智能電表從出現到實(shí)現的過(guò)程

　早在08年，國家電網(wǎng)決定在系統內開(kāi)展“電力用戶(hù)用電信息系統”的建設，時(shí)至今日，電網(wǎng)系統的智能化步伐也在深入推進(jìn)。WIZnet的串口轉以太網(wǎng)（全硬件TCP/IP）技術(shù)將智能電表的數據信息接入以太網(wǎng)，實(shí)現能量計量，實(shí)時(shí)監控，自動(dòng)控制和制定節電計劃。而且支持SD卡快捷讀寫(xiě)，方便數據采集。這種智能化配電方式能很好地節約資源，減少浪費。WIZnet為國內外眾多電力廠(chǎng)商提供智能電表解決方案，受到廣泛肯定，可以說(shuō)是走在行業(yè)的前列。

作為智能電網(wǎng)建設的重要一環(huán)，2009年10月，國家電網(wǎng)公司公布了智能電表新標準。新標準包括12個(gè)規范，細化了單相智能電表和三相智能電表設計、制造、管理和維護的各項指標。行業(yè)人士對新標準均給予了高度評價(jià)。“國家電網(wǎng)公司制定的標準已經(jīng)走在了歐美各國的前面。”2010年，伴隨智能電網(wǎng)規劃和相關(guān)標準的相繼推出和一些試點(diǎn)項目的陸續完成，預計中國智能電網(wǎng)市場(chǎng)將迎來(lái)井噴式發(fā)展。本文給出了基于RENESAS半導體公司的R5F212B8SNFP為MCU的一款新型單相遠程費控智能電表的設計。

　　1系統功能設計

　　1.1總體結構

　　基于RENESAS半導體的單片機R5F212B8SNFP(以下簡(jiǎn)稱(chēng)2B8)完成單相遠程費控智能電表設計，其功能：648k字節Flash閃速存儲器，3k字節內部RAM，45個(gè)可編程CMOSI/O口，可選擇上拉電阻，2個(gè)專(zhuān)用輸入口，6個(gè)位定時(shí)/計數器，5個(gè)外部中斷，23個(gè)內部中斷，4個(gè)軟件中斷，7級中斷結構，3個(gè)全雙工串行通信口，16位硬件乘法器，片內高低速振蕩器及時(shí)鐘電路，2種低功耗電工作方式。是一個(gè)比較適合于國網(wǎng)智能電表開(kāi)發(fā)的高性?xún)r(jià)比單片機。

　　該智能電能表功能設計主要包括9大模塊：電壓和電流檢測，電能計量電路RN8209計量模塊;64K容量的串行存儲24LC512存儲模塊;字符組合顯示的HL9576液晶顯示模塊;內置溫度補償功能串行時(shí)鐘RX8025T時(shí)鐘模塊;遠程控制實(shí)現加密解密ESAM模塊;紅外IR無(wú)線(xiàn)通訊和RS485總線(xiàn)通訊電路模塊;各種信息輸出的輸出電路模塊;為各工作模塊提供工作電源的電源模塊;為各模塊協(xié)調工件的主MCU2B8控制模塊?？傮w結構如圖1所示。

　　1.2電能計量模塊

　　遠程費控智能電表電能計量采用國產(chǎn)RN8209芯片，精度高、可靠性強。RN8209能夠測量有功功率、無(wú)功功率、有功能量、無(wú)功能量，并能提供2路獨立的有功功率和有效值、電壓電流有效值、線(xiàn)頻率、過(guò)零中斷等，可以實(shí)現靈活的防竊電方案。支持全數字的增益、相位和Offset校正。有功、無(wú)功電能脈沖分別從PF、QF管腳輸出。內部的電源監控電路可以保證上電和斷電時(shí)芯片的可靠工作。

　　提供串行SPI與MCU2B8之間通訊。MCU可通過(guò)SPI口實(shí)時(shí)讀取電表運行參數，在發(fā)生異常時(shí)，進(jìn)行事件記錄，等待遠程主站系統的查詢(xún)。

　　1.3通訊模塊

　　本設計中主要采用了2種通訊方式來(lái)實(shí)現通訊功能，分別是：RS-485和紅外IR傳輸?？紤]到智能電表會(huì )安裝在戶(hù)外，因此需要在RS-485總線(xiàn)接口上加上避雷的保護措施。采用的RS-485接口芯片是ISL3152芯片，通過(guò)光耦NEC2501和單片機系統進(jìn)行隔離，從而防止遭遇雷擊時(shí)，對整個(gè)系統造成破壞。

