AMI中的智能电表系统设计分析

　　摘要：随着电子技术的高速发展，电力行业已经广泛地应用基于微处理器的电子式多功能电能表,其具备了准确、快捷地测计电力参数、记录事件、存储负荷曲线、分析电能质量及通信等智能电能表技术功能。在本文中，笔者分析了一种基于AMI系统的智能电能表的结构和功能，并且总结出在设计中应当注意的一些问题。
　　关键词：AMI;智能电能表
　　引言
　　智能电能表技术在智能电网环境下,具有更强的信息处理、交互、计量和通信能力,能在AMI中提供实时数据采集、存储和传输,实现电功率计时计量、自动计费、阶梯电价计费、优化用电等功能;并能实现供电企业与客户之间的即时双向通信交互,使每个客户实时准确地了解用电情况和节省电能电费的最佳时间,自主选择电器使用时间段,按需调度控制用电,合理制订节电计划,最大限度地降低能耗,节省电费。进而促进节能减排,增强电力系统的稳定性,提高电力企业的经营效率。在下文中，笔者将针对AMI系统的智能电能表的设计进行深入的分析。
　　1高级量测体系(AMI)
　　所谓的智能电网是指使用健全的双路通信、用高灵敏度的传感器和分布式计算机将电力传输和分配完成的系统【1-2】。它主要由4部分组成［3］:高级量测体系(AMI);高级配电运行(ADO);高级输电运行(ATO);高级资产管理(AAM)。
　　AMI是一个用来测量、收集、储存、分析和运用客户用电信息的完整的网络处理系统，由安装在客户端的智能电能表、位于电力公司内的量测数据管理系统和连接它们的通信系统组成。近来，该体系又延伸到客户住宅之内的室内网络，以使客户可以分析和利用自己家中详细的用电信息。AMI中的智能电能表能按照预先设定的并存储在智能电能表及其附属设备中的时间间隔(分钟，小时等)记录客户的多种用电信息，把这些信息通过通信网络传到数据中心，并在那里根据不同的要求和目的，如客户计费、故障响应和需求侧管理等进行处理和分析;还能向电能表发送信息，如要求更多的数据或对电能表进行软件在线升级等［4］。
　　AMI由智能电能表、通信网络、量测数据管理系统和客户户内网络组成，各部分功能如下:
　　(1)智能电能表。可以将时间分段，以便让电力公司可以掌握多种时段的收费标准并提供相应的服务。时间间隔可以为1h或者1/4h等，并实时监控终端客户的用电量、用电功率、电压、电流等其他信息，最后将信息数据通过通信网络传输至用电信息主站。
　　(2)通信网络。采取固定速率的可多向运行网络，将用电信息(包括故障和停用电控制信息)实时地从终端传输至柜台、用电数据中心、甚至是银行账户系统。
　　(3)计量数据管理系统(MDMS)。存贮所有客户信息及电网实时分析信息，并与AMI自动数据收集系统配合使用，处理各类计量值。
　　(4)客户室内网(HAN)。通过网关或者电力线，把智能电能表和电器装置(可装有控制器与传感器)连接起来（前提是在统一的通信规约下），使得客户可以方便地通过电力公司提供的接口控制自己家中的每个装置的开闭。
　　2基于AMI系统的智能电能表
　　通过智能电能表提供的客户实时用电信息，AMI系统能更灵活有效地调配电力供需，并通过差异电价，改变客户的用电行为模式，降低尖峰用电，起到削峰填谷，节约用电的作用，有助于全面大幅节能减碳，对电力供需双方都有利。而智能电能表本身除了实现电能计量的作用外，更重要的还有电能管理和交易服务、通讯与数据处理服务，以及连结到客户家中的“智能家电”，让客户轻松有效地节能。基于AMI开放的系统和建立共享的信息模式，整合系统数据，优化电网的运行和管理，通过智能终端，智能电能表将客户之间、客户和电网公司之间形成即时链接的网络互动，从而实现数据读取实时、高速、双向的效果，提高电网的综合效率。
