基于远程费控的智能电表的设计

徐振洪

摘要：随着城镇化的发展，智能电表的进步成为现代城市生活的缩影。文章通过对某远程费控智能电能表的具体介绍和功能实现，浅析了在远程数据传输技术下采用大规模集成电路形成的智能电表的功能及特点。

关键词：远程费控；智能电表；使用设计

中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0011-02

1 电表的基本功能

双向计量、管理控制和双向通信组成电表的三大基本功能，电表的基础功能就是计量，计量里面又囊括了有功、无功、功率因素、电压、电流量和零序电流6种计量。双向通信在智能电表和智能电网之间搭建桥梁，建立起可靠、稳定的数据传输通道。作为交互式智能电网的终端管理单元，智能电表的管理控制功能包含费率控制、远程控制、家电设备的智能化、发电设备控制的分布式和本地的管理工作五部分。

智能化的远程费控，本地：不存在计费功能，以计量功能为主；远程：由远程的主站/售电系统完成计费，一旦用户产生欠费，远程系统将会自动发出命令，并且拉闸断电，当用户把欠费交清时，远程系统再次发出命令，合闸供电。

发展中的智能电表技术给我们的生活带来便利，不仅可以通过计量的手段收集到用户给出的意见建议作为参考，并且在用户端的控制上也显得更加灵活了。

本文以智能电表的功能为出发点，重点介绍远程费控功能在智能电表中的应用，同时对智能电网的作用提出相应结论。

2 费控功能的实现

电能表内配套有专用ESAM模块，作为安全认证接口和安全数据存储单元。通过费控功能，实现本地和远程之间电能表的区分。

2.1 远程费控

远程费控区别于本地费控，具有智能化、简单化以及精准化等特点。通过网络等媒介远程对电能表实现费控，只有在接受远程系统发出指令的情况下才会对用户实行拉闸断电、开闸用电等功能，对于远程系统的密码要严格程序才能通过，远程系统必须是通过安全认证的，这样才能确保远程费控工作的正常进行。

2.2 本地费控

本地费控的限制性比较大，主要是依托CPU为媒介，在智能电表内部实现对本地电能表的费控功能。但是本地费控拥有两种预付费的方式，可以按照个人情况和条件选择本地付费或者是进行远程付费。

用户卡主要包括开户卡、购电卡、补卡三种电卡类型。而其中只有开户卡可以修改电价、报警金额等信息，购电卡和补卡不能修改电价、报警金额等参数。

配合编程开关，可以在现场对电能表的参数进行设置和修改。通过对现场参数设置卡的版本和计数器的判断使用现场参数设置卡，当版本号符合要求，而且计数器数字小于0的时候，就可以进行正常的现场参数设置。

数据回抄卡主要用于检测电能表费控信息，为了方便检测到电能表的费控数据，可以通过数据回抄卡，读回电能表上全部的费控信息。

当你需要把电能表的密钥从公共更新到私有或者仅仅是更新私有密钥，都需要在密钥下装卡。如果你想把电能表的密钥由私有恢复成公开，就要使用密钥恢复卡。

当电能表内的剩余金额小于等于报警金额1时，电能表的报警灯常亮、液晶显示“请购电”、背光灯亮，通过购电预警告诉用户需及时购电；当电表的报警金额为2的时候，如果电能表内的金额小于2，电能表的报警灯亮、液晶显示“请购电”、背光灯亮，电能表此时预跳闸，同时电能表的跳闸指示灯亮，此时用户可插用户卡恢复，继续使用剩余金额。若用户不去购电，剩余金额走到零时，电能切断供电回路，强制用户只有购电才能恢复。

当设置透支金额时（透支电量由用电管理部门设置），电能表中的剩余金额小于等于报警金额2时，液晶上显示“请购电”、背光灯亮、报警灯亮，同时电能表跳闸，此时可插用户卡恢复；可以透支使用设置的透支门限金额，当透支金额大于等于透支门限时，电能表液晶显示“请购电”、报警灯亮、背光灯亮、跳闸指示灯亮，继电器跳闸。当用户再次购电时，电能表自动从本次购电金额中扣除透支金额。

3 基于远程费控功能的智能电表的功能设计

本文所设计的智能电表采用的单片机与传统的不同，它的工作原理是根据一种称为2B8的单片机来实现远程控制电费的功能，这是一种性价比高，并且应用于智能电表的开发非常合适的单片机。该电表的工作方式是通过低功耗电、时钟电路、高低速振荡器、硬件乘法器、串行通信口全双工3个、中断结构7级、软件中断4个、内部中断23个、外部中断5个、计数定时器6个、专用输入口2个以及上拉电阻、CMOSI/O口编程45个、内部RAM3k、闪速存储器字节648K字节。

