引言

在現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展過程中，各國結合其電力工業(yè)發(fā)展的具體情況，通過不同領域的研究和實踐，形成了各自的發(fā)展方向和技術路線，也反映出各國對未來電網(wǎng)發(fā)展模式的不同理解。近年來，隨著各種先進技術在電網(wǎng)中的廣泛應用，智能化已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，發(fā)展智能電網(wǎng)已在世界范圍內形成共識。從技術發(fā)展和應用的角度看，世界各國、各領域的專家、學者普遍認同以下觀點：智能電網(wǎng)是將先進的傳感量測技術、信息通信技術、分析決策技術、自動控制技術和能源電力技術相結合，并與電網(wǎng)基礎設施高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)。

隨著信息時代的來臨，如何更高效地利用能源、節(jié)約能源，在全球范圍內被給予了越來越多的關注，電力行業(yè)正面臨著諸多新挑戰(zhàn)。作為順應電力發(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)（smart power grids），就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”，它是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術的應用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標，其主要特征包括自愈、激勵和包括用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀用戶需求的電能質量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行。如圖1 所示。

1 智能電表

1.1 智能電表主要功能

由用戶交費對智能IC卡充值并輸入電表中，電表[1]才能供電，表中電量用完后自動拉閘斷電，從而有效地解決上門抄表和收電費難的問題。同時，用戶的購電信息實行微機管理，方便進行查詢、統(tǒng)計、收費及打印票據(jù)等。工作原理用戶持IC卡到供電部門交款購電，供電部門用售電管理機將購電量寫入IC卡中，用戶持IC卡在感應區(qū)刷非接觸式IC卡（簡稱刷卡，下同），即可合閘供電，供電后將卡拿走。當表內剩余電量等于報警電量時，拉閘斷電報警（或蜂鳴器報警），此時用戶在感應區(qū)刷卡即可恢復供電；當剩余電量為零時，自動拉閘斷電，用戶必須再次持卡交費購電，才可以恢復用電。

1）電能計量：對多種時段多種費率模式電能分別統(tǒng)計，對有功、無功電能使用情況進行計量，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：與實時費率系統(tǒng)配合，將電能使用量控制在設置的閾值以內。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機構統(tǒng)一管理，當主電網(wǎng)故障時，與分布式發(fā)電管理系統(tǒng)共同協(xié)作實現(xiàn)孤島系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。

3）通信系統(tǒng)：采用雙向通信模式，在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的同時接受指令信息。

1.2 智能電表硬件設計

根據(jù)智能電表的各項功能，設計其結構框圖，如圖2 所示。智能電表包含有控制管理、電源、計量、通信、時鐘、數(shù)據(jù)存儲、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模塊整合成整體、協(xié)調合作。芯片的集成度、功耗以及價位均是需要考慮的因素。

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)，當電網(wǎng)停電時，電池作為后備電源為指定器件供電。

1.2.3 電能計量模塊

目前，電能表的計量芯片有模擬型乘法器和數(shù)字型乘法器兩種。前者主要分為時分割乘法器和吉爾波特變跨導乘法器兩類，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-△型電能計量芯片由于其高精度占據(jù)了較大的市場份額。

本設計選用ADI 公司的一款高精度電能計量芯片ADE7753。它內置數(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 的動態(tài)范圍內，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。

RS485 雙絞線通信方式實現(xiàn)較易，但傳輸距離短、布線復雜、維護困難；紅外通信自動化程度低，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現(xiàn)通信，該方式的最大優(yōu)點是無需單獨布線，但目前在傳輸距離和信號質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)）技術的無線接入、基于CFDA 技術的無線數(shù)據(jù)接入技術以及ZigBee 技術。

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

1.2.5 時鐘模塊

實時時鐘的主要作用是為電表提供精確的時間基準，它與電表的系統(tǒng)誤差、電費結算、事件記錄等都有一定關聯(lián)。本設計采用EPSON 公司專為中國表計行業(yè)設計的一款實時計時芯片RX8025，采用IIC 總線通信模式，功耗低且精準度高。

1.2.6 數(shù)據(jù)存儲模塊

電表對安全性的要求非常高，一些重要數(shù)據(jù)丟失將會造成嚴重后果，因此本設計中，選用Ramtron 公司的鐵電存儲器FM24CL64，它與EEPROM 相比，讀寫速度和耐用性能高出幾個數(shù)量級，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

