一种新型无线电能计量表的设计与实现

付晓，沈永名，孙良凯，李健

(1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004;2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京210061;3.浙江嘉兴电力局，浙江 嘉兴 314033)

1 引言

由于传统能源的逐渐枯竭以及环境保护的需求，建设更加安全、可靠、优质、环保、经济的电力系统已变得越来越，智能电网由此诞生。它允许可再生能源接入电网，支持互动式用户管理以及对电网的智能化管理。智能电表是高级量测体系(AMI)和智能电网数据采集的基本设备，承担着原始电参量采集、计量和传输的任务，是实现信息集成、分析优化和信息显示的基础。智能电表技术的发展，一方面可以通过先进的计量手段为用户提供用电建议，另一方面也为用户端的控制提供了灵活接口。

从智能电表的组成来说，主要包括通信、电源及电源管理、计量、存储等功能模块。本文提出的电表结合了电能计量芯片、微控制器与无线数传模块等器件的应用，实现了远程自动抄表、双向计量、交互式等功能。作为直接接在输电线路上的电表，它具有抗干扰能力强，测量精度高，防窃电能力强，性价比高等优势。

2 系统框架

2.1 系统基本组成

这套电能计量表分为两个部分:一是前端采集器，直接接在输电线路上，用于采集三相的电压和电流等电参数并通过射频把数据传送给集中器;二是位于配电房的集中器，接收前端采集器发送的数据。然后集中器通过RS232收发器把数据通过网络传给上位机。上位机的主要职责就是接收与储存各种电力数据，汇总并统计数据，制作报表，下发控制命令。

图1 无线电能表原理图

3 系统硬件设计

3.1 电源电路设计

3.1.1 前端采集器的供电

由于采集器直接固定在输电线路上，所以能量补充问题是关键问题之一。感应取电的方法具有转换效率高，应用便捷的优点。目前，感应取电的研究方向有两种，一种是无蓄电池储能的，如果用电装置可以接受较大范围电压的波动，则可以无需蓄电池稳压;第二种是有蓄电池储能的，这种方式更适合需要稳定电压供给的用电装置，比如芯片，所以这里我们采用两块蓄电池交替工作的模式来给前端采集器供电。

由于采集器直接固定于输电线路上，故感应取电后，经过整流和滤波给蓄电池充电从而给PCB板提供稳定的直流电压源。采用两块蓄电池交替供电的方式，当蓄电池BT1此时作为工作蓄电池供电给电路板时，蓄电池BT2作为热备用正在充电，由输电线路感应充电。等待工作蓄电池电压降至5.5V时，继电器动作，切换线路，把满电的电池切换为工作电源。作为6V的电压源，蓄电池的输出经过低压差电压调整器AMS1117-3.3和TPS7350Q的处理，分别输出3.3V和5V的直流电压。

3.1.2 集中器的供电

集中器安置于配电房内，故取电比较便捷，使用低压差电压调整器AMS1117-3.3把5V电压转换成3.3V电源Vcc并加以滤波，以便供电给 C8051F021、EEPROM、JTAG 接口、时钟芯片 SD2405ALPI、RS485收发器SP3072E;使用5V电源直接供电给欧姆龙继电器 G6H-2、门电路 SN74HC04、无线数传模块 FC-211AP。

3.2 电能计量模块设计

采用Cirrus Logic公司的双向集成功率测量芯片CS5463。它可用于研制开发单相两线或三线电表。CS5463控制电路如图2所示。

图2 CS5463外图接线

CS5463的特性如下:测量精度高，可达±0.1%;片内功能多:这里我们采集的参数包括:瞬时电压、瞬时电流和有功功率、无功功率、功率因数、频率。另外芯片功耗低，小于12 mW。

我们采用使用手册推荐的晶振频率4.096MHz作为时钟脉冲。+5V电源通过VA+和VD+引脚给芯片提供电源。CS5463可以使用EEPROM进入“自引导”模式，这个模式下使得CS5463能独自工作，并在系统上电后自动初始化。也就是说，CS5463可从一个外部EEPROM中下载启动指令和寄存器数据。使用该模式，CS5463在工作时不需要外加微控制器，因此，当电表用于大量住宅电能计量时，可降低电表的成本。因为这里不采用“自引导”模式，故将MODE引脚接地。

PFMON引脚是起电源监视的作用，当模拟电源下降到一个极限值时，状态寄存器被置位表明处于低电压状态。SDI、SDO、SCLK引脚是CS5463与MCU连接的SPI接口，数据传输速度总体来说比IIC总线快，可以达到几兆每秒。而引脚7则是从器件使能信号，由主器件MCU控制，低电平有效。

CS5463的校准及实现:该芯片的电流、电压通道要求输入最大±250mV的交流差分信号，既芯片输入的极限有效值约等于AC 176 mV RMS。

校准过程如下(指单相)

零点校正:

