基于遠(yuǎn)程費(fèi)控的智能電表的設(shè)計(jì)

徐振洪

摘要：隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，智能電表的進(jìn)步成為現(xiàn)代城市生活的縮影。文章通過對(duì)某遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電能表的具體介紹和功能實(shí)現(xiàn)，淺析了在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)下采用大規(guī)模集成電路形成的智能電表的功能及特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程費(fèi)控；智能電表；使用設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）29-0011-02

1 電表的基本功能

雙向計(jì)量、管理控制和雙向通信組成電表的三大基本功能，電表的基礎(chǔ)功能就是計(jì)量，計(jì)量里面又囊括了有功、無功、功率因素、電壓、電流量和零序電流6種計(jì)量。雙向通信在智能電表和智能電網(wǎng)之間搭建橋梁，建立起可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。作為交互式智能電網(wǎng)的終端管理單元，智能電表的管理控制功能包含費(fèi)率控制、遠(yuǎn)程控制、家電設(shè)備的智能化、發(fā)電設(shè)備控制的分布式和本地的管理工作五部分。

智能化的遠(yuǎn)程費(fèi)控，本地：不存在計(jì)費(fèi)功能，以計(jì)量功能為主；遠(yuǎn)程：由遠(yuǎn)程的主站/售電系統(tǒng)完成計(jì)費(fèi)，一旦用戶產(chǎn)生欠費(fèi)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)發(fā)出命令，并且拉閘斷電，當(dāng)用戶把欠費(fèi)交清時(shí)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)再次發(fā)出命令，合閘供電。

發(fā)展中的智能電表技術(shù)給我們的生活帶來便利，不僅可以通過計(jì)量的手段收集到用戶給出的意見建議作為參考，并且在用戶端的控制上也顯得更加靈活了。

本文以智能電表的功能為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)介紹遠(yuǎn)程費(fèi)控功能在智能電表中的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)智能電網(wǎng)的作用提出相應(yīng)結(jié)論。

2 費(fèi)控功能的實(shí)現(xiàn)

電能表內(nèi)配套有專用ESAM模塊，作為安全認(rèn)證接口和安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。通過費(fèi)控功能，實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程之間電能表的區(qū)分。

2.1 遠(yuǎn)程費(fèi)控

遠(yuǎn)程費(fèi)控區(qū)別于本地費(fèi)控，具有智能化、簡(jiǎn)單化以及精準(zhǔn)化等特點(diǎn)。通過網(wǎng)絡(luò)等媒介遠(yuǎn)程對(duì)電能表實(shí)現(xiàn)費(fèi)控，只有在接受遠(yuǎn)程系統(tǒng)發(fā)出指令的情況下才會(huì)對(duì)用戶實(shí)行拉閘斷電、開閘用電等功能，對(duì)于遠(yuǎn)程系統(tǒng)的密碼要嚴(yán)格程序才能通過，遠(yuǎn)程系統(tǒng)必須是通過安全認(rèn)證的，這樣才能確保遠(yuǎn)程費(fèi)控工作的正常進(jìn)行。

2.2 本地費(fèi)控

本地費(fèi)控的限制性比較大，主要是依托CPU為媒介，在智能電表內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)本地電能表的費(fèi)控功能。但是本地費(fèi)控?fù)碛袃煞N預(yù)付費(fèi)的方式，可以按照個(gè)人情況和條件選擇本地付費(fèi)或者是進(jìn)行遠(yuǎn)程付費(fèi)。

用戶卡主要包括開戶卡、購電卡、補(bǔ)卡三種電卡類型。而其中只有開戶卡可以修改電價(jià)、報(bào)警金額等信息，購電卡和補(bǔ)卡不能修改電價(jià)、報(bào)警金額等參數(shù)。

配合編程開關(guān)，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電能表的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置卡的版本和計(jì)數(shù)器的判斷使用現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置卡，當(dāng)版本號(hào)符合要求，而且計(jì)數(shù)器數(shù)字小于0的時(shí)候，就可以進(jìn)行正常的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置。

數(shù)據(jù)回抄卡主要用于檢測(cè)電能表費(fèi)控信息，為了方便檢測(cè)到電能表的費(fèi)控?cái)?shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)回抄卡，讀回電能表上全部的費(fèi)控信息。

當(dāng)你需要把電能表的密鑰從公共更新到私有或者僅僅是更新私有密鑰，都需要在密鑰下裝卡。如果你想把電能表的密鑰由私有恢復(fù)成公開，就要使用密鑰恢復(fù)卡。

當(dāng)電能表內(nèi)的剩余金額小于等于報(bào)警金額1時(shí)，電能表的報(bào)警燈常亮、液晶顯示“請(qǐng)購電”、背光燈亮，通過購電預(yù)警告訴用戶需及時(shí)購電；當(dāng)電表的報(bào)警金額為2的時(shí)候，如果電能表內(nèi)的金額小于2，電能表的報(bào)警燈亮、液晶顯示“請(qǐng)購電”、背光燈亮，電能表此時(shí)預(yù)跳閘，同時(shí)電能表的跳閘指示燈亮，此時(shí)用戶可插用戶卡恢復(fù)，繼續(xù)使用剩余金額。若用戶不去購電，剩余金額走到零時(shí)，電能切斷供電回路，強(qiáng)制用戶只有購電才能恢復(fù)。

