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基于AMI的智能電表設計

屈召貴，劉強,魯順昌

（四川工商學院實驗中心，四川成都 611745）

摘要： 針對大中專院校學生公寓用電情況，設計了一款基于AMI模型的智能電表，實現一支回路只計量，另一支回路計量與監控。測試表明，該電表具有計量精度高、監控準確、通信安全穩定，能夠實現學生公寓安全用電管理。

關鍵詞： 智能電表計量監控通信

Abstract：

Key words :

　　屈召貴，劉強,魯順昌

　　（四川工商學院實驗中心，四川成都 611745）

　　摘要：針對大中專院校學生公寓用電情況，設計了一款基于AMI模型的智能電表，實現一支回路只計量，另一支回路計量與監控。測試表明，該電表具有計量精度高、監控準確、通信安全穩定，能夠實現學生公寓安全用電管理。

　　關鍵詞：智能電表；計量；監控;通信

　　0引言

　　許多高校學生公寓用電實行了嚴格的管理措施，目的是讓學生養成良好習慣。然而單靠制度管理很難監控，采用技術的手段是較有效的辦法。本文提出用單相雙支路計量智能電表完成對用電情況的監控。該電表采用雙回路計量與監控，一支路完成空調等大功率電器的計量；另一支路可實現計量、違禁電器識別和控制。雖然為雙回路，但不增加任何硬件成本，在硬件上采用了集成電路設計思想，采用的集成計量模塊和低功耗微控制器，簡化了PCB線路；在軟件上，該電表采用了模塊化設計［1］來分別保證計量的準確性和系統的穩定性。因此，該設計結構更為簡單、抗擾能力更強、計量精度更高，并具有成本低等優勢。

1電表的方案設計

　　電表采用計量芯片（ADE7953）和微控制器（ST32L15）構成的電信息采集電路、人機交互電路、信息存儲電路、通信電路、監控等電路硬件方案，系統框圖如圖1所示。

　　ADE7953是一款高精度單相電能計量IC，可測量一路線電壓和兩路電流，并計算有功、無功、視在功率、瞬時電壓電流有效值和功率因數值。利用ADE7953能測量兩路電流的功能實現雙支路計量，總電能E=ERL1+ERL2，RL1支路僅完成電能計量，RL2支路除計量外，還通過功率因數值判斷是否為違禁用電器，并進行作息時間開關用電。

2電表的硬件設計

　　2.1系統電源電路

　　電表內電源用5 V和3.3 V供電，采用線性穩壓電源，由變壓器降壓、整流、濾波和穩壓組成，RS485電路的供電由隔離型DC-DC電源(B0505LS1W)提供，以提高抗干擾力。備用電源采用鋰電池供電。

　　2.2電力參數采集電路

　　電力參數采集電路主要由信號變換電路和ADE7953構成的采集電路組成，如圖2所示。信號變換電路的作用是接入用戶的電流和電壓。電流采集用電流互感器，電壓采集用鉑金電阻分壓接入計量芯片［23］。電流通道允計輸入的差分電壓滿量程為500 mVp-p，負載電阻取決于最大電流(Imax)、ADC輸入電平(U)以及CT使用的匝數(CTRN)。最大電流時，電流通道的輸入信號應當為半輸入滿量程，以便留有裕量。選用CT匝數比為1 000∶1，根據DLT6142007可知電流互感器接入方式Imax＝5 A×2＝10 A，則負載電阻Rb上的最大電壓有效值計算如式(1)所示，最大互感電流ICT計算如式(2)所示，Rb計算如式(3)所示。

　　電壓通道輸入的差分電壓滿量程為500 mVp-p，電壓采樣采用電阻分壓的方式［4］。在火線與零線間串聯接入4個150 kΩ和1個330 Ω的電阻，從330 Ω電阻上取得的電壓作為A/D輸入端，由此可以計算出可測量的最大電壓有效值，如式(4)所示。由計算可知，電壓支路被測的電壓范圍為0~321.6 V，完全滿足計量要求。

　　Vmax=R取R總×V取=600.33330×22×500 mV=321.6 V(4)

　　2.3通信電路設計

　　通信電路作用是實現電參數的上傳與下載，要求硬件電路滿足高速、高可靠性。電路如圖3所示，ADUM1301為三路iCoupler 磁耦隔離器實現數據隔離，其傳輸的速率可達90 Mb/s；MAX485為RS485總線驅動器；二極管D2、D3防止雷擊；電源采用前述的DCDC隔離電源與其他電路的電源隔開，以實現干擾源的隔離。

