基于塑料光纤和嵌入式技术的智能电表系统设计

梁志勋

(河池学院　计算机与信息工程学院， 广西　宜州　546300)



基于塑料光纤和嵌入式技术的智能电表系统设计

梁志勋

(河池学院计算机与信息工程学院， 广西宜州546300)

目前的用户用电信息采集方式大部分为人工抄表方式，即使采用了自动抄表方式，其抄表方式也是采用无线或者导电的铜线作为传输介质来进行电力采集信息传输，第一种抄表方式落后，且效率低下；第二种抄表方式具有不稳定性等因素。因此需要设计一种软硬件可扩展的智能电表，该电表将塑料光纤作为电力系统中电能电量采集的传输介质，主控CPU采用的是基于Cortex-M3内核的微控制器STM32F107，采用ADE7953芯片实现电量采集，在不采用复杂的纠错码处理的情况下，可实现通信误码率低于10-9。

塑料光纤；电力信息采集；智能电网；智能电表

0　引言

随着计算机及通信网络技术的快速发展和电力电子工业技术的进步，如何科学高效地管理和利用电力资源，节能减排，倡导低碳生活，建立可持续发展电力电网机制和建立高效的智能电力电网系统[1]，以及如何实现智能电力电网的调度是目前海内外电力技术及其相关行业重点研究课题之一。智能电网建设第三个阶段为提升和引领阶段(2016～2020年)：初步建设成稳定可靠的智能电力电网，使电网的资源配置能力、运行效率、安全水平，以及电网与电源端、终端用户之间的信息交互性显著提高[2]。智能电表安装于用户端，负责用户的电力电能数据的采集、计量、控制和传输的任务以及其他各类信息的采集，因此高质量的智能电表的研究与设计也是智能电网系统中重要的一部分。

1　电力电能采集传输介质比较及塑料光纤的优势

如何将智能电表采集到的信息准确无误地传输到信息采集处理中心，关键是采用何种传输方式，目前智能电表的传输方式大致有三种。

(1)电力载波(PLC)：信号载波通信的物理信道与电力电能传输线缆共用，由于通信信道处于强电环境下，无法避免地受到电力电源的电磁干扰[3]。

(2)微功率无线传输：该技术利用470 MHz的射频载波通过空气介质无线地将链路的数据传输，既存在多路信道中信号之间相互干扰问题，又存在阴影衰减和路径损耗，亦属于不可靠的通信链路。这种传输方式必须采用大量的技术手段，如中继、自组网、各种纠错编码(CRC，前向纠错编码)等方式来降低误码率。

(3)有线电信号传输电缆线及光纤传输：由于光纤抄表技术提供了可靠的物理传输链路，不需要路由算法、复杂的组网和中继转发，只需要传输有效净荷数据。这种情况下不但会极大降低抄表时间，而且塑料光纤和石英光纤抄表方式中物理信道是专用信道，属于可靠链路，光纤传输的是光信号，频谱远高于电磁波频谱，其介质为绝缘材料，因此对电磁干扰具备绝对的免疫能力[4]。

2　总体设计与工作原理

智能电力信息采集系统主要包括信息采集处理中心、通信传送部分、用户端采集部分。智能电力信息采集系统中的用户端采集部分主要是指智能电表，上行通信时，智能电表计量用户用电信息和其他反馈信息后打包封装成固定的数据帧，然后通过光纤通信传输系统将相关信息传输到信息采集处理中心；同理，下行通信时，信息采集处理中心通过固定的数据帧将要发送的指令发送到智能电表。在智能电力信息采集系统中光纤传输系统采用深圳昆冈辉腾公司研制的OSC(光合路分路器)搭建树形结构的传输网络，在用户端的采集部分利用塑料光纤将各个用户的电表按照树形接连在一起，然后OSC重新将各个用户的信息封装一次后通过石英光纤远程传输到信息采集处理中心。采集处理中心的设计，包括通信网络、数据信息储存、数据处理分析以及供电公司管理/应用/营销，整个系统简图如图1。

