邵  武1，周  偉1，楊  雋1，翟  亮1，楊家全2，穆亞明1，張雍忠1，魯貴海1

　　(1. 玉溪供電局, 云南 玉溪 653199；2. 云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院, 云南 昆明650217）

　　摘  要： 針對主動配電網(wǎng)中智能用電裝置系統(tǒng)的用戶層，以ATT7035為控制核心，設計和開發(fā)智能家居用電控制器，可對家庭用電設備的電壓、電流、頻率、有功和無功功率、功率因素進行測量，并可對有功電量累積消耗進行計算，在得出測量和計算結果后通過ZigBee通信模塊向智能家居系統(tǒng)的智能交互終端提供電能數(shù)據(jù)，實時等待互動終端指令，以此來控制智能控制器的開啟和關斷，從而控制與其相連的家用電設備。設計了智能控制器的CPU系統(tǒng)控制模塊、電源驅動控制模塊、電能參數(shù)采集與調理模塊、ZigBee通信模塊等，并給出了硬件電路原理圖。該用電控制器具有多功能、可靠性高、實用性強等特點，具有一定的市場應用前景。

　　關鍵詞： 主動配電網(wǎng)；智能用電；智能控制器；ATT7035；用電信息采集；ZigBee技術

0 引言

　　隨著分布式能源（Distributed Energy Resource, DER）的滲透率在電力系統(tǒng)各層級的不斷提高，電力系統(tǒng)尤其是配電網(wǎng)的規(guī)劃和運行方式也變得相對復雜，同時對配電網(wǎng)的經(jīng)濟性和監(jiān)管方式也產(chǎn)生了較大的影響[1]。為應對DER規(guī)模逐漸擴大以及用戶對合理電價范圍內供電可靠性的期望值日益提高等一系列變化，傳統(tǒng)配電網(wǎng)已逐漸從被動模式向主動模式轉變[2]。主動配電網(wǎng)旨在解決電網(wǎng)兼容及應用大規(guī)模間歇式可再生能源，提升綠色能源利用率，優(yōu)化一次能源結構等問題[3,4]。針對DER接入配電網(wǎng)可能會給電網(wǎng)帶來諸如影響短路水平、影響無功功率和電壓分布等問題，尤其是新能源以即插即用方式接入，給配電網(wǎng)運行帶來更多的不確定性，使得配電網(wǎng)更加難以控制。因此，有必要開發(fā)新的供配電設備使得配電網(wǎng)向主動調控、自動適應的主動配電網(wǎng)發(fā)展。

　　基于主動配電網(wǎng)，研發(fā)智能家居系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的主要應用之一，它以家庭住址為平臺，利用先進的計算機技術、通信技術、傳感器技術、控制技術等，將各種家用電子設備進行集中的控制和管理，從而創(chuàng)造出高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。如圖1所示。

　　目前市場上絕大多數(shù)家居智能控制器只具備極少的智能性，比如具備定時開、關燈功能，無法對非正常狀況進行監(jiān)測與斷電控制，不具備真正的智能功能，并且價格很昂貴?，F(xiàn)有的家用電器插座已經(jīng)不能適應各方面的需要，尤其是在基于主動配電網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)中，需要功能新穎的智能控制器，其潛在的市場需求很大[5]。

　　為此，本文研究了一種以ATT7035芯片為信息處理核心的智能家居用電控制器。這種控制器可以對用電設備（電冰箱、洗衣機、微波爐等，如上圖1所示）的電壓、電流、頻率、有功和無功功率、功率因素進行測量，并且可以對有功電量累積消耗進行計算，在得出測量和計算結果后通過ZigBee通信模塊向家居智能系統(tǒng)中的智能交互終端（安卓智能手機、平板等）提供電能數(shù)據(jù)。智能交互終端上的App上層軟件基于實時電能數(shù)據(jù)實時發(fā)出指令給智能控制器，智能控制器一旦收到交互終端的相應指令就可以通過繼電器模塊實現(xiàn)與其相連的家用電器設備的通信，除此之外，該家用智能控制器還可以通過保護模塊實現(xiàn)自身保護的功能，例如防雷保護、過壓保護、過流保護、短路保護、定時開通、定時關斷、自動報警、自動休眠、狀態(tài)提示等智能功能。

