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浅谈智能卡远程费控电能表的设计与应用研究分析

更新时间:2023-11-01   点击次数:315次

摘要:分析了国内外远程费控电能表的研究现状。依据远程费控电能表的功能需求与参数要求,对远程费控电能表进行设计与研究。从功能划分角度出发,对电能表硬件电路系统作了模块化设计。对电能表的功能程序软件进行研究,实现了计量、记录、监控采集以及通信功能。通过主站系统下达指令可对远程费控电能表进行控制。测试结果表明,基于智能卡的远程费控电能表实现了电能数据的主动上传,有助于主站系统依靠远程费控电能表对电能数据进行远程监控。

关键词:智能卡;智能电能表;远程费控;用电信息采集;费控策略;窄带物联网

0引言

电力行业作为我国经济发展中的行业,其地位是十分重要的。电力企业的供电质量、服务水平以及服务方式的升级已成为电力行业发展的主要方向。随着信息化的普及,电力全覆盖、费用全控制已逐渐成为我国电力行业发展的重要目标。电力企业的计费、收费系统开始向智能化转变。美国于2003年提出了“电网2030规划",其目的是促进智能电网的建设,实现数字化供电服务,并于科罗拉多州建设了座智能电网城市。欧盟则是依据一整套能源政策,积极推动绿色能源的发展。欧盟的智能电网依靠各类终端对公共部门、写字楼的用电情况进行监测,逐渐改变了客户的用电习惯。中国在智能电网领域也在积极地开展与部署相关项目。中国电网以特高压电网为骨干网,各级电网进行协同,开展了“三集五大"的工作部署。我国电网行业正在加快产业转型升级,实现电能表远程费控的全覆盖。

1远程费控电能表的关键技术

1.1远程费控电能表概述

远程费控电能表一般包括数据采集、数据传输、电能计量、数据清零、数据存储、数据冻结、事件记录告警等功能。例如,三相用电的电能表计量功能,通常涉及三相电流和电压、频率的测量等等,并且还包括自定义费率的功能。远程费控电能表可以针对不同时段和不同时区进行有效的费率定义,并且具备电量的监控功能,可以记录*近发生的失压、过压、掉电和上电等告警事件。

1.2智能无线通信技术

电能表的通信控制网络采用的是基于窄带物联网(narrowbandinternetofthings,NB-IoT)的无线通信技术。NB-IoT的系统链路一般分为上行链路与下行链路。本文研究的NB-IoT系统取消下行通道链路。网络的上行链路采用相移键控(phase-shiftkeying,PSK)调制方式,并利用单载波频分多址技术对数据进行传输。为了提高覆盖增强效益,通常会设置成3.75kHz的子载波间隔,将传输速率设置在160kbit/s到200kbit/s之间。该网络主要是基于4GLTE的通信架构,可以满足低功耗和大连接的应用场景需求,并且在NB-IoT网络上实现用户电能数据直传至省主站系统的功能。NB-IoT可以部署在不同的无线频带上,分为独立部署、保护带部署、带内部署3种情况。NB-IoT物联网平台的架构如图1所示。

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2远程费控电能表的硬件原理与设计

2.1远程费控电能表的功能与参数

远程费控电能表具有计量功能、记录功能、监控功能和通信功能。电能表不仅能实现电能计量,还可进行费率的设置,同时可对功率、电压、电流、频率、相角、功率因数、视在功率等进行测量。通信功能是基于NB-IoT通信技术实现的,窄带(narrowband,NB)通信模组提供可查询的AT指令,用于查询数据流量。当每次连接上网络后,NB通信模组开始自动记录数据流量,直到连接断开才终止流量记录。NB通信的工作频段和天线接口特征阻抗的参数见表1,其覆盖频段较宽。电能表对于超过阈值的事件,会产生告警信息,并依靠通信技术将监控数据和存储信息传输到云平台上。

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2.2远程费控电能表的硬件原理


对远程费控电能表的硬件系统展开设计时,需根据其功能进行划分。电能表的硬件架构包含信号处理模块、电能计量模块、NB-IoT通信模块和外围电路模块,远程费控电能表基本硬件架构如图2所示。这些模块由硬件电路组成,由对应的软件程序进行功能的实现。电源模块为各个子模块供电,而辅助电源则用于防止因主电源的损坏影响电能表的正常监控功能。

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2.3远程费控电能表的模块设计

设计关键电路模块时,应基于远程费控电能表的基本架构。其中远程费控电能表信号处理模块主要是依赖数据采集ADC模块来进行采样。采样功能以电流采样电路为例进行说明,该电路是将各相电流进行转换,其基本原理是依靠电流互感器,将电路的一侧接地,另一侧与系统相连接来完成采样。其具体原理图如图3所示。由于对计量芯片的要求是保证2.5mA的电流幅值,因此通过该采样电路可将5A电流转换成2.5mA的电流,完成电流-电压的转换目的。

