基于智能卡的遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的設(shè)計與應(yīng)用研究分析

黃琴

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定202201

摘要:分析了國內(nèi)外遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的研究現(xiàn)狀。依據(jù)遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的功能需求與參數(shù)要求，對遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表進(jìn)行設(shè)計與研究。從功能劃分角度出發(fā)，對電能表硬件電路系統(tǒng)作了模塊化設(shè)計。對電能表的功能程序軟件進(jìn)行研究，實現(xiàn)了計量、記錄、監(jiān)控采集以及通信功能。通過主站系統(tǒng)下達(dá)指令可對遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表進(jìn)行控制。測試結(jié)果表明，基于智能卡的遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的主動上傳，有助于主站系統(tǒng)依靠遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞:智能卡;智能電能表;遠(yuǎn)程費(fèi)控;用電信息采集;費(fèi)控策略;窄帶物聯(lián)網(wǎng)

0引言

電力行業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可少的行業(yè)，其地位是十分重要的。電力企業(yè)的供電質(zhì)量、服務(wù)水平以及服務(wù)方式的升級已成為電力行業(yè)發(fā)展的主要方向。隨著信息化的普及，電力全覆蓋、費(fèi)用全控制已逐漸成為我國電力行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。電力企業(yè)的計費(fèi)、收費(fèi)系統(tǒng)開始向智能化轉(zhuǎn)變。美國于2003年提出了“電網(wǎng)2030規(guī)劃"，其目的是促進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)，實現(xiàn)數(shù)字化供電服務(wù)，并于科羅拉多州建設(shè)了第一座智能電網(wǎng)城市。歐盟則是依據(jù)一整套能源政策，積極推動綠色能源的發(fā)展。歐盟的智能電網(wǎng)依靠各類終端對公共部門、寫字樓的用電情況進(jìn)行監(jiān)測，逐漸改變了客戶的用電習(xí)慣。中國在智能電網(wǎng)領(lǐng)域也在積極地開展與部署相關(guān)項目。中國電網(wǎng)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)，各級電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同，開展了“三集五大"的工作部署。我國電網(wǎng)行業(yè)正在加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)電能表遠(yuǎn)程費(fèi)控的全覆蓋。

1遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的關(guān)鍵技術(shù)

1.1遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表概述

遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、電能計量、數(shù)據(jù)清零、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)凍結(jié)、事件記錄告警等功能。例如，三相用電的電能表計量功能，通常涉及三相電流和電壓、頻率的測量等等，并且還包括自定義費(fèi)率的功能。遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表可以針對不同時段和不同時區(qū)進(jìn)行有效的費(fèi)率定義，并且具備電量的監(jiān)控功能，可以記錄*近發(fā)生的失壓、過壓、掉電和上電等告警事件。

1.2智能無線通信技術(shù)

電能表的通信控制網(wǎng)絡(luò)采用的是基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrowbandinternetofthings，NB－IoT)的無線通信技術(shù)。NB－IoT的系統(tǒng)鏈路一般分為上行鏈路與下行鏈路。本文研究的NB－IoT系統(tǒng)取消下行通道鏈路。網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路采用相移鍵控(phase－shiftkeying，PSK)調(diào)制方式，并利用單載波頻分多址技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。為了提高覆蓋增強(qiáng)效益，通常會設(shè)置成3．75kHz的子載波間隔，將傳輸速率設(shè)置在160kbit/s到200kbit/s之間。該網(wǎng)絡(luò)主要是基于4GLTE的通信架構(gòu)，可以滿足低功耗和大連接的應(yīng)用場景需求，并且在NB－IoT網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)用戶電能數(shù)據(jù)直傳至省主站系統(tǒng)的功能。NB－IoT可以部署在不同的無線頻帶上，分為獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署3種情況。NB－IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)如圖1所示。

2遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的硬件原理與設(shè)計

2.1遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的功能與參數(shù)

遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表具有計量功能、記錄功能、監(jiān)控功能和通信功能。電能表不僅能實現(xiàn)電能計量，還可進(jìn)行費(fèi)率的設(shè)置，同時可對功率、電壓、電流、頻率、相角、功率因數(shù)、視在功率等進(jìn)行測量。通信功能是基于NB－IoT通信技術(shù)實現(xiàn)的，窄帶(narrowband，NB)通信模組提供可查詢的AT指令，用于查詢數(shù)據(jù)流量。當(dāng)每次連接上網(wǎng)絡(luò)后，NB通信模組開始自動記錄數(shù)據(jù)流量，直到連接斷開才終止流量記錄。NB通信的工作頻段和天線接口特征阻抗的參數(shù)見表1，其覆蓋頻段較寬。電能表對于超過閾值的事件，會產(chǎn)生告警信息，并依靠通信技術(shù)將監(jiān)控數(shù)據(jù)和存儲信息傳輸?shù)皆破脚_上。

2.2遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的硬件原理

對遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的硬件系統(tǒng)展開設(shè)計時，需根據(jù)其功能進(jìn)行劃分。電能表的硬件架構(gòu)包含信號處理模塊、電能計量模塊、NB－IoT通信模塊和外圍電路模塊，遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表基本硬件架構(gòu)如圖2所示。這些模塊由硬件電路組成，由對應(yīng)的軟件程序進(jìn)行功能的實現(xiàn)。電源模塊為各個子模塊供電，而輔助電源則用于防止因主電源的損壞影響電能表的正常監(jiān)控功能。

2.3遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的模塊設(shè)計

設(shè)計關(guān)鍵電路模塊時，應(yīng)基于遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的基本架構(gòu)。其中遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表信號處理模塊主要是依賴數(shù)據(jù)采集ADC模塊來進(jìn)行采樣。采樣功能以電流采樣電路為例進(jìn)行說明，該電路是將各相電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其基本原理是依靠電流互感器，將電路的一側(cè)接地，另一側(cè)與系統(tǒng)相連接來完成采樣。其具體原理圖如圖3所示。由于對計量芯片的要求是保證2．5mA的電流幅值，因此通過該采樣電路可將5A電流轉(zhuǎn)換成2．5mA的電流，完成電流－電壓的轉(zhuǎn)換目的。

計量功能模塊以計量芯片ADE7878為核心，該芯片的功能十分*，具備很好的信號處理能力。對于電能表的電壓和電流有效值的測量、有功功率和視在功率的測量，該芯片具有十分明顯的計量優(yōu)勢。芯片的正常模式、省電模式和低功耗模式滿足電能表對節(jié)能降耗的要求。該芯片輸入電壓的變化幅值范圍為－0．5～0．5V，晶振頻率為16．4MHz。芯片的RSET管腳是復(fù)位輸入管腳，芯片的CF1管腳和CF3管腳是頻率校準(zhǔn)的邏輯輸出管腳。CF1管腳和CF3管腳完成頻率校準(zhǔn)邏輯輸出的功能。計量芯片的基本電路原理圖如圖4所示。

NB－IoT無線通信模塊采用移遠(yuǎn)公司的BC95－B5通信模組，該通信模組具備超低功耗的特點，接收頻率保持在869～894MHz，發(fā)送頻率的范圍為824～849MHz，該模組可擴(kuò)展串口、內(nèi)置芯片式用戶身份識別(embeddedsubscriberidentitymodule，eSIM)卡接口等應(yīng)用接口。模組內(nèi)部不僅包含F(xiàn)lash和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(staticrandom－accessmemory，SRAM)，還擁有射頻電路和eSIM卡座電路。該無線通信模塊的降壓穩(wěn)壓電路如圖5所示。

電能表的智能卡采用eSIM內(nèi)嵌的插卡方式進(jìn)行通信，取消了傳統(tǒng)用戶識別模塊(subscriberidentitymodule，SIM)卡的插拔式動作，實現(xiàn)了電能表直接通信的方式。通過將eSIM卡與電能表綁定，電能表在645協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展數(shù)據(jù)項，并在出廠時就將eSIM卡號(即手機(jī)號)寫入到電表內(nèi)部，通過擴(kuò)展的645協(xié)議進(jìn)行讀取。eSIM卡的尺寸為6mm×5mm，并以外置貼片的方式焊接到電路板上，有助于eSIM卡發(fā)生故障后的維修與更換，便于電能表與eSIM卡的臺賬明細(xì)管理。

3遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的軟件架構(gòu)設(shè)計

3.1架構(gòu)及程序設(shè)計

電能表的軟件架構(gòu)設(shè)計是依據(jù)硬件電路系統(tǒng)而形成的，先設(shè)計核心主程序，再依照核心主程序一次性地設(shè)計各模塊的子程序，其軟件架構(gòu)如圖6所示。

遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的計量子程序，主要用來完成對實時時鐘數(shù)據(jù)的讀取以及用戶端使用電量的分階段計量。在電能計量方面，子程序要分別針對有功電能、無功電能進(jìn)行計量，具有正向有功、反向有功電能計量功能，可設(shè)置、組合有功電能;而無功電能可設(shè)置成任意4個，并可設(shè)置、組合無功電能。信號處理程序首先要求電能表使用者進(jìn)行安全認(rèn)證;其次依照初始化命令對電能表進(jìn)行初始化工作，對電能表進(jìn)行模式選擇;然后啟動無線通信功能，遠(yuǎn)程接收命令，并在讀取芯片數(shù)據(jù)后，通過LCD將結(jié)果顯示出來。遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的計量子程序流程如圖7所示。在計量費(fèi)控方面，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程費(fèi)控和本地費(fèi)控的功能。當(dāng)電能表的金額小于設(shè)定的報警金額，電能表的LCD屏?xí)@示或者報警燈亮起，提醒用戶續(xù)繳電費(fèi)。

本文的無線通信子程序是重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，NB－IoT網(wǎng)絡(luò)是借助eSIM智能卡進(jìn)行無線通信，基于現(xiàn)有遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的通信規(guī)約，制定系統(tǒng)主站和電能表之間的數(shù)據(jù)傳輸幀格式、數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。在不同通信燈閃爍時，遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表與采集系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其程序流程圖如圖8所示。

3.2功能測試

基于eSIM智能卡遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的基本功能實驗，主要是針對電能表核心功能進(jìn)行展開。這些功能實驗基本上與既定遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的需求相契合。為了使遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的基本功能滿足正式上線的運(yùn)行需求，利用主站的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對電能表進(jìn)行控制。實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)表采集和通信的一體化資產(chǎn)管理，其基本實驗項目結(jié)果見表2。

*終，該遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的系統(tǒng)框架圖如圖9所示，采用該遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的實現(xiàn)方案，可利用NB通信直接與主站實現(xiàn)交互。遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的主動上傳，可對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，減少主站系統(tǒng)的運(yùn)行采集壓力。

4安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

4.1概述

 用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應(yīng)用場所

  （1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

  （2）商業(yè)建筑（商場、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；

  （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

  （4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

  （5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

  （6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

2）電能統(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護(hù)計量體系的正確性。

3）詳細(xì)電參量查詢

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動到每個回路附近時，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中危髽?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運(yùn)行報表

系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日報、月報，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

5）變壓器運(yùn)行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

6）實時報警

系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護(hù)動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

7）歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

8）電能質(zhì)量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應(yīng)的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

10）用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

12）視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

13）用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進(jìn)行統(tǒng)計分析。

14）APP支持

電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

4.5系統(tǒng)硬件配置清單

5結(jié)束語

本文設(shè)計的遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的采集、存儲、計量和上傳功能，為實現(xiàn)基于智能卡的電能表設(shè)計提供了一種新的解決方案。但在試驗過程中也發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表在長久運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性方面仍然存在著一些不穩(wěn)定的因素，主要體現(xiàn)在終端有時會掉線，造成主站系統(tǒng)無法采集到終端的數(shù)據(jù)，因此無法準(zhǔn)確地計算電能。后續(xù)還需要進(jìn)一步提高電能表數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，以滿足遠(yuǎn)程費(fèi)控業(yè)務(wù)智能化的發(fā)展要求;在符合國家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的條件下，滿足運(yùn)行需求。

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6. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版

作者簡介;

黃琴，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。