屈召貴，劉強,魯順昌

　?。ㄋ拇üど虒W(xué)院 實驗中心，四川 成都 611745）

　　摘要：針對大中專院校學(xué)生公寓用電情況，設(shè)計了一款基于AMI模型的智能電表，實現(xiàn)一支回路只計量，另一支回路計量與監(jiān)控。測試表明，該電表具有計量精度高、監(jiān)控準(zhǔn)確、通信安全穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生公寓安全用電管理。

　　關(guān)鍵詞：智能電表；計量；監(jiān)控;通信

　　0引言

　　許多高校學(xué)生公寓用電實行了嚴格的管理措施，目的是讓學(xué)生養(yǎng)成良好習(xí)慣。然而單靠制度管理很難監(jiān)控，采用技術(shù)的手段是較有效的辦法。本文提出用單相雙支路計量智能電表完成對用電情況的監(jiān)控。該電表采用雙回路計量與監(jiān)控，一支路完成空調(diào)等大功率電器的計量；另一支路可實現(xiàn)計量、違禁電器識別和控制。雖然為雙回路，但不增加任何硬件成本，在硬件上采用了集成電路設(shè)計思想，采用的集成計量模塊和低功耗微控制器，簡化了PCB線路；在軟件上，該電表采用了模塊化設(shè)計［1］來分別保證計量的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，該設(shè)計結(jié)構(gòu)更為簡單、抗擾能力更強、計量精度更高，并具有成本低等優(yōu)勢。

1電表的方案設(shè)計

　　電表采用計量芯片（ADE7953）和微控制器（ST32L15）構(gòu)成的電信息采集電路、人機交互電路、信息存儲電路、通信電路、監(jiān)控等電路硬件方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　ADE7953是一款高精度單相電能計量IC，可測量一路線電壓和兩路電流，并計算有功、無功、視在功率、瞬時電壓電流有效值和功率因數(shù)值。利用ADE7953能測量兩路電流的功能實現(xiàn)雙支路計量，總電能E=ERL1+ERL2，RL1支路僅完成電能計量，RL2支路除計量外，還通過功率因數(shù)值判斷是否為違禁用電器，并進行作息時間開關(guān)用電。

2電表的硬件設(shè)計

　　2.1系統(tǒng)電源電路

　　電表內(nèi)電源用5 V和3.3 V供電，采用線性穩(wěn)壓電源，由變壓器降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓組成，RS485電路的供電由隔離型DC-DC電源(B0505LS1W)提供，以提高抗干擾力。備用電源采用鋰電池供電。

　　2.2電力參數(shù)采集電路

　　電力參數(shù)采集電路主要由信號變換電路和ADE7953構(gòu)成的采集電路組成，如圖2所示。信號變換電路的作用是接入用戶的電流和電壓。電流采集用電流互感器，電壓采集用鉑金電阻分壓接入計量芯片［23］。電流通道允計輸入的差分電壓滿量程為500 mVp-p，負載電阻取決于最大電流(Imax)、ADC輸入電平(U)以及CT使用的匝數(shù)(CTRN)。最大電流時，電流通道的輸入信號應(yīng)當(dāng)為半輸入滿量程，以便留有裕量。選用CT匝數(shù)比為1 000∶1，根據(jù)DLT6142007可知電流互感器接入方式Imax＝5 A×2＝10 A，則負載電阻Rb上的最大電壓有效值計算如式(1)所示，最大互感電流ICT計算如式(2)所示，Rb計算如式(3)所示。

　　電壓通道輸入的差分電壓滿量程為500 mVp-p，電壓采樣采用電阻分壓的方式［4］。在火線與零線間串聯(lián)接入4個150 kΩ和1個330 Ω的電阻，從330 Ω電阻上取得的電壓作為A/D輸入端，由此可以計算出可測量的最大電壓有效值，如式(4)所示。由計算可知，電壓支路被測的電壓范圍為0~321.6 V，完全滿足計量要求。

　　Vmax=R取R總×V取=600.33330×22×500 mV=321.6 V(4)

　　2.3通信電路設(shè)計

　　通信電路作用是實現(xiàn)電參數(shù)的上傳與下載，要求硬件電路滿足高速、高可靠性。電路如圖3所示，ADUM1301為三路iCoupler 磁耦隔離器實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，其傳輸?shù)乃俾士蛇_90 Mb/s；MAX485為RS485總線驅(qū)動器；二極管D2、D3防止雷擊；電源采用前述的DCDC隔離電源與其他電路的電源隔開，以實現(xiàn)干擾源的隔離。

　　2.4繼電器控制電路設(shè)計

　　繼電器控制電路主要實現(xiàn)通斷電控制，其開關(guān)頻率較高，可控電流較大，使用壽命長。根據(jù)電表技術(shù)規(guī)范，對繼電器的選擇應(yīng)考慮以下因素：開關(guān)次數(shù)N，每天開關(guān)10次，按60年使用壽命計算，N=10×365×60=21.9萬次，因此選用開關(guān)頻率在30萬次以上的繼電器；觸點電流I，按2級電表可控電流最高為10 A，因此選用20 A以上的繼電器；驅(qū)電壓V，選用5 V驅(qū)動。綜上，選用80 A磁保持繼電器，電路如圖4所示，控制端OC連接到STM32L15的PA11腳。

3電表的軟件設(shè)計

　　3.1軟件設(shè)計總體思想

　　電表的軟件是基于操作系統(tǒng)μC/OSIII，采用層次化、模塊化的設(shè)計思路，在層次上分為底層驅(qū)動程序和應(yīng)用層程序，如圖5所示；在模塊上分為電參數(shù)測量與處理程序、通信程序、顯示程序、存儲程序和監(jiān)控程序。

