0 引言

　　隨著信息時代的來臨，如何更高效地利用能源、節(jié)約能源，在全球范圍內(nèi)被給予了越來越多的關(guān)注，電力行業(yè)正面臨著諸多新挑戰(zhàn)。作為順應(yīng)電力發(fā)展趨勢的產(chǎn)物，智能電網(wǎng)必將掀起一番新浪潮。智能電網(wǎng)是以傳統(tǒng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合計算機、通信、傳感等多種技術(shù)于一身的新型電網(wǎng)，具有數(shù)字化、自動化、信息化和互動化等基本特征［1-2］。本文主要涉及智能電網(wǎng)的用戶端，包括智能電表、智能電器開關(guān)以及戶內(nèi)控制系統(tǒng)。三者通過無線通信構(gòu)成一個用電系統(tǒng)的戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。智能電表和智能電器開關(guān)將記錄的信息發(fā)送給戶內(nèi)控制系統(tǒng)，用戶通過操作平臺實現(xiàn)對戶內(nèi)用電的控制，戶內(nèi)控制系統(tǒng)將控制指令發(fā)送給各智能電器開關(guān)。

　　1 智能電表

　　1.1 智能電表主要功能

　　1）電能計量：對多種時段多種費率模式電能分別統(tǒng)計［3］，對有功、無功電能使用情況進行計量，測算電能電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等豐富信息，從而更好地幫助用戶分析用電情況，制定合理的用電規(guī)劃。

　　2）電能監(jiān)管：與實時費率系統(tǒng)配合，將電能使用量控制在設(shè)置的閾值以內(nèi)。與分布式發(fā)電相配合，將其發(fā)出的電能并網(wǎng)供給用戶直接使用或者由相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)一管理，當(dāng)主電網(wǎng)故障時，與分布式發(fā)電管理系統(tǒng)共同協(xié)作實現(xiàn)孤島系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。與戶內(nèi)控制系統(tǒng)配合對各智能電器進行管理，幫助電網(wǎng)的削峰填谷，提高電力供應(yīng)可靠性，從而更合理、高效地使用電能。

　　3）通信系統(tǒng)：采用雙向通信模式，在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的同時接受指令信息，比如實時費率標(biāo)準(zhǔn)、電表程序升級設(shè)置等一些其他遠(yuǎn)程操作。

　　1.2 智能電表硬件設(shè)計

　　根據(jù)智能電表的各項功能，設(shè)計其結(jié)構(gòu)框圖，如圖2 所示。智能電表包含有控制管理、電源、計量、通信、時鐘、數(shù)據(jù)存儲、LCD、LED、按鍵等模塊。

　　1.2.1 控制管理模塊

　　控制管理模塊作為智能電表的核心單元，它的主要作用是將各個模塊整合成整體、協(xié)調(diào)合作。芯片的集成度、功耗以及價位均是需要考慮的因素。在本設(shè)計中采用的是Freescale 公司的一款8 位控制芯片MC9S08LL64，其最大的特點就是超低功耗，并帶有內(nèi)置LCD 驅(qū)動，適合計量表計。

　　1.2.2 電源模塊

　　智能電表各模塊所需電壓為+5 V 和+3.3 V 兩種。從電網(wǎng)接入工頻單相交流電，經(jīng)變壓器降壓、整流、濾波后，由三端穩(wěn)壓器78L05 獲得+5 V 電源；+5 V 電源的另一個支路再經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM1117IMPX-3.3 即可獲得+3.3 V 電源，并將+3 V 電池作為后備電源與+3.3 V 電源并聯(lián)，當(dāng)電網(wǎng)停電時，電池作為后備電源為指定器件供電，從而保證重要數(shù)據(jù)不丟失。

　　電表作為一種不間斷工作的在線電能計量器件，對可靠性和公平性具有很高的要求。本設(shè)計在系統(tǒng)電源輸入端串聯(lián)熱敏電阻進行過壓保護，并聯(lián)壓敏電阻進行雷擊保護。

　　1.2.3 電能計量模塊

　　目前，電能表的計量芯片有模擬型乘法器和數(shù)字型乘法器兩種［4］。前者主要分為時分割乘法器和吉爾波特變跨導(dǎo)乘法器兩類，后者則根據(jù)A/D 變換原理不同分成逐次比較型數(shù)字乘法器和Σ-△型數(shù)字乘法器。Σ-△型電能計量芯片由于其高精度占據(jù)了較大的市場份額。

