高級計(jì)量體系(AMI)中的智能電能表設(shè)計(jì)
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頂層為主站層，是AMI系統(tǒng)的測量／計(jì)量數(shù)據(jù)管理中心、AMI通信管理中心和電力用戶預(yù)付費(fèi)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(yuǎn)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(jì)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(shè)備或裝置。
其中，智能電能表作為核心設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量、需量測量、階梯電價(jià)、費(fèi)率和時(shí)段、凍結(jié)、預(yù)付費(fèi)功能、參數(shù)設(shè)置、事件記錄及上報(bào)、遠(yuǎn)程通信、本地通信、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、編程、電價(jià)計(jì)費(fèi)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(wù)等功能；分布式發(fā)電系統(tǒng)含電源和并網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)分布式能源接入。
最底層為戶內(nèi)智能終端層，顯示終端與智能電能表構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fèi)者和電力公司之間實(shí)現(xiàn)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。智能電能表使智能電網(wǎng)具有多層智能，能夠?qū)崟r(shí)分析、決策、計(jì)劃并作出積極的行為。
目前，采用智能電能表不僅可以實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，而且可以通過儀表的網(wǎng)絡(luò)通信接口實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，組成分布式測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
智能電能表不但能顯示用電量，而且能顯示電能價(jià)格，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的帶有時(shí)標(biāo)的多種間隔用電計(jì)量，而且具有電量凍結(jié)功能，可以存儲(chǔ)特定時(shí)刻的電量數(shù)據(jù)，比如設(shè)定存儲(chǔ)月末零點(diǎn)時(shí)刻的電量數(shù)據(jù)，為實(shí)行居民用電階梯電價(jià)收費(fèi)奠定基礎(chǔ)。
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(jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)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(jì)量基礎(chǔ)上重點(diǎn)擴(kuò)展了信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)控制、信息交互等功能。
它的工作原理如下：采用計(jì)量芯片或A／D轉(zhuǎn)換器對用戶供電電壓和電流實(shí)時(shí)采樣，通過MCU進(jìn)行處理計(jì)算，完成峰谷、正反向或四象限電能的計(jì)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(shè)計(jì)
2．1 計(jì)量芯片設(shè)計(jì)
對于電能計(jì)量芯片，在功能方面除實(shí)現(xiàn)基本的電能計(jì)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(chǎn)品一致性。性能的提高要求在設(shè)計(jì)中計(jì)量芯片均采用單獨(dú)的芯片。計(jì)量芯片將來自電壓／電流互感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對其進(jìn)行積分運(yùn)算，從而精確地獲得有功、無功電能，實(shí)現(xiàn)防竊電功能、諧波分析等。
2．2 MCU設(shè)計(jì)
智能電能表含有功能較強(qiáng)的微控制器(MCU)，將計(jì)算機(jī)的CPU，RAM，ROM，定時(shí)器／計(jì)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(jì)算機(jī)。
微控制器依據(jù)相應(yīng)費(fèi)率和需量等要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算后的結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元中，并可隨時(shí)向外部接口提供信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。有MCU的支持，可以方便地實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)供電系統(tǒng)內(nèi)精確、可靠地管理，不僅可以實(shí)現(xiàn)用戶清潔能源輸送到電網(wǎng)的雙向計(jì)量、雙向通信，而且還可以通過強(qiáng)大的I／O接口，實(shí)現(xiàn)智能家電的控制功能。
2．3 通信芯片設(shè)計(jì)
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(shù)的無縫接入，模塊更換后具備自動(dòng)識(shí)別功能。
2．4 時(shí)鐘芯片設(shè)計(jì)
智能電能表復(fù)費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)、階梯電價(jià)等多種功能的實(shí)現(xiàn)，都需要準(zhǔn)確的獨(dú)立時(shí)鐘的支撐，應(yīng)采用具有溫度補(bǔ)償功能的內(nèi)置硬件時(shí)鐘電路。常用的如DS3231具有集成的溫補(bǔ)晶振(TCXO)和晶體。包含電池輸入端，斷開主電源時(shí)仍可保持精確的計(jì)時(shí)。集成晶振提高了器件的長期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。其主要特性為0～40℃范圍內(nèi)精度為±2 ppm，-40～+85℃范圍內(nèi)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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