　　由于能实现带有时段的多种计量，智能电能表实际上成为分布于网络上的系统传感器和量测点。因此，高级计量体系不仅能为电力公司提供遍及系统的通讯网络和设施，也能提供系统范围的量测和可视性，被视为是实现智能电网的第一步。
　　智能电能表除了以上所介绍的功能外，还应具备以下功能:1)客户可得到连续及时的计量信息;2)支持灵活的分时电价;3)对参与市场的客户提供实时电价查询，并实现同实时电价相结合的自动负荷控制;4)降低负荷峰值，提高系统资产利用率，降低应对需求增长所需的固定投资成本;5)集成客户侧的分布式发电;6)远程监视电能质量与实施电压控制;7)快速的系统故障定位和响应;8)非技术性能量损耗的检测;9)为系统调度、规划和运行提供精确的系统负荷信息;10)在新一代的智能设备和高级服务之间实现信息共享。
　　3基于AMI功能的智能电能表的设计
　　根据上述AMI系统需实现的功能，智能电能表设计可以分为以下几个部分(见图1):1)电能计量模块;2)通讯模块;3)存储模块;4)时钟模块;5)液晶显示模块;6)电源模块;7)ESAM模块;8)控用电模块。
　　
　　
　　图1智能电能表功能部件结构图
　　3．1电能计量模块
　　远程费控智能电能表电能计量芯片精度高、可靠性强，能精确测量正、反向及组合有功电能，正、反向及组合无功电能、四象限无功电能，能实时测量有功、无功功率、电压、电流和频率等参数。通过表内输出信号来控制断路器实现负载的通与断，实现督促客户及时购电或缴费功能;具有双备份数据存储，自动参数纠错以及自检和报警功能;支持全数字的增益、相位和Offset校正;内部的电源监控电路可以保证通电和断电时芯片的可靠工作;MCU通过SPI(SerialPeripheralInterface串行外围接口)实时读取电能表运行参数，在发生异常时，进行事件记录，等待远程主站系统的查询。
　　3．2通讯模块
　　智能电能表采用2种通讯方式来实现通讯功能，分别是:RS-485和红外IR传输。考虑到智能电能表会安装在户外，因此需要在RS-485总线上接入避雷的保护措施。RS-485的信号通过光耦和单片机系统进行隔离，从而防止遭遇雷击时对整个系统造成破坏。每只智能电能表都有一个确定的唯一的12位十进制通讯地址，主站系统采用DL/T645-2007《多功能电能表通信协议》下发命令信息，智能电能表接收到与自己地址匹配的信息，便把应答信息及其校验码打包向上传送给远程主站系统，实现数据集中抄读。同时具备抗红外通信干扰的功能。
　　3．3存储模块
　　智能电能表的功能众多，实现复杂，在运行过程中会产生大量的数据，如12个月历史电量数据、事件记录数据、冻结量数据等。所选用的存储芯片必须容量够大，可靠性高，保存时间长，功耗低。所以采用的存储单元不仅应具有低功耗、待机、工作电流小，而且需要有存储容量大、擦写次数多过电能表使用年限、数据保存时间长的特点。
　　3．4时钟模块
　　时钟电路采用具高精度、低功耗时钟芯片，内置温度补偿晶振，可在宽温范围内实现精确计时，并和目前在电能表领域得到广泛应用的EPSONRX-8025SA引脚兼容。按照CPU外部通讯接收到的校时数据来设置时钟和日历，靠自身的振荡继续走时，有2个中断报警引脚可设置为输出秒或分同步脉冲。MCU每隔一段时间通过通讯接口读取当前的时间，计算出该时刻所属的时段，实现多费率电能表的分时段计量电能。时钟电路具备锂电池，正常工作时有主电源Vcc供电，当出现停电时，自动切换锂电池为时钟电路供电，即使停电，时钟走时也准确。
　　3．5液晶显示
　　智能电能表要求电能表能够支持液晶LCD显示运行信息，通过液晶上的各种显示字符组合来显示电能表各种运行信息，从而方便客户使用。