　　本設(shè)計選用ADI 公司的一款高精度電能計量芯片ADE7753。它內(nèi)置數(shù)字積分器，具有di/dt 微分電流傳感器接口，提供有功、無功、視在功率能量值，采樣波形以及電壓和電流有效值，在1000:1 的動態(tài)范圍內(nèi)，誤差小于0.1％，低功耗，并且具有與SPI 兼容的串行接口。

　　1.2.4 通信模塊

　　目前常用的通信方式有RS485、紅外、低壓電力載波和無線等［5］。

　　RS485 雙絞線通信方式實現(xiàn)較易，但傳輸距離短、布線復(fù)雜、維護困難；紅外通信自動化程度低，抄收距離受限，已漸漸退出通信前沿；低壓電力載波通過輸電線路來實現(xiàn)通信，該方式的最大優(yōu)點是無需單獨布線，但目前在傳輸距離和信號質(zhì)量上仍存在一些難題，可靠性稍差；無線通信在許多地區(qū)已盛行，其中具有代表性的無線抄表方案有基于GPRS 的無線數(shù)據(jù)接入、基于WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)的無線接入、基于CFDA 技術(shù)的無線數(shù)據(jù)接入技術(shù)以及ZigBee 技術(shù)。

　　ZigBee 是近年來發(fā)展迅猛的一種無線通信技術(shù)［6］，是一種基于IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)提出的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以解決傳感器間數(shù)據(jù)傳遞和交換。ZigBee 具有網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好、容量大、安裝維護方便、抗干擾能力強、安全性好、功耗低、造價低等特點，適用于電子設(shè)備間的無線數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊選用TI 公司的芯片CC2530，它是一個真正用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾性。

　　1.2.5 時鐘模塊

　　實時時鐘的主要作用是為電表提供精確的時間基準(zhǔn)，它與電表的系統(tǒng)誤差、電費結(jié)算、事件記錄等都有一定關(guān)聯(lián)。本設(shè)計采用EPSON 公司專為中國表計行業(yè)設(shè)計的一款實時計時芯片RX8025，采用IIC 總線通信模式，功耗低且精準(zhǔn)度高。

　　1.2.6 數(shù)據(jù)存儲模塊

　　電表對安全性的要求非常高，一些重要數(shù)據(jù)丟失將會造成嚴(yán)重后果，因此本設(shè)計中，選用Ramtron 公司的鐵電存儲器FM24CL64，它與EEPROM 相比，讀寫速度和耐用性能高出幾個數(shù)量級，無讀寫次數(shù)限制，且功耗極低，能充分滿足智能電表的要求。

　　1.2.7 其他模塊

　　本智能電表的人機接口部分設(shè)計采用段碼式LCD 顯示各種信息；三個LED 作報警提示；一個按鍵供工作人員進行相關(guān)調(diào)試；并設(shè)有開蓋檢測電路對電表的開蓋事件作記錄上報，防止非法操作，確保電表安全。

　　2 智能電器開關(guān)

　　圖3 即為智能電器開關(guān)示意圖，它是一個連接用電器和電源的中間設(shè)備，由于現(xiàn)階段電器的智能化尚無法滿足構(gòu)建戶內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)的要求，因此可將智能電器開關(guān)看作一種過渡型器件。

　　2.1 智能電器開關(guān)主要功能

　　1）對用電器的用電量進行計量；

　　2）通過無線通信將用電信息上報；

　　3）接收戶內(nèi)控制系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，對用電器執(zhí)行通斷等操作。

　　2.2 智能電器開關(guān)硬件設(shè)計

　　圖4 即為智能電器開關(guān)框圖，它與智能電表相比少了LCD 模塊，多了開關(guān)模塊。

　　0 引言

　　隨著信息時代的來臨，如何更高效地利用能源、節(jié)約能源，在全球范圍內(nèi)被給予了越來越多的關(guān)注，電力行業(yè)正面臨著諸多新挑戰(zhàn)。作為順應(yīng)電力發(fā)展趨勢的產(chǎn)物，智能電網(wǎng)必將掀起一番新浪潮。智能電網(wǎng)是以傳統(tǒng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合計算機、通信、傳感等多種技術(shù)于一身的新型電網(wǎng)，具有數(shù)字化、自動化、信息化和互動化等基本特征［1-2］。本文主要涉及智能電網(wǎng)的用戶端，包括智能電表、智能電器開關(guān)以及戶內(nèi)控制系統(tǒng)。三者通過無線通信構(gòu)成一個用電系統(tǒng)的戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。智能電表和智能電器開關(guān)將記錄的信息發(fā)送給戶內(nèi)控制系統(tǒng)，用戶通過操作平臺實現(xiàn)對戶內(nèi)用電的控制，戶內(nèi)控制系統(tǒng)將控制指令發(fā)送給各智能電器開關(guān)。