1 硬件系統(tǒng)設計

　　1.1 硬件系統(tǒng)結構設計

　　本文設計的智能控制器硬件系統(tǒng)以ATT7035芯片為核心，主要包括：CPU系統(tǒng)控制模塊、電源驅動控制模塊、接口模塊、時鐘模塊、復位電路、LCD顯示模塊、ZigBee通信模塊、電能參數(shù)采集與調理模塊、開關電路等，如下圖2所示。智能控制器以ATT7035為系統(tǒng)控制核心，處理各檢測信號和鍵盤輸入值，在LCD上顯示其處理結果，并通過控制開關電路中的繼電器實現(xiàn)智能控制器的開啟和關斷。電源驅動控制模塊采用變壓器降壓+直流穩(wěn)壓方案，給LCD顯示模塊、CPU模塊等提供電源。

　　1.2 智能用電控制器的參數(shù)指標

　　本文設計的智能用電控制器其基本參數(shù)指標為：

　　（1）電源適用性：供電電壓為220 V，45~60 Hz條件下能正常工作；

　?。?）最大負載電流：IMAX=15 A；

　　（3）功耗：小于1 W；

　?。?）精度：電壓（1.0級）＜1%，電流（1.0級）＜1%，功率（1.0級）＜1%，電量（1.0級）＜1%；

　?。?）低溫工作條件：-10℃±2℃環(huán)境下，連續(xù)工作2 h，系統(tǒng)能正常工作；

　?。?）高溫工作條件：+50℃±2℃環(huán)境下，連續(xù)工作2 h，系統(tǒng)能正常工作。

2 智能控制器各硬件模塊設計

　　2.1 基于ATT7035的CPU系統(tǒng)核心控制模塊

　　所設計的智能控制器需要隨時接收智能互動終端的指令信號來控制繼電器實現(xiàn)自身的開啟和關斷，因此CPU系統(tǒng)控制模塊在設計上應該選取體積小、能耗低、外設接口豐富、處理和計算速度快的控制芯片。對于這樣的芯片，應符合以下幾點要求：

　?。?）合適的存儲器?？沙浞掷每刂菩酒瑑却鎯臻g，以便系統(tǒng)更加緊湊，且可有效解決接口能力、指令系統(tǒng)、尋址方式及功耗等問題；

　?。?）具備配套開發(fā)系統(tǒng)?？蛇M行軟件調試，使用相應的開發(fā)系統(tǒng)進行功能性調試擴展；

　　（3）體積小，成本低。芯片體積要求越小越好，集成度要高，成本盡量要低，能夠在用戶的承受范圍之內。

　　結合上述幾點要求，選取單相電能專用SOC計量芯片ATT7035芯片，它是一款具有國際領先水平的專用單相電能計量SOC（system-on-chip），片內集成處理器單元、單相電能計量單元、電源管理、時鐘管理單元以及PLL倍頻和JTAG調試等功能。

　　ATT7035芯片非常適合家居智能控制器的開發(fā)與設計，其集成了豐富的外設接口，可以直接驅動外圍相關的電路，大大降低了電路的復雜性，因此，選用ATT7035作為CPU系統(tǒng)主控制芯片。在圖2中，ATT7035芯片集成了很多電能計量的外部電路，使得設計中電路可以盡量小型化、簡單化和模塊化，適合本文智能控制器的開發(fā)。

　　CPU系統(tǒng)控制模塊主要實現(xiàn)功能為：接收來自電能參數(shù)采集與調理模塊及計量模塊的測量數(shù)據(jù)，進行快速正確的計算和處理，并將計算和處理結果實時發(fā)送到顯示模塊并控制其顯示，與此同時通過ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能家居系統(tǒng)中的智能手機、平板等智能交互終端，接受來自智能交互終端的指令信息，這些指令信息控制和決定當前網(wǎng)絡智能家電的運行狀態(tài)，當家電網(wǎng)絡中出現(xiàn)過壓、過流、漏電、用電負荷異常等情況時，向開關電路中的繼電器發(fā)出指令，自動切斷當前電源，從而達到保護的作用。當然，除核心控制、處理計算電能調理參數(shù)信號外，該核心處理芯片還配置相關的外部驅動外設，如圖2中的LCD顯示模塊、鍵盤、非易失存儲器、蜂鳴器、復位電路等。

