基于STM32的智能电表

王肖峰

摘 要：针对目前市面上智能电表双向互动通信费用昂贵，推广普及困难，不能实时监控用户用电情况，不具有实时浮动电价等缺点，文中设计了一种基于RS 485和ZigBee组合通信的智能电表，可减少通信成本，实现实时双向通信，监控用电情况，为管理者设定浮动电价提供实时监控信息，达到削峰填谷的效果。ZigBee节点通过太阳能供电，减少了成本，延长了ZigBee的使用寿命。设计参考DLT 645-2007协议规范，可实现数据和控制的实时和双向传输。

关键词：电能计量；STM32；ZigBee；RS 485

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）09-00-02

0 引 言

智能电表作为电网的终端设备，承担着采集、计量和传输用户用电数据的任务，目前已上市的智能电表虽然克服了抄表效率低下、数据失真、防窃电功能差等问题，具备了分时电价、预付费和剩余电量查询等功能，但是随着电力市场化的深入改革和分布式电源结构的大力推动，建立安全的网络架构实现电网公司和用户的双向通信刻不容缓[1]。本设计可支持实时浮动电价，分时计价等多种计价方式，用户可根据电网公司制定的电价机制，更好的管理用电，以达到节省电能的目的；电力供应公司可以根据用电峰谷灵活地制定分时电价，实现削峰填谷的目的[2]。为实现这些目的，就需要一个传输数据稳定，具有双向通信功能的智能电表。智能电表可帮助用户查询用电量，也可以接收电价调整的信息[3]。

由于目前的通信方式各有优缺点[4]，本文所研究的智能电表采用多种方式进行通信，其现场设备采用RS 485和ZigBee组合的方式，网络层采用ZigBee与GPRS相结合的方式。智能电表将用户的用电信息实时传送给电能管理中心，电力供应部门可根据用户需求灵活调整发电量，并将停电等信息及时通知用户，用户通过操作平台实现对家庭用电的实时监控和查看[5]。

1 智能电表硬件设计及主要模块

1.1 智能电表的主要功能

1.1.1 基本功能

智能电表可对多种电能信息如电压、电流、需量（规定时间内的平均负荷）和功率因数进行测量和分析。具有预付费和储存一年内的用电信息等功能，可通过显示屏直接观察到用电量、费用和剩余费用等信息。

1.1.2 多种电价计费方式

电力市场化改革的最主要目标就是电力需求侧改革，其实质是通过电价控制用户的用电时段，本文设计的智能电表具有分时电价、实时电价和峰值电价等多种计价方式。通过电价控制，一方面可配合供电部门合理规划发电量，避免电能浪费；另一方面可推动用户根据电价的变化，改变用电时间。

1.1.3 双向通信

智能电表可按月将用户的用电信息采集并通过远程通信上传到电能管理中心，电能管理中心也可将电价变动等信息发送到智能电表中提醒用户查看。综合考虑功耗、传输速率和通信方式的优缺点等因素，决定现场设备层采用RS 485和ZigBee的组合通讯方式。

1.2 智能电表硬件设计

文中所设计的智能电表应包括主控模块、辅助供电模块、参数采样模块、12位SAR（逐次逼近型） ADC、RTC（实时时钟）和储存模块、触摸屏等。

1.2.1 主控模块

主控模块采用32位STM32F103增强型ARM微控制器。STM32具有接口丰富、价格低廉等特点，在一些低成本、高性能的自动控制领域中广泛应用。在综合考虑功耗和成本的问题后，决定采用STM32F103作为主控芯片[5]。

1.2.2 辅助电源模块

智能电表各模块采用+3.3 V直流供电，从市电中接入工频交流电，经过一系列整流、滤波后，由稳压器TPS5410进行降压得到+5 V直流电源；+5 V直流电源的另一端再经稳压器AMS1117后即可获得+3.3 V直流电源。智能电表作为智能电网的终端设备，起到连接用户和配电部门的作用，所以对电表的可靠性有很高的要求，要具有后备电源，以应对电网停电等突发状况，可继续为电表的重要器件提供电源，保护重要数据。同时，电表应具有完善的过流保护和过热保护功能，并在系统电源端并联压敏电阻进行防雷击保护。