　　1 智能電表

　　1.1 智能電表主要功能

　　1）電能計量：對多種時段多種費率模式電能分別統(tǒng)計［3］，對有功、無功電能使用情況進行計量，測算電能電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等豐富信息，從而更好地幫助用戶分析用電情況，制定合理的用電規(guī)劃。

　　2）電能監(jiān)管：與實時費率系統(tǒng)配合，將電能使用量控制在設(shè)置的閾值以內(nèi)。與分布式發(fā)電相配合，將其發(fā)出的電能并網(wǎng)供給用戶直接使用或者由相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)一管理，當(dāng)主電網(wǎng)故障時，與分布式發(fā)電管理系統(tǒng)共同協(xié)作實現(xiàn)孤島系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。與戶內(nèi)控制系統(tǒng)配合對各智能電器進行管理，幫助電網(wǎng)的削峰填谷，提高電力供應(yīng)可靠性，從而更合理、高效地使用電能。

　　3）通信系統(tǒng)：采用雙向通信模式，在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的同時接受指令信息，比如實時費率標(biāo)準(zhǔn)、電表程序升級設(shè)置等一些其他遠(yuǎn)程操作。

　　1.2 智能電表硬件設(shè)計

　　根據(jù)智能電表的各項功能，設(shè)計其結(jié)構(gòu)框圖，如圖2 所示。智能電表包含有控制管理、電源、計量、通信、時鐘、數(shù)據(jù)存儲、LCD、LED、按鍵等模塊。

　　1.2.1 控制管理模塊

　　控制管理模塊作為智能電表的核心單元，它的主要作用是將各個模塊整合成整體、協(xié)調(diào)合作。芯片的集成度、功耗以及價位均是需要考慮的因素。在本設(shè)計中采用的是Freescale 公司的一款8 位控制芯片MC9S08LL64，其最大的特點就是超低功耗，并帶有內(nèi)置LCD 驅(qū)動，適合計量表計。

　　1.2.2 電源模塊

　　智能電表各模塊所需電壓為+5 V 和+3.3 V 兩種。從電網(wǎng)接入工頻單相交流電，經(jīng)變壓器降壓、整流、濾波后，由三端穩(wěn)壓器78L05 獲得+5 V 電源；+5 V 電源的另一個支路再經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM1117IMPX-3.3 即可獲得+3.3 V 電源，并將+3 V 電池作為后備電源與+3.3 V 電源并聯(lián)，當(dāng)電網(wǎng)停電時，電池作為后備電源為指定器件供電，從而保證重要數(shù)據(jù)不丟失。

　　電表作為一種不間斷工作的在線電能計量器件，對可靠性和公平性具有很高的要求。本設(shè)計在系統(tǒng)電源輸入端串聯(lián)熱敏電阻進行過壓保護，并聯(lián)壓敏電阻進行雷擊保護。

　　1.2.3 電能計量模塊

　　目前，電能表的計量芯片有模擬型乘法器和數(shù)字型乘法器兩種［4］。前者主要分為時分割乘法器和吉爾波特變跨導(dǎo)乘法器兩類，后者則根據(jù)A/D 變換原理不同分成逐次比較型數(shù)字乘法器和Σ-△型數(shù)字乘法器。Σ-△型電能計量芯片由于其高精度占據(jù)了較大的市場份額。

　　本設(shè)計選用ADI 公司的一款高精度電能計量芯片ADE7753。它內(nèi)置數(shù)字積分器，具有di/dt 微分電流傳感器接口，提供有功、無功、視在功率能量值，采樣波形以及電壓和電流有效值，在1000:1 的動態(tài)范圍內(nèi)，誤差小于0.1％，低功耗，并且具有與SPI 兼容的串行接口。

