基于AMI的智能电表设计-AET-电子技术应用

基于AMI的智能电表设计

屈召贵，刘强,鲁顺昌

（四川工商学院实验中心，四川成都 611745）

摘要： 针对大中专院校学生公寓用电情况，设计了一款基于AMI模型的智能电表，实现一支回路只计量，另一支回路计量与监控。测试表明，该电表具有计量精度高、监控准确、通信安全稳定，能够实现学生公寓安全用电管理。

关键词： 智能电表计量监控通信

Abstract：

Key words :

　　屈召贵，刘强,鲁顺昌

　　（四川工商学院实验中心，四川成都 611745）

　　摘要：针对大中专院校学生公寓用电情况，设计了一款基于AMI模型的智能电表，实现一支回路只计量，另一支回路计量与监控。测试表明，该电表具有计量精度高、监控准确、通信安全稳定，能够实现学生公寓安全用电管理。

　　关键词：智能电表；计量；监控;通信

　　0引言

　　许多高校学生公寓用电实行了严格的管理措施，目的是让学生养成良好习惯。然而单靠制度管理很难监控，采用技术的手段是较有效的办法。本文提出用单相双支路计量智能电表完成对用电情况的监控。该电表采用双回路计量与监控，一支路完成空调等大功率电器的计量；另一支路可实现计量、违禁电器识别和控制。虽然为双回路，但不增加任何硬件成本，在硬件上采用了集成电路设计思想，采用的集成计量模块和低功耗微控制器，简化了PCB线路；在软件上，该电表采用了模块化设计［1］来分别保证计量的准确性和系统的稳定性。因此，该设计结构更为简单、抗扰能力更强、计量精度更高，并具有成本低等优势。

1电表的方案设计

　　电表采用计量芯片（ADE7953）和微控制器（ST32L15）构成的电信息采集电路、人机交互电路、信息存储电路、通信电路、监控等电路硬件方案，系统框图如图1所示。

　　ADE7953是一款高精度单相电能计量IC，可测量一路线电压和两路电流，并计算有功、无功、视在功率、瞬时电压电流有效值和功率因数值。利用ADE7953能测量两路电流的功能实现双支路计量，总电能E=ERL1+ERL2，RL1支路仅完成电能计量，RL2支路除计量外，还通过功率因数值判断是否为违禁用电器，并进行作息时间开关用电。

2电表的硬件设计

　　2.1系统电源电路

　　电表内电源用5 V和3.3 V供电，采用线性稳压电源，由变压器降压、整流、滤波和稳压组成，RS485电路的供电由隔离型DC-DC电源(B0505LS1W)提供，以提高抗干扰力。备用电源采用锂电池供电。

　　2.2电力参数采集电路

　　电力参数采集电路主要由信号变换电路和ADE7953构成的采集电路组成，如图2所示。信号变换电路的作用是接入用户的电流和电压。电流采集用电流互感器，电压采集用铂金电阻分压接入计量芯片［23］。电流通道允计输入的差分电压满量程为500 mVp-p，负载电阻取决于最大电流(Imax)、ADC输入电平(U)以及CT使用的匝数(CTRN)。最大电流时，电流通道的输入信号应当为半输入满量程，以便留有裕量。选用CT匝数比为1 000∶1，根据DLT6142007可知电流互感器接入方式Imax＝5 A×2＝10 A，则负载电阻Rb上的最大电压有效值计算如式(1)所示，最大互感电流ICT计算如式(2)所示，Rb计算如式(3)所示。

　　电压通道输入的差分电压满量程为500 mVp-p，电压采样采用电阻分压的方式［4］。在火线与零线间串联接入4个150 kΩ和1个330 Ω的电阻，从330 Ω电阻上取得的电压作为A/D输入端，由此可以计算出可测量的最大电压有效值，如式(4)所示。由计算可知，电压支路被测的电压范围为0~321.6 V，完全满足计量要求。

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

　　2.3通信电路设计

　　通信电路作用是实现电参数的上传与下载，要求硬件电路满足高速、高可靠性。电路如图3所示，ADUM1301为三路iCoupler 磁耦隔离器实现数据隔离，其传输的速率可达90 Mb/s；MAX485为RS485总线驱动器；二极管D2、D3防止雷击；电源采用前述的DCDC隔离电源与其他电路的电源隔开，以实现干扰源的隔离。

