基于嵌入式智能仪表技术的智能电网

前言--智能电网是电力和信息产业二者融合
随着我国经济的快速发展，对电力的需求日益增强，而国内能源结构不合理、能源分布不均衡严重制约电力行业的发展，同时网架结构薄弱则限制了新能源有效利用。当今国家电网的智能电网规划将为促进新能源发展构建一个清洁、安全、经济、高效的平台。其智能电网是一个完整的信息架构和基础设施体系，实现对电力客户、电力资产、电力运营的持续监视，从而利用电力和信息融合技术以提高电网公司的管理水平、工作效率、电网可靠性和服务水平。这是很多及相关的企业意识到发展智能电网是解决能源问题的良药，为此均着力应用信息技术提高电网运营能力的智能电网作为研究方向。
1  关于智能电网框架
1.1 智能电网的理念
如今智能电网是以先进的通信技术、传感器技术、信息技术为基础、以电网设备间的信息交互为手段、以实现电网安全、可靠、经济、节能为目的的先进的现代化电力系统。其通信技术、传感器技术、信息技术是智能电网建设的基础。它的内容包括：发电、输电、交电、配电及用电等部份合成。而智能电网的功能就是可以像拥有同互联网一样的智能性和交互性电可以被全国各地乃至全世界合理有效地利用，所有设备都是智能化的，用户产生多余的电都回放到电网上，哪儿需要电，电就送到哪儿。图1为智能电网的基本框架示意图。
从图1可知，智能电网是新技术在电网行业应用的产物，涉及到通信、传感器、信息等技术和水、电、气计量以及智能家电、自动照明、智能温控器等高级计量体系（或称自动计量基础架构-AMI）与自动化仪表（或称自动抄表- AMR），这些技术是智能电网建设的基础，也是智能电网能够实现应用的保证。因为自动化仪表读数连接智能电表，实施AMR的目的是”增强”关键流程。它可以是一个内部或外部模块，通过这个模块，其电、水、气可以与仪表进行远程通信，获取仪表读数。而开发AMI的目的是为了实现增强型资源优化，并己成为智能电网的骨干。而智能电网的数据获取、保护和控制都需要通信系统的支持，因此建立通信系统是迈向智能电网的重要保证；通过传感器可以对整个电网系统进行测量并传输数据，获取实时数据，并提供各种信息交互；信息技术的发展是智能电网的直接推动力，通过信息技术能够实现高级应用，并在合适的时机催生出新的应用模式。智能电网中其设备间的信息交互是实现电网智能化的最重要手段。利用智能电网的互动性，能够实现双向的传输数据，实行动态的浮动电价制度，可以利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，遇到电力供应的高峰期之时，能够在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口，从而达到对整个电力系统运行的优化管理。
1.2 智能电网中智能仪表技术与之配套的网络系统技术
应该说智能电网技术的实现，必须要有智能仪表技术以及与之配套的网络系统等基础设施，见其图2所示的智能仪表技术方案以及与之配套的网络系统示意图。
图2它是一种自动化仪表读数与高级计量体系解决方案，它综合而全面的计量设备产品系列不仪包括针对水、电、气计最应用的器件，而且还包括针对自动仪表读取的电力线通信(PLC)与射频(RF)接口，使其能够设计成“智能仪表计量”解决方案。作为智能化解决方案的一部分，计量表、家用自动凋温器及大型用电器等此前彼此独立的系统将能够实现无线通信，或通过现有的电力线进行通信，从而使消费者能够进一步了解用电情况。该高精度智能电网解决方案集成了TI C2000™ MCU及模拟技术，可执行实时测量、分析以及控制。能不断推动智能电网解决方案的发展，实现更高的精度与效率。从图2可看出：智能仪表计量解决方案具体包括：高度优化的电表SoC（例如应用MSP430FE4xx）；高度优化的低功耗无线电广播SoC（如应用CC2530十CC2591的覆盖范围扩展器、ZigBee、CCll01 ISM）；高度灵活的电力线通信处理器（例如应用TMS320F28xx）；安全的RFID预付费功能；GSM／GPRS通信模块；配套接口与电源管理；低成本集成与批量制造；Wireless M—BUS。