图1　智能电力信息采集系统图

3　系统的硬件设计

3.1智能电表的硬件设计

采用基于Cortex-M3内核处理器STM32F107作为智能电表系统控制器的核心处理器，如图2所示。微控制器通过其自带的一个UART串行接口与ADE7953电量采集前端进行数据通信，配置采集模式和电量信息交互，同时，微控制器通过其自带的另外一个UART串行接口将数据传送到塑料光纤模块。塑料光纤模块进行光电转换，通过光信号与外部进行数据通信；微控制器通过并口连接方法与液晶显示屏连接，将电量等相关需要显示的信息在液晶屏显示上显示。智能电表系统设计时，采用线性电源给系统供电，设计了时钟系统及RTC电路等，确保系统在掉电后，时钟能够自动恢复到正确的时间。

图2　智能电表最小嵌入式硬件系统

3.2智能电表中电量采集前端的设计

ADE7953是ADI公司推出的一款高性能电能计量芯片，主要应用于单相电能计量，它能够完成线电流和电压的测量，并能将有功、无功、视在功率以及瞬时电流和电压有效值计算出来，此外器件还提供了专用功率反向(REVP)、电流过零信号(ZX_I)和电压过零(ZX)引脚。该器件内部设置了三个积分型ADC和一个高精度电能电量计算内核。第二个输入通道能够同时测量零线电流，具备零线电流计费和窃电检测功能。附加通道具有完整的模拟信号路径，能够完成各种测量。每个输入通道都能够独立且灵活的设置信号增益级别，因此该电能计量芯片能够与各种电流传感器一起使用，比如低阻值分流器和仪用变压器等。片内的两个积分器，使得和罗氏线圈传感器一起应用变得简单易用[5]。如图3，输入前端匹配后，串联一个1 kΩ电阻再并联一个33 nF电容构成一个RC低通滤波器；电源采用0.1 μF和4.7 μF电容作为退耦电容；设计一个3.58 MHz外部晶振给芯片作为内部系统时钟，计量芯片通过串口与微控制器通信，即可构成电量采集前端电路。

图3　电量采集前端电路图

ADE7953可以通过SPI、I2C和UART通信接口访问片内寄存器，本设计采用了UART通信接口方式与主控制器交互信息，时序图如图4所示。如要读取ADE7953内部的数据，首先要给ADE7953发送读指令：0x35，经过t1(在0.2～4.0 ms之间任意值即可)时间后，发送高八位地址，再经一个t1时间后，发送低八位地址，当ADE7953接收到正确的地址后，将地址所对应的数据从发送端串行发出，此时，微控制器通过串口中断触发，将数据接收到缓冲器，等待下一步处理。向ADE7953对应的地址写入数据较为简单，依次将0xCA、高八位地址、低八位地址、高八位数据、低八位指令数据通过串行通信，发送传输到ADE7953的UART接收端即可。其中，每一次发送一个八位数据，需要间隔t1时间。

图4　ADE7953电量信息数据传输通信时序图

3.3智能电表中光模块电路的设计

光模块的选择决定了光通信链路质量的好坏，因此设计中采用了AVAGO公司650 nm波长高品质工业链路模块HFBR2521/2521，收发模块独立设计。如图5中的设计，发送模块是一个650 nm波长LED，采用SN75451作为驱动芯片；接收模块内置放大器和斯密特输出，可以直接与单片机接收端LVTTL电平接口兼容。

图5　光模块电路图

3.4电磁兼容与可靠性设计

智能电表一旦投入工作后，对平均无故障率要求极高，假如运行过程中出现任何异常情况，都要求能够自动恢复并回到正常工作状态。而在实际应用场景中，各种电磁干扰和噪声是无法避免的。目前，绝大多数的智能电表都在强干扰的现场中运行。因此，如何提高智能电表对干扰的免疫力，保证其在规定条件下能够较高可靠的运行能力，以及防止智能电表内部产生的电磁骚扰对其他设备进行干扰辐射，是智能仪器仪表设计必须考虑的问题，也是关键技术之一[6]。