當(dāng)設(shè)置透支金額時(shí)（透支電量由用電管理部門設(shè)置），電能表中的剩余金額小于等于報(bào)警金額2時(shí)，液晶上顯示“請(qǐng)購電”、背光燈亮、報(bào)警燈亮，同時(shí)電能表跳閘，此時(shí)可插用戶卡恢復(fù)；可以透支使用設(shè)置的透支門限金額，當(dāng)透支金額大于等于透支門限時(shí)，電能表液晶顯示“請(qǐng)購電”、報(bào)警燈亮、背光燈亮、跳閘指示燈亮，繼電器跳閘。當(dāng)用戶再次購電時(shí)，電能表自動(dòng)從本次購電金額中扣除透支金額。

3 基于遠(yuǎn)程費(fèi)控功能的智能電表的功能設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能電表采用的單片機(jī)與傳統(tǒng)的不同，它的工作原理是根據(jù)一種稱為2B8的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電費(fèi)的功能，這是一種性價(jià)比高，并且應(yīng)用于智能電表的開發(fā)非常合適的單片機(jī)。該電表的工作方式是通過低功耗電、時(shí)鐘電路、高低速振蕩器、硬件乘法器、串行通信口全雙工3個(gè)、中斷結(jié)構(gòu)7級(jí)、軟件中斷4個(gè)、內(nèi)部中斷23個(gè)、外部中斷5個(gè)、計(jì)數(shù)定時(shí)器6個(gè)、專用輸入口2個(gè)以及上拉電阻、CMOSI/O口編程45個(gè)、內(nèi)部RAM3k、閃速存儲(chǔ)器字節(jié)648K字節(jié)。

這種智能電能表，根據(jù)相關(guān)遠(yuǎn)程費(fèi)控功能的要求，設(shè)計(jì)了相關(guān)的模塊，具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

3.1 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘電路低功耗時(shí)鐘、支持I2C總線、RX8205T芯片的一種，補(bǔ)償溫度內(nèi)置晶振，精度很高，精確計(jì)時(shí)可以在寬溫的范圍內(nèi)輕松達(dá)到目的，引腳兼容當(dāng)前廣泛應(yīng)用于電表領(lǐng)域的EPSONRX-8025SA。設(shè)置日歷以及時(shí)鐘時(shí)通過從外部通訊口接收到相應(yīng)的校時(shí)數(shù)據(jù)來完成，主要經(jīng)由CPU來完成，繼續(xù)持續(xù)走時(shí)則是完全依靠自身的振蕩來進(jìn)行。與CPU連接是利用I2C方式2線，與2B8相連的方式則是通過SCL腳以及SDA腳，設(shè)置與分或者秒同步的脈沖完成2個(gè)報(bào)警引腳的中斷，當(dāng)前時(shí)間的讀取則是單片機(jī)系統(tǒng)從I2C通訊接口每隔一段時(shí)間進(jìn)行的，該時(shí)刻所在的時(shí)段就是這么計(jì)算出來的。電能的分時(shí)段計(jì)量在多費(fèi)率電能表的應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘的運(yùn)行也能夠最小程度免受來自電力的影響，在由主電源為時(shí)鐘進(jìn)行供電的時(shí)候，時(shí)鐘可以正常運(yùn)行，當(dāng)在電源供應(yīng)中斷的時(shí)候，在時(shí)鐘里本身自帶的鋰電池就會(huì)自動(dòng)發(fā)揮作用，代替主電源，確保時(shí)鐘的正常運(yùn)行，精準(zhǔn)運(yùn)行。

3.2 存儲(chǔ)模塊

智能電表復(fù)雜實(shí)現(xiàn)、擁有眾多功能，大量的數(shù)據(jù)會(huì)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生，例如凍結(jié)量數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)、歷史電量數(shù)據(jù)等等。同時(shí)，存儲(chǔ)芯片必須在那些功耗低、長(zhǎng)保存時(shí)間、高可靠性、大容量的芯片中選擇，因此在此過程中選用的都是串行低功耗存儲(chǔ)器芯片，采用MCU通訊以及I2C接口，工作電流以及待機(jī)電流以此分別為1mA和1μA，保存數(shù)據(jù)時(shí)間在200年以上，擦寫次數(shù)達(dá)到10萬次、64K字節(jié)的存儲(chǔ)容量。

3.3 通訊模塊

紅外IR傳輸以及RS-485傳輸分別是通訊功能實(shí)現(xiàn)多采用的主要的方式，之所以在RS-485總線接口之外采用避雷等措施進(jìn)行保護(hù)，是因?yàn)轭檻]到大部分的智能電表的安裝位置都不是在室內(nèi)，在戶外會(huì)有遭到雷擊的可能性。ISL3152芯片為RS-485接口芯片，可以單片機(jī)系統(tǒng)以及光耦NEC2501完成隔離，最終達(dá)到避免由于雷擊而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生致命的破壞性。

遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)利用RS485總線與智能電表達(dá)到相連的目的，主MCU則是通過光耦隔離還有UART這一串行異步通訊接口和ISL3152接口芯片（來自RS-485）進(jìn)行相連。同時(shí)由于各個(gè)智能電表采取的12位的以十進(jìn)制計(jì)算的通訊地址是唯一而確定的，只要主站系統(tǒng)通過DL/T645-2007下達(dá)命令協(xié)議，與自己地址相匹配的信息數(shù)據(jù)就會(huì)傳送到智能電能表的方向，與此同時(shí)，校驗(yàn)碼以及相應(yīng)的應(yīng)答信息也會(huì)進(jìn)一步自下而上傳達(dá)到遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)終端，達(dá)到回抄數(shù)據(jù)的最終目的。

紅外通信容易受到外界環(huán)境的一系列干擾，尤其是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞绞遣捎眉t外發(fā)射管的時(shí)候。為了避免傳輸過程中出錯(cuò)，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，常用的抗擊干擾的途徑是，首先將載波調(diào)整到30～40kHz，此時(shí)需要傳送的數(shù)據(jù)則需要再一次發(fā)送，就可以有效抗擊干擾。2B8單片機(jī)所采用的定時(shí)器管腳能夠產(chǎn)生38kHz的低頻載波輸出，實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)發(fā)送功能的過程是TXD腳驅(qū)動(dòng)（來自單片機(jī)的UART口）串聯(lián)到另外一個(gè)三極管，實(shí)現(xiàn)“1”和“0”等二進(jìn)制信號(hào)數(shù)據(jù)的傳送運(yùn)輸功能。接收紅外的時(shí)候，高頻紅外信號(hào)的解調(diào)是通過紅外一體化來進(jìn)行HM238R的模塊接收的。當(dāng)?shù)碗娖綇慕邮展茌敵鰰r(shí)，高頻紅外信號(hào)則是HM238R接收到的；當(dāng)高電平從接收管輸出時(shí)，高頻信號(hào)則沒有傳送到HM238R。由接收管進(jìn)行紅外線解調(diào)處理后的數(shù)據(jù)就是由RXD管腳（UART口）再將其記入單片機(jī)內(nèi)，然后進(jìn)行一系列的選擇處理。

3.4 電能計(jì)量模塊

由于采用的是可靠性強(qiáng)、精度高的RN8209國(guó)產(chǎn)芯片，因此遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表在計(jì)量電能時(shí)可以測(cè)量出無功能量、有功能量、無功功率、有功功率等，防竊電方案可以有效靈活地實(shí)現(xiàn)，通過零中斷、電壓電流有效值、有功功率有效值、2路獨(dú)立等等，可以達(dá)到對(duì)Offset校正、全數(shù)字的相位、增益的支持。斷電以及上電時(shí)的可靠芯片工作可以從來自內(nèi)部的電源來對(duì)電路監(jiān)控而實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，QF、PF管腳能夠分別從無功、有功的電能脈沖來實(shí)現(xiàn)。

另外，在正常的工作中可以實(shí)現(xiàn)MCU2B8與SPI串行相互間的通訊，電表運(yùn)行的參數(shù)可以從SPI口實(shí)時(shí)讀取；假設(shè)發(fā)生異常的情況，MCU可以事件記錄同時(shí)進(jìn)行，直到來自系統(tǒng)的查詢結(jié)果證實(shí)遠(yuǎn)程主站可以支持運(yùn)行為止。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，在電能表費(fèi)控管理菜單下，主要包括主站控用戶管理、主站控用戶審核、主站遠(yuǎn)程控制明細(xì)、主站控統(tǒng)計(jì)分析和主站遠(yuǎn)程控制5個(gè)子功能模塊。

4 結(jié)語

電能表可以很好地對(duì)電量進(jìn)行測(cè)量，并且及時(shí)地做好數(shù)據(jù)處理，做到自動(dòng)化的實(shí)時(shí)監(jiān)控、在信息上面能夠有效的交互、對(duì)負(fù)載做到有效的控制。在如今的智能電網(wǎng)用戶中，智能電表技術(shù)的運(yùn)用顯得尤為重要，一方面是完善了以往電能表的功能，另一方面為新功能的開發(fā)提供了機(jī)會(huì)，如一卡通、地位預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程家居。

通過符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的智能CPU卡為購電介質(zhì)或由后臺(tái)系統(tǒng)以通信信道為虛擬介質(zhì)，依據(jù)表內(nèi)用戶用電信息控制斷路器實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通與斷，為了使用電朝著合理化、有效化的發(fā)展，必須要通過多種費(fèi)率對(duì)電網(wǎng)的負(fù)載情況進(jìn)行

調(diào)節(jié)。

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作者簡(jiǎn)介：徐洪振（1967—），男，廣東蕉嶺人，武漢大學(xué)在職研究生，廣東電網(wǎng)公司佛山供電局電力計(jì)算機(jī)應(yīng)用工程師，研究方向：電力技術(shù)應(yīng)用。