从图2可看出；选用嵌入式处理及模拟技术作为其初级(N、L)测量单元 (PMU) 的首选（见图2左中所标的嵌入式信号处理器MSP430），从而可为公共设施公司实现电力线监控提供稳定可靠的高精度、节能型智能电网解决方案。而应用TMS320F28xx微处理器（见图2左下所示）与高性能模拟技术可实现完整的监控解决方案，使公共设施能够实时监控基本电压线路。经配置的PMU可实现初级仪表测量、配电自动化、中断恢复、高效节能以及高质量电源等优异特性。通过光学传感器并结合PMU可使公共设施具备更高的电网安全性与可靠性以及更高的可视度，实现更快的电力中断响应。此外，公共设施还可优化功率流，提高容量与能源效率，使总负载损耗降低25%。
值得指出的是，在同一芯片上高度集成了光学传感器与双处理器，这一独特的组合可实现数字格式的电力线上电压与电流的测量，（见图2左中所示电压与电流传感检测），从而使处理器能灵活地实现整个系统的高可靠性与高效率。例如应用模拟与嵌入式处理技术能够以更小的空间占用与更低的功耗进行接口、启动及电源处理，实现从原有系统到完整智能电网解决方案的平滑过渡。
由此可看出在自动化仪表读数与高级计量体系中的中支撑术是嵌入式处理器的应用与电源管理及低功托RFIC。需要说明的是：其一、在嵌入式处理器的应用中，同具备数字信号处理器的运算和数据吞吐能力，以及微控制器的低集成成本和易于使用的特点，为许多嵌入式应用提供了强大的单片解决方案，除MSP430之外还有MC9S08LL16/8均是可以理想嵌入在智能电表的处理器。而MC9S08LG32又是经济高效的单相复费率电表与LCD控制器，对于C2000芯片来说 是高端、高性能的嵌入式的处理器。其二、电源管理。有种类繁多的电源管理解决方案，从标准线性稳压器到集成式多通道电源管理IC一应俱全，能够全面应对智能仪表计量电源设计所面临的挑战。利用降压、升压或升—降压DC/DC转换器可提高电源转换效率。其三、低功托RFIC。低功托RFIC可提供低成本、低功耗的RF发送器、收发器、SoC、RF前端以及处理器等，能满足采用不足1GHz和2.4GHz频带的短距离应用的需求。如新型的RFIC可满足低系统成本、高集成度、低功耗以及高灵活性等众多严格要求。此外还有到面向ZigBee、WPAN、WMBUS、OFDM以及 SFSK调制的专用软件支持，一应俱全。
2  基于嵌入式智能仪表技术的智能电网与远程无线抄表系统
可以说，当今高级计量体系设备大多数是智能电表，它是智能电网的终端用户。
2.1 智能电网的发展，先是智能电表。
智能电网主要是更加有效地去管理好电发出来电之后的输、送、配这些环节。这智能电网中，主要涉及大量的智能电表、传感器等设备，而智能电网的发展，先是智能电表，因为它在高级计量体系设备中占绝大多数，有了智能电表，才能实现可再生能源发电的上网和并网。所以智能电网要第一步就是安装智能电表。因智能表允许家用和商用电能系统自动将电能消费纪录传给公用事业管理中心和终端使用者，允许每个人跟踪其电能使用情况并且随时调节使用量。如果用户家中有数字工具可以控制电能的使用量，那么在用电高峰时期输电网的最大负荷就可以减少高达15％，未来20年里不用再建新的发电厂和配套基础设施，由此可以节省几百亿美元。为此将以新型智能电表的的设计应用为重点作分析说明。
当今新型智能电表至少须具备数字化、实时与双向通讯等功能。近年中国电表的趋势就是将机械式电表全面更新为电子式电表，并具备．单项自动抄表功能。随着国家电网公司今年将完善新水电子式电表标准，电子式电表在未来会有更好的前景单相电子式、多功能复费率电表、IC卡预付费电表将在未来会快速增长。
