基于IEC标准的哥伦比亚电能表设计

李昊一 左 勇

（安徽南瑞中天电力电子有限公司）

0 引言

当前，世界各国为保障电力使用的质量、节能以及安全，都致力于智能电网基础的发展建设，在保留完整性的同时且实时搜集各电力用户的用电信息是智能电网成功运作的重要环节之一。位于智能电网末端设备的智能电能表，覆盖范围极其广泛，在能源互联网的高速发展中被赋予了新的任务与使命。智能电表是用户与智能电力网络交流与互动的终端窗口，是维系电力交易公平、公正的工具，同时也是用户感受和体现电网智能化成果最直接的方式。

1 需求分析

本文以IEC的一系列智能电能表规范为依据，建立使用稳定安全可靠的软硬件平台，并依托现有测量积累的经验基础，完成电能量时钟、费率和时段、计量、冻结结算、电表清零、数据存储、事件记录、信号输出、通信、负荷记录、测量及检测、显示、报警、停电抄表及显示［1］、费控、安全保护及认证等功能，进而实现多种信息的输入输出，计量功能差异化、多样化，满足不同量级客户群体的不同需求，同时满足智能电网系统的总体需求。

2 总体方案

本文设计的哥伦比亚智能电能表是采用大规模集成电路，应用数字采样处理技术及SMT工艺，根据工业用户实际用电状况所设计、制造的具有现代先进水平的仪表。

该表性能指标符合IEC62052-11［2］，IEC52053-21／22，遵循IEC62056-21／46／47／53／61／62，能计量各个方向的有功、无功电量及需量，具有RS485和近红外通讯、RF无线通信（PLC／3G）、按键等功能，性能稳定、准确度高、操作方便，其外观简图如图1所示。

图1 智能电能表外观简图

3 硬件设计

哥伦比亚智能电能表由供电单元、计量单元、负荷控制单元、数据存储单元、数据加密单元、事件触发单元、数字逻辑控制单元、通信单元组成。主处理电路由MCU、计量芯片、RTC、外部存储、RTC等组成。MCU采用SPI、I2C接口与外部存储、RTC、LCD等交互数据。

硬件设计采用模块化电路设计［3］，数字逻辑部分采用平台化设计方案，由于采用高速32位ARM架构的处理器，大容量数据存储需采用标准化原理图和印制版图设计方式。硬件设计应充分考虑兼容性、可靠性，包括冗余度设计。在硬件器件参数的选择上，要满足10年以上可靠运行时间，要求产品在生命周期内，能够为软件提供一个可靠的、性能优越的硬件平台。

4 软件设计

软件设计需要整个系统具备使用灵活、操作方便、可靠性强等优点，设计采用面向对象的设计方法，按照功能分类，定义不同类型的对象，每个对象独立实现其全部功能。通过面向对象的设计，减少功能之间的耦合，增加软件的可扩展性，提高软件的稳定可靠性和可维护性。软件划分为三层：驱动层、系统层、应用层，如图2所示。

图2 软件架构图

应用层：实现电能表的应用功能。应用层按照功能划分为各个模块，各个模块之间交互数据采用函数接口［4］方式，减少全局变量的使用，最大限度减少模块之间的耦合。

系统层：管理各个外设，为应用层提供规范化的调用接口，并对各个事务进行管理。

驱动层：实现各个设备的驱动。

4.1 应用层设计

应用层依据表内规约协议、包括应用层数据单元（AMDU）［5］的数据类型协议，设计时依照AMDU编码规范，使用的是面向对象且拥有高度的稳定性和可操作性的思想。

应用层设计分为电流需量计量、日计时测量、通讯处理、负载记录、冻结数据等功能，任务优先级顺序通过任务调度器进行调度。

设备将表内芯片输出的电脉冲信号进行实时反馈与采集，在服务器内部进行电量演算，以70ms［6］为时间间隔单位，读取表内芯片的参数寄存器用于更新服务器内部的实时参数，并用这些参数实现实时监控运行参数，计算有功、无功需量等功能。得到的一些检测项见下表。

不仅如此，依靠对实时运行参数的精确掌握，实现了对短路、断路、过载、电压不稳、过流、电压电流不平衡、电流谐波不稳［7］等非正常现象做出及时判断并记录的功能。当表内实时参数有效值达到事件触发点并触发判定时间到一定量时，会对应相应非正常事件进行记录，进行上报错误和警报，同时对此时的电流质量参数、正反向电压、电压电流质量等重要数据进行记录，以便后续对发生异常时的状态进行分析和回溯。

通讯端会分别获取由驱动层递交的红外、RS485这两个单独通讯信道的实时缓存数据，在完成合规与协议一致的判定后再递交问题处理结果并做出相应回复用以进行与外部的交互。