1.2.3 参数采集模块

市电的电压必须降到VREF以下。模拟输入端采用压敏电阻对峰值电压进行保护，然后借助分压器进行分压，并通过RC低通滤波器消除锯齿波。模拟电压输入端如图1所示。

图1显示的模拟输入端的输入电压为市电电压，VREF的电压为芯片模块的参考电压2.0 V，将市电通过分压器降到低于VREF的电压。ADC模块的最大电压一般小于VREF。当电表受到谐波或过电压的影响时可以很好地保护ADC模块。模拟电流输入端如图2所示。

I1+和I1- 是输入传感器后的电流。负载电阻R24基于所选取的电流范围和CT匝比规格选取。此处选用的负载电阻设计值为12.4 Ω。在负载电阻之后，由电阻和电容组合成的电路可消除锯齿波。当最大的额定电流为100 A时，其转换器的输入信号是一个全差分输入电压，为±877 mV。

2 远程无线抄表的实现

RS 485总线通信具有控制方便、電路设计简单、架设成本低廉等优点。ZigBee具有自组网、低功耗、低数据无线协议等优点，得益于其简单性和易用性，常用于短程无线通信。

由于RS 485和ZigBee各有优缺点，故采用两种通信方式相结合的方式进行通信。

在布线复杂度低的地方采用RS 485通信，在布线复杂的地方采用ZigBee通信。通过智能电表采集每户的用电信息，并通过RS 485传送到ZigBee采集器中，再由无线通信将数据传送到ZigBee中心节点进行远程通信，将数据传送给控制中心。该设计充分利用了RS 485和ZigBee的优点，不仅节省成本，还大大提高了电表利用率[6-9]。endprint

3 软件的实现

目前的智能电表大多都采用硬件电路来实现其功能，导致电路愈加复杂，同时也增加了智能电表的成本，不利于市场推广。设计采用软件的方法来实现其功能，可以减少成本，大大提高其灵活性和通用性。

3.1 参数计算

电压和电流从ADC12获得采样值，通过以下公式获得电压和电流的有效值：

其中： ph为相位参数计算（A相=1，B相=2，C相=3）；Vph（n）为电压采样样本；Voffset，ph为电压变换产生的加性高斯白噪声（AWGN）；iph（n）为电流采样样本；ioffset，ph为电流变换产生的加性高斯白噪声；Sample count为每一秒的样本值；Kv，ph为电压的比例数； Ki，ph为相应的电流比例数。

功率和电能通过采样参数进行计算，这些参数通过修正后传送给主程序，通过如下公式进行计算：

式中：V90，ph（n）为每900采样一次的采样电压；KACT，ph为有功功率的比例系数；KREACT，ph为无功功率的比例系数。

计算出有功功率和无功功率后，每项的视在功率可以通过如下公式计算：

3.2 主程序设计

智能电表主程序流程图如图3所示。

硬件和软件初始化设置后，参照DLT 645-2007协议管理规范，查看是否电能积累，如果电能积累，则计算相应的测量参数显示在触摸屏上。

图3 智能电表主程序流程图

4 结 语

通过对智能电表通信方式的设计，可实现双向交互通信，电力供应部门可根据智能电表所统计的各时段的用电数据，合理规划发电量，避免浪费；用户也可根据供电部门提供的实时浮动的电价信息，自主规划用电，错开用电高峰；控制中心可实时监控用电数据，根据监测数据提高输电质量；随时保存带有时标的电能数据，供用户随时查询用电数据。本电表支持实时浮动电价等多种计价方式，有力促进了电力市场的改革。

参考文献

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[5]颜伟，段磊，杨焕燕，等.基于智能电表量测的三相四线制配网抗差估计[J].中国电机工程学报，2015，35（1）：60-67.

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