　　2.4继电器控制电路设计

　　继电器控制电路主要实现通断电控制，其开关频率较高，可控电流较大，使用寿命长。根据电表技术规范，对继电器的选择应考虑以下因素：开关次数N，每天开关10次，按60年使用寿命计算，N=10×365×60=21.9万次，因此选用开关频率在30万次以上的继电器；触点电流I，按2级电表可控电流最高为10 A，因此选用20 A以上的继电器；驱电压V，选用5 V驱动。综上，选用80 A磁保持继电器，电路如图4所示，控制端OC连接到STM32L15的PA11脚。

3电表的软件设计

　　3.1软件设计总体思想

　　电表的软件是基于操作系统μC/OSIII，采用层次化、模块化的设计思路，在层次上分为底层驱动程序和应用层程序，如图5所示；在模块上分为电参数测量与处理程序、通信程序、显示程序、存储程序和监控程序。

　　3.2电参数测量与处理程序设计

　　电参数的测量涉及电流电压有效值、功率、电能、功率因数等参数的测试与处理。

　　电流电压有效值测量软件实现方法：这两个参数分别存放在24位寄存器VRMS和IRMSA中，需测试寄存器1LSB位代表实际值。方法是通过高精度参考电表进行测试，如图6所示，测试的计算方法如式（5）、式（6）所示。式中U和I分别为参考电表测出的实际电压电流值；DRMSV和DRMSI分别为有效值寄存器中的二进制数值；k为乘法系数，保持数据分辨率，因为软件中十六进制数使用定点乘法，不同的电表这一常数是不一样的，在后续的校表过程中还得加以校正。通过测试，设计的电表的Icontant=0×181，Vcontant=0×10B，k=100×216。

　　图6测试电流电压常数图

　　有功电能测量的实现方法：有功电能分别对应两路电流通道存放在24位寄存器AENERGYA和AENERGYB中，将两路电能相加即为总有功电能，实现双回路计量。在编程过程中需找到电能寄存器的LSB对应的实际电能值Wh/LSB常数（也即数字量的权重）。这一常数算法关系如式（7）所示，式中AENERGYn表示A或B两通道电能寄存器中一定时间内的数字量累积，用十进制计算，N为瓦时/位常数，U为被测负载的电压有效值，I为流过负载的电流有效值，cos为功率因素，T为累积时间。

　　测试一纯阻性负载（cos＝1）电路，电压220 V和电流10 A在一负载上通过1 s的时间产生了20 398的读数，则Wh/LSB常数可用式(7)计算得到式(8)。

　　功率因数测量的实现方功：功率因数存储在两个16位带符号寄存器PFA和PFB中。这些寄存器是带符号的二进制补码寄存器，MSB表示功率因数的极性。PFx寄存器的1 LSB相当于2-15的权重；因此，最大寄存器值0×7FFF对应的功率因数为1，最小寄存器值0×8 000对应的功率因数为-1。例如：PFA寄存器里面的值DPFA=26 214（十进制），则对应的功率因数为式(9)所示，程序中可根据此判断负荷情况。

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　　同理还可测出功率值、频率值、周期值、相位值等参数。

　　3.3通信程序的软件设计

　　通信软件基于行业标准DL/T6452007，该标准作为一种通信协议采用分层架构思想，故设计3层模型（包括物理层、数据链路层和应用层）来实现电能表的主/从方式通信，分层结构如图7所示，应用层涉及7大类数据收发，数据链路层涉及寻址和12类控制，物理层规定有红外光通信和RS485通信。

　　DL/T6452007采用广播形式实现主站与从站链路，编程流程如图8所示，主站发送一帧数据，从站接收解析和执行，当从站正确执行后返回正常应答帧，否则返回异常应答帧。

4电表的校准

　　ADE7953可通过读取内部电能寄存器或测量外部CF输出脉冲来校准，最多需要3个校准阶段：增益、相位和失调，消除由于外部电阻网络、前端采样电路等引起的误差［5］。可采用标准参考电表和标准参考源两种方法校准，本例中采用标准参考源来校准，通过校准去修正软件设计中的各参数的常数值，校准流程如图9所示。