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计量功能模块以计量芯片ADE7878为核心,该芯片的功能十分强大,具备很好的信号处理能力。对于电能表的电压和电流有效值的测量、有功功率和视在功率的测量,该芯片具有十分明显的计量优势。芯片的正常模式、省电模式和低功耗模式电能表对节能降耗的要求。该芯片输入电压的变化幅值范围为-0.5~0.5V,晶振频率为16.4MHz。芯片的RSET管脚是复位输入管脚,芯片的CF1管脚和CF3管脚是频率校准的逻辑输出管脚。CF1管脚和CF3管脚完成频率校准逻辑输出的功能。计量芯片的基本电路原理图如图4所示。

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NB-IoT无线通信模块采用移远公司的BC95-B5通信模组,该通信模组具备超低功耗的特点,接收频率保持在869~894MHz,发送频率的范围为824~849MHz,该模组可扩展串口、内置芯片式用户身份识别(embeddedsubscriberidentitymodule,eSIM)卡接口等应用接口。模组内部不仅包含Flash和静态随机存取存储器(staticrandom-accessmemory,SRAM),还拥有射频电路和eSIM卡座电路。该无线通信模块的降压稳压电路如图5所示。

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电能表的智能卡采用eSIM内嵌的插卡方式进行通信,取消了传统用户识别模块(subscriberidentitymodule,SIM)卡的插拔式动作,实现了电能表直接通信的方式。通过将eSIM卡与电能表绑定,电能表在645协议基础上扩展数据项,并在出厂时就将eSIM卡号(即手机号)写入到电表内部,通过扩展的645协议进行读取。eSIM卡的尺寸为6mm×5mm,并以外置贴片的方式焊接到电路板上,有助于eSIM卡发生故障后的维修与更换,便于电能表与eSIM卡的台账明细管理。


3远程费控电能表的软件架构设计


3.1架构及程序设计


电能表的软件架构设计是依据硬件电路系统而形成的,先设计核心主程序,再依照核心主程序一次性地设计各模块的子程序,其软件架构如图6所示。

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远程费控电能表的计量子程序,主要用来完成对实时时钟数据的读取以及用户端使用电量的分阶段计量。在电能计量方面,子程序要分别针对有功电能、无功电能进行计量,具有正向有功、反向有功电能计量功能,可设置、组合有功电能;而无功电能可设置成任意4个象之和,并可设置、组合无功电能。信号处理程序首先要求电能表使用者进行安全认证;其次依照初始化命令对电能表进行初始化工作,对电能表进行模式选择;然后启动无线通信功能,远程接收命令,并在读取芯片数据后,通过LCD将结果显示出来。远程费控电能表的计量子程序流程如图7所示。在计量费控方面,可以实现远程费控和本地费控的功能。当电能表的金额小于设定的报警金额,电能表的LCD屏会显示或者报警灯亮起,提醒用户续缴电费。

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本文的无线通信子程序是重要的设计环节,NB-IoT网络是借助eSIM智能卡进行无线通信,基于现有远程费控电能表的通信规约,制定系统主站和电能表之间的数据传输帧格式、数据编码及传输规则。在不同通信灯闪烁时,远程费控电能表与采集系统之间进行数据交换,其程序流程图如图8所示。

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4安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案


4.1概述


 用户端消耗着整个电网80%的电能,用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系,推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案,实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括:先进的表计,智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。


 安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计,以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况,便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯,有效节约电能,为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。


4.2应用场所


  (1)办公建筑(商务办公、大型公共建筑等);


  (2)商业建筑(商场、金融机构建筑等);


  (3)旅游建筑(宾馆饭店、娱乐场所等);


  (4)科教文卫建筑(文化、教育、科研、卫生、体育建筑等);


  (5)通信建筑(邮电、通信、广播、电视、数据中心等);


  (6)交通运输建筑(机场、车站、码头建筑等)。


4.3系统结构

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4.4系统功能

1)实时监测

系统人机界面友好,以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态,实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息,动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态,以及有关故障、告警等信号。

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2)电能统计报表


系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能,用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况,即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明,并在用电误差偏大时可分析追溯,维护计量体系的正确性。

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3)详细电参量查询

在配电一次图中,当鼠标移动到每个回路附近时,鼠标指针变为手形,鼠标单击可查看该回路详细电参量,包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能,并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

4.5系统硬件配置清单

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