信号送到数字/频率转换模块，该模块会根据要求对瞬时实功率信号作长时或短时的积分。如果选择的积分时间非常短，可认为得到的是瞬时能量消耗信息或瞬时功率消耗信息；如果选择较长的积分时间，得到的是平均能量消耗信息或平均功率消耗信息。将不同时间积分结果转换成周期性脉冲信号，这样输出的脉冲信号频率与能量消耗大小成正比。

⑥ 最后将输出的脉冲送到CPU，经过CPU数据处理，最终得到能量消耗信息。

2.2 计量模块设计

计量电路是智能电表系统的核心模块之一，该模块分为采样电路和计量电路两个部分。计量模块电路原理图如图2所示。

图2 计量模块电路原理图

① 电压通道的设计

输入电压的衰减通过九级电阻分压网络来实现，该衰减网络允许至少有±30%的校验范围。分压网络的-3 dB频率由两个并联的电阻和两个并联电容来实现。根据f=1/(2πR10C8)和通道1与通道2的匹配，本系统选定R17=1 kΩ、C8=33 nF。

② 电流通道的设计

考虑通道平衡和分流器寄生电感的影响，采用RC滤波器设计，即R1=R2=1 kΩ、C1=C2=33 nF，同样满足f=1/(2πRC)，实现对采样输入信号的滤波作用[8]。

通过对电压/电流通道的设计，以满足BL0929对应的差分电压/电流的输入要求。

信号以差分形式输入计量芯片BL0929，芯片根据设置的工作模式及相应的输出倍率将电能信号转换成脉冲信号。BL0929有F1、F2、CF三个脉冲输出引脚。其中F1和F2为低速逻辑输出引脚，输出频率正比于平均有功功率。本系统选择F1引脚作为脉冲输出端。F1引脚输出的脉冲信号送入CPU计数器TIM2的输入引脚PA0_WKUP，同时将负功率指示脚REVP输出的信号送入CPU的一个I/O口引脚PE2。启动计数后，CPU通过对PE2引脚状态的判断实现正负功率对应脉冲的计数，从而完成双向电能计量。CF引脚为快速脉冲输出引脚，其输出信号经光耦隔离后可以进行脉冲校验检测，用于校表。

2.3 存储模块设计

数据存储对智能电表来说也十分重要，不但要正确，而且要及时。如果检测到的数据不能及时写入存储器或者写入错误，都会影响电表的精度，因此要考虑到数据的实时存储与读取问题。随着智能电表在功能方面的不断丰富，对应的数据程序量也会越来越大，所以还需考虑存储空间问题。同时，为保证电表数据的安全可靠存储，还必须考虑掉电保护等问题。系统存储模块设计时选择的核心存储芯片是FM24V10和SST25VF016[9]。

2.4 3G通信模块设计

为实现远程数据库与智能电表间的双向通信，即智能电表采集的各种用电信息及运行状态能实时传送到远端的数据库，同时智能电表也能接收远端传来的控制和设置命令，完成时间同步、远程控制、远程配置及更新等功能，系统选择的通信方式为3G通信。系统选择的3G通信模块以集成芯片MG3732为核心。3G模块电路如图3所示。

图3 3G模块电路图

系统采用USB接口实现CPU数据和3G数据的交互，两者之间由VBUS、USB_D+、USB_D-连通。其中VBUS与外host端VBUS相连接。MG3732通过VSIM、SIM_IO、SIM_CLK、SIM_RST四个引脚控制SIM卡。

2.5 人机交互模块设计

为更好地实现人机简便式交互，系统选择以ADS7846为核心芯片的4线式阻性触摸屏来实现人机交互功能。

本系统采用3线串行接口，将触摸屏的触摸位置坐标接入TOUCH端口，它具有触摸压力检测和自动省电模式。电阻触摸屏功能电路如图4所示。转换成的坐标位置数字量通过系统SPI2总线方式与CPU进行数据交换，从而完成用户触摸操作与数据控制传输工作[10]。

图4 电阻触摸屏功能电路图

3 软件系统设计

稳定和高效的软件系统在智能电表整个功能实现上起着决定性作用。由于整个电表管理比较复杂，本系统采用的程序设计思想是层次化设计与模块化设计相结合的方法。这样设计不仅使整个程序结构清晰，而且增加了程序的可维护性和调试性，同时也使整个程序运行更加稳定可靠，主程序流程如图5所示。其中系统的初始化包括控制器STM32F103VET6初始化、LCD初始化、存储器初始化、通信参数初始化、计量芯片BL0929初始化等部分。

电能计量是该智能电表系统软件设计的核心之一。双向电能计量的中断服务程序如图6所示。主要设计思想是：启动计数器对脉冲进行计数，同时判断负功率指示引脚REVP的状态，如果是高电平，则负向脉冲计数加1，反之正向脉冲计数加1；然后由CPU对计数器内的数据信息进行处理及更新；最终通过显示屏将正、负向用电信息呈现给用户。

图5 主程序流程图

图6 计量中断服务流程图