基于智能电网的智能用户端设计

　　0 引言

　　随着信息时代的来临，如何更高效地利用能源、节约能源，在全球范围内被给予了越来越多的关注，电力行业正面临着诸多新挑战。作为顺应电力发展趋势的产物，智能电网必将掀起一番新浪潮。智能电网是以传统电网为基础，融合计算机、通信、传感等多种技术于一身的新型电网，具有数字化、自动化、信息化和互动化等基本特征［1-2］。本文主要涉及智能电网的用户端，包括智能电表、智能电器开关以及户内控制系统。三者通过无线通信构成一个用电系统的户内网络，如图1 所示。智能电表和智能电器开关将记录的信息发送给户内控制系统，用户通过操作平台实现对户内用电的控制，户内控制系统将控制指令发送给各智能电器开关。

　　1 智能电表

　　1.1 智能电表主要功能

　　1）电能计量：对多种时段多种费率模式电能分别统计［3］，对有功、无功电能使用情况进行计量，测算电能电压、电流、频率、功率因数等丰富信息，从而更好地帮助用户分析用电情况，制定合理的用电规划。

　　2）电能监管：与实时费率系统配合，将电能使用量控制在设置的阈值以内。与分布式发电相配合，将其发出的电能并网供给用户直接使用或者由相关机构统一管理，当主电网故障时，与分布式发电管理系统共同协作实现孤岛系统的平稳过渡。与户内控制系统配合对各智能电器进行管理，帮助电网的削峰填谷，提高电力供应可靠性，从而更合理、高效地使用电能。

　　3）通信系统：采用双向通信模式，在发送数据信息的同时接受指令信息，比如实时费率标准、电表程序升级设置等一些其他远程操作。

　　1.2 智能电表硬件设计

　　根据智能电表的各项功能，设计其结构框图，如图2 所示。智能电表包含有控制管理、电源、计量、通信、时钟、数据存储、LCD、LED、按键等模块。

　　1.2.1 控制管理模块

　　控制管理模块作为智能电表的核心单元，它的主要作用是将各个模块整合成整体、协调合作。芯片的集成度、功耗以及价位均是需要考虑的因素。在本设计中采用的是Freescale 公司的一款8 位控制芯片MC9S08LL64，其最大的特点就是超低功耗，并带有内置LCD 驱动，适合计量表计。

　　1.2.2 电源模块

　　智能电表各模块所需电压为+5 V 和+3.3 V 两种。从电网接入工频单相交流电，经变压器降压、整流、滤波后，由三端稳压器78L05 获得+5 V 电源；+5 V 电源的另一个支路再经三端稳压器LM1117IMPX-3.3 即可获得+3.3 V 电源，并将+3 V 电池作为后备电源与+3.3 V 电源并联，当电网停电时，电池作为后备电源为指定器件供电，从而保证重要数据不丢失。

　　电表作为一种不间断工作的在线电能计量器件，对可靠性和公平性具有很高的要求。本设计在系统电源输入端串联热敏电阻进行过压保护，并联压敏电阻进行雷击保护。

　　1.2.3 电能计量模块

　　目前，电能表的计量芯片有模拟型乘法器和数字型乘法器两种［4］。前者主要分为时分割乘法器和吉尔波特变跨导乘法器两类，后者则根据A/D 变换原理不同分成逐次比较型数字乘法器和Σ-△型数字乘法器。Σ-△型电能计量芯片由于其高精度占据了较大的市场份额。

　　本设计选用ADI 公司的一款高精度电能计量芯片ADE7753。它内置数字积分器，具有di/dt 微分电流传感器接口，提供有功、无功、视在功率能量值，采样波形以及电压和电流有效值，在1000:1 的动态范围内，误差小于0.1％，低功耗，并且具有与SPI 兼容的串行接口。

　　1.2.4 通信模块

　　目前常用的通信方式有RS485、红外、低压电力载波和无线等［5］。

　　RS485 双绞线通信方式实现较易，但传输距离短、布线复杂、维护困难；红外通信自动化程度低，抄收距离受限，已渐渐退出通信前沿；低压电力载波通过输电线路来实现通信，该方式的最大优点是无需单独布线，但目前在传输距离和信号质量上仍存在一些难题，可靠性稍差；无线通信在许多地区已盛行，其中具有代表性的无线抄表方案有基于GPRS 的无线数据接入、基于WLAN（无线局域网）技术的无线接入、基于CFDA 技术的无线数据接入技术以及ZigBee 技术。

　　ZigBee 是近年来发展迅猛的一种无线通信技术［6］，是一种基于IEEE 802.15.4 无线标准提出的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，用以解决传感器间数据传递和交换。ZigBee 具有网络稳定性好、容量大、安装维护方便、抗干扰能力强、安全性好、功耗低、造价低等特点，适用于电子设备间的无线数据传输。通信模块选用TI 公司的芯片CC2530，它是一个真正用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 应用的片上系统解决方案，能够以非常低的成本建立强大的网络节点，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰性。

　　1.2.5 时钟模块

　　实时时钟的主要作用是为电表提供精确的时间基准，它与电表的系统误差、电费结算、事件记录等都有一定关联。本设计采用EPSON 公司专为中国表计行业设计的一款实时计时芯片RX8025，采用IIC 总线通信模式，功耗低且精准度高。

　　1.2.6 数据存储模块

　　电表对安全性的要求非常高，一些重要数据丢失将会造成严重后果，因此本设计中，选用Ramtron 公司的铁电存储器FM24CL64，它与EEPROM 相比，读写速度和耐用性能高出几个数量级，无读写次数限制，且功耗极低，能充分满足智能电表的要求。

　　1.2.7 其他模块

　　本智能电表的人机接口部分设计采用段码式LCD 显示各种信息；三个LED 作报警提示；一个按键供工作人员进行相关调试；并设有开盖检测电路对电表的开盖事件作记录上报，防止非法操作，确保电表安全。

　　2 智能电器开关

　　图3 即为智能电器开关示意图，它是一个连接用电器和电源的中间设备，由于现阶段电器的智能化尚无法满足构建户内智能网络的要求，因此可将智能电器开关看作一种过渡型器件。

　　2.1 智能电器开关主要功能

　　1）对用电器的用电量进行计量；

　　2）通过无线通信将用电信息上报；

　　3）接收户内控制系统下发的控制命令，对用电器执行通断等操作。

　　2.2 智能电器开关硬件设计

　　图4 即为智能电器开关框图，它与智能电表相比少了LCD 模块，多了开关模块。