电子式电表通常包括电源、电能计量芯片、微控制器及RTC、LDC显示屏和通讯端口等其它附加模块。
2.1.1 智能电表技术基本架构的设计思想实现与例举
设计思想
非接触式预付费系统式成为首选。这是因预付费意为预先支付公用事业服务费用，例如水电费、煤气费等。一张非接触式智能卡就能记录所有信息，包括用户的使用时间、用量和花费非擅触式技术的优势。而非接触式智能卡密封性好，能抵抗恶劣环境的侵蚀，如高温、低温、潮湿、水和灰尘等，因此保证了卡的寿命更长。即便卡损坏了，卡内的片照样可以工作，非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致接触不良造成的故障。非接触式IC卡表面无裸露芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿，弯曲损坏等问题，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。
为什么非接触式预付费系统安全？只要和金钱相关，不法分子总会想方设法不付费或者少付费。尤其是在水电短缺的国家，偷电偷水的激励更大，因此公用事业公司应该防止不法分子的偷窃行为。非接触式预付费技术因避免了数据在用户和电网公司之间的传送而更加安全。只签名、不加密、传送渠道也不安全的数据极易被阅读和操纵。非接触式预付费系统只在读卡器和IC卡之间传送数据，不受外界干扰。当然读卡器和IC卡之间传送数据也要安全，以防止有人恶意窃取卡内金额。
智能电表基本架构
电子式电表通常包括电源、电能计量芯片、微控制器及RTC、LDC显示屏和通讯端口等其它附加模块。图3为新型智能电表基本架构示意框图。
2.1.2 智能电表实现与例举
根据基本架构应用MSP430超低功耗微处理器(MCU)或MC9S08LG32经济高效的单相复费率电表与LCD控制器及MAX2000系列微控制器均可设计成非接触式预付费系统、单相复费率电表、三相多复费率电表及单相防窃电电表等智能电表。值此仅以应用MAXQ3180芯片设计的新型智能电表模拟前端为例与三相单芯片电能表及三相电能表系统作分析说明。
MAXQ3180芯片设计的新型智能电表模拟前端
• 为何将智能电表模拟前端的设计单独列项说明呐？
众所周知，三相电通常供给大型工业用户和多户住宅。由于电费账单是基于用电量计算的，供电部门必须精确测量所有三相电，向用户收取合理费用。很多应用中仅使用单相电，常见的是单户住宅和小型企业。单相电测量同样要求测量电器设备（电冰箱和电脑等）的功耗。则低功耗、多功能、多相AFE MAXQ3180是一种有效选择。因它具有谐波和对篡改可
检测的先进电计量表的IC，是用于智能化表计设计理想选择。为什么这样说呐？
就在于MAXQ3180是一个专用的电表测量模拟前端，用于采集并计算多相电压、电流、功率、能量等多项计量参数和多相负载的功率品质因数。外部主机通过片内SPI™总线读取计算结果。还通过该总线来对MAXQ3180进行配置，并监测其工作状态。MAXQ3180采用集成ADC进行电压和电流测量，最多可测量7个外部差分信号，第8个差分信号对用于测量管芯温度，内部放大器自动调整电流通道增益，以补偿小电流通道电平。
• 单相电表系统中使用模拟前端MAXQ3180设计方案
虽然MAXQ3180设计用于测量三相电，但也可以仅使用A相，断开B相、C相的连接以测量单相电量。MAXQ3180多功能、多相AFE（模拟前端）能够用于单相测量。只需简化器件与电网和负载的连接，即可实现这一应用。这种配置下还能够提高器件性能，因为通过关闭不用通道的扫描功能大大降低了每周期所需的计算量。下图4是在单相电表系统中使用模拟前端MAXQ3180的典型应用电路。