表 数据项定义

资费功能：资费功能是该表计的特色功能［8］，其功能原理为查找所有假期表，查看当前运行时间（月、日）是否为假期。如果是，则执行节假日对应的日表。如果不是，执行以下步骤：将当前时间与激活被动日历时间进行比较，如果两者时间相等，则激活被动日历；将运行时间（月、日）与季表进行比较，看执行哪个季表，找到季表对应的周表号；查找周表，根据当前时间（周）确定执行哪一天的日表。接着找出日表中的所有时间段，确定当前时间（小时，分钟），运行对应的当前资费。其中的优先顺序为：特殊假期＞节假日＞平日。费率项及对应项支持的最大设置数。资费功能架构图如图3所示。

图3 资费功能架构图

夏时制：本表计应用于海外，因此具有自发调整时区以及夏时制的功能。夏时制的调整时间为－120～＋120min。仪表断电进入或退出夏令时，会有夏令时事件记录。修改时钟进入和退出夏令时时，设置时间立即向后和正向调整；修改夏令时间隔时，设置时间向后调整为正。夏令时开始时间与结束时间都可以设置。当系统时间走到夏令时开始时间时，系统时间与夏令时调整时间进行叠加，即可得到当下的准确时间；当系统时间到达夏令时结束时间时，系统时间去掉夏令时调整时间，即可得到当前准确的时间。其次，夏令时的调整时间也可设置，范围为－120～＋120min，进入或退出夏令时调整时间。

报警功能：此仪表出现异常情况时会有相应的报警现象并记录事件；警示灯只能配置为继电器灯或开关灯（CT表无关机功能，警示灯只能配置为继电器灯提示）；在此期间，反光灯的开启和关闭与事件记录没有关联。报警灯判断阈值为20W［9］（灯无延时），报警灯亮，设置LCD符号，事件记录检测30s。设置继电器灯时，如果放置在实验环境中，继电器将关闭。如果设置了仪表输出端后面的电压，仪表会认为没有开关，所以灯不亮；除此之外还有以下几个注意事项：只有在所有电源都被切断后，时钟才能走，上电后时钟失效；如果外接电池被取下，将进行设置，装上电池后立即恢复正常，报警状态字消失；如果电池没有接外接电池，电池不会接低电压；只要改变电表参数，比如改变时间，复位操作也会对其进行设置；只有上下点可以恢复到非设置状态；也可用于打开电表箱，检查电表是否安装在箱内，表盖打开时，进行设置，如果关闭，它将消失，检测按钮在仪表左侧中间；端盖打开时设置，关闭时消失，检测按钮位于仪表左下方；顶盖打开时设置，关闭时消失，检测按钮在仪表的左上方。

4.2 系统层设计

本系统采用国网云AMI管理平台，进行数据云端处理，通过国网云AMI管理平台管理设备之间的信息链接，对计量数据进行储存，相比其他公域平台成本、运维压力更小。

在国网云AMI管理平台［10］上搭建电能表的模型，用于验证电能表设备与物联网连接的身份。电能表与AMI平台通过云端进行连接，电能表通过TQNN进行数据分析与交互。

4.3 驱动层设计

驱动层设计采用将EEPROM和RAM相结合的方式，分别用以储存用户电量数据与脉冲的数量。通过驱动，先测量脉冲触数量并进行缓存至RAM［11］，再参考脉冲触发数量来统计测量目标的电量，最后将统计得到的电量值在EEPROM中进行储存，从而对用户用电量数据进行保存。该方式可减少对EEPROM的使用次数，从而延长存储的使用时长，同时提高了电表运行的数据安全性。由此可知EEPROM的数据安全性是智能电表可靠性驱动的核心。伴随电表驱动的不断革新，许多智能电表已经长期运行，因EEPROM故障而导致的智能电表运行故障容易发生，如脉冲丢包、数据错位等。因此出现一些关于保护EEPROM数据的研究。例如，优化EEPROM 内存、将存储机制改善等，以减少EEPROM损坏率。

5 测试验证

为了验证系统整体功能，设计的电能表在海外测试机构进行了测试。依据IEC62052-11、IEC62053-21、IEC62053-23三个标准［12］，在高精密，高准确性的环境中，设备上线后开始测试。

两台电能表上电后进行初始化操作，确保初始值一致，在相同环境下运行8h，对比485抄读数据与云端存储数据，测试验证结果显示，各项数据都符合哥伦比亚表的要求规约，此表具有相当大的海外前景。

6 结束语

本文研究目的为研制出一款基于IEC南美标准的哥伦比亚智能电能表，根据对现有智能电能表做出相应的修改，研制出符合测试标准的智能电能表，完成软件及硬件方案的开发，实现哥伦比亚市场对电能表的功能需求。