　　2.4繼電器控制電路設計

　　繼電器控制電路主要實現通斷電控制，其開關頻率較高，可控電流較大，使用壽命長。根據電表技術規范，對繼電器的選擇應考慮以下因素：開關次數N，每天開關10次，按60年使用壽命計算，N=10×365×60=21.9萬次，因此選用開關頻率在30萬次以上的繼電器；觸點電流I，按2級電表可控電流最高為10 A，因此選用20 A以上的繼電器；驅電壓V，選用5 V驅動。綜上，選用80 A磁保持繼電器，電路如圖4所示，控制端OC連接到STM32L15的PA11腳。

3電表的軟件設計

　　3.1軟件設計總體思想

　　電表的軟件是基于操作系統μC/OSIII，采用層次化、模塊化的設計思路，在層次上分為底層驅動程序和應用層程序，如圖5所示；在模塊上分為電參數測量與處理程序、通信程序、顯示程序、存儲程序和監控程序。

　　3.2電參數測量與處理程序設計

　　電參數的測量涉及電流電壓有效值、功率、電能、功率因數等參數的測試與處理。

　　電流電壓有效值測量軟件實現方法：這兩個參數分別存放在24位寄存器VRMS和IRMSA中，需測試寄存器1LSB位代表實際值。方法是通過高精度參考電表進行測試，如圖6所示，測試的計算方法如式（5）、式（6）所示。式中U和I分別為參考電表測出的實際電壓電流值；DRMSV和DRMSI分別為有效值寄存器中的二進制數值；k為乘法系數，保持數據分辨率，因為軟件中十六進制數使用定點乘法，不同的電表這一常數是不一樣的，在后續的校表過程中還得加以校正。通過測試，設計的電表的Icontant=0×181，Vcontant=0×10B，k=100×216。

　　圖6測試電流電壓常數圖

　　有功電能測量的實現方法：有功電能分別對應兩路電流通道存放在24位寄存器AENERGYA和AENERGYB中，將兩路電能相加即為總有功電能，實現雙回路計量。在編程過程中需找到電能寄存器的LSB對應的實際電能值Wh/LSB常數（也即數字量的權重）。這一常數算法關系如式（7）所示，式中AENERGYn表示A或B兩通道電能寄存器中一定時間內的數字量累積，用十進制計算，N為瓦時/位常數，U為被測負載的電壓有效值，I為流過負載的電流有效值，cos為功率因素，T為累積時間。

　　測試一純阻性負載（cos＝1）電路，電壓220 V和電流10 A在一負載上通過1 s的時間產生了20 398的讀數，則Wh/LSB常數可用式(7)計算得到式(8)。

　　功率因數測量的實現方功：功率因數存儲在兩個16位帶符號寄存器PFA和PFB中。這些寄存器是帶符號的二進制補碼寄存器，MSB表示功率因數的極性。PFx寄存器的1 LSB相當于2-15的權重；因此，最大寄存器值0×7FFF對應的功率因數為1，最小寄存器值0×8 000對應的功率因數為-1。例如：PFA寄存器里面的值DPFA=26 214（十進制），則對應的功率因數為式(9)所示，程序中可根據此判斷負荷情況。

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　　同理還可測出功率值、頻率值、周期值、相位值等參數。

　　3.3通信程序的軟件設計

　　通信軟件基于行業標準DL/T6452007，該標準作為一種通信協議采用分層架構思想，故設計3層模型（包括物理層、數據鏈路層和應用層）來實現電能表的主/從方式通信，分層結構如圖7所示，應用層涉及7大類數據收發，數據鏈路層涉及尋址和12類控制，物理層規定有紅外光通信和RS485通信。

　　DL/T6452007采用廣播形式實現主站與從站鏈路，編程流程如圖8所示，主站發送一幀數據，從站接收解析和執行，當從站正確執行后返回正常應答幀，否則返回異常應答幀。

4電表的校準

　　ADE7953可通過讀取內部電能寄存器或測量外部CF輸出脈沖來校準，最多需要3個校準階段：增益、相位和失調，消除由于外部電阻網絡、前端采樣電路等引起的誤差［5］。可采用標準參考電表和標準參考源兩種方法校準，本例中采用標準參考源來校準，通過校準去修正軟件設計中的各參數的常數值，校準流程如圖9所示。