这种智能电能表，根据相关远程费控功能的要求，设计了相关的模块，具体的设计内容如下：

3.1 时钟模块

时钟电路低功耗时钟、支持I2C总线、RX8205T芯片的一种，补偿温度内置晶振，精度很高，精确计时可以在宽温的范围内轻松达到目的，引脚兼容当前广泛应用于电表领域的EPSONRX-8025SA。设置日历以及时钟时通过从外部通讯口接收到相应的校时数据来完成，主要经由CPU来完成，继续持续走时则是完全依靠自身的振荡来进行。与CPU连接是利用I2C方式2线，与2B8相连的方式则是通过SCL脚以及SDA脚，设置与分或者秒同步的脉冲完成2个报警引脚的中断，当前时间的读取则是单片机系统从I2C通讯接口每隔一段时间进行的，该时刻所在的时段就是这么计算出来的。电能的分时段计量在多费率电能表的应用中得以实现。时钟的运行也能够最小程度免受来自电力的影响，在由主电源为时钟进行供电的时候，时钟可以正常运行，当在电源供应中断的时候，在时钟里本身自带的锂电池就会自动发挥作用，代替主电源，确保时钟的正常运行，精准运行。

3.2 存储模块

智能电表复杂实现、拥有众多功能，大量的数据会在运行过程中产生，例如冻结量数据、事件记录数据、历史电量数据等等。同时，存储芯片必须在那些功耗低、长保存时间、高可靠性、大容量的芯片中选择，因此在此过程中选用的都是串行低功耗存储器芯片，采用MCU通讯以及I2C接口，工作电流以及待机电流以此分别为1mA和1μA，保存数据时间在200年以上，擦写次数达到10万次、64K字节的存储容量。

3.3 通讯模块

红外IR传输以及RS-485传输分别是通讯功能实现多采用的主要的方式，之所以在RS-485总线接口之外采用避雷等措施进行保护，是因为顾虑到大部分的智能电表的安装位置都不是在室内，在户外会有遭到雷击的可能性。ISL3152芯片为RS-485接口芯片，可以单片机系统以及光耦NEC2501完成隔离，最终达到避免由于雷击而对系统产生致命的破坏性。

远程主站系统利用RS485总线与智能电表达到相连的目的，主MCU则是通过光耦隔离还有UART这一串行异步通讯接口和ISL3152接口芯片（来自RS-485）进行相连。同时由于各个智能电表采取的12位的以十进制计算的通讯地址是唯一而确定的，只要主站系统通过DL/T645-2007下达命令协议，与自己地址相匹配的信息数据就会传送到智能电能表的方向，与此同时，校验码以及相应的应答信息也会进一步自下而上传达到远程主站系统终端，达到回抄数据的最终目的。

红外通信容易受到外界环境的一系列干扰，尤其是数据传输的方式是采用红外发射管的时候。为了避免传输过程中出错，并且实现数据的精准，常用的抗击干扰的途径是，首先将载波调整到30～40kHz，此时需要传送的数据则需要再一次发送，就可以有效抗击干扰。2B8单片机所采用的定时器管脚能够产生38kHz的低频载波输出，实现红外数据发送功能的过程是TXD脚驱动（来自单片机的UART口）串联到另外一个三极管，实现“1”和“0”等二进制信号数据的传送运输功能。接收红外的时候，高频红外信号的解调是通过红外一体化来进行HM238R的模块接收的。当低电平从接收管输出时，高频红外信号则是HM238R接收到的；当高电平从接收管输出时，高频信号则没有传送到HM238R。由接收管进行红外线解调处理后的数据就是由RXD管脚（UART口）再将其记入单片机内，然后进行一系列的选择处理。

3.4 电能计量模块

由于采用的是可靠性强、精度高的RN8209国产芯片，因此远程费控智能电表在计量电能时可以测量出无功能量、有功能量、无功功率、有功功率等，防窃电方案可以有效灵活地实现，通过零中断、电压电流有效值、有功功率有效值、2路独立等等，可以达到对Offset校正、全数字的相位、增益的支持。断电以及上电时的可靠芯片工作可以从来自内部的电源来对电路监控而实现，同时，QF、PF管脚能够分别从无功、有功的电能脉冲来实现。

另外，在正常的工作中可以实现MCU2B8与SPI串行相互间的通讯，电表运行的参数可以从SPI口实时读取；假设发生异常的情况，MCU可以事件记录同时进行，直到来自系统的查询结果证实远程主站可以支持运行为止。

根据上述设计，在电能表费控管理菜单下，主要包括主站控用户管理、主站控用户审核、主站远程控制明细、主站控统计分析和主站远程控制5个子功能模块。

4 结语

电能表可以很好地对电量进行测量，并且及时地做好数据处理，做到自动化的实时监控、在信息上面能够有效的交互、对负载做到有效的控制。在如今的智能电网用户中，智能电表技术的运用显得尤为重要，一方面是完善了以往电能表的功能，另一方面为新功能的开发提供了机会，如一卡通、地位预测、远程家居。

通过符合国际标准的智能CPU卡为购电介质或由后台系统以通信信道为虚拟介质，依据表内用户用电信息控制断路器实现负载的通与断，为了使用电朝着合理化、有效化的发展，必须要通过多种费率对电网的负载情况进行

调节。

参考文献

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[J].技术讨论（光伏发电专辑），2007，（Z2）.

[2] 胡必军.世界太阳能发电产业加速发展的形势及可借

鉴的政策[J].光源与照明，2008，（3）.

作者简介：徐洪振（1967—），男，广东蕉岭人，武汉大学在职研究生，广东电网公司佛山供电局电力计算机应用工程师，研究方向：电力技术应用。