双向互动智能用电体系的构建及智能电表的开发

吴小东，郝朝

（1.上海电器科学研究院，上海200063;2.上海电力学院，上海 200090）

进入21世纪以来，能源短缺、资源紧张、气候变化等问题日益突出.为应对全球资源环境问题以及满足更高的用户服务质量要求，全球电力行业都在积极研究并且提出未来的发展方向，而建设智能电网、构建新型智能用电体系已成为电力部门应对各种挑战，实现可持续发展的共同选择.智能用电是建设智能电网的重要环节.支持电能量的友好交互，满足用户的多元化需求，实现灵活互动的供用电新模式，是未来智能用电技术发展的趋势.［1］本文从双向互动智能用电的需求出发，提出一种面向家庭能源管理的智能用电体系结构，介绍了一种双向互动的智能电表的硬件、软件设计过程，并实现了基本功能.

1 智能用电体系的构建

1.1 智能用电概念

智能用电是依托智能电网和现代管理理念，利用高级计量、高效控制、高速通信、快速储能等技术，实现市场响应迅速、计量公正准确、数据实时采集、收费方式多样、服务高效便捷等功能，构建智能电网与电力用户电力流、信息流、业务流实时互动的一种新型供用电关系.

图1 智能用电系统结构示意

1.2 智能用电系统构架

本文提出了一种面向家庭能源管理的智能用电体系结构，将家庭用电纳入智能用电的整体框架加以考虑，其中包含了微型分布式电源接入及需求侧响应等智能电网的要素.［2］此系统可为电网公司和电力用户之间提供友好开放的双向交互门户，提高家庭能效和节能管理水平，实现家庭用能效益的最大化，并根据电网及分布式电源的出力状态，自动变换不同的能源使用策略，从而构建一个对供需双方都有利的能源消费形态，实现能源节约和环境保护的目的.面向居民家庭能源管理的智能用电系统采用3层结构设计，见图1.

它由智能电表、智能插座、智能互动终端、家庭局域网络、分布式电源、储能设备和电动汽车等组成.系统的软硬件按家庭本地设备层、家庭集中控制层和能源服务层3个层次部署，共同协调配合完成基于互联网的家庭能源管理及控制任务.［3-6］

1.3 智能用电系统关键设备

智能用电关键设备的研发是智能电网研究的重要组成部分，也是实现智能用电、双向互动营销的基础，可以有效改变长期以来无法及时、完整、准确掌控电力用户信息的局面，满足各层面、各专业对于电力用户用电信息的迫切需求，具有重要意义.其关键设备主要包括智能互动终端、智能双向电能表、智能家庭网关、智能插座和智能充放电设备等智能需求响应关键装备.［7］

2 智能电表的开发

智能电表是综合了电能计量技术、计算机技术及现代通信技术的高级测量设备，其设计需要满足通信信道的承受能力、分布式能源的接入以及互动通信等条件.智能电表的主要功能包括：电能计量功能;费率和时段功能;控制功能;预付费功能;双向通信功能等.本文基于CS5460电能计量芯片，设计了单相复费率智能双向电表.

2.1 总体设计及工作原理

前端电压采样模块采用变比为1∶1的电压互感器，电流采样模块采用变比为2 000∶1的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接入电能计量芯片CS5460，经CS5460转换后将电压、电流、功率、电能信号传给单片机MSP430，对瞬时电能进行累加得到累计电能，最终由LCD显示，并可通过上位机来控制计费模式.

电能在物理上表示的是用电设备在一定时间内从电源获得的能量流，电功率表示在单位时间内消耗电能的快慢程度，瞬时功率是瞬时吸收的功率.在一段时间内对用电设备瞬时功率进行积分就是该段时间内消耗的总的有功功率P.［8］

瞬时功率p（t）是随着时间变化的函数，设瞬时电压为u（t），瞬时电流为i（t），则：

p（t）在某个周期内的平均值即平均功率应等于p（t）对时间积分后再除以时间间隔，所以平均功率为：［9-10］

如果电压和电流均为正弦交流信号，则式（1）等价为：

式中：α——电压超前于电流的相角，功率因素cosα=P/UI;

U，I——交流电压和电流的有效值.

在电网中，电压信号不仅包含50 Hz的基频分量，还包含很多2倍频、3倍频、4倍频等谐波的正弦信号.而且电网负载尤其是电网中的电力电子开关设备会引入各种各样的噪声，会对电网电压产生谐波干扰和引起电压波形畸变.［11］瞬时功率p（t）含有直流分量和高频分量，而对任意非零的频率分量在时间上的积分是不影响电能计量的，因此电能计量就相当于计算瞬时功率P的直流分量在时间上的积分.

2.2 硬件设计

总体硬件结构设计如图2所示.电压电流互感器完成对大电压和大电流信号到小电压小电流信号的转换;电能计量模块CS5460采集互感器转换的电压、电流信号，完成对电能的计量;显示模块LCD1602完成对相关数据的显示;通信模块为RS232通信接口，辅助完成上位机控制抄表、手持抄表等功能;时钟模块PCF8583为系统提供一个准确的时间，辅助完成分时计量功能;存储器模块FM 24C256完成对用电量的存储，可在掉电情况下仍保存有效数据;控制模块MSP430F149为中央控制单元.

