引言

在現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，各國(guó)結(jié)合其電力工業(yè)發(fā)展的具體情況，通過(guò)不同領(lǐng)域的研究和實(shí)踐，形成了各自的發(fā)展方向和技術(shù)路線，也反映出各國(guó)對(duì)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展模式的不同理解。近年來(lái)，隨著各種先進(jìn)技術(shù)在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，智能化已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，發(fā)展智能電網(wǎng)已在世界范圍內(nèi)形成共識(shí)。從技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的角度看，世界各國(guó)、各領(lǐng)域的專家、學(xué)者普遍認(rèn)同以下觀點(diǎn)：智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感量測(cè)技術(shù)、信息通信技術(shù)、分析決策技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和能源電力技術(shù)相結(jié)合，并與電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)。

隨著信息時(shí)代的來(lái)臨，如何更高效地利用能源、節(jié)約能源，在全球范圍內(nèi)被給予了越來(lái)越多的關(guān)注，電力行業(yè)正面臨著諸多新挑戰(zhàn)。作為順應(yīng)電力發(fā)展趨勢(shì)的產(chǎn)物，智能電網(wǎng)必將掀起一番新浪潮。智能電網(wǎng)（smart power grids），就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”，它是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)，其主要特征包括自愈、激勵(lì)和包括用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動(dòng)電力市場(chǎng)以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運(yùn)行。如圖1 所示。

1 智能電表

1.1 智能電表主要功能

由用戶交費(fèi)對(duì)智能IC卡充值并輸入電表中，電表[1]才能供電，表中電量用完后自動(dòng)拉閘斷電，從而有效地解決上門(mén)抄表和收電費(fèi)難的問(wèn)題。同時(shí)，用戶的購(gòu)電信息實(shí)行微機(jī)管理，方便進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、收費(fèi)及打印票據(jù)等。工作原理用戶持IC卡到供電部門(mén)交款購(gòu)電，供電部門(mén)用售電管理機(jī)將購(gòu)電量寫(xiě)入IC卡中，用戶持IC卡在感應(yīng)區(qū)刷非接觸式IC卡（簡(jiǎn)稱刷卡，下同），即可合閘供電，供電后將卡拿走。當(dāng)表內(nèi)剩余電量等于報(bào)警電量時(shí)，拉閘斷電報(bào)警（或蜂鳴器報(bào)警），此時(shí)用戶在感應(yīng)區(qū)刷卡即可恢復(fù)供電；當(dāng)剩余電量為零時(shí)，自動(dòng)拉閘斷電，用戶必須再次持卡交費(fèi)購(gòu)電，才可以恢復(fù)用電。

1）電能計(jì)量：對(duì)多種時(shí)段多種費(fèi)率模式電能分別統(tǒng)計(jì)，對(duì)有功、無(wú)功電能使用情況進(jìn)行計(jì)量，測(cè)算電能電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等豐富信息，從而更好地幫助用戶分析用電情況，制定合理的用電規(guī)劃。

2）電能監(jiān)管：與實(shí)時(shí)費(fèi)率系統(tǒng)配合，將電能使用量控制在設(shè)置的閾值以內(nèi)。與分布式發(fā)電相配合，將其發(fā)出的電能并網(wǎng)供給用戶直接使用或者由相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理，當(dāng)主電網(wǎng)故障時(shí)，與分布式發(fā)電管理系統(tǒng)共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)孤島系統(tǒng)的平穩(wěn)過(guò)渡。

3）通信系統(tǒng)：采用雙向通信模式，在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的同時(shí)接受指令信息。

1.2 智能電表硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能電表的各項(xiàng)功能，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)框圖，如圖2 所示。智能電表包含有控制管理、電源、計(jì)量、通信、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD、LED、按鍵等模塊。

1.2.1 控制管理模塊

控制管理模塊作為智能電表的核心單元，它的主要作用是將各個(gè)模塊整合成整體、協(xié)調(diào)合作。芯片的集成度、功耗以及價(jià)位均是需要考慮的因素。

1.2.2 電源模塊

智能電表各模塊所需電壓為+5 V 和+3.3 V 兩種。從電網(wǎng)接入工頻單相交流電，經(jīng)變壓器降壓、整流、濾波后，由三端穩(wěn)壓器78L05 獲得+5 V 電源；+5 V 電源的另一個(gè)支路再經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM1117IMPX-3.3 即可獲得+3.3 V 電源，并將+3 V 電池作為后備電源與+3.3 V 電源并聯(lián)，當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，電池作為后備電源為指定器件供電。

1.2.3 電能計(jì)量模塊

目前，電能表的計(jì)量芯片有模擬型乘法器和數(shù)字型乘法器兩種。前者主要分為時(shí)分割乘法器和吉爾波特變跨導(dǎo)乘法器兩類，后者則根據(jù)A/D 變換原理不同分成逐次比較型數(shù)字乘法器和Σ-△型數(shù)字乘法器。Σ-△型電能計(jì)量芯片由于其高精度占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額。

