基于IEC標(biāo)準(zhǔn)的哥倫比亞電能表設(shè)計(jì)

李昊一 左 勇

（安徽南瑞中天電力電子有限公司）

0 引言

當(dāng)前，世界各國(guó)為保障電力使用的質(zhì)量、節(jié)能以及安全，都致力于智能電網(wǎng)基礎(chǔ)的發(fā)展建設(shè)，在保留完整性的同時(shí)且實(shí)時(shí)搜集各電力用戶的用電信息是智能電網(wǎng)成功運(yùn)作的重要環(huán)節(jié)之一。位于智能電網(wǎng)末端設(shè)備的智能電能表，覆蓋范圍極其廣泛，在能源互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展中被賦予了新的任務(wù)與使命。智能電表是用戶與智能電力網(wǎng)絡(luò)交流與互動(dòng)的終端窗口，是維系電力交易公平、公正的工具，同時(shí)也是用戶感受和體現(xiàn)電網(wǎng)智能化成果最直接的方式。

1 需求分析

本文以IEC的一系列智能電能表規(guī)范為依據(jù)，建立使用穩(wěn)定安全可靠的軟硬件平臺(tái)，并依托現(xiàn)有測(cè)量積累的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，完成電能量時(shí)鐘、費(fèi)率和時(shí)段、計(jì)量、凍結(jié)結(jié)算、電表清零、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件記錄、信號(hào)輸出、通信、負(fù)荷記錄、測(cè)量及檢測(cè)、顯示、報(bào)警、停電抄表及顯示［1］、費(fèi)控、安全保護(hù)及認(rèn)證等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種信息的輸入輸出，計(jì)量功能差異化、多樣化，滿足不同量級(jí)客戶群體的不同需求，同時(shí)滿足智能電網(wǎng)系統(tǒng)的總體需求。

2 總體方案

本文設(shè)計(jì)的哥倫比亞智能電能表是采用大規(guī)模集成電路，應(yīng)用數(shù)字采樣處理技術(shù)及SMT工藝，根據(jù)工業(yè)用戶實(shí)際用電狀況所設(shè)計(jì)、制造的具有現(xiàn)代先進(jìn)水平的儀表。

該表性能指標(biāo)符合IEC62052-11［2］，IEC52053-21／22，遵循IEC62056-21／46／47／53／61／62，能計(jì)量各個(gè)方向的有功、無(wú)功電量及需量，具有RS485和近紅外通訊、RF無(wú)線通信（PLC／3G）、按鍵等功能，性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高、操作方便，其外觀簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 智能電能表外觀簡(jiǎn)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

哥倫比亞智能電能表由供電單元、計(jì)量單元、負(fù)荷控制單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)加密單元、事件觸發(fā)單元、數(shù)字邏輯控制單元、通信單元組成。主處理電路由MCU、計(jì)量芯片、RTC、外部存儲(chǔ)、RTC等組成。MCU采用SPI、I2C接口與外部存儲(chǔ)、RTC、LCD等交互數(shù)據(jù)。

硬件設(shè)計(jì)采用模塊化電路設(shè)計(jì)［3］，數(shù)字邏輯部分采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)方案，由于采用高速32位ARM架構(gòu)的處理器，大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需采用標(biāo)準(zhǔn)化原理圖和印制版圖設(shè)計(jì)方式。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮兼容性、可靠性，包括冗余度設(shè)計(jì)。在硬件器件參數(shù)的選擇上，要滿足10年以上可靠運(yùn)行時(shí)間，要求產(chǎn)品在生命周期內(nèi)，能夠?yàn)檐浖峁┮粋€(gè)可靠的、性能優(yōu)越的硬件平臺(tái)。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)需要整個(gè)系統(tǒng)具備使用靈活、操作方便、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，按照功能分類，定義不同類型的對(duì)象，每個(gè)對(duì)象獨(dú)立實(shí)現(xiàn)其全部功能。通過(guò)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，減少功能之間的耦合，增加軟件的可擴(kuò)展性，提高軟件的穩(wěn)定可靠性和可維護(hù)性。軟件劃分為三層：驅(qū)動(dòng)層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)圖

應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)電能表的應(yīng)用功能。應(yīng)用層按照功能劃分為各個(gè)模塊，各個(gè)模塊之間交互數(shù)據(jù)采用函數(shù)接口［4］方式，減少全局變量的使用，最大限度減少模塊之間的耦合。

系統(tǒng)層：管理各個(gè)外設(shè)，為應(yīng)用層提供規(guī)范化的調(diào)用接口，并對(duì)各個(gè)事務(wù)進(jìn)行管理。

驅(qū)動(dòng)層：實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。

4.1 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

應(yīng)用層依據(jù)表內(nèi)規(guī)約協(xié)議、包括應(yīng)用層數(shù)據(jù)單元（AMDU）［5］的數(shù)據(jù)類型協(xié)議，設(shè)計(jì)時(shí)依照AMDU編碼規(guī)范，使用的是面向?qū)ο笄覔碛懈叨鹊姆€(wěn)定性和可操作性的思想。

