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基于智能電網(wǎng)的智能用戶端設(shè)計(jì)

發(fā)布: 2012-10-30 23:48 | 作者: | 來源: 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 | 字體: 小中大

相關(guān)專題：無線芯片

　　0 引言

　　隨著信息時(shí)代的來臨，如何更高效地利用能源、節(jié)約能源，在全球范圍內(nèi)被給予了越來越多的關(guān)注，電力行業(yè)正面臨著諸多新挑戰(zhàn)。作為順應(yīng)電力發(fā)展趨勢的產(chǎn)物，智能電網(wǎng)必將掀起一番新浪潮。智能電網(wǎng)是以傳統(tǒng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)、通信、傳感等多種技術(shù)于一身的新型電網(wǎng)，具有數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化和互動(dòng)化等基本特征［1-2］。本文主要涉及智能電網(wǎng)的用戶端，包括智能電表、智能電器開關(guān)以及戶內(nèi)控制系統(tǒng)。三者通過無線通信構(gòu)成一個(gè)用電系統(tǒng)的戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。智能電表和智能電器開關(guān)將記錄的信息發(fā)送給戶內(nèi)控制系統(tǒng)，用戶通過操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)戶內(nèi)用電的控制，戶內(nèi)控制系統(tǒng)將控制指令發(fā)送給各智能電器開關(guān)。

　　1 智能電表

　　1.1 智能電表主要功能

　　1）電能計(jì)量：對(duì)多種時(shí)段多種費(fèi)率模式電能分別統(tǒng)計(jì)［3］，對(duì)有功、無功電能使用情況進(jìn)行計(jì)量，測算電能電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等豐富信息，從而更好地幫助用戶分析用電情況，制定合理的用電規(guī)劃。

　　2）電能監(jiān)管：與實(shí)時(shí)費(fèi)率系統(tǒng)配合，將電能使用量控制在設(shè)置的閾值以內(nèi)。與分布式發(fā)電相配合，將其發(fā)出的電能并網(wǎng)供給用戶直接使用或者由相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理，當(dāng)主電網(wǎng)故障時(shí)，與分布式發(fā)電管理系統(tǒng)共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)孤島系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。與戶內(nèi)控制系統(tǒng)配合對(duì)各智能電器進(jìn)行管理，幫助電網(wǎng)的削峰填谷，提高電力供應(yīng)可靠性，從而更合理、高效地使用電能。

　　3）通信系統(tǒng)：采用雙向通信模式，在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的同時(shí)接受指令信息，比如實(shí)時(shí)費(fèi)率標(biāo)準(zhǔn)、電表程序升級(jí)設(shè)置等一些其他遠(yuǎn)程操作。

　　1.2 智能電表硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)智能電表的各項(xiàng)功能，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)框圖，如圖2 所示。智能電表包含有控制管理、電源、計(jì)量、通信、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD、LED、按鍵等模塊。

　　1.2.1 控制管理模塊

　　控制管理模塊作為智能電表的核心單元，它的主要作用是將各個(gè)模塊整合成整體、協(xié)調(diào)合作。芯片的集成度、功耗以及價(jià)位均是需要考慮的因素。在本設(shè)計(jì)中采用的是Freescale 公司的一款8 位控制芯片MC9S08LL64，其最大的特點(diǎn)就是超低功耗，并帶有內(nèi)置LCD 驅(qū)動(dòng)，適合計(jì)量表計(jì)。

　　1.2.2 電源模塊

　　智能電表各模塊所需電壓為+5 V 和+3.3 V 兩種。從電網(wǎng)接入工頻單相交流電，經(jīng)變壓器降壓、整流、濾波后，由三端穩(wěn)壓器78L05 獲得+5 V 電源；+5 V 電源的另一個(gè)支路再經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM1117IMPX-3.3 即可獲得+3.3 V 電源，并將+3 V 電池作為后備電源與+3.3 V 電源并聯(lián)，當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，電池作為后備電源為指定器件供電，從而保證重要數(shù)據(jù)不丟失。