本設(shè)計(jì)選用ADI 公司的一款高精度電能計(jì)量芯片ADE7753。它內(nèi)置數(shù)字積分器，具有di/dt 微分電流傳感器接口，提供有功、無(wú)功、視在功率能量值，采樣波形以及電壓和電流有效值，在1000:1 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，誤差小于0.1％，低功耗，并且具有與SPI 兼容的串行接口。

1.2.4 通信模塊

目前常用的通信方式有RS485、紅外、低壓電力載波和無(wú)線等。

RS485 雙絞線通信方式實(shí)現(xiàn)較易，但傳輸距離短、布線復(fù)雜、維護(hù)困難；紅外通信自動(dòng)化程度低，抄收距離受限，已漸漸退出通信前沿；低壓電力載波通過(guò)輸電線路來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，該方式的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需單獨(dú)布線，但目前在傳輸距離和信號(hào)質(zhì)量上仍存在一些難題，可靠性稍差；無(wú)線通信在許多地區(qū)已盛行，其中具有代表性的無(wú)線抄表方案有基于GPRS 的無(wú)線數(shù)據(jù)接入、基于WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）技術(shù)的無(wú)線接入、基于CFDA 技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)接入技術(shù)以及ZigBee 技術(shù)。

ZigBee 是近年來(lái)發(fā)展迅猛的一種無(wú)線通信技術(shù)，是一種基于IEEE 802.15.4 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)提出的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以解決傳感器間數(shù)據(jù)傳遞和交換。ZigBee 具有網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好、容量大、安裝維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、安全性好、功耗低、造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于電子設(shè)備間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊選用TI 公司的芯片CC2530，它是一個(gè)真正用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾性。

1.2.5 時(shí)鐘模塊

實(shí)時(shí)時(shí)鐘的主要作用是為電表提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，它與電表的系統(tǒng)誤差、電費(fèi)結(jié)算、事件記錄等都有一定關(guān)聯(lián)。本設(shè)計(jì)采用EPSON 公司專為中國(guó)表計(jì)行業(yè)設(shè)計(jì)的一款實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)芯片RX8025，采用IIC 總線通信模式，功耗低且精準(zhǔn)度高。

1.2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

電表對(duì)安全性的要求非常高，一些重要數(shù)據(jù)丟失將會(huì)造成嚴(yán)重后果，因此本設(shè)計(jì)中，選用Ramtron 公司的鐵電存儲(chǔ)器FM24CL64，它與EEPROM 相比，讀寫(xiě)速度和耐用性能高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，無(wú)讀寫(xiě)次數(shù)限制，且功耗極低，能充分滿足智能電表的要求。

1.2.7 其他模塊

本智能電表的人機(jī)接口部分設(shè)計(jì)采用段碼式LCD 顯示各種信息；三個(gè)LED 作報(bào)警提示；一個(gè)按鍵供工作人員進(jìn)行相關(guān)調(diào)試；并設(shè)有開(kāi)蓋檢測(cè)電路對(duì)電表的開(kāi)蓋事件作記錄上報(bào)，防止非法操作，確保電表安全。

2 智能電器開(kāi)關(guān)

圖3 即為智能電器開(kāi)關(guān)示意圖，它是一個(gè)連接用電器和電源的中間設(shè)備，由于現(xiàn)階段電器的智能化尚無(wú)法滿足構(gòu)建戶內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)的要求，因此可將智能電器開(kāi)關(guān)看作一種過(guò)渡型器件。

2.1 智能電器開(kāi)關(guān)主要功能

1）對(duì)用電器的用電量進(jìn)行計(jì)量；

2）通過(guò)無(wú)線通信將用電信息上報(bào)；

3）接收戶內(nèi)控制系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，對(duì)用電器執(zhí)行通斷等操作。

2.2 智能電器開(kāi)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

圖4 即為智能電器開(kāi)關(guān)框圖，它與智能電表相比少了LCD 模塊，多了開(kāi)關(guān)模塊。

2.2.1 控制管理模塊

同智能電表相比，智能電器開(kāi)關(guān)在功能上要少很多，但安裝數(shù)量較多，因此在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)濟(jì)實(shí)用性著重考慮。該模塊選用ATMEL 公司的一款低功耗8 位芯片ATmega8535。

2.2.2 電源模塊

智能電器開(kāi)關(guān)接入的是戶內(nèi)供電網(wǎng)絡(luò)，在電源模塊設(shè)計(jì)時(shí)省去了雷擊保護(hù)，均采用直流+5 V 供電，并配有+3 V 電池作后備電源。

2.2.3 電能計(jì)量模塊

由于智能電器開(kāi)關(guān)只需記錄電能的使用量即可，其電能計(jì)量模塊選用ADI 的計(jì)量功能相對(duì)較少一些的芯片ADE7756。

2.2.4 開(kāi)關(guān)模塊

用電器電源的通斷由微型繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，MCU的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后對(duì)繼電器進(jìn)行控制。

2.2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

考慮到智能電器開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，它的存儲(chǔ)模塊選用價(jià)格較為低廉的EEPROM 存儲(chǔ)。

