智能电网AMI中的智能电表系统设计

王强

摘要：当前，全球资源紧张，环境压力也在逐渐增加，电力市场化加快，用户对于电能的要求逐渐提升，因此，要建设具有安全性及环保性还有经济性和可靠性的电力系统。智能电网就是在这种形式下产生的，智能电表是其中的一个重要构成部分，需要对其设计工作加以重视。本文首先对AMI进行了简要介绍，然后对智能电表系统的相关设计工作加以阐述。

关键词：智能电网；AMI；智能电表系统

0引言

AMI是智能电网之中的一个重要构成，它是对用户用电信息进行测量及收集还有储存与运用的网络与系统。而智能电表是其中的重要内容，不仅能够显示具体的用电量，同时还可以对电能价格进行显示，实现用电与生活的新方式。

1概述

智能电网通过完善的双路通信及灵敏度比较高的传感器与分布式计算机等对电力进行传输与分配。AMI是其中的一个重要构成，它是对用户用电信息进行测量及收集还有存储与运用的网络系统，其主要构成包括智能电表及量测数据的相关管理系统与通信系统等三个部分构成。从当前情况看，这一体系已经被延伸到室内网络之中，这样用户能够对自己的用电信息进行详细分析与利用。智能电表可以结合事前已经设定好的在电表和附属设备里的时间间隔对用户用电信息进行记录，并利用通信网络将其传输至数据中心，在其中结合用户计费及故障相应还有需求侧管理等各种要求与目的加以处理，同时还可以将信息发送给电表。

这一系统可以对电力供需进行有效调配，利用智能电表实时获得用电信息，从而对其用电行为模式加以改变，实现节约用电的目的。与此同时，利用差异电价，减少尖峰阶段的用电，从而避免庞大投资，能够实现实现节能减排。对于电子电表来说，不但能够达到电能计量的效果，同时还可以实现电能管理及交易服务还有通讯和数据处理服务，从而实现节能效果。AMI具有开放系统，构建共享信息模式，对系统数据进行整合，并对电网运行及管理进行优化，智能电表利用智能终端，使用户之间还有用户与电网企业之间构成一个网络互动，能够实时及双向读取数据，使电网综合效率得以提升[1]。

对智能电表来说，能够实现各种带有时标的计量，实质上已经成为系统传感器及量测点。AMI不但能够提供在系统中遍布的通讯网络及设施，同时还能提供出系统范围以内的量测及可视性。另外，智能电表的功能还包括以下方面：第一，用户通过智能电表能够获得具有及时性与连续性的计量信息。第二，能够实行分时电价，比较灵活。第三，对电能质量及电压控制进行远程监视。第四，在系统发生故障的时候能够快速定位并进行响应。第五，能够检测非技术造成的能量损耗。第六，能够减少负荷峰值，使资产利用率得以提升，减少固定投资的相关成本。第七，对于参与到市场中的用户，可以为其提供实时性的电价，同时还能自动对负荷进行控制。第八，提供科学的负荷信息，确保系统调度及规划与运行的正常。第九，能够实现信息的共享。

2系统设计

2.1关于硬件

在对智能电表系统进行设计时，计量芯片选择的是MAXQ3180这一型号，其主要构成包括两个部分：一是DSP，二是集成ADC。它能够对多相负载的各种多相电压及电流还有电能和功率等参数进行采集和计算。在芯片里有SPI总线，外部主机利用它将计算结果读取出来，同时通过它对芯片工作模式进行配置，对其工作状态加以监测。对智能电表来说，其硬件结构的两个关键是计量芯片及主机。在对其进行设计时，计量芯片可以对电能以及电力品质参数等进行计算，因此，要分离嵌入式控制器，专门利用它实现通信及实时电价还有存储管理和费率时段管理等各种功能。选择的计量芯片型号是MAXQ3180，其能耗比较低，功能比较多，主机采用的是增强型的ARM控制器，其型号是STM32F107。在选择了主机之后，还要加上以太网物理层收发器及联接器，从而提供以太网的相关通信接口，最之用构成一个分布式的相关通信网络。与此同时，在智能电表中还配备了HMI这一人机接口，能够通过液晶显示模块对相关数据及各种设定信息进行显示。通过FRAM这一存储器对累计的电能及事前设定好的信息进行保存[2]。