　　電表作為一種不間斷工作的在線電能計(jì)量器件，對(duì)可靠性和公平性具有很高的要求。本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)電源輸入端串聯(lián)熱敏電阻進(jìn)行過壓保護(hù)，并聯(lián)壓敏電阻進(jìn)行雷擊保護(hù)。

　　1.2.3 電能計(jì)量模塊

　　目前，電能表的計(jì)量芯片有模擬型乘法器和數(shù)字型乘法器兩種［4］。前者主要分為時(shí)分割乘法器和吉爾波特變跨導(dǎo)乘法器兩類，后者則根據(jù)A/D 變換原理不同分成逐次比較型數(shù)字乘法器和Σ-△型數(shù)字乘法器。Σ-△型電能計(jì)量芯片由于其高精度占據(jù)了較大的市場份額。

　　本設(shè)計(jì)選用ADI 公司的一款高精度電能計(jì)量芯片ADE7753。它內(nèi)置數(shù)字積分器，具有di/dt 微分電流傳感器接口，提供有功、無功、視在功率能量值，采樣波形以及電壓和電流有效值，在1000:1 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，誤差小于0.1％，低功耗，并且具有與SPI 兼容的串行接口。

　　1.2.4 通信模塊

　　目前常用的通信方式有RS485、紅外、低壓電力載波和無線等［5］。

　　RS485 雙絞線通信方式實(shí)現(xiàn)較易，但傳輸距離短、布線復(fù)雜、維護(hù)困難；紅外通信自動(dòng)化程度低，抄收距離受限，已漸漸退出通信前沿；低壓電力載波通過輸電線路來實(shí)現(xiàn)通信，該方式的最大優(yōu)點(diǎn)是無需單獨(dú)布線，但目前在傳輸距離和信號(hào)質(zhì)量上仍存在一些難題，可靠性稍差；無線通信在許多地區(qū)已盛行，其中具有代表性的無線抄表方案有基于GPRS 的無線數(shù)據(jù)接入、基于WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)的無線接入、基于CFDA 技術(shù)的無線數(shù)據(jù)接入技術(shù)以及ZigBee 技術(shù)。

　　ZigBee 是近年來發(fā)展迅猛的一種無線通信技術(shù)［6］，是一種基于IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)提出的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以解決傳感器間數(shù)據(jù)傳遞和交換。ZigBee 具有網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好、容量大、安裝維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、安全性好、功耗低、造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于電子設(shè)備間的無線數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊選用TI 公司的芯片CC2530，它是一個(gè)真正用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾性。

　　1.2.5 時(shí)鐘模塊

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘的主要作用是為電表提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，它與電表的系統(tǒng)誤差、電費(fèi)結(jié)算、事件記錄等都有一定關(guān)聯(lián)。本設(shè)計(jì)采用EPSON 公司專為中國表計(jì)行業(yè)設(shè)計(jì)的一款實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)芯片RX8025，采用IIC 總線通信模式，功耗低且精準(zhǔn)度高。

　　1.2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

　　電表對(duì)安全性的要求非常高，一些重要數(shù)據(jù)丟失將會(huì)造成嚴(yán)重后果，因此本設(shè)計(jì)中，選用Ramtron 公司的鐵電存儲(chǔ)器FM24CL64，它與EEPROM 相比，讀寫速度和耐用性能高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，無讀寫次數(shù)限制，且功耗極低，能充分滿足智能電表的要求。

　　1.2.7 其他模塊

　　本智能電表的人機(jī)接口部分設(shè)計(jì)采用段碼式LCD 顯示各種信息；三個(gè)LED 作報(bào)警提示；一個(gè)按鍵供工作人員進(jìn)行相關(guān)調(diào)試；并設(shè)有開蓋檢測電路對(duì)電表的開蓋事件作記錄上報(bào)，防止非法操作，確保電表安全。

　　2 智能電器開關(guān)

　　圖3 即為智能電器開關(guān)示意圖，它是一個(gè)連接用電器和電源的中間設(shè)備，由于現(xiàn)階段電器的智能化尚無法滿足構(gòu)建戶內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)的要求，因此可將智能電器開關(guān)看作一種過渡型器件。