2.2.6 其他模塊

通信、時(shí)鐘等其他模塊均與智能電表相同。

3 戶內(nèi)控制系統(tǒng)

戶內(nèi)控制系統(tǒng)是智能電網(wǎng)新特性的主要體現(xiàn)點(diǎn)之一，有關(guān)它的說(shuō)法較多，有些文獻(xiàn)中將其稱為戶內(nèi)顯示系統(tǒng)（In Home Display）或者戶內(nèi)能源管理系統(tǒng)。用戶通過(guò)該平臺(tái)了解電能使用信息，并結(jié)合實(shí)時(shí)費(fèi)率等資訊，對(duì)各用電器用電情況進(jìn)行控制，調(diào)整自己的用電方案。

3.1 戶內(nèi)控制系統(tǒng)主要功能

1）接收智能電表、智能電器開(kāi)關(guān)發(fā)送的大量數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；

2）為用戶提供操作平臺(tái)，使其可獲取詳細(xì)的電能使用情況及其他相關(guān)信息，并協(xié)助用戶分析調(diào)整電能的使用；

3）將用戶下達(dá)的控制指令發(fā)送給各用電器。

3.2 戶內(nèi)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖5 即為設(shè)計(jì)的戶內(nèi)控制系統(tǒng)框圖。

3.2.1 控制管理模塊

戶內(nèi)控制系統(tǒng)需要處理大量信息，因此需要一個(gè)性能優(yōu)異的芯片才能保證其高效穩(wěn)定工作。本設(shè)計(jì)選用TI 公司基于ARM 核心的LM3S9000 系列，主頻達(dá)80 MHz，性能優(yōu)異。

3.2.2 電源模塊

考慮到便捷性和舒適性，將戶內(nèi)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一款手持式移動(dòng)設(shè)備，采用+3 V 電池供電。

3.2.3 顯示模塊

該模塊包括LCD 液晶屏、LCD 驅(qū)動(dòng)、按鍵三個(gè)部分。LCD驅(qū)動(dòng)芯片為EPSON公司的S1D13517，適合于多種屏幕及分辨率；按鍵共有八個(gè)，分別是電源鍵、重啟鍵、上下左右四個(gè)方向鍵、確定鍵、取消/返回鍵。

圖6 為模擬的戶內(nèi)控制系統(tǒng)主界面，它包含有電能、電價(jià)、用電器、分布式發(fā)電等模塊。戶內(nèi)控制系統(tǒng)將接收到的用電信息經(jīng)過(guò)處理，以圖表的形式直觀的展現(xiàn)出來(lái)。

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

戶內(nèi)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包含MCU 的鐵電存儲(chǔ)器以及LCD 的SDRAM 顯存。

3.2.5 其他模塊

時(shí)間和通信等其他模塊均與智能電表類似。

4 結(jié)論

本文以智能電網(wǎng)為背景，結(jié)合高級(jí)量測(cè)體系和通信的發(fā)展，對(duì)智能電網(wǎng)的智能用戶端進(jìn)行了硬件原理的設(shè)計(jì)。包括可對(duì)電能進(jìn)行多項(xiàng)精準(zhǔn)測(cè)量記錄并支持實(shí)時(shí)電價(jià)多重費(fèi)率的智能電表、計(jì)量用電器用電情況并根據(jù)控制指令進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作的智能電器開(kāi)關(guān)，以及為用戶提供控制平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)對(duì)戶內(nèi)用電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理的戶內(nèi)控制系統(tǒng)。三者相互配合，從而達(dá)到更合理地分配電能、更高效地利用能源的目的。

ADI公司

ADI公司對(duì)于其客戶的獨(dú)特價(jià)值還在于它能夠克服速度、精度和成本方面難以逾越的技術(shù)障礙的能力，解決錯(cuò)綜復(fù)雜的技術(shù)難題的能力和提供創(chuàng)新IC的能力---無(wú)論是通用IC還是定制IC，他們都能滿足便攜性、連通性和多媒體應(yīng)用的需求。ADI公司設(shè)計(jì)、制造和銷售高性能、高精密信號(hào)處理IC，它們能使圖像更生動(dòng)、語(yǔ)音更清晰、連接更暢通、產(chǎn)品更便攜。鑒于ADI產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新、高性能信號(hào)處理技術(shù)和世界一流的技術(shù)支持，ADI公司品牌得到全世界電子行業(yè)的認(rèn)可。ADI公司擁有滿足全球六萬(wàn)多客戶需求的一萬(wàn)多種產(chǎn)品。ADI公司已經(jīng)與全世界主要原始設(shè)備制造商（OEM）以及遍布整個(gè)電子行業(yè)小的或新型企業(yè)都建立了長(zhǎng)期并且互相信任的合作關(guān)系。ADI公司品牌、產(chǎn)品種類、客戶寬度和信號(hào)處理技術(shù)的核心能力共同鑄造了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)中實(shí)力最強(qiáng)和效益最好的公司之一。