基于电力载波通信的高精度智能电能表的研制

徐瑞丽

(河南职业技术学院电气工程系，河南郑州450046)

0 引言

电能表是每个家庭的必备电能计量仪表，随着城市化进程的发展，其数量越来越多，相应的计量、管理和收费工作日益繁杂，产生了巨大的工作量，而且抄表的准确性和及时性也受到了挑战［1-3］。电能表性能也直接影响着电能管理的效率和科技水平，显然传统的机械式电能表已不能满足电力管理部门的需要。电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，利用现有电力线通过载波方式传输模拟或数字信号。低压电力线载波技术是通过低压220 V/50 Hz交流线路实现的双向通讯，但是低压电力线上用户众多，所接负载也多种多样，如何克服低压电力线上特有的高阻抗、高噪声和电磁辐射是目前的难点［4］。为此，本文采用电力载波通信技术设计了高精度智能电能表，通过专业的电能计量模块和扩频通信芯片，结合抗干扰耦合电路，实现了智能电能表的高精度测量，并提供了接口协议与外界保持稳定的通信。

1 智能电能表的工作原理与硬件结构

根据国家电网规定，所设计的整个电能表工作时的实际功率不能大于2 W，因此设计该装置的软硬件时，尽可能地考虑了功耗的问题。

1.1 电能表的工作原理

智能电能表终端主要由单片机ATmega128L、扩频通信芯片PLCi36G-Ⅲ-E、信号耦合电路、滤波调理电路、E2PROM存储器24C01、电能计量模块ADE7755、继电器、显示屏LCD和电源管理单元等组成。智能电能表整体框图如图1所示。电能计量芯片ADE7755从家用220 V/50 Hz交流电线路上采集电压、电流信号，经处理后进行乘积运算，运算的结果通过功率-频率转换器转换成与平均功率成正比的脉冲信号从CF引脚输出，单片机ATmega128L接收传过来的高频脉冲并在一个计数周期内进行计数，然后转换为功率传给外扩存储器和LCD进行显示。设计中通过硬件配置设定3 200个脉冲为1 W的电能，在一个计数周期内测得的脉冲数除以3 200就是这一周期内负载消耗的电量ΔP。存储器在记录电量的同时，通过内部累加计算出电量P，同时记录此时的时间，便于以后查询。

图1 智能电能表整体框图

当集中器要获取某一时间段的用电记录时，下发相应的指令后，单片机立即从存储器里取出相关数据并进行累加，并将结果返回给集中器。当用户的缴费用尽时，电能表会自动驱动火线上的继电器断开，集中器也可以发送断开指令，强制关闭用户的用电。同时也为其他系统提供了RS485通信接口，方便系统的扩展。

1.2 硬件结构组成

1.2.1 单片机 ATmega128L

综合考虑系统对控制器的资源需求，选用了8位低功耗微处理器ATmega128L，相对于其他通用的8位微处理器来说，它具有非常丰富的资源，工作于16 MHz时性能高达16 MIPS，4 K字节的数据存储器和4 K字节的E2PROM;具有两个16位定时器/计数器;具有片内128 K字节的程序存储器，具有53个通用I/O口线、实时时钟 RTC、两个 USART、两路8位PWM、与IEEE1149.1规范兼容的 JTAG测试接口用于片上调试，以及六种可以通过软件选择的省电模式，大大降低了系统的功耗，符合国家电网对设计电能表的规定。

1.2.2 电能计量模块

ADE7755是ADI公司生产的一款单相电能计量芯片，在50/60 Hz输入信号时都能满足IEC687/1036标准规定的测试精度要求，在1000∶1的输入动态范围内，测试误差都小于0.1%。ADE7755具有双通道采样电路，通道1由锰铜分流器J4的全差分采样电路获取用户的电流参数，其差分电压最大输入时为±470 mV;通道2由电压采样电路获取，其最大全差分输入时为±500 mV的电压参量。ADE7755的CF引脚输出的脉冲正比于即时功率，该脉冲通过高速光耦传到单片机ATmega128L的计数器进行累加，并计算出电能计量信息。ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理都使用数字电路，这使它即便在恶劣的环境条件下，仍能保持极高的准确度和长期稳定性［5-7］。

1.2.3 电力载波通信单元

扩频通信芯片PLCi36G-Ⅲ-E是专门为电力线介质作为通信信道而设计的，它能够实现基于电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换，数据链路层通信协议遵循高级数据链路控制通信协议，应用层通信协议完全兼容于DL/T645-1997规范和DL/T645-2007规范，在保证DL/T645协议完整性的前提下，扩充了DL/T645对网络数据通信的支持。在整个通信网络中，每个智能电能表的网络地址是唯一的，其物理地址用6个字节来表示，并存贮在外部的I2C串行E2PROM中，对网络地址的管理通过/WP、SCL和SDA三个端口完成。它可采用集中式和分布式混合网络结构，合理高效的压缩算法，最大程度地压缩报文，提高了通讯能力与稳定性，码率高达20.8 kbps。该芯片具有通信可靠性高、高效帧中继转发策略、信号强度指示、相位检测以及完善的网络数据通信协议集，且具有低成本、低功耗和外围器件少等优点［8-9］。

