高級計量體系(AMI)中的智能電能表設計
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頂層為主站層，是AMI系統(tǒng)的測量／計量數(shù)據(jù)管理中心、AMI通信管理中心和電力用戶預付費管理中心。
第二層為上行通信層，滿足主站與電表、主站與手持終端等遠程通信的需求，為電網(wǎng)公司和電力用戶提供雙向交互的通信信道。
第三層為智能計量與分布式電源接入層，包含智能電能表、智能手持終端、分布式發(fā)電系統(tǒng)等設備或裝置。
其中，智能電能表作為核心設備主要實現(xiàn)電能計量、需量測量、階梯電價、費率和時段、凍結、預付費功能、參數(shù)設置、事件記錄及上報、遠程通信、本地通信、數(shù)據(jù)采集存儲、編程、電價計費等功能；智能手持終端輔助主站系統(tǒng)完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場售電、現(xiàn)場客戶服務等功能；分布式發(fā)電系統(tǒng)含電源和并網(wǎng)設備，實現(xiàn)分布式能源接入。
最底層為戶內智能終端層，顯示終端與智能電能表構成電力用戶與電網(wǎng)交互的門戶。
1．2 智能電能表在AMI中的作用
在AMI四層結構中，智能電能表發(fā)揮著重要作用。智能電能表將有助于在消費者和電力公司之間實現(xiàn)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。智能電能表使智能電網(wǎng)具有多層智能，能夠實時分析、決策、計劃并作出積極的行為。
目前，采用智能電能表不僅可以實現(xiàn)對電能質量進行監(jiān)測，而且可以通過儀表的網(wǎng)絡通信接口實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)遠程傳輸，組成分布式測控網(wǎng)絡系統(tǒng)。
智能電能表不但能顯示用電量，而且能顯示電能價格，能實現(xiàn)連續(xù)的帶有時標的多種間隔用電計量，而且具有電量凍結功能，可以存儲特定時刻的電量數(shù)據(jù)，比如設定存儲月末零點時刻的電量數(shù)據(jù)，為實行居民用電階梯電價收費奠定基礎。
1．3 智能電能表的工作原理
智能電能表是由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成，具有電能量計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能的電能表。單、三相智能電能表都是多功能意義上的電能表，是在電能計量基礎上重點擴展了信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能。
它的工作原理如下：采用計量芯片或A／D轉換器對用戶供電電壓和電流實時采樣，通過MCU進行處理計算，完成峰谷、正反向或四象限電能的計量，并將電量信息等通過顯示或通信的方式輸出。智能電能表工作原理圖如圖2所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201805.htm
2 智能電能表的硬件設計
2．1 計量芯片設計
對于電能計量芯片，在功能方面除實現(xiàn)基本的電能計量外，還要求能夠測量電壓、電流(火線及零線)、分相功率、功率因數(shù)等電參量。而在性能方面要求具有更高的測量精度、更寬的測量范圍及更好的產品一致性。性能的提高要求在設計中計量芯片均采用單獨的芯片。計量芯片將來自電壓／電流互感器的模擬信號轉換為數(shù)字信號，并對其進行積分運算，從而精確地獲得有功、無功電能，實現(xiàn)防竊電功能、諧波分析等。
2．2 MCU設計
智能電能表含有功能較強的微控制器(MCU)，將計算機的CPU，RAM，ROM，定時器／計數(shù)器和多種I／O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的微計算機。
微控制器依據(jù)相應費率和需量等要求對數(shù)據(jù)進行處理，計算后的結果保存在數(shù)據(jù)存儲器單元中，并可隨時向外部接口提供信息和進行數(shù)據(jù)交換。有MCU的支持，可以方便地實現(xiàn)智能電網(wǎng)供電系統(tǒng)內精確、可靠地管理，不僅可以實現(xiàn)用戶清潔能源輸送到電網(wǎng)的雙向計量、雙向通信，而且還可以通過強大的I／O接口，實現(xiàn)智能家電的控制功能。
2．3 通信芯片設計
智能電能表的通信芯片采用可熱拔插的通信模塊，可采用寬帶無線(McWill)、電力線載波(PLC)、無線公網(wǎng)(GPRS)和短距離無線、RS 485、電力紅外等方式與智能顯示終端、智能手持終端雙向通信。支持其他通信技術的無縫接入，模塊更換后具備自動識別功能。
2．4 時鐘芯片設計
智能電能表復費率、預付費、階梯電價等多種功能的實現(xiàn)，都需要準確的獨立時鐘的支撐，應采用具有溫度補償功能的內置硬件時鐘電路。常用的如DS3231具有集成的溫補晶振(TCXO)和晶體。包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持精確的計時。集成晶振提高了器件的長期精確度，并減少了生產線的元件數(shù)量。其主要特性為0～40℃范圍內精度為±2 ppm，-40～+85℃范圍內精度為±3～ppm，始終滿足約±5 ppm(0．5 s／d)的行業(yè)要求。該芯片提供電池備份輸入，有效地降低了功耗。
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