　　3．6电源模块
　　电源模块由变压、整流、滤波、稳压四部分组成，使干扰脉冲的数量和幅度有所减少，并加装专用的电源监控电路。
　　由于智能电能表具备停电唤醒功能，因此它的电源供给:一是由火线和零线的主电压提供电源，另一部分是由在主电源无效的情况下提供备用锂电池电源，以满足电能表MCU、时钟芯片和液晶显示的需要。电能表提供多种省电模式:睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电，以满足各种优先级中断的唤醒。
　　3．7输出模块
　　与以前使用的电能表不同，智能电能表输出的LED指示灯的功能也不相同。拉闸指示灯用来指示客户负载的切断与否，报警指示灯用来指示电能表运行中发生的异常，电能表运行脉冲指示LED用来指示客户用电，脉冲输出用来校表及计量，脉冲输出的电路和多功能口输出电路由普通I/0口加光耦隔离实现。
　　3．8ESAM模块
　　ESAM安全模块的应用是和各种专用或通用智能设备相关的，对于所有需要身份认证、数据加密/解密、安全存储、通讯保密等较高数据安全要求的产品和应用系统，ESAM嵌入式安全控制模块都可以发挥其独到的安全控制作用。对于远程费率智能电能表而言，电费的计算在远程售电系统中完成，表内不存储、显示与电费、电价相关的信息。电能表接收远程售电系统下发的拉闸、合闸、ESAM数据抄读指令时，需通过严格的密码验证及安全认证。在智能电能表中ESAM模块只负责完成安全认证和数据的存储，此模块可在电力公司设置完毕后，提供给表厂安装在智能电能表中。今后的数据存取以及密钥的安全认证过程都在远程主站系统与智能电能表中的ESAM模块之间进行，与表中的微控制器无关，微控制器仍然由表厂负责设计，完成智能电能表的功能。这样既实现了系统的安全性由运行管理方控制，又不妨碍表厂继续发展和完善智能电能表的功能和性能。
　　3．9系统工作原理
　　智能电能表实时检测系统供电的状态，当检测模拟端口检测到外部供电时，系统启动内部主时钟全速运行，通过SPI与计量芯片通讯，实时读取电能表运行的状态内容，如实时电压、电流值、功率、功率因数等，并判断是否在正常工作范围内，如出现异常，通过串口与时钟模块通讯，读取此刻时间，然后将这些数据存储到存储单元中，以备主站系统查询，同时报警指示灯报警，通过串口通讯将实时数据传输至显示芯片内并显示在LCD液晶屏上。智能电能表运行过程中，不断读取时钟芯片的时间值，来判断是否可进入下一费率时段运行，以便进行时段投切。
　　当智能电能表接收到红外或485通讯信道下发格式遵循DL/T645-2007标准的命令数据，电能表通过规约解析，读取存储芯片中的数据，打包后由红外或485通讯信道上传。如485通讯信道接收到远程主站系统下发的加密费率命令，MCU会将此数据传送给ESAM模块进行解密分析，成功后返回给MCU，通过命令分析执行相应的费控操作。外部供电消失后，系统电源切换到备用锂电池电源，关闭内部高速时钟，启动低速时钟，关闭外围功能，进入低功耗工作状态。
　　3．10其他功能说明
　　智能电能表具有防窃电等多种功能，拥有专门的防窃电检测管脚进行开盖检测，当检测到电能表盖被打开时，会自动通知CPU并自动记录开盖时间。当独立防窃芯片检测到对其独立供电的电池被断开时，也会自动通知CPU并记录时间。做到从硬件协助客户进行防窃电取证和记录。
　　可使用非接触式读卡技术完成预付费，并通过通讯网络与银行柜员主机相联系，在获得费控信息后，完成对电能表开关的关合。
　　电能表内小信号分析单元，与谐波过滤芯片配合，对电力线上传输过来的非正弦波形进行过滤。