　　3.2電參數(shù)測量與處理程序設(shè)計

　　電參數(shù)的測量涉及電流電壓有效值、功率、電能、功率因數(shù)等參數(shù)的測試與處理。

　　電流電壓有效值測量軟件實現(xiàn)方法：這兩個參數(shù)分別存放在24位寄存器VRMS和IRMSA中，需測試寄存器1LSB位代表實際值。方法是通過高精度參考電表進行測試，如圖6所示，測試的計算方法如式（5）、式（6）所示。式中U和I分別為參考電表測出的實際電壓電流值；DRMSV和DRMSI分別為有效值寄存器中的二進制數(shù)值；k為乘法系數(shù)，保持數(shù)據(jù)分辨率，因為軟件中十六進制數(shù)使用定點乘法，不同的電表這一常數(shù)是不一樣的，在后續(xù)的校表過程中還得加以校正。通過測試，設(shè)計的電表的Icontant=0×181，Vcontant=0×10B，k=100×216。

　　圖6測試電流電壓常數(shù)圖

　　有功電能測量的實現(xiàn)方法：有功電能分別對應(yīng)兩路電流通道存放在24位寄存器AENERGYA和AENERGYB中，將兩路電能相加即為總有功電能，實現(xiàn)雙回路計量。在編程過程中需找到電能寄存器的LSB對應(yīng)的實際電能值Wh/LSB常數(shù)（也即數(shù)字量的權(quán)重）。這一常數(shù)算法關(guān)系如式（7）所示，式中AENERGYn表示A或B兩通道電能寄存器中一定時間內(nèi)的數(shù)字量累積，用十進制計算，N為瓦時/位常數(shù)，U為被測負載的電壓有效值，I為流過負載的電流有效值，cos為功率因素，T為累積時間。

　　測試一純阻性負載（cos＝1）電路，電壓220 V和電流10 A在一負載上通過1 s的時間產(chǎn)生了20 398的讀數(shù)，則Wh/LSB常數(shù)可用式(7)計算得到式(8)。

　　功率因數(shù)測量的實現(xiàn)方功：功率因數(shù)存儲在兩個16位帶符號寄存器PFA和PFB中。這些寄存器是帶符號的二進制補碼寄存器，MSB表示功率因數(shù)的極性。PFx寄存器的1 LSB相當(dāng)于2-15的權(quán)重；因此，最大寄存器值0×7FFF對應(yīng)的功率因數(shù)為1，最小寄存器值0×8 000對應(yīng)的功率因數(shù)為-1。例如：PFA寄存器里面的值DPFA=26 214（十進制），則對應(yīng)的功率因數(shù)為式(9)所示，程序中可根據(jù)此判斷負荷情況。

　　同理還可測出功率值、頻率值、周期值、相位值等參數(shù)。

　　3.3通信程序的軟件設(shè)計

　　通信軟件基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T6452007，該標(biāo)準(zhǔn)作為一種通信協(xié)議采用分層架構(gòu)思想，故設(shè)計3層模型（包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層）來實現(xiàn)電能表的主/從方式通信，分層結(jié)構(gòu)如圖7所示，應(yīng)用層涉及7大類數(shù)據(jù)收發(fā)，數(shù)據(jù)鏈路層涉及尋址和12類控制，物理層規(guī)定有紅外光通信和RS485通信。

　　DL/T6452007采用廣播形式實現(xiàn)主站與從站鏈路，編程流程如圖8所示，主站發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，從站接收解析和執(zhí)行，當(dāng)從站正確執(zhí)行后返回正常應(yīng)答幀，否則返回異常應(yīng)答幀。

4電表的校準(zhǔn)

　　ADE7953可通過讀取內(nèi)部電能寄存器或測量外部CF輸出脈沖來校準(zhǔn)，最多需要3個校準(zhǔn)階段：增益、相位和失調(diào)，消除由于外部電阻網(wǎng)絡(luò)、前端采樣電路等引起的誤差［5］。可采用標(biāo)準(zhǔn)參考電表和標(biāo)準(zhǔn)參考源兩種方法校準(zhǔn)，本例中采用標(biāo)準(zhǔn)參考源來校準(zhǔn)，通過校準(zhǔn)去修正軟件設(shè)計中的各參數(shù)的常數(shù)值，校準(zhǔn)流程如圖9所示。

5測試

　　5.1功耗測試

　　電表內(nèi)部安裝了3.2 V鋰電池，確定掉電情況下數(shù)據(jù)不丟失，因此電表需運行的低功耗模式下，在電池供電情況下，系統(tǒng)總電流為28 μA。

　　5.2計量誤差測試

　　隨機抽取4臺電表，規(guī)格為2級，在溫度為29℃，濕度為25%環(huán)境中測試，通過檢定裝置測試基本誤差，測試結(jié)果如表1所示，誤差遠低于國標(biāo)單相遠程費控智能電表2級要求。

　　5.3通信誤碼率測試

　　用泰克誤碼率儀對RS485總線通信的誤碼率進行測試，RS485的連接線選取800 m進行測試，波特率選用1 200 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s，測試結(jié)果誤碼率均小1×10-6，符合DL/T645-2007規(guī)定值，符合要求。

　　5.4開關(guān)控制測試

　　可控回路選用阻性負載，并接上數(shù)字功率計進行測試，選取功率分別為400 W、600 W、1 200 W的熱水棒，測得功率因數(shù)均大于0.9，繼電器迅速斷開。

6結(jié)論

　　雙回路計量與控制電表通過設(shè)計與測試，計量精度高、穩(wěn)定性較好、通信可靠，有較強的抗干擾能力，現(xiàn)已通過計量檢驗，并成功應(yīng)用于某高校學(xué)生公寓。

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