　　ATT7035作為CPU系統(tǒng)控制模塊的核心，提供單相電能計量所需要的全部功能，提供有功、無功、視在電能脈沖輸出，并開放脈沖計數(shù)寄存器，包括有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計算等，具有三路ADC同步采樣波形數(shù)據(jù)，支持單相兩線制、單相三線制，支持靈活的防竊電方案和校表方案，竊電閾值可通過寄存器靈活設置，提供多種電能累加方式選擇，支持增益誤差、相位誤差的軟件校表，支持防潛動功能，潛動閾值可靈活設計[6]。同時還具有直流偏置自動校正，多種能量計算模式，開放快速脈沖計數(shù)寄存器，防止上、下電時丟失電能，脈沖輸出PF/QF/SF脈寬可選，無功移相補償，有功P和無功Q偏置校正等功能。

　　圖3所示為ATT7035的功能模塊圖。

　　2.2 電源驅動控制模塊

　　該部分將市電220 V的交流電壓進行AC-DC變換，輸出電路系統(tǒng)中需要的直流電壓。本文設計智能控制器用到的工作電壓有+5 V和+3.3 V兩種，其中前者為圖2中的電能參數(shù)采集與調理模塊、時鐘模塊、顯示模塊提供電源，后者為CPU核心控制模塊、ZigBee無線通信模塊等提供電源，并考慮電磁兼容性能。目前工業(yè)上常見的交流電轉低壓直流電的技術方案主要有三種：開關電源模塊方案、阻容降壓方案和變壓器降壓整流濾波方案。其中開關電源方案的優(yōu)點是體積小、效率高、自身抗干擾能力強，但是輸出的電源是非隔離的，不安全，不能用于大功率負載，抗電網(wǎng)浪涌能力差[7]；阻容降壓方案是利用電容在交流電中容抗來限制電流的原理，簡單地利用電阻保護的方法，該方法成本較低，受電壓波動影響較大；采用第三種變壓器降壓整流濾波方案的優(yōu)點是安全、穩(wěn)定，但是體積較大。

　　因此本文選用先通過變壓器（變比為220:9）降壓再整流（由四個二級管組成的橋式整流電路）濾波的方案來設計電源驅動模塊。圖4所示為電壓驅動模塊設計原理圖，220 V交流市電經(jīng)過變壓器降壓之后變成9 V交流電壓，然后經(jīng)過橋式整流電路（D1~D4）整流、電容（C2）濾波，通過LM7805電源芯片輸出+5 V直流電壓，然后再經(jīng)過電容（C3/C4）濾波后經(jīng)電源芯片LM1117L3并再次經(jīng)電容（C5/C1）濾波，最后輸出穩(wěn)定的+3.3 V直流電。

　　2.3  電能參數(shù)采集與調理模塊

　　該部分設計作為對電能參數(shù)測量信號進行采集與調理，在整個家居用電智能控制器中起到非常重要的作用。核心控制芯片ATT7035要求作為電壓信號采集端的V3P和V3N引腳的輸入電壓必須在-700 mV~+700 mV之間，因此采集的電壓信號要經(jīng)過電阻分壓后才能引入到ATT7035芯片的引腳，將大電壓信號轉化為小電壓信號，然后再輸入給專用的計量芯片，其內部具有A/D轉換、數(shù)字運算放大電路，可自動完成多路電壓電流有效值、功率等計算。電流信號的采集利用歐姆定律I=U/R的原理，將電壓信號轉化為電流信號，RC低通濾波后將電壓I(t)送至ATT7035的V1P和V1N輸入口。

　　2.4  ZigBee無線通信模塊

　　在家居網(wǎng)絡中，利用無線組網(wǎng)技術使用射頻代替線纜來傳遞信息，該種方式不受傳輸線的限制，適合家居無線組網(wǎng)。無線組網(wǎng)包括允許用戶建立遠距離無線連接的全球語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，也包括近距離的ZigBee技術和紅外技術。

