淺談智能卡遠程費控電能表的設計與應用研究分析

淺談智能卡遠程費控電能表的設計與應用研究分析

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要:分析了國內外遠程費控電能表的研究現(xiàn)狀。依據(jù)遠程費控電能表的功能需求與參數(shù)要求，對遠程費控電能表進行設計與研究。從功能劃分角度出發(fā)，對電能表硬件電路系統(tǒng)作了模塊化設計。對電能表的功能程序軟件進行研究，實現(xiàn)了計量、記錄、監(jiān)控采集以及通信功能。通過主站系統(tǒng)下達指令可對遠程費控電能表進行控制。測試結果表明，基于智能卡的遠程費控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的主動上傳，有助于主站系統(tǒng)依靠遠程費控電能表對電能數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控。

關鍵詞:智能卡;智能電能表;遠程費控;用電信息采集;費控策略;窄帶物聯(lián)網(wǎng)

0引言

電力行業(yè)作為我國經濟發(fā)展中不可或缺的行業(yè)，其地位是十分重要的。電力企業(yè)的供電質量、服務水平以及服務方式的升級已成為電力行業(yè)發(fā)展的主要方向。隨著信息化的普及，電力全覆蓋、費用全控制已逐漸成為我國電力行業(yè)發(fā)展的重要目標。電力企業(yè)的計費、收費系統(tǒng)開始向智能化轉變。美國于2003年提出了“電網(wǎng)2030規(guī)劃”，其目的是促進智能電網(wǎng)的建設，實現(xiàn)數(shù)字化供電服務，并于科羅拉多州建設了第一座智能電網(wǎng)城市。歐盟則是依據(jù)一整套能源政策，積極推動綠色能源的發(fā)展。歐盟的智能電網(wǎng)依靠各類終端對公共部門、寫字樓的用電情況進行監(jiān)測，逐漸改變了客戶的用電習慣。中國在智能電網(wǎng)領域也在積極地開展與部署相關項目。中國電網(wǎng)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)，各級電網(wǎng)進行協(xié)同，開展了“三集五大”的工作部署。我國電網(wǎng)行業(yè)正在加快產業(yè)轉型升級，實現(xiàn)電能表遠程費控的全覆蓋。

1遠程費控電能表的關鍵技術

1.1遠程費控電能表概述

遠程費控電能表一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、電能計量、數(shù)據(jù)清零、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)凍結、事件記錄告警等功能。例如，三相用電的電能表計量功能，通常涉及三相電流和電壓、頻率的測量等等，并且還包括自定義費率的功能。遠程費控電能表可以針對不同時段和不同時區(qū)進行有效的費率定義，并且具備電量的監(jiān)控功能，可以記錄*近發(fā)生的失壓、過壓、掉電和上電等告警事件。

1.2智能無線通信技術

電能表的通信控制網(wǎng)絡采用的是基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrowbandinternetofthings，NB－IoT)的無線通信技術。NB－IoT的系統(tǒng)鏈路一般分為上行鏈路與下行鏈路。本文研究的NB－IoT系統(tǒng)取消下行通道鏈路。網(wǎng)絡的上行鏈路采用相移鍵控(phase－shiftkeying，PSK)調制方式，并利用單載波頻分多址技術對數(shù)據(jù)進行傳輸。為了提高覆蓋增強效益，通常會設置成3．75kHz的子載波間隔，將傳輸速率設置在160kbit/s到200kbit/s之間。該網(wǎng)絡主要是基于4GLTE的通信架構，可以滿足低功耗和大連接的應用場景需求，并且在NB－IoT網(wǎng)絡上實現(xiàn)用戶電能數(shù)據(jù)直傳至省主站系統(tǒng)的功能。NB－IoT可以部署在不同的無線頻帶上，分為獨立部署、保護帶部署、帶內部署3種情況。NB－IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構如圖1所示。

2遠程費控電能表的硬件原理與設計

2.1遠程費控電能表的功能與參數(shù)

遠程費控電能表具有計量功能、記錄功能、監(jiān)控功能和通信功能。電能表不僅能實現(xiàn)電能計量，還可進行費率的設置，同時可對功率、電壓、電流、頻率、相角、功率因數(shù)、視在功率等進行測量。通信功能是基于NB－IoT通信技術實現(xiàn)的，窄帶(narrowband，NB)通信模組提供可查詢的AT指令，用于查詢數(shù)據(jù)流量。當每次連接上網(wǎng)絡后，NB通信模組開始自動記錄數(shù)據(jù)流量，直到連接斷開才終止流量記錄。NB通信的工作頻段和天線接口特征阻抗的參數(shù)見表1，其覆蓋頻段較寬。電能表對于超過閾值的事件，會產生告警信息，并依靠通信技術將監(jiān)控數(shù)據(jù)和存儲信息傳輸?shù)皆破脚_上。

2.2遠程費控電能表的硬件原理

對遠程費控電能表的硬件系統(tǒng)展開設計時，需根據(jù)其功能進行劃分。電能表的硬件架構包含信號處理模塊、電能計量模塊、NB－IoT通信模塊和外圍電路模塊，遠程費控電能表基本硬件架構如圖2所示。這些模塊由硬件電路組成，由對應的軟件程序進行功能的實現(xiàn)。電源模塊為各個子模塊供電，而輔助電源則用于防止因主電源的損壞影響電能表的正常監(jiān)控功能。

2.3遠程費控電能表的模塊設計

設計關鍵電路模塊時，應基于遠程費控電能表的基本架構。其中遠程費控電能表信號處理模塊主要是依賴數(shù)據(jù)采集ADC模塊來進行采樣。采樣功能以電流采樣電路為例進行說明，該電路是將各相電流進行轉換，其基本原理是依靠電流互感器，將電路的一側接地，另一側與系統(tǒng)相連接來完成采樣。其具體原理圖如圖3所示。由于對計量芯片的要求是保證2．5mA的電流幅值，因此通過該采樣電路可將5A電流轉換成2．5mA的電流，完成電流－電壓的轉換目的。