本智能電表的人機接口部分設計采用段碼式LCD 顯示各種信息；三個LED 作報警提示；一個按鍵供工作人員進行相關調試；并設有開蓋檢測電路對電表的開蓋事件作記錄上報，防止非法操作，確保電表安全。

2 智能電器開關

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

2.1 智能電器開關主要功能

1）對用電器的用電量進行計量；

2）通過無線通信將用電信息上報；

3）接收戶內控制系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，對用電器執(zhí)行通斷等操作。

2.2 智能電器開關硬件設計

圖4 即為智能電器開關框圖，它與智能電表相比少了LCD 模塊，多了開關模塊。

2.2.1 控制管理模塊

同智能電表相比，智能電器開關在功能上要少很多，但安裝數(shù)量較多，因此在設計時經(jīng)濟實用性著重考慮。該模塊選用ATMEL 公司的一款低功耗8 位芯片ATmega8535。

2.2.2 電源模塊

智能電器開關接入的是戶內供電網(wǎng)絡，在電源模塊設計時省去了雷擊保護，均采用直流+5 V 供電，并配有+3 V 電池作后備電源。

2.2.3 電能計量模塊

由于智能電器開關只需記錄電能的使用量即可，其電能計量模塊選用ADI 的計量功能相對較少一些的芯片ADE7756。

2.2.4 開關模塊

用電器電源的通斷由微型繼電器來實現(xiàn)，MCU的輸出信號經(jīng)過光耦隔離后對繼電器進行控制。

2.2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

考慮到智能電器開關數(shù)據(jù)量相對較小，它的存儲模塊選用價格較為低廉的EEPROM 存儲。

2.2.6 其他模塊

通信、時鐘等其他模塊均與智能電表相同。

3 戶內控制系統(tǒng)

戶內控制系統(tǒng)是智能電網(wǎng)新特性的主要體現(xiàn)點之一，有關它的說法較多，有些文獻中將其稱為戶內顯示系統(tǒng)（In Home Display）或者戶內能源管理系統(tǒng)。用戶通過該平臺了解電能使用信息，并結合實時費率等資訊，對各用電器用電情況進行控制，調整自己的用電方案。

3.1 戶內控制系統(tǒng)主要功能

1）接收智能電表、智能電器開關發(fā)送的大量數(shù)據(jù)信息并進行實時顯示；

2）為用戶提供操作平臺，使其可獲取詳細的電能使用情況及其他相關信息，并協(xié)助用戶分析調整電能的使用；

3）將用戶下達的控制指令發(fā)送給各用電器。

3.2 戶內控制系統(tǒng)硬件設計

如圖5 即為設計的戶內控制系統(tǒng)框圖。

3.2.1 控制管理模塊

戶內控制系統(tǒng)需要處理大量信息，因此需要一個性能優(yōu)異的芯片才能保證其高效穩(wěn)定工作。本設計選用TI 公司基于ARM 核心的LM3S9000 系列，主頻達80 MHz，性能優(yōu)異。

3.2.2 電源模塊

考慮到便捷性和舒適性，將戶內控制系統(tǒng)設計成一款手持式移動設備，采用+3 V 電池供電。

3.2.3 顯示模塊

該模塊包括LCD 液晶屏、LCD 驅動、按鍵三個部分。LCD驅動芯片為EPSON公司的S1D13517，適合于多種屏幕及分辨率；按鍵共有八個，分別是電源鍵、重啟鍵、上下左右四個方向鍵、確定鍵、取消/返回鍵。

圖6 為模擬的戶內控制系統(tǒng)主界面，它包含有電能、電價、用電器、分布式發(fā)電等模塊。戶內控制系統(tǒng)將接收到的用電信息經(jīng)過處理，以圖表的形式直觀的展現(xiàn)出來。

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

戶內控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊包含MCU 的鐵電存儲器以及LCD 的SDRAM 顯存。

3.2.5 其他模塊

時間和通信等其他模塊均與智能電表類似。

4 結論

本文以智能電網(wǎng)為背景，結合高級量測體系和通信的發(fā)展，對智能電網(wǎng)的智能用戶端進行了硬件原理的設計。包括可對電能進行多項精準測量記錄并支持實時電價多重費率的智能電表、計量用電器用電情況并根據(jù)控制指令進行開關操作的智能電器開關，以及為用戶提供控制平臺以實現(xiàn)對戶內用電網(wǎng)絡進行管理的戶內控制系統(tǒng)。三者相互配合，從而達到更合理地分配電能、更高效地利用能源的目的。

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