　　1.2.4 通信模塊

　　目前常用的通信方式有RS485、紅外、低壓電力載波和無線等［5］。

　　RS485 雙絞線通信方式實現(xiàn)較易，但傳輸距離短、布線復(fù)雜、維護困難；紅外通信自動化程度低，抄收距離受限，已漸漸退出通信前沿；低壓電力載波通過輸電線路來實現(xiàn)通信，該方式的最大優(yōu)點是無需單獨布線，但目前在傳輸距離和信號質(zhì)量上仍存在一些難題，可靠性稍差；無線通信在許多地區(qū)已盛行，其中具有代表性的無線抄表方案有基于GPRS 的無線數(shù)據(jù)接入、基于WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)的無線接入、基于CFDA 技術(shù)的無線數(shù)據(jù)接入技術(shù)以及ZigBee 技術(shù)。

　　ZigBee 是近年來發(fā)展迅猛的一種無線通信技術(shù)［6］，是一種基于IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)提出的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以解決傳感器間數(shù)據(jù)傳遞和交換。ZigBee 具有網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好、容量大、安裝維護方便、抗干擾能力強、安全性好、功耗低、造價低等特點，適用于電子設(shè)備間的無線數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊選用TI 公司的芯片CC2530，它是一個真正用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾性。

　　1.2.5 時鐘模塊

　　實時時鐘的主要作用是為電表提供精確的時間基準(zhǔn)，它與電表的系統(tǒng)誤差、電費結(jié)算、事件記錄等都有一定關(guān)聯(lián)。本設(shè)計采用EPSON 公司專為中國表計行業(yè)設(shè)計的一款實時計時芯片RX8025，采用IIC 總線通信模式，功耗低且精準(zhǔn)度高。

　　1.2.6 數(shù)據(jù)存儲模塊

　　電表對安全性的要求非常高，一些重要數(shù)據(jù)丟失將會造成嚴(yán)重后果，因此本設(shè)計中，選用Ramtron 公司的鐵電存儲器FM24CL64，它與EEPROM 相比，讀寫速度和耐用性能高出幾個數(shù)量級，無讀寫次數(shù)限制，且功耗極低，能充分滿足智能電表的要求。

　　1.2.7 其他模塊

　　本智能電表的人機接口部分設(shè)計采用段碼式LCD 顯示各種信息；三個LED 作報警提示；一個按鍵供工作人員進行相關(guān)調(diào)試；并設(shè)有開蓋檢測電路對電表的開蓋事件作記錄上報，防止非法操作，確保電表安全。

　　2 智能電器開關(guān)

　　圖3 即為智能電器開關(guān)示意圖，它是一個連接用電器和電源的中間設(shè)備，由于現(xiàn)階段電器的智能化尚無法滿足構(gòu)建戶內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)的要求，因此可將智能電器開關(guān)看作一種過渡型器件。

　　2.1 智能電器開關(guān)主要功能

　　1）對用電器的用電量進行計量；

　　2）通過無線通信將用電信息上報；

　　3）接收戶內(nèi)控制系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，對用電器執(zhí)行通斷等操作。

　　2.2 智能電器開關(guān)硬件設(shè)計

　　圖4 即為智能電器開關(guān)框圖，它與智能電表相比少了LCD 模塊，多了開關(guān)模塊。

　　2.2.1 控制管理模塊

　　同智能電表相比，智能電器開關(guān)在功能上要少很多，但安裝數(shù)量較多，因此在設(shè)計時經(jīng)濟實用性著重考慮。該模塊選用ATMEL 公司的一款低功耗8 位芯片ATmega8535。

　　2.2.2 電源模塊

　　智能電器開關(guān)接入的是戶內(nèi)供電網(wǎng)絡(luò)，在電源模塊設(shè)計時省去了雷擊保護，均采用直流+5 V 供電，并配有+3 V 電池作后備電源。

　　2.2.3 電能計量模塊

　　由于智能電器開關(guān)只需記錄電能的使用量即可，其電能計量模塊選用ADI 的計量功能相對較少一些的芯片ADE7756。

　　2.2.4 開關(guān)模塊

　　用電器電源的通斷由微型繼電器來實現(xiàn)，MCU的輸出信號經(jīng)過光耦隔離后對繼電器進行控制。

　　2.2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

　　考慮到智能電器開關(guān)數(shù)據(jù)量相對較小，它的存儲模塊選用價格較為低廉的EEPROM 存儲。

　　2.2.6 其他模塊

　　通信、時鐘等其他模塊均與智能電表相同。

　　3 戶內(nèi)控制系統(tǒng)