　　主MCU通過(guò)異步串行通訊接口UART且通過(guò)光耦隔離與RS-485接口芯片ISL3152相連，智能電表通過(guò)RS485總線(xiàn)與遠程主站系統相連，每只智能電表都有一個(gè)確定的唯一的12位十進(jìn)制通訊地址，主站系統采用DL/T645—2007協(xié)議下發(fā)命令信息，智能電能表接收到與自己地址匹配的信息，便把應答信息及其校驗碼打包向上傳送給遠程主站系統，實(shí)現數據回抄。

　　紅外通信時(shí)如果直接將數據通過(guò)紅外發(fā)射管進(jìn)行傳輸時(shí)，將會(huì )嚴重受到外界環(huán)境的干擾，常見(jiàn)的抗干擾方法是將需要傳輸的數據調制到30～40kHz的載波上再進(jìn)行發(fā)送。2B8單片機的定時(shí)器管腳可輸出低頻38kHz的載波。通過(guò)單片機的UART口的TXD腳驅動(dòng)另一個(gè)串聯(lián)的三極管進(jìn)行二進(jìn)制數據信號“0”和“1”的傳輸，從而達到紅外數據發(fā)送的功能。在紅外接收部分，利用紅外一體化接收模塊HM238R解調高頻紅外信號。當HM238R接收到高頻紅外信號時(shí)，接收管輸出低電平;當HM238R沒(méi)有接收到高頻信號時(shí)，接收管將輸出高電平。經(jīng)接收管紅外解調后的數據通過(guò)UART口的RXD管腳輸入單片機進(jìn)行相應的處理。

　　1.4存儲模塊

　　智能電表的功能眾多，實(shí)現復雜，在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的數據，如12月歷史電量數據、事件記錄數據、凍結量數據等。所選用的存儲芯片必須容量夠大，可靠性高，保存時(shí)間長(cháng)，功耗低。所以采用美國MICROCHIP公司的24LC512低功耗串行存儲器芯片，采用I2C接口與MCU通訊，待機電流和工作電流分別是1μA和1mA，存儲容量達到64K字節，10萬(wàn)次擦寫(xiě)次數，數據保存時(shí)間超過(guò)200年。

　　1.5時(shí)鐘模塊

　　時(shí)鐘電路采用EPSON公司的RX8205T芯片完成，它是一種支持I2C總線(xiàn)的低功耗時(shí)鐘芯片，具有很高的精度，內置溫度補償晶振，可在寬溫范圍內實(shí)現精確計時(shí)，和目前在電表領(lǐng)域得到廣泛應用的EPSONRX-8025SA引腳兼容，它按照CPU經(jīng)外部通訊口接收到的校時(shí)數據來(lái)設置時(shí)鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續走時(shí)。通過(guò)2線(xiàn)I2C方式與CPU連接，SDA腳和SCL腳分別與2B8的引腳相連，并有2個(gè)中斷報警引腳可設置為輸出秒或分同步脈沖，單片機系統每250ms通過(guò)I2C通訊接口讀取當前的時(shí)間，計算出該時(shí)刻所屬的時(shí)段，實(shí)現多費率電能表的分時(shí)段計量電能。該時(shí)鐘電路帶有備用鋰電池，正常工作時(shí)有主電源Vcc供電;當出現停電時(shí)，自動(dòng)切換鋰電池為時(shí)鐘電路供電，即使停電，時(shí)鐘走時(shí)也準確。

　　1.6液晶顯示

　　國網(wǎng)智能電表要求電表能夠支持液晶LCD顯示運行信息。顯示模塊采用上海復控華龍公司的HL9576LCD顯示驅動(dòng)芯片，功耗低，同樣采用I2C接口，通過(guò)SDA腳和SCL腳與2B8的引腳相連，接收2B8下發(fā)的顯示數據來(lái)驅動(dòng)液晶顯示屏顯示。通過(guò)液晶上的各種顯示字符組合來(lái)顯示電表各種運行信息，從而方便用戶(hù)使用。

　　1.7電源模塊

　　由于智能電表要求能夠停電喚醒，智能電表的電源供給：一是由火線(xiàn)和零線(xiàn)的主電壓提供電源，另一部分是由在主電源無(wú)效的情況下提供備用鋰電池電源，以滿(mǎn)足電表MCU、時(shí)鐘芯片和液晶顯示的需要。

