智能電網AMI中的智能電表系統(tǒng)設計

0引言

隨著全球資源逐漸稀缺、環(huán)境壓力不斷增大、電力市場化進程不斷深入及用戶對電能可靠性和質量要求的不斷提升，電力行業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)和機遇，建設更加安全、可靠、環(huán)保、經濟的電力系統(tǒng)已經成為全球電力行業(yè)的共同目標。智能電網(SmartGrid)就是利用現代測量、通信、計算機、自動化等IT先進技術，允許可再生能源順利接入電網，提高電力系統(tǒng)的能源轉換和傳輸效率，確保電網運行更可靠、更靈活、更經濟，能為用戶提供更高的供電質量和更優(yōu)質的服務。智能電網包含從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度六個環(huán)節(jié)，智能電表屬于智能用電的環(huán)節(jié)。智能電網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，掌握該核心技術優(yōu)勢和市場優(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的快速發(fā)展具有重要意義。

1智能電表概述

智能電網的關鍵技術主要由四部分組成，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和高級資產管理體系AAMI。智能電網必須具備靈活的網絡結構和集成的通信系統(tǒng)，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，使系統(tǒng)同負荷建立起聯(lián)系，使用戶能夠支持電網的運行。AMI是許多技術和應用集成的解決方案，其關鍵技術和功能主要包括：

(1)智能電表

智能電網AMI中的智能電表系統(tǒng)設計電價是電力改革的關鍵。在發(fā)展智能電網中，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，而且能顯示電能價格，將推動新的用電方式和生活方式。

(2)通信網絡

采取固定的雙向通信網絡，能夠把采集的數據信息(包括故障報警和裝置干擾報警)實時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(tǒng)MDMS

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

(4)用戶室內網HAN

通過網關或用戶入口把智能電表和用戶戶內可控的電器或裝置連接起來，使得用戶能根據電力公司的需要，積極參與需求響應或電力市場。

(5)提供用戶服務

如分時或實時電價等。

(6)遠程接通或斷開

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現實時通信，使人們能夠基于環(huán)境和價格的考慮，最大程度地優(yōu)化能源用量。智能電表使智能電網具有多層智能，能夠實時分析、決策、計劃并作出積極的行為。智能電表在智能電網中具備了電力的價值信號收集和發(fā)布功能，使電網能夠優(yōu)化所有的投資和運行費用，使發(fā)電機組與用戶電器的關系更加協(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將屋頂風電、屋頂光電裝置所生產的電能賣給電網，將有利于改進能源預測，加強網絡管理。日本經濟產業(yè)部副部長望月晴文指出，日本將根據自身的國情，圍繞大規(guī)模開發(fā)太陽能等新能源、確保電網系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，來構建獨具日本特色的智能電網。

目前，采用智能電表不僅可以實現對電能質量進行監(jiān)測，而且可以通過儀表的網絡通信接口實現雙向數據遠程傳輸，組成分布式測控網絡系統(tǒng)。

2智能電表的硬件設計

2.1 MAXQ3180簡介

MAXQ3180主要由DSP和集成ADC組成，是專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參數。外部主機通過片內SPI總線讀出計算結果，并且通過SPI總線來配置MAXQ3180的工作模式，監(jiān)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鍵。在智能電表的設計中，專用計量芯片更便于電能和相關電力品質參數的計算，所以將嵌入式控制器分離出來專門實現管理功能，如通信、費率時段管理、實時電價、存儲管理等。

計量芯片選用Maxim生產的多功能低功耗計量芯片MAXQ3180，主機選用ST公司生產的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以太網通信接口，便于組成分布式通信網絡。

另外，智能電表還配有HMI人機接口，采用LCD液晶顯示模塊進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(jiān)控程序，鍵盤掃描程序，顯示程序，設定程序，MAXQ3180數據讀取程序，量程自動校正與功率補償程序，數字濾波程序，算法程序，實時時鐘程序，分時電價程序，網絡通信程序等組成，采用C++語言編程，并進行模塊化設計。

4降低系統(tǒng)功耗的設計方法

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