計量功能模塊以計量芯片ADE7878為核心，該芯片的功能十分強大，具備很好的信號處理能力。對于電能表的電壓和電流有效值的測量、有功功率和視在功率的測量，該芯片具有十分明顯的計量優(yōu)勢。芯片的正常模式、省電模式和低功耗模式完全滿足電能表對節(jié)能降耗的要求。該芯片輸入電壓的變化幅值范圍為－0．5～0．5V，晶振頻率為16．4MHz。芯片的RSET管腳是復位輸入管腳，芯片的CF1管腳和CF3管腳是頻率校準的邏輯輸出管腳。CF1管腳和CF3管腳完成頻率校準邏輯輸出的功能。計量芯片的基本電路原理圖如圖4所示。

NB－IoT無線通信模塊采用移遠公司的BC95－B5通信模組，該通信模組具備超低功耗的特點，接收頻率保持在869～894MHz，發(fā)送頻率的范圍為824～849MHz，該模組可擴展串口、內置芯片式用戶身份識別(embeddedsubscriberidentitymodule，eSIM)卡接口等應用接口。模組內部不僅包含F(xiàn)lash和靜態(tài)隨機存取存儲器(staticrandom－accessmemory，SRAM)，還擁有射頻電路和eSIM卡座電路。該無線通信模塊的降壓穩(wěn)壓電路如圖5所示。

電能表的智能卡采用eSIM內嵌的插卡方式進行通信，取消了傳統(tǒng)用戶識別模塊(subscriberidentitymodule，SIM)卡的插拔式動作，實現(xiàn)了電能表直接通信的方式。通過將eSIM卡與電能表綁定，電能表在645協(xié)議基礎上擴展數(shù)據(jù)項，并在出廠時就將eSIM卡號(即手機號)寫入到電表內部，通過擴展的645協(xié)議進行讀取。eSIM卡的尺寸為6mm×5mm，并以外置貼片的方式焊接到電路板上，有助于eSIM卡發(fā)生故障后的維修與更換，便于電能表與eSIM卡的臺賬明細管理。

3遠程費控電能表的軟件架構設計

3.1架構及程序設計

電能表的軟件架構設計完全是依據(jù)硬件電路系統(tǒng)而形成的，先設計核心主程序，再依照核心主程序一次性地設計各模塊的子程序，其軟件架構如圖6所示。

遠程費控電能表的計量子程序，主要用來完成對實時時鐘數(shù)據(jù)的讀取以及用戶端使用電量的分階段計量。在電能計量方面，子程序要分別針對有功電能、無功電能進行計量，具有正向有功、反向有功電能計量功能，可設置、組合有功電能;而無功電能可設置成任意4個象限量之和，并可設置、組合無功電能。信號處理程序首先要求電能表使用者進行安全認證;其次依照初始化命令對電能表進行初始化工作，對電能表進行模式選擇;然后啟動無線通信功能，遠程接收命令，并在讀取芯片數(shù)據(jù)后，通過LCD將結果顯示出來。遠程費控電能表的計量子程序流程如圖7所示。在計量費控方面，可以實現(xiàn)遠程費控和本地費控的功能。當電能表的金額小于設定的報警金額，電能表的LCD屏會顯示或者報警燈亮起，提醒用戶續(xù)繳電費。

本文的無線通信子程序是重要的設計環(huán)節(jié)，NB－IoT網(wǎng)絡是借助eSIM智能卡進行無線通信，基于現(xiàn)有遠程費控電能表的通信規(guī)約，制定系統(tǒng)主站和電能表之間的數(shù)據(jù)傳輸幀格式、數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。在不同通信燈閃爍時，遠程費控電能表與采集系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換，其程序流程圖如圖8所示。

3.2功能測試

基于eSIM智能卡遠程費控電能表的基本功能實驗，主要是針對電能表核心功能進行展開。這些功能實驗基本上與既定遠程費控電能表的需求相契合。為了使遠程費控電能表的基本功能滿足正式上線的運行需求，利用主站的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對電能表進行控制。實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)表采集和通信的一體化資產管理，其基本實驗項目結果見表2。

*終，該遠程費控電能表的系統(tǒng)框架圖如圖9所示，采用該遠程費控電能表的實現(xiàn)方案，可利用NB通信直接與主站實現(xiàn)交互。遠程費控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的主動上傳，可對電能數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，減少主站系統(tǒng)的運行采集壓力。

4安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

4.1概述

用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統(tǒng)結構

4.4系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。

2）電能統(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

6）實時報警

系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

7）歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

8）電能質量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

10）用戶權限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

12）視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

13）用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”和“缺陷記錄”五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

4.5系統(tǒng)硬件配置清單

5結束語

本文設計的遠程費控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的采集、存儲、計量和上傳功能，為實現(xiàn)基于智能卡的電能表設計提供了一種新的解決方案。但在試驗過程中也發(fā)現(xiàn)，遠程費控電能表在長久運行的穩(wěn)定性和可靠性方面仍然存在著一些不穩(wěn)定的因素，主要體現(xiàn)在終端有時會掉線，造成主站系統(tǒng)無法采集到終端的數(shù)據(jù)，因此無法準確地計算電能。后續(xù)還需要進一步提高電能表數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，以滿足遠程費控業(yè)務智能化的發(fā)展要求;在符合國家標準與規(guī)范的條件下，滿足運行需求。

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安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版

審核編輯 黃宇