2.2关于软件

对智能电表来说，其软件构成包括：一是监控程序，二是显示程序，三是键盘扫描程序，四是芯片数据的相关读取程序，五是数字滤波程序，六是实时时钟程序，七是网络通信程序，八是设定程序，九是分时电价程序，十是自动校正量程和功率补偿的相关程序。通过C++语言进行编程，同时开展模块设计工作。对于智能电表来说，不但可以对电度及无功电度等进行测量，同时还能够对电力品质参数，比如，电流及电压还有功率因素与谐波含量等等进行测量。不管是单相两线还是三相四线还是三相三线系统，都需要通过一次电压及电流互感器使一次电压及电流信号成为标准电压及电流信号，之后，利用二次电压及电流互感器成为几毫安到几十毫安的电流信号，利用取样电阻得到0伏到2伏的交流电压信号，并将其送到计量芯片之中，嵌入式控制器利用芯片中的SPI总线将需要的电能及各种电力品质参数读取出来。对二次电压及电流互感器来说，其输入信号以及输出信号是有着相移存在的，会有角差产生，如果角差不等于0，那么就会对功率及无功功率还有电度和无功电度等方面的测量精度造成极大的影响。从市场产品来看，其主要的应对措施是在互感器副边添加硬件电路对相移进行补偿。二次电压及电流互感器还有其元器件具有较大离散性，难以实现，因此，不能够适应批量化生产。另外，对于互感器中的输出信号，市场产品通过运算放大器对其做放大处理工作之后，将其送到微控制器中交流采样，同时通过电位器开展零点和满量程的相关调节工作。如果仪表产生振动和温度变化，就会使得零点和满量程出现漂移现象，从而对测量的精度造成影响。在本次设计过程中采用的计量芯片能够直接采样那些已经进行了滤波及限幅之后电流信号与电压信号，利用相角补偿，将硬件补偿电路还有信号放大电路去除，同时不用调节零点和满量程，也不会有零点和满量程漂移现象，从而使得测量精度得到提升。芯片可以将大多数电力品质参数都提供出来，仅仅需要对其进行简单处理就能够对相关数据进行存储及显示与传输。同时，它还可以提供出谐波电能及基波电能还有分相电流和电压的每次谐波具体的均方根值。谐波测量会对电力质量监控造成极大的影响，通过数字滤波器对其进行测量。endprint

2.3关于节能降耗设计

对智能电表来说，主机是其重要的核心，对电源管理有着重要作用。因为使用了专门的计量芯片，而主机仅需要开展管理及通信工作，选择设计中的嵌入式控制器能够满足相应的要求。为了减少计量功耗，能够采取的措施包括：第一，使用的供电电压为3.3伏。对计量芯片来说，对3.3伏的电压进行使用，能够与主流3.3伏供电的相关微控制器之间进行接口，减少系统造成的功耗。第二，减少动态功耗。对计量芯片来说，在其工作的时候，有些部分选择了间歇性的方式进行工作，这样暂时用不到的部位就处在关断的状态之下，从而使系统平均功耗得到减少。如果需要工作，需要实现快速启动，因此，要在对计量芯片进行设计时，对时钟及时序等进行合理分配，而设计中采用的计量芯片正是利用了这种先进技术，其节能效果比较好。第三，选择休眠模式及快速唤醒。计量芯片通过休眠模式及快速唤醒的利用，能够缩短工作时间，使占空比减少，并减少平均电流。第四，对低功耗模式进行利用。计量模式受到微控制器相关控制，降低其工作频率，选择低功耗模式进行测量，功耗仅仅是正常工作状态时的25%到30%之间，且这个时候的功能是基本上不会变化的。第五，对开关电源进行利用。从当前情况看，在对电能表进行设计时，一般会对传统变压器加上线性稳压器的方式进行利用，其电源效率低，优点是可靠性比较高，且纹波比较小[3]。若是需要减少功耗，要利用传统的电压器并加上开关稳压器，从而使电源效率得以提升，但是它的缺点是有可能会有谐波产生，有噪声引入到精密测量那一部分，使得测量精度受到影响。因此，在对电路板进行设计的过程中，要制定相关措施，另外，还要对模拟电源及地线等加以滤波，避免噪声造成的影响。

3结语

综上所述，智能电表是AMI系统中的一个重要构成，在电网中发挥着重要的作用，因此要对其进行科学设计，本文对智能电表系统的硬件设计及软件设计和节能降耗设计等方面进行了阐述，希望给同行以参考。

参考文献：

[1]静恩波.智能电网AMI中的智能电表系统设计[J].电测与仪表,2010（S2）:36-39.

[2]郑欣.基于AMI系统的智能电表的设计[J].湖北电力,2011(01):23-25.

[3]袁强,何乐生,王威廉.一种基于AMI系统的无线三相智能电表的设计[J].电子测量与仪器学报,2013(05):473-478.endprint