图2 硬件结构示意

2.2.1 主控模块MSP430F149

系统主控制器选用的是TI公司64脚QFP封装形式的MSP430F149单片机，是一个特别强调超低功耗的单片机.它具有活动模式（225μA，1 MHz，2.2 V）、待机模式（0.8μA）和掉电模式（0.1μA）3种超低功耗模式，以及5种省电模式，从待机到唤醒模式响应时间不超过6μs;内部具有ESD保护及抗干扰能力强等特征.MSP430系列单片机凭借高可靠性和超低功耗的特点被广泛应用于电子产品的设计和开发.［12］

2.2.2 电能计量芯片

为实现电能计量，首先前端调理电路将大电压、大电流调理成小电压、小电流信号，然后通过电能计量芯片上的IIN+，IIN－，UIN+，UIN－接口送入CS5460，小电压、小电流信号经芯片放大、滤波、采样等过程后，计算出瞬时功率，结合式（1）和式（2）以及周期计数寄存器内已设定的计数周期，计算出电能值，并将其存入相应的寄存器中.MSP430通过与CS5460通信将相应寄存器中的电能值读出，上传至上位机或用自带的LCD显示.CS5460串行口包括串行时钟（SCLK）、串行数据输入（SDI）、串行数据输出（SDO）和片选（CS）4条控制线.［13］CS5460的EOUT口可输出与电能成正比的脉冲信号，便于电能表对电能的检测.CS5460的电路连接原理如图3所示.

图3 CS5460硬件连接示意

2.2.3 前端调理电路

在电压电流采样电路中，系统采用互感器接入方式，通过电流型电压互感器将电压信号转化为电流信号，再经电阻转化为电压信号，同时用电流互感器获得电流信号，经电阻转化为电压信号.电压模块采用变比为1∶1的电压互感器TAV14，电流模块采用变比为2 000∶1的电流互感器TA17（L）-04，电压互感器、电流互感器的电气连接图如图4所示.

电压互感器TAV14的参数如表1所示，电流互感器TA17（L）-04的参数如表2所示.

图4 电压、电流互感器的电气连接示意

表1 TAV14电压互感器的相关参数

表2 TA17（L）-04电流互感器的相关参数

2.3 软件设计

系统软件由初始化程序、中断服务程序、LCD显示驱动程序以及数据保存程序等组成.主程序通过直接调用或中断方式调用子程序，以实现系统的整体功能.

2.3.1 主程序流程

主程序主要用于调试各个子程序模块来实现整个系统的各项功能.整个单片机资源的调配、管理以及信息的流向都由主程序来实现.［14］主程序使单片机能够指挥各部分电路有序地完成电能的计量、数据的存储与通信，并加以显示.主程序流程如图5所示.

2.3.2 电能脉冲采集程序

电能脉冲采集程序是电能表最核心的功能.采集后的电量值存放在电能脉冲计量模块中.在中断服务子程序中，CS5460的电能采集程序为：先判断是否有中断，若有事件中断，则读取有功功率、无功功率、电压、电流等值.电能采集程序流程如图6所示.

CS5460初始化步骤如下：一是复位CS5460，对CS5460的复位脚发复位脉冲，脉冲不少于10 ms;二是写同步控制命令字;三是从外部存储器读原来保存的校准值，并将读出的值写入相应的校准寄存器;四是写控制寄存器，设置各寄存器参数;五是清状态寄存器;六是启动CS5460开始转换;七是读出CS5460的AD转换值或计算结果.

读写CS5460步骤如下：一是读能量寄存器;二是读电流有效值寄存器;三是读电压有效值寄存器;四是读状态寄存器，回写状态寄存器.

图5 主程序流程示意

图6 电能采集程序流程

3 结语

本文构建了一种新型智能用电体系框架，由智能电表、智能互动终端、智能插座、家庭局域网络等构成;可以支持分布式电源、电动汽车充电桩等系统或设备的灵活接入，具有计量、综合能耗监测、家用电器智能控制以及与用户的双向互动等功能.此外，重点介绍了一种基于CS5460电能计量芯片的单相复费率智能双向电表硬件和软件的设计过程.采用RS-232可以上传电量和实时功率，LCD可以显示当月使用电量.实际测试结果表明，智能电表具备0.5%以上的计量精度，且可实时地与智能互动终端双向互动.

［1］鲁刚，魏玢，马莉.智能电网建设与电力市场发展［J］.电力系统自动化，2010，34（9）：1-6.

［2］史常凯，张波，盛万兴，等.灵活互动智能用电的技术架构探讨［J］.电网技术，2013，37（10）：2 868-2 874.

［3］刘小聪，王蓓蓓，李扬，等.智能电网下计及用户侧互动的发电日前调度计划模型［J］.中国电机工程学报，2013，33 （1）：30-38.

［4］章鹿华，王思彤，易忠林，等.面向智能用电的家庭综合能源管理系的设计与实现［J］.电测与仪表，2010，47（9）： 35-38.

［5］梁有伟，胡志坚，陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述［J］.电网技术，2003，27（6）：71-75.

［6］李东东，崔龙龙，林顺富，等.家庭智能用电系统研究及智能控制器开发［J］.电力系统保护与控制，2013，41（4）： 123-129.

［7］山西省电力公司.电能计量［M］.北京：中国电力出版社，2009：7-10.