應(yīng)用層設(shè)計(jì)分為電流需量計(jì)量、日計(jì)時(shí)測(cè)量、通訊處理、負(fù)載記錄、凍結(jié)數(shù)據(jù)等功能，任務(wù)優(yōu)先級(jí)順序通過(guò)任務(wù)調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度。

設(shè)備將表內(nèi)芯片輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋與采集，在服務(wù)器內(nèi)部進(jìn)行電量演算，以70ms［6］為時(shí)間間隔單位，讀取表內(nèi)芯片的參數(shù)寄存器用于更新服務(wù)器內(nèi)部的實(shí)時(shí)參數(shù)，并用這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算有功、無(wú)功需量等功能。得到的一些檢測(cè)項(xiàng)見(jiàn)下表。

不僅如此，依靠對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的精確掌握，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短路、斷路、過(guò)載、電壓不穩(wěn)、過(guò)流、電壓電流不平衡、電流諧波不穩(wěn)［7］等非正?，F(xiàn)象做出及時(shí)判斷并記錄的功能。當(dāng)表內(nèi)實(shí)時(shí)參數(shù)有效值達(dá)到事件觸發(fā)點(diǎn)并觸發(fā)判定時(shí)間到一定量時(shí)，會(huì)對(duì)應(yīng)相應(yīng)非正常事件進(jìn)行記錄，進(jìn)行上報(bào)錯(cuò)誤和警報(bào)，同時(shí)對(duì)此時(shí)的電流質(zhì)量參數(shù)、正反向電壓、電壓電流質(zhì)量等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以便后續(xù)對(duì)發(fā)生異常時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分析和回溯。

通訊端會(huì)分別獲取由驅(qū)動(dòng)層遞交的紅外、RS485這兩個(gè)單獨(dú)通訊信道的實(shí)時(shí)緩存數(shù)據(jù)，在完成合規(guī)與協(xié)議一致的判定后再遞交問(wèn)題處理結(jié)果并做出相應(yīng)回復(fù)用以進(jìn)行與外部的交互。

表 數(shù)據(jù)項(xiàng)定義

資費(fèi)功能：資費(fèi)功能是該表計(jì)的特色功能［8］，其功能原理為查找所有假期表，查看當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間（月、日）是否為假期。如果是，則執(zhí)行節(jié)假日對(duì)應(yīng)的日表。如果不是，執(zhí)行以下步驟：將當(dāng)前時(shí)間與激活被動(dòng)日歷時(shí)間進(jìn)行比較，如果兩者時(shí)間相等，則激活被動(dòng)日歷；將運(yùn)行時(shí)間（月、日）與季表進(jìn)行比較，看執(zhí)行哪個(gè)季表，找到季表對(duì)應(yīng)的周表號(hào)；查找周表，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間（周）確定執(zhí)行哪一天的日表。接著找出日表中的所有時(shí)間段，確定當(dāng)前時(shí)間（小時(shí)，分鐘），運(yùn)行對(duì)應(yīng)的當(dāng)前資費(fèi)。其中的優(yōu)先順序?yàn)椋禾厥饧倨冢竟?jié)假日＞平日。費(fèi)率項(xiàng)及對(duì)應(yīng)項(xiàng)支持的最大設(shè)置數(shù)。資費(fèi)功能架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 資費(fèi)功能架構(gòu)圖

夏時(shí)制：本表計(jì)應(yīng)用于海外，因此具有自發(fā)調(diào)整時(shí)區(qū)以及夏時(shí)制的功能。夏時(shí)制的調(diào)整時(shí)間為－120～＋120min。儀表斷電進(jìn)入或退出夏令時(shí)，會(huì)有夏令時(shí)事件記錄。修改時(shí)鐘進(jìn)入和退出夏令時(shí)時(shí)，設(shè)置時(shí)間立即向后和正向調(diào)整；修改夏令時(shí)間隔時(shí)，設(shè)置時(shí)間向后調(diào)整為正。夏令時(shí)開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間都可以設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間走到夏令時(shí)開(kāi)始時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間與夏令時(shí)調(diào)整時(shí)間進(jìn)行疊加，即可得到當(dāng)下的準(zhǔn)確時(shí)間；當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)夏令時(shí)結(jié)束時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間去掉夏令時(shí)調(diào)整時(shí)間，即可得到當(dāng)前準(zhǔn)確的時(shí)間。其次，夏令時(shí)的調(diào)整時(shí)間也可設(shè)置，范圍為－120～＋120min，進(jìn)入或退出夏令時(shí)調(diào)整時(shí)間。