　　1.8輸出模塊

　　與以前使用的電能表不同，智能電表輸出的LED指示燈的功能也不相同。拉閘指示燈用來(lái)指示用戶(hù)負載的切斷與否，報警指示燈用來(lái)指示電表運行中發(fā)生的異常，電表運行脈沖指示LED用來(lái)指示用戶(hù)用電，脈沖輸出用來(lái)校表及計量，脈沖輸出的電路和多功能口輸出電路由普通I/O加光耦隔離實(shí)現。

　　1.9ESAM模塊

　　ESAM安全模塊的應用是和各種專(zhuān)用或通用智能設備相關(guān)的，對于所有需要身份認證、數據加密/解密、安全存儲、通訊保密等較高數據安全要求的產(chǎn)品和應用系統，ESAM嵌入式安全控制模塊都可以發(fā)揮其獨到的安全控制作用。

　　對于單相遠程費控智能電表而言，電費的計算在遠程售電系統中完成，表內不存儲、顯示與電費、電價(jià)相關(guān)的信息。電能表接收遠程售電系統下發(fā)的拉閘、允許合閘、ESAM數據抄讀指令時(shí)，需通過(guò)嚴格的密碼驗證及安全認證?？梢?jiàn)，在智能電表中ESAM模塊只負責完成安全認證和數據的存儲，此模塊可在國家電網(wǎng)公司設置完畢后，提供給表廠(chǎng)安裝在智能電表中。今后的數據存取以及密鑰的安全認證過(guò)程都在遠程主站系統與智能電表中的ESAM模塊之間進(jìn)行，與表中的微控制器無(wú)關(guān)，微控制器仍然由表廠(chǎng)負責設計，完成智能電表的功能。這樣既實(shí)現了系統的安全性由運行管理方控制，又不妨礙表廠(chǎng)繼續發(fā)展和完善智能電表的功能和性能。是一種較為理想的方案。

　　2系統工作原理

　　2B8實(shí)時(shí)檢測系統供電的狀態(tài)，當上電檢測模擬端口檢測到外部220V供電時(shí)，系統啟動(dòng)內部主時(shí)鐘全速運行，通過(guò)SPI口與計量RN8209通訊，實(shí)時(shí)讀取電表運行的狀態(tài)內容，如實(shí)時(shí)電壓、電流值、功率、功率因數等，并判斷是否在正常工作范圍內，如出現異常，通過(guò)I2C與RX8025T通訊，讀取此刻時(shí)間，然后將這些數據通過(guò)I2C通訊存儲到24LC512中，以備主站系統查詢(xún)，同時(shí)報警指示燈報警，通過(guò)I2C通訊將實(shí)時(shí)數據傳輸到HL9576內并顯示在LCD液晶屏上。智能電表運行過(guò)程中，不斷讀取RX8025T的時(shí)間值，來(lái)判斷是否可進(jìn)入下一費率時(shí)段運行，進(jìn)行時(shí)段投切。

　　當智能電表接收到紅外或485通訊信道下發(fā)格式DL/T645—2007的命令數據，電表通過(guò)規約解析，通過(guò)I2C通訊讀取24LC512中的數據，打包后通過(guò)紅外或485通訊信道上傳。如485通訊信道接收到遠程主站系統下發(fā)的加密費控命令，2B8會(huì )將此數據傳送給ESAM模塊進(jìn)行解密分析，成功后返回給2B8，通過(guò)命令分析2B8執行相應的費控操作。外部220V供電消失后，系統電源切換到備用鋰電池電源，關(guān)閉內部高速時(shí)鐘，啟動(dòng)低速時(shí)鐘，關(guān)閉外圍功能，進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)。

　　3結語(yǔ)

　　這款基于RENESAS半導體的單相遠程費控智能電表設計，能根據不同的時(shí)段設置，實(shí)現電能分時(shí)計量，存儲大量電表運行數據，便于智能電網(wǎng)的運行分析，采用RS485串行通訊，實(shí)現電量自動(dòng)回抄，實(shí)時(shí)校時(shí)，接收遠程主站系統下發(fā)的費控命令，經(jīng)EASM驗證實(shí)現費控功能。該電能表經(jīng)本公司量產(chǎn)表明，設計技術(shù)新穎，計量準確，走時(shí)精確，時(shí)段設置靈活，功能強大，各項技術(shù)指標均達到國家智能電能表的技術(shù)標準，具有廣闊的應用前景。

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