1.2.4 信号耦合电路

线路上的各种参数，如分布电容、分布电感、负载性质、负载阻抗值大小和噪声干扰等都是不确定的，而电力线负载的开关和负载大小变化会引起电流的剧烈波动，导致电力线周围产生电磁辐射，这些必然使低压电力线路工作环境非常恶劣，也势必会对载波通讯信号的传输造成困难和严重干扰，因此低压电力线通信必须首先解决好信号的耦合问题［10］。

信号耦合电路是将载波通信单元与电力线连接的关键单元，主要的作用是滤除220 VAC/50 Hz的交流信号和抑制瞬时电压冲击，也能够高效率地将发射信号注入电力线，保证在电力线上的有效信号功率，对来自电力线上的有用信号实现最小的衰减和最佳接收，最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰。根据通信系统的载波中心频率fc=270 kHz的要求，信号耦合电路的设计如图2所示。

图2 耦合电路

在信号耦合电路中，电容C11滤除交流50 Hz信号，采用隔离变压器T2使电力线回路和通信单元安全隔离，并由电容C11和隔离变压器的次级线圈电感构成高通滤波器。电容C11采用长寿命高性能的安规电容，因为安规电容存在寿命问题，随着使用时间的推移，容量会变得越来越小，若容量小于10 nF将导致耦合电路失效。

2 电能表软件设计

智能电能表的软件开发采用C语言设计，由AVR Studio编写C语言程序，经过GCC交叉编译得到单片机可运行的HEX文件。AVR Studio-GCC中的C语言编程和计算机普通程序编程没有区别，控制语句、格式、头文件等完全相同，只是在单片机的寄存器读取方面需要参考该型号单片机的说明文件［11］。

程序是一个循环主函数，各种功能的执行是通过调用子函数完成的，包括数据的发送和接收、用电量计算、LCD显示、数据的本地存储和读取、指令的解析和封装、继电器控制和延时等。软件程序流程图如图3所示。

图3 软件工作流程

智能电能表终端上电后，首先单片机ATmega128L进行系统初始化，包括对控制器各寄存器状态、电能计量及扩频通信芯片的工作方式、显示屏LCD和存储器24C01等的配置。根据计数器计算用电量信息，将数据存到存储器里并刷新LCD;然后监听是否收到了从集中器发出的指令，如果没有收到继续计算用电量;如监听到指令，解析指令并执行。指令一般包括:系统权限管理、上传用电量、设置自动抄表周期、负荷越限设置和远程断电等操作，执行完毕后，智能电能表终端需要将执行结果和状态数据打包并上传至集中器。最后，根据管理系统的设置，选择程序的延时时间，再次进入下次的循环。

载波发送接收是由单片机ATmega128L以中断的方式实现，这样使得电能表能实时侦听公网电力线上的消息，达到随时在线的功能，其常态为载波接收状态。载波发送信号经过功率放大耦合到公网电力线上，通过载波通信与安装在电力公网线上的集中器进行数据交换，集中器再通过其他方式与监控管理中心进行数据交换，从而实现远程无线抄表和控制的功能。

3 试验结果

在完成了系统的硬件和软件调试后，为了测试智能电能表的通信和精度，采用HY5302标准计量表，对设计的电能表进行了6个点的记录测试，并得出了相对误差，实验测试数据如表1所示。

表1 实验测试数据

根据国家电网公司2009年发布的最新单相智能电能表技术规范Q/GDW364_2009中对单相智能电表的测量及监测要求:测量误差不超过±1%。从表1的数据可以看出，6次测量的平均相对误差为0.368%，小于行业允许的误差值;而且这6次的相对误差都是小于标准值的，还可通过修正校准进一步提高该智能电能表的测量精度。

4 结论

本文所设计的智能电能表主要解决了在低电压电力线上的通信和测量精度问题，给出了电能表终端的硬件组成和工作原理，实现了远程对用户的用电控制和抄表等功能。所测6个点的实验数据表明，设计的智能电能表的测量误差仅为0.368%，远远小于行业标准，且该智能电能表无需人工入户抄表、抄表准确、公平公正和减少纠纷，节省了大量的人力物力，还可实现预付费及欠费的远程拉闸，解决了收费难问题，适用于城市小区多用户和农村住户相对集中地方，避免了大量部署通信线路的繁琐。

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