三相单芯片电能表与三相多费率电能表系统
• 三相单芯片电能表
得益于MSP430的高性能ADCl2，以及增益同步切换技术，可以利用ADC12实现全部的电力测量，而省略了外部高昂的计量芯片，降低成本。由于MSP430良好的兼容性，可以把同样的采样和信号处理的软件在F437、F449、FG461x等不同的MSP430器件上移植，实现系列化的三相表平台。低功耗对于单相多费率表来说是非常重要，LCD显示，方便抄表，费率表显示的内容多，需要通过按键切换显示；一些地方，表被安装在表箱里，由于表箱位置高或表箱光线暗等原因，人眼无法抄表，通过红外手掌机抄表是一个不错的方案，MSP430的超低功耗，即使在停电时也能实现低功耗的红外抄表。
• 三相多费率电能表系统
该三相复费率电表采用MSP430F449为处理器，具有分时计量用户所用电量的功能；可实现多种用电费率计费和集中抄表功能。其功能如下：在5-20A电流时可达0.5级精度，50-60Hz的额定电压为100-300V；可实现复费率系统，并可测量：功率因子、有功功率、无功功率、电压、电流最需量；误差分析和自动调校；工业级标准，温度范围从-40-85℃，静态电流3μA，此时实时时钟还在运行，以便实现日历功能，电池供电可维持10年以上；内置温度传感器；提供开放式C语言源代码，MSP430FLASH型的MCU可按照不同消费者的要求很方便的实现二次编程；低廉易操作的开发工具，可用笔记本电脑进行现场调试诊断；具有RS485或红外通讯接口。图5为三相电能表系统实现3相位测量模块示意图。
2.2 远程无线抄表为智能电网终端用户增添新动力
作为智能电网的终端用户除了智能电表之外还有远程无线抄表。其中远程无线抄表是基于GPRS的无线传输模块。其中比较典型的是嵌入式GPRS无线数传模块DTU在电力抄表中的应用。图6为嵌入式DTU在电力抄表中的应用方案示意图。它是嵌入式GPRS无线数传模块ZWG—23DP的应用。从6图可知，电力载波集中器通过电力猫定期读取载波电表的用电量（即：抄表），并将数据进行协议封包和加密。前期处理工作完成后，集中器开始检测GPRS DTU在线状态（通过检查串口DCD上线指示信号是否为低电平），当检测到上线后，即可通过DTU向管理工作站的数据中心服务器发送数据。服务器收到数据后返回应答信号，并进行下一步处理。整个过程中，集中器不需要对DTU进行任何拨号操作和其它额外的状态机管理，只需检查DTU是否在线，即：是否和服务器保持连接。完全可以把DTU当成一个“无线的串口”来使用，这个“无线串口”没有任何协议，完全透明传输。可以根据用户的要求对产品的接口形式和功能进行修改。图6为为嵌入式无线数传模块在远程无线抄表中应用方案示意图。
该远程无线抄表传输速度非常快，不仅能够传输电表读数，还可以监控负载、实时流量、有无工作异常、视频监控，以及其它特殊需求，适合高端电表的应用以及偏远、恶劣环境地区的需要。
3  结语
有了基于嵌入式智能仪表技术的智能电网以后，则为安全、可靠、经济、节能电网目标实现奠定了基础。在此要需而进而说明的是，智能电表将是建立家庭和供电企业双向沟通的第一步，一旦智能电表被采用，家庭局域网（见图2右上方）将帮助创建一个能源网关来连接到家庭智能家电、自动照明、智能温控器和其他用电密集的设备。而有了第一步，那接下来是实现电力生产的分布式。因今后我们的电网的电力的来源应该是多种多样的，包括可再生能源诸如风能、太阳能等，它们与煤电一样都可以注入到电网当中去。其中智能电网的另外一个重要因素是智能网关。智能网关是以一种非常迅速、即时的方式，把电流转入最需要这一些电流的地方去。比如白天上班期间，大型建筑物、办公室用电量肯定是非常大的。智能网关就应该是把更多的电流引导到去这种大的电力用户那里，如还把我们的用风电、太阳能电引导到这些大的电力用户那里等等安全用电功能。