報(bào)警功能：此儀表出現(xiàn)異常情況時(shí)會(huì)有相應(yīng)的報(bào)警現(xiàn)象并記錄事件；警示燈只能配置為繼電器燈或開(kāi)關(guān)燈（CT表無(wú)關(guān)機(jī)功能，警示燈只能配置為繼電器燈提示）；在此期間，反光燈的開(kāi)啟和關(guān)閉與事件記錄沒(méi)有關(guān)聯(lián)。報(bào)警燈判斷閾值為20W［9］（燈無(wú)延時(shí)），報(bào)警燈亮，設(shè)置LCD符號(hào)，事件記錄檢測(cè)30s。設(shè)置繼電器燈時(shí)，如果放置在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，繼電器將關(guān)閉。如果設(shè)置了儀表輸出端后面的電壓，儀表會(huì)認(rèn)為沒(méi)有開(kāi)關(guān)，所以燈不亮；除此之外還有以下幾個(gè)注意事項(xiàng)：只有在所有電源都被切斷后，時(shí)鐘才能走，上電后時(shí)鐘失效；如果外接電池被取下，將進(jìn)行設(shè)置，裝上電池后立即恢復(fù)正常，報(bào)警狀態(tài)字消失；如果電池沒(méi)有接外接電池，電池不會(huì)接低電壓；只要改變電表參數(shù)，比如改變時(shí)間，復(fù)位操作也會(huì)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置；只有上下點(diǎn)可以恢復(fù)到非設(shè)置狀態(tài)；也可用于打開(kāi)電表箱，檢查電表是否安裝在箱內(nèi)，表蓋打開(kāi)時(shí)，進(jìn)行設(shè)置，如果關(guān)閉，它將消失，檢測(cè)按鈕在儀表左側(cè)中間；端蓋打開(kāi)時(shí)設(shè)置，關(guān)閉時(shí)消失，檢測(cè)按鈕位于儀表左下方；頂蓋打開(kāi)時(shí)設(shè)置，關(guān)閉時(shí)消失，檢測(cè)按鈕在儀表的左上方。

4.2 系統(tǒng)層設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用國(guó)網(wǎng)云AMI管理平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)云端處理，通過(guò)國(guó)網(wǎng)云AMI管理平臺(tái)管理設(shè)備之間的信息鏈接，對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，相比其他公域平臺(tái)成本、運(yùn)維壓力更小。

在國(guó)網(wǎng)云AMI管理平臺(tái)［10］上搭建電能表的模型，用于驗(yàn)證電能表設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)連接的身份。電能表與AMI平臺(tái)通過(guò)云端進(jìn)行連接，電能表通過(guò)TQNN進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與交互。

4.3 驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)采用將EEPROM和RAM相結(jié)合的方式，分別用以儲(chǔ)存用戶電量數(shù)據(jù)與脈沖的數(shù)量。通過(guò)驅(qū)動(dòng)，先測(cè)量脈沖觸數(shù)量并進(jìn)行緩存至RAM［11］，再參考脈沖觸發(fā)數(shù)量來(lái)統(tǒng)計(jì)測(cè)量目標(biāo)的電量，最后將統(tǒng)計(jì)得到的電量值在EEPROM中進(jìn)行儲(chǔ)存，從而對(duì)用戶用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。該方式可減少對(duì)EEPROM的使用次數(shù)，從而延長(zhǎng)存儲(chǔ)的使用時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)提高了電表運(yùn)行的數(shù)據(jù)安全性。由此可知EEPROM的數(shù)據(jù)安全性是智能電表可靠性驅(qū)動(dòng)的核心。伴隨電表驅(qū)動(dòng)的不斷革新，許多智能電表已經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，因EEPROM故障而導(dǎo)致的智能電表運(yùn)行故障容易發(fā)生，如脈沖丟包、數(shù)據(jù)錯(cuò)位等。因此出現(xiàn)一些關(guān)于保護(hù)EEPROM數(shù)據(jù)的研究。例如，優(yōu)化EEPROM 內(nèi)存、將存儲(chǔ)機(jī)制改善等，以減少EEPROM損壞率。

5 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)整體功能，設(shè)計(jì)的電能表在海外測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試。依據(jù)IEC62052-11、IEC62053-21、IEC62053-23三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)［12］，在高精密，高準(zhǔn)確性的環(huán)境中，設(shè)備上線后開(kāi)始測(cè)試。

兩臺(tái)電能表上電后進(jìn)行初始化操作，確保初始值一致，在相同環(huán)境下運(yùn)行8h，對(duì)比485抄讀數(shù)據(jù)與云端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果顯示，各項(xiàng)數(shù)據(jù)都符合哥倫比亞表的要求規(guī)約，此表具有相當(dāng)大的海外前景。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究目的為研制出一款基于IEC南美標(biāo)準(zhǔn)的哥倫比亞智能電能表，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有智能電能表做出相應(yīng)的修改，研制出符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表，完成軟件及硬件方案的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)哥倫比亞市場(chǎng)對(duì)電能表的功能需求。