智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統設計

0引言

隨著(zhù)全球資源逐漸稀缺、環(huán)境壓力不斷增大、電力市場(chǎng)化進(jìn)程不斷深入及用戶(hù)對電能可靠性和質(zhì)量要求的不斷提升，電力行業(yè)正面臨前所未有的挑戰和機遇，建設更加安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟的電力系統已經(jīng)成為全球電力行業(yè)的共同目標。智能電網(wǎng)(SmartGrid)就是利用現代測量、通信、計算機、自動(dòng)化等IT先進(jìn)技術(shù)，允許可再生能源順利接入電網(wǎng)，提高電力系統的能源轉換和傳輸效率，確保電網(wǎng)運行更可靠、更靈活、更經(jīng)濟，能為用戶(hù)提供更高的供電質(zhì)量和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。智能電網(wǎng)包含從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度六個(gè)環(huán)節，智能電表屬于智能用電的環(huán)節。智能電網(wǎng)建設對電力設備提出更高層次的要求，智能電表和數字化變電站面臨較高景氣度，掌握該核心技術(shù)優(yōu)勢和市場(chǎng)優(yōu)勢的企業(yè)將從中受益。因此，加大智能電表的研發(fā)力度將對我國智能電網(wǎng)的快速發(fā)展具有重要意義。

1智能電表概述

智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由四部分組成，分別是高級量測體系AMI、高級配電運行體系ADOI、高級輸電運行體系ATOI和高級資產(chǎn)管理體系AAMI。智能電網(wǎng)必須具備靈活的網(wǎng)絡(luò )結構和集成的通信系統，才能形成上述四大體系。

高級量測體系AM(IAdvancedMeteringInfrastructure)主要功能是授權給用戶(hù)，使系統同負荷建立起聯(lián)系，使用戶(hù)能夠支持電網(wǎng)的運行。AMI是許多技術(shù)和應用集成的解決方案，其關(guān)鍵技術(shù)和功能主要包括：

(1)智能電表

智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統設計電價(jià)是電力改革的關(guān)鍵。在發(fā)展智能電網(wǎng)中，智能電表受到前所未有的重視。智能電表不但能顯示用電量，而且能顯示電能價(jià)格，將推動(dòng)新的用電方式和生活方式。

(2)通信網(wǎng)絡(luò )

采取固定的雙向通信網(wǎng)絡(luò )，能夠把采集的數據信息(包括故障報警和裝置干擾報警)實(shí)時(shí)地從智能電表傳到數據中心，是全部高級應用的基礎。

(3)計量數據管理系統MDMS

這是一個(gè)帶有分析工具的數據庫，通過(guò)與AMI自動(dòng)數據收集系統的配合使用，處理和儲存電表的計量值。

(4)用戶(hù)室內網(wǎng)HAN

通過(guò)網(wǎng)關(guān)或用戶(hù)入口把智能電表和用戶(hù)戶(hù)內可控的電器或裝置連接起來(lái)，使得用戶(hù)能根據電力公司的需要，積極參與需求響應或電力市場(chǎng)。

(5)提供用戶(hù)服務(wù)

如分時(shí)或實(shí)時(shí)電價(jià)等。

(6)遠程接通或斷開(kāi)

AMI的體系結構如圖1所示。

智能電表，將有助于在消費者和電力公司之間實(shí)現實(shí)時(shí)通信，使人們能夠基于環(huán)境和價(jià)格的考慮，最大程度地優(yōu)化能源用量。智能電表使智能電網(wǎng)具有多層智能，能夠實(shí)時(shí)分析、決策、計劃并作出積極的行為。智能電表在智能電網(wǎng)中具備了電力的價(jià)值信號收集和發(fā)布功能，使電網(wǎng)能夠優(yōu)化所有的投資和運行費用，使發(fā)電機組與用戶(hù)電器的關(guān)系更加協(xié)調。由于人們對于智能電表的發(fā)展給予了極大的重視，所以智能電表的發(fā)展異常迅速。

智能電表可以讓用戶(hù)將屋頂風(fēng)電、屋頂光電裝置所生產(chǎn)的電能賣(mài)給電網(wǎng)，將有利于改進(jìn)能源預測，加強網(wǎng)絡(luò )管理。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)部副部長(cháng)望月晴文指出，日本將根據自身的國情，圍繞大規模開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能等新能源、確保電網(wǎng)系統的穩定運行，來(lái)構建獨具日本特色的智能電網(wǎng)。

目前，采用智能電表不僅可以實(shí)現對電能質(zhì)量進(jìn)行監測，而且可以通過(guò)儀表的網(wǎng)絡(luò )通信接口實(shí)現雙向數據遠程傳輸，組成分布式測控網(wǎng)絡(luò )系統。

2智能電表的硬件設計

2.1 MAXQ3180簡(jiǎn)介

MAXQ3180主要由DSP和集成ADC組成，是專(zhuān)用的電氣參數測量前端，它采集并計算多相負載的多相電壓、電流、功率、電能等多種電力品質(zhì)參數。外部主機通過(guò)片內SPI總線(xiàn)讀出計算結果，并且通過(guò)SPI總線(xiàn)來(lái)配置MAXQ3180的工作模式，監測工作狀態(tài)。

2.2硬件結構設計

智能電表的硬件結構如圖2所示。

其中計量芯片和主機的選擇是關(guān)鍵。在智能電表的設計中，專(zhuān)用計量芯片更便于電能和相關(guān)電力品質(zhì)參數的計算，所以將嵌入式控制器分離出來(lái)專(zhuān)門(mén)實(shí)現管理功能，如通信、費率時(shí)段管理、實(shí)時(shí)電價(jià)、存儲管理等。

計量芯片選用Maxim生產(chǎn)的多功能低功耗計量芯片MAXQ3180，主機選用ST公司生產(chǎn)的STM32F107xx增強型ARM嵌入式控制器。由于STM32F107只具有10/100 Ethernet MAC，所以需外加10/100 Mb/s以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848CVV和RJ45連接器J0011D21B。這樣，智能電表可提供一個(gè)以太網(wǎng)通信接口，便于組成分布式通信網(wǎng)絡(luò )。

另外，智能電表還配有HMI人機接口，采用LCD液晶顯示模塊進(jìn)行數據和設定信息的顯示。采用非易失鐵電存儲器FRAM保存累計電能和設定信息。

3智能電表的軟件設計

智能電表的軟件主要由監控程序，鍵盤(pán)掃描程序，顯示程序，設定程序，MAXQ3180數據讀取程序，量程自動(dòng)校正與功率補償程序，數字濾波程序，算法程序，實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序，分時(shí)電價(jià)程序，網(wǎng)絡(luò )通信程序等組成，采用C++語(yǔ)言編程，并進(jìn)行模塊化設計。

4降低系統功耗的設計方法

主機作為智能電表的核心之一，對整個(gè)系統的電源管理負有重要的作用。由于專(zhuān)用計量芯片MAXQ3180的使用，主機只進(jìn)行管理和通信工作，選用低功耗產(chǎn)品STM32F107xx嵌入式控制器可以滿(mǎn)足要求。