(1)分别短路电流和电压输入端的IIN+、IIN-、VIN+、VIN-并使之连接到模拟地。

(2)分别发送电流、电压偏移(零点)校准命令，CS5463内部自动把偏移值保存到各自的偏移寄存器，此时电流、电压寄存器的值为0。

(3)保存电流、电压偏移寄存器值到采样器的EEROM存储器(供下次复位后重新恢复)。

满度校正:

(1)由于芯片输入的极限有效值约等于AC176mVRMS，一般把满度值衰减为极限值的60%，这样才有一定的采样余量。例:本系统分别把35kV的电压和100A电流衰减到150mVRMS。

(2)电流和电压输入端的 IIN+、IIN-、VIN+、VIN-分别接入150mVRMS校准信号(实际上电流输入10mA信号，通过15Ω的取样电阻得到150mVRMS校准信号)。

(3)分别发送电流、电压增益(满度)校准命令，CS5463内部自动把增益值保存到各自的增益寄存器，此时电流、电压寄存器的值为0.6。

(4)保存电流、电压增益寄存器值到采样器的EEROM存储器(供下次复位后重新恢复)。

3.3 无线数传模块

采用的FC211AP模块是新一代多通道高速率嵌入式微功率无线数传模块，其主要特点如下:

(1)低功耗:发射功率 20mW，休眠电流低于15uA，接收模式下消耗电流低于27mA，发射模式下消耗电流低于38mA;

(2)工作在无线计量频段，符合国家无委标准，免申请频点;

(3)可靠性高、稳定性强:基于GFSK的调制方式，高抗干扰能力和低误码率，提高数据抗干扰能力;

(4)传输距离远:视距情况下，可靠传输600m。实际使用中的视距约50m，所以可靠性是可以得到保证的。

实现数据正确传输必须具备以下几个条件:

(1)接收器与用户的系统连接时，必须保持串行接口特征一致，即:奇偶校验情况、波特率、停止位、数据位;

(2)信道选择相同;

(3)空中传输速率相同。这里我们选择默认值9600bps，与数据传输串口速率相同。

图3 无线数传模块示意图

图3为无线模块的传输示意图，前端采集侧从MCU出来的信号是TTL电平，由于RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，同时传输距离长，可靠性高，所以这里把数据用RS485收发器转换后送入无线模块。通过射频发射至集中器侧的电台，再通过RS485转接口把信号送至MCU。这里RS485转换器选用Sipex公司的+3.3V低功耗半双工的SP3072E。SP3072E的D I口和RO口接单片机P0.0(TXD)脚和P0.1(RXD)脚。单片机P3.3管脚控制SP3072E的使能。SP3072E的A口接到FC211AP的A/TX引脚，B口接到B/RX引脚。

3.4 显示界面的设计

显示仪表位于配电房，与集中器侧的MCU通过插头连接，这里采用 YAOYUTECHNOLOGY的YM240128a-5型液晶屏来显示实时数据。正常运行时让屏幕显示第一页数据:总有功电量、总无功电量、峰时段电量、平时段电量、谷时段电量、总有功功率、总无功功率、频率、功率因数。点击按钮进入第二页，第二页显示A、B、C三相各自的电压、电流大小，温度、频率、功率因数。在通讯故障时对应的数据用灰色显示。根据实际需要，正常运行时只显示第一页的内容。

3.5 防窃电设计

制成的PCB电路板放在一个金属腔体内，而腔体与输电线路直接串联，输电线路的高压可以有效防止窃电。

4 软件设计方案

图4为前端采集器和集中器的软件流程图。

图4 集中器和采集器器软件流程图

4.1 采集器的程序实现

采集器的程序主要由初始化和中断处理组成。初始化程序完成MCU、CS5463以及MCU外设的设置。中断程序主要有串口通讯中断和CS5463采样定时中断组成。串口通讯中断接收集中器发来的电参数查询命令，并给以适当的回应。CS5463电能芯片对电参数的采样引起了MCU每秒的定时中断，该采样通过SPI接口完成。而有功、无功电能分别由CS5463的E1、E3两个引脚发出的脉冲进行累计。

4.2 集中器的程序实现

集中器的程序主要也由初始化和中断处理组成。除了同样要对MCU及外设进行初始化外，增加了液晶显示输出和上位机的查询请求应答。集中器的中断处理程序有:定时查询采集器的电参数、定时刷新显示数据、按键扫描及处理、相应上位机的查询命令等。集中器分别读取A、B、C三相的采集器数据，把采集结果进行合并，得到该线路的总电参数。

4.3 交互的实现

当用户在一定时间内的用电量超过一个极限值，MCU下发命令控制断路器从而实现拉闸限电。

5 结论

本文从硬件和软件两个方面阐述了系统的设计过程。系统通过采用CS5463芯片作为微功率无线收发模块.实现了对高压输电线路用电信息的高效、快速和可靠采集。

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