　　ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗的無線雙向通信技術。IEEE802.15.4工作組確定ZigBee工作頻段為2.4 GHz和868/915 MHz，這三個頻段的物理層各不相同，所對應的帶寬分別為0.6 MHz、2 MHz和5 MHz。2.4 GHz采用十六相位正交調制技術，定義了16個信道，868/915 MHz都是采用二進制移相鍵控的直擴序列調制（DSSS）技術，它們之間最主要的區(qū)別是工作在不同的頻率之上，數(shù)據(jù)的傳輸速率也不相同[8]。本文采用ZigBee通信技術方案在于ZigBee技術具有如下特點：低功耗、自組織多跳網(wǎng)絡、短距離無線連接、低功耗無線傳輸、超大的網(wǎng)絡容量、系統(tǒng)開銷小、電池續(xù)航能力高等，其傳輸范圍為100 m，帶寬為250 Kbps，傳輸媒介為2.4 GHz射頻。

　　ZigBee通信技術支持的網(wǎng)絡拓撲結構有三種：星形、網(wǎng)狀和簇狀，各種網(wǎng)絡拓撲結構有各自的優(yōu)缺點，在應用中要根據(jù)實際需要進行選擇[9,10]。本文設計的智能控制器作為應用層級服務于整個家居智能系統(tǒng)，針對家庭居住環(huán)境的復雜性和智能家居系統(tǒng)功能的多樣性，一般宜采用簇狀網(wǎng)絡作為系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，該組網(wǎng)方式通常由一個ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器和若干ZigBee網(wǎng)絡路由器和一些網(wǎng)絡終端組成。

　　本文設計通信方案中通過UART接口及外接RS485收發(fā)器與ZigBee模塊進行串口通信，獲取ZigBee模塊從互動交互終端接收的控制命令并執(zhí)行，將響應信息通過ZigBee模塊以無線方式返回給家居智能系統(tǒng)中的互動終端。

　　2.5 功率計算和防竊電方案設計

　　2.5.1 功率及有效值（RMS）折算

　　在ATT7035內部提供有功功率、無功功率和視在功率輸出寄存器。功率、有效值的顯示可以直接乘上相應的系數(shù)Kx即可。為了檢驗Kx是否正確，可以使用如下的參照近似折算公式，同時，如下圖5所示為功率計算和補償流程圖。

　　有功功率折算公式：

　　其中，Preg為從功率寄存器PowerP讀取的功率值；EC為智能控制器的脈沖常數(shù)；HFConst為ATT7035的HFConst寄存器的輸出脈沖個數(shù)。

　　無功功率折算公式：

　　其中，Qreg為從功率寄存器PowerQ讀取的功率值；EC為智能控制器的脈沖常數(shù)；HFConst為ATT7035的HFConst寄存器的輸出脈沖個數(shù)。

　　IRMS折算公式：

　　其中，It為從IRMS讀取的電流有效值數(shù)據(jù)；Ris為電流取樣電阻阻值；Gain為電流通道增益。

　　URMS折算公式：

　　其中，Ut為從URMS讀取的電壓有效值數(shù)據(jù)；Rt為電壓通道電阻串的總電阻值；Rus為電壓取樣分壓電阻阻值；Gain為電壓通道增益。

　　如下圖5所示，有功功率P通過電壓U、電流I相乘經(jīng)過低通濾波器后得到；無功功率Q計算時，先將電壓移相90°，然后通過移相器后電壓U和電流I相乘，經(jīng)過低通濾波器LPF得到；視在功率S通過電壓有效值URms和電流有效值IRms相乘得到；對于通道1和通道2的功率分別提供增益校正和相位校正，同時針對小信號的精度問題，提供了偏置校正來消除外界干擾；對電壓移相90°的濾波器性能與輸入信號的頻率及ADC采樣率相關，可以通過無功相位補償寄存器QPhsCal(49H)對90°移相進行相位補償。QPhsCal默認為0，在femu為505 296 MHz時，對應到50 Hz輸入信號可以實現(xiàn)準確的90°移相。