采用高性能线性电源给硬件系统供电，线性电源是由220 V经交流变压器降压、整流、滤波及线性稳压后得到，因此这类电源的稳压性能高、隔离性好。于电源入口处加入EMI/EMC电源滤波器，同时将TVS瞬态抑制管并接到电源入口处能有效抑制高频干扰。每个IC都采用磁珠和10 μF及100 nF电容进行电源滤波，同时起到储能和退偶作用，使各个IC之间的电源之间隔离互不干扰，采用多层板设计技术，PCB布局、布线方面科学合理考虑，关键信号具备完整的参考层；系统设计时采用max6370芯片设计了一个硬件看门狗，10 ms定时喂狗，如果程序跑飞，硬件看门狗寄存器将得不到清除，系统则会自动复位重启，不会导致电表瘫痪和影响用户使用。

4　系统的软件设计及校准

4.1智能电表的软件设计

系统软件利用意法半导体提供的软件开发包，在其基础上开发应用软件，软件负责初始化电能芯片ADE7953，开机时检测是否为掉电后启动，若判断为真，首先读取掉电前保存的FLASH信息，配置掉电数据。若判断为假，则不需要配置之前的掉电数据。接着启动定时器，时间间隔为50 ms定时读取一次电量值。定时抄表并与集中器交互信息，同时定时刷新显示屏电量信息和检测电网电压是否将要掉电，假如系统掉电，则立即进行掉电处理，具体软件流程如图6所示。

图6　系统软件流程图

4.2智能电表的软件校准

对于外部电阻网络阻抗、前端采样电路设计等引起的计量误差，可以通过设置ADE7953的增益校准和通过软件数字校准、失调校准及相位校准来减少电表的计量误差[7]。两个电流通道可以分别通过对有功、无功和视在功率测量的校准来补偿和减少不同电表存在的增益偏差。对通道A电流的有功功率增益校准控制可以通过配AWGAIN寄存器(地址:0x2820x382)来完成；同样，对通道B电流的有功功率增益校准控制可以通过对BWGAIN寄存器(地址：0x28E0x38E)的配置来完成。xWGAIN寄存器的初始值为0x400000，该值表示无增益校准。可以写入xWGAIN寄存器的数值范围为:0x200000～0x600000，其数值相对应可以调整范围为-50%～+50%的增益。公式1反映了增益调整与xWGAIN寄存器中数值的关系。

(1)

对于无功功率和视在功率，也有对应的可设置增益校准寄存器。两个电流通道的无功功率可以分别对寄存器AVARGAIN(地址：0x283/0x383)和BVARGAIN(地址：0x28F/0x38F)的配置来进行增益校准。两个电流通道的视在功率也可以分别对寄存器AVAGAIN(地址:0x284/0x384)和BVAGAIN(地址：0x290/0x390)的配置来进行增益校准。配置寄存器xVARGAIN和xVAGAIN对无功和视在功率的影响方式与配置寄存器xWGAIN对有功功率的影响方式类同。因此可以对公式1进行修改，以配置无功和视在功率的增益校准，如公式2和公式3所示。

(2)

(3)

4.3软件容错措施

STM32系列微控制器内部集成了软件可配置的看门狗，除了设计外部硬件看门狗之外，在做软件设计时，同时启用内部软件看门狗，进行双冗余保护；通过优化内部代码，使用STM32控制器内部硬件资源，如定时器等硬件资源来实现软件的功能，使得软件更加强壮，鲁棒性好。

5　测试分析

本次设计主要对通信误码率进行测试，验证塑料光纤作为通信介质的优越性，通过所研制的两台样机，分别采用五类线和塑料光纤做对比测试。测试时，预先编写一个测试用的临时软件，用于产生M序列伪随机码。利用主控处理器的UART全双工收发器，自发自收后对比两组伪随机码后可得误码率，测试塑料光纤时，直接采用样机即可测试，测试五类线时需要将板内的收发线引出来，再另外临时搭建一个RS232电平转换电路即可进行测试。测试条件为：1.环境温度：15 ℃～35 ℃；2.相对湿度：20%～80%；3.大气压力：测试现场的大气压力；4.M序列伪随机序列码发送；5.通信距离：塑料光纤50 m、五类线50 m。测试结果如表1所示。