　　戶內(nèi)控制系統(tǒng)是智能電網(wǎng)新特性的主要體現(xiàn)點之一，有關(guān)它的說法較多，有些文獻(xiàn)中將其稱為戶內(nèi)顯示系統(tǒng)（In Home Display）或者戶內(nèi)能源管理系統(tǒng)（Home Energy Management System）［7］。用戶通過該平臺了解電能使用信息，并結(jié)合實時費率等資訊，對各用電器用電情況進行控制，調(diào)整自己的用電方案。同時它還具有很高的擴展性，隨著其他各領(lǐng)域的發(fā)展，戶內(nèi)控制系統(tǒng)將能夠集水電氣等諸多戶內(nèi)控制于一身，使得今后的家居生活更加智能化、人性化。

　　3.1 戶內(nèi)控制系統(tǒng)主要功能

　　1）接收智能電表、智能電器開關(guān)發(fā)送的大量數(shù)據(jù)信息并進行實時顯示；

　　2）為用戶提供操作平臺，使其可獲取詳細(xì)的電能使用情況及其他相關(guān)信息，并協(xié)助用戶分析調(diào)整電能的使用；

　　3）將用戶下達(dá)的控制指令發(fā)送給各用電器。

　　3.2 戶內(nèi)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　如圖5 即為設(shè)計的戶內(nèi)控制系統(tǒng)框圖。

　　3.2.1 控制管理模塊

　　戶內(nèi)控制系統(tǒng)需要處理大量信息，因此需要一個性能優(yōu)異的芯片才能保證其高效穩(wěn)定工作。本設(shè)計選用TI 公司基于ARM 核心的LM3S9000 系列，主頻達(dá)80 MHz，性能優(yōu)異。

　　3.2.2 電源模塊

　　考慮到便捷性和舒適性，將戶內(nèi)控制系統(tǒng)設(shè)計成一款手持式移動設(shè)備，采用+3 V 電池供電。

　　3.2.3 顯示模塊

　　該模塊包括LCD 液晶屏、LCD 驅(qū)動、按鍵三個部分。LCD驅(qū)動芯片為EPSON公司的S1D13517，適合于多種屏幕及分辨率；按鍵共有八個，分別是電源鍵、重啟鍵、上下左右四個方向鍵、確定鍵、取消/返回鍵。

　　圖6 為模擬的戶內(nèi)控制系統(tǒng)主界面，它包含有電能、電價、用電器、分布式發(fā)電等模塊。戶內(nèi)控制系統(tǒng)將接收到的用電信息經(jīng)過處理，以圖表的形式直觀的展現(xiàn)出來。用戶根據(jù)自身情況調(diào)整用電方案，用電器模塊能夠?qū)Ω饔秒娖鞯拈_關(guān)進行定時管理。

　　3.2.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

　　戶內(nèi)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊包含MCU 的鐵電存儲器以及LCD 的SDRAM 顯存。

　　3.2.5 其他模塊

　　時間和通信等其他模塊均與智能電表類似。

　　4 結(jié)論

　　本文以智能電網(wǎng)為背景，結(jié)合高級量測體系和通信的發(fā)展，對智能電網(wǎng)的智能用戶端進行了硬件原理的設(shè)計。包括可對電能進行多項精準(zhǔn)測量記錄并支持實時電價多重費率的智能電表、計量用電器用電情況并根據(jù)控制指令進行開關(guān)操作的智能電器開關(guān)，以及為用戶提供控制平臺以實現(xiàn)對戶內(nèi)用電網(wǎng)絡(luò)進行管理的戶內(nèi)控制系統(tǒng)。三者相互配合，從而達(dá)到更合理地分配電能、更高效地利用能源的目的。

　　智能用戶端是智能電網(wǎng)中的熱點之一，概念新穎，發(fā)展?jié)摿薮?，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。目前諸多領(lǐng)域尚未形成統(tǒng)一規(guī)范，因此在對其進行設(shè)計時，還需要不斷的探索和實踐，以便達(dá)到最理想的效果。

　　參考文獻(xiàn)

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