　　2.5.2 電壓、電流有效值計算和電壓頻率輸出

　　在ATT7035芯片中，可以同時輸出兩路電流和一路電壓的有效值，即Irms1，Irms2，Urms，其有效值可以保證0.5%的精度；同時通過對零點技術的方式，提供電壓頻率輸出，頻率的精度可以保證準確到0.01 Hz。圖6所示為電壓電流有效值計算框圖。

　　2.5.3  防竊電方案的設計

　　在ATT7035中，可以通過防竊電模塊對兩路電流大小進行比較，選用較大的一路電流進行計量?？梢酝ㄟ^FLTON（52H.5）來設置是否開啟自動防竊電功能，如FLTON=0時，用戶可以根據(jù)CHNSEL（51H.4）進行通道選擇；FLTON=1時，防竊電單元根據(jù)用戶的設置，自動選擇相應的通道進行計量。用戶還可以通過CIADD（51H.3）選擇將兩路電流先進行矢量疊加，然后再進行計量。通過ICHK（50H）用戶可以設置發(fā)生竊電的比例，比如可以設置0x10H，表示兩路電流有效值相差到6.25%時認為是發(fā)生了竊電。

　　3 算法設計

　　圖7為軟件系統(tǒng)主程序流程圖。

　　本文設計的家居用電智能控制器實現(xiàn)電能參數(shù)采集與顯示、電能數(shù)據(jù)的無線通信傳輸以及繼電器的開啟和關斷、過電流與過電壓保護、漏電保護、自動報警等功能。軟件調試程序主要包括I2C程序，負責將I2C芯片中存儲的數(shù)據(jù)讀入和寫入ATT7035芯片；液晶顯示程序，主要負責LCD液晶顯示功能；時鐘程序，主要用于讀出日歷中的時間，進行顯示并對日歷進行設置；計量程序，主要用于能量累計計算、有功功率計算、電能數(shù)據(jù)打包發(fā)送、讀取并處理電能數(shù)據(jù)等；定時程序，主要用于定時；系統(tǒng)程序，主要用于將電量比例參數(shù)寫入I2C芯片，并從I2C芯片讀取電量比例參數(shù)；主程序，主要用于系統(tǒng)初始化，主函數(shù)調用其他函數(shù)，實現(xiàn)智能控制器全部功能。還包括各類頭文件，主要用來定義寄存器與管腳及相關函數(shù)與聲明變量等。對于所設計的智能控制器，其軟件系統(tǒng)中的某些程序與函數(shù)均有多種實現(xiàn)方式，可以進一步優(yōu)化。

4  結論

　　本文基于當前配電網(wǎng)由被動控制過渡到主動控制的大背景下，針對智能家居系統(tǒng)中的家用電控制器，開發(fā)了基于ATT7035為控制核心的智能家居用電控制器，其可對用電設備的電壓、電流、頻率、有功和無功功率、功率因素進行測量，并且可對有功電量累積消耗進行計算，在得出測量和計算結果后通過ZigBee通信模塊向智能家居系統(tǒng)的智能交互終端提供電能數(shù)據(jù)，實時等待互動終端指令，以此來控制智能控制器的開啟和關斷，從而控制與其相連的家用電設備。該用電控制器具有多重保護、計量準確、可靠性高、實用性和智能化強、成本低廉等特點，可以有效減少用戶用電開支，幫助用戶有效節(jié)能，具有一定的市場應用前景。

　　下一步研究工作的重點在于開發(fā)一套完整的基于智能控制器的家庭智能用電模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括齊全的家庭用電設備、智能互動終端（智能手機、平板等）、智能App安卓軟件、基于ZigBee的智能家庭局域網(wǎng)傳輸通信網(wǎng)絡以及小型光伏等分布式電源及相應的逆變控制器，并建立家居能效管理機制，綜合考慮各類用電負荷的變化、實時電價及家庭能效分析結果，給出能效節(jié)能方案，統(tǒng)一管理各類用電設備及分布式能源的接入，將家居智能用電由被動接受轉入到主動管理上，使家庭用戶參與用電需求響應，實現(xiàn)與電網(wǎng)雙向互動，為最終建立一個堅強的主動配電網(wǎng)系統(tǒng)打下良好的基礎。

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