表1　五类线和塑料光纤通信误码率测试

由表1中五类线和塑料光纤的测试数据可见，当传输速率小于4 800 bit/s时两种介质的传输误码率均为零。当传输速率大于9 600 bit/s时，五类线开始出现了误码，其误码率为1×10-9，仍在可接受范围，传输速率继续增大时，五类线的传输误码率也跟着继续增大，直到传输速率为56 000 bit/s时，塑料光纤作为传输介质才开始出现了1×10-11的误码率。经过观察分析可见，塑料光纤作为通信传输介质，其误码率明显低于五类线。

6　结束语

本文扼要阐述并分析了目前智能电力电网发展状况及应用情况，应用ADI公司推出的ADE7953作为电量采集芯片，采用意法半导体公司的嵌入式微控制器STM32F107为主控CPU，研究设计了一种软硬件可扩充的智能电表，特别地引进了一种通信新材料新星-通信级塑料光纤，构建高质量专用物理通信通道，在没有采用纠错编码技术情况下，仍达到10-9以下的误码率，在抄表通信中，能够达到极高的数据通信可靠性。同时采用软硬件设计措施提高了智能电表的可靠性。此外，采用嵌入式微控制器STM32F107作为主控CPU，该嵌入式微控制器内部集成有TCP/IP协议物理层的MAC模块，为以后扩展TCP/IP通信应用提供可扩充性。

[1]王达.电力用户用电信息采集系统的集中器研制[D].北京：中国科学院大学，2013.

[2]刘喜梅，睢杰.智能电网信息管理系统的复杂性特征分析及启示[J].华北电力大学学报(社会科学版)，2013(2)：20-24.

[3]张海亮，袁静伟，岳在春.POF塑料光纤在智能电力抄表系统的应用[C]//2011电力通信管理暨智能电网通信技术论坛.北京：中国通信学会普及与教育工作委员会，2011.

[4]石怀德，袁静伟，王会芳，鲁开朗.电力信息传输系统塑料光纤应用方法研究[C]//2012年电力通信管理暨智能电网通信技术论坛.北京：中国通信学会普及与教育工作委员会，2013.

[5]Analog Device公司器件手册[Z].ADE7953:Single Phase,Multifunction Metering IC with Neutral Current Measurement Data Sheet(Rev A,11/2011).

[6]张丽丽，黄鹤松.智能电表设计中的抗干扰措施[J].中国住宅设施，2004(3):41-44.

[7]钟智勇.基于ADE7756的电能表的数字校准[J].自动化博览，2007，24(2):83-85.

[责任编辑刘景平]

Design of Intelligent Electric Meters Based on the Plastic Optical Fiber and Embedded Technology

LIANG Zhi-xun

(School of Computer and Information Engineering, Hechi University, Yizhou, Guangxi 546300, China)

At present, manual meter reading is most used for collecting users’ electric power information. Even with the automatic collecting mode, the meter reading methods still use wireless or conductive copper wire as the transmission medium for power information transmission. The first method of meter reading is outdated and with low efficiency; the second method can bring instability factors. So the design of an intelligent electric meter in which software and hardware can be extended is needed. The smart electric meter introduces the plastic optical fiber as transmission medium of electricity power acquisition in the power system, uses the microcontroller STM32F107 based on architecture of the ARM Cortex-M3 core as master CPU, uses ADE7953 chip for electric energy acquisition. Without using complex error correcting code processing, the communication error rate lower than the 10-9can be realized.

plastic optical fiber; electric power information collection; smart power grids; smart electric meters

TN253；TM764

A

1672-9021(2016)02-0094-07

梁志勋(1986-)，男(水族)，广西柳州人，河池学院计算机与信息工程学院助教，主要研究方向：电子电路与系统集成，嵌入式技术应用。

2015-06-30