单相双向计量多功能智能电能表设计

李 宁,李建闽,张建文,宋俊皓,段辉江,荣 宏

(1.国网新疆电力公司电力科学研究院,新疆 乌鲁木齐 830011；2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

单相双向计量多功能智能电能表设计

李 宁1,李建闽2,张建文1,宋俊皓2,段辉江2,荣 宏2

(1.国网新疆电力公司电力科学研究院,新疆 乌鲁木齐 830011；2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

智能电表、智能用电、供用电互动等技术既是坚强智能电网用电环节的基本组成部分，又是引导科学、合理、经济用电，达到节能减排目标的重要研究内容。针对智能电网中现代家居智能用电以及家庭微网发电的发展需求，提出了一种基于STM32F103微控制器，具有双向电能计量、多参数测量和防窃电等多种功能的单相智能电能表设计方案。介绍了电能表的系统构成，重点分析了电流、电压信号采集电路、双向电能计量单元硬件电路设计，详细论述了基于两个电流互感器、一个电压互感器的高精度防窃电功能设计，简要介绍了系统的软件设计，给出了电能表的误差分析和纯软件形式的校表方式。该单相多功能双向计量智能电能表成本低、功能强。国网新疆电力公司的实际应用证明了该电能表的准确性与可靠性。

能源； 分布式电源； 智能电网； 智能电表； 计量； 电路； 误差校正

0 引言

现代电能计量是电力用户与供电单位之间的结算依据，是电网能效管理的重要参考指标。近年来，各地政府相继出台了针对风能、太阳能等分布式电源的鼓励与补贴政策[1]。分散于居住区的大量小容量分布式电源可以将多余电能回送给电网系统[2-5]。用户既是电网系统的电能消费者，又是电网系统的能源供应者。因此，双向电能计量已成为现代智能电网必需的计量设备。

针对双向计量需求，国内推出了多种智能电表设计方案。文献[6]基于AMI模型，本文设计了一种以STM32F103VET6为主控制芯片，以BL0929为电能计量芯片的双向计量型智能电表系统。文献[7]设计了一款基于ADE7878电能计量芯片的实时测量双向通信智能电表。文献[8]设计了以ARM微控制器STM32F407ZGT6为主控核心，以微控制器内部FFT运算函数库作为数据处理方法的智能双向电力计量装置。

以上这些智能电表只从技术上解决了分布式电源接入所需要的双向计量问题，但智能电网、智能用电的发展不仅需要电能表具有有功、无功电能双向计量功能，还要求电能表同时具备需量计量、预付费、费率和时段设置、防窃电、事件记录、报警等多种功能，以便电网和用户双方协同管理电能[9-10]。为此，设计了一种基于STM32F103微控制器，同时具有双向电能计量、多参数测量、防窃电和事件记录等多种功能的单相多功能双向计量智能电能表方案。

1 系统构成及原理

分布式电源接入后，需要结算分布式发电的补贴，必须单独计量分布式发电的发电量。分布式电源接入后的双向电能计量需求如图1所示。

图1 双向电能计量需求示意图

电能表构成框图如图2所示。

图2 电能表构成框图

本设计以STM32F103微控制器为信息处理核心，不仅具备有功、无功电能的双向计量功能，还具有需量计量、预付费、费率和时段设置、防窃电、事件记录、报警等多种功能，可以很方便地实现电网主站和用户双方协同管理电能。整个系统主要包括电压和电流信号采集与调理、模数转换器(ADC)、数据通信、数据存储、显示与按键、指示灯、掉电检测及电源管理等部分。电网电压、电流信号经过前端信号采样和调理电路后，转换成在ADC输入通道可测量输入范围内的电压信号。采样信号经ADC处理后通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)送入主控芯片STM32F103，计算得到各种电能参数，包括电压、电流、有功功率、无功功率等。该电能表采用红外光电、RS-485和北斗等多种通信方式。通信接口和协议均符合IEC-62056标准。北斗通信模式作为辅助通信方式，在有线通信出现故障时，能够实现超长距离的数据传输。整个系统的校表参数、配置参数以及电能数据等均存储于铁电存储器(ferro electric random access memory,FRAM)中。液晶显示单元(LCD)采用定制的带LCD驱动电路的4×22段码液晶。有功、无功电能脉冲输出通过主控芯片的I/O口控制，用于电能表校准。备用电池采用锂电池供电，可实现停电抄表功能。电源管理部分为各个模块供电。

2 系统主要硬件电路设计

2.1 信号采集电路设计

信号采集电路主要包括电流、电压采样电路、ADC及其附属电路。为提高测量精度并隔离信号，设计了采用基于互感方式的电流、电压采样方案，其中电压采集部分采用高精度电流型电压互感器YE-PT03-2 mA/2 mA，电压互感器一次侧线圈的两端分别串接限流电阻，再并联压敏电阻后接入电网。信号经过互感器后转变为小幅值的电流信号。在运放输入端并联两个反相二极管，起到限幅和保护运放的作用。小幅值的电流信号经运放OPA2277放大到幅值约为3 V的电压信号。该数值可通过调节反馈电阻值来得到所需的电压值。

根据ADC芯片ADS8556的输入范围，互感器二次侧输出的电流值为1 mA，则反馈电阻值为3 kΩ。在设计时，反馈回路采用串联小电阻实现对输出电压幅值的微调，还通过并联额外的电阻及电容来补偿相移。放大后的电压信号经过抗混叠RC滤波电路来滤除高频信号干扰。最后，电压信号进入ADC采样通道。

电流采样部分与电压采样部分的原理基本相同，交流信号经过高精度电流互感器CT07-5/2.5W后生成小电流信号；小电流信号经过I/V转换电路及滤波电路，传输给ADC芯片ADS8556完成电流信号采样。

2.2 双向通信电路设计

本文设计的多功能智能电表具有三种通信方式：RS-485通信、红外光电通信和北斗通信。这三种通信方式互不干扰，RS-485通信主要用于组网构建集中抄表网络；光电通信主要用于校表；北斗通信模块用于在RS-485模块出现故障时，通过无线链路来实现电力用户与供电单位的数据交互。STM32F103芯片具有三路通用非同步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)口，可分别应用于RS-485通信、光电通信和北斗通信。RS-485通信部分电路末端采用瞬态抑制二极管防止过压瞬变，还串联两个热敏电阻起到过流保护的作用。在设计时，将电源部分与主控芯片隔离，防止雷击等外部环境对整个电路前端造成损害。由于STM32F103本身并不具备光电通信接口，设计时，采用串行方式与片外的光电发射接收电路组成一个通信接口。实际使用时，数字信号由发射管转变为光脉冲，设计采用三极管来提高驱动能力。在接收到光信号时，三极管导通，微控制器的相应接收I/O口为低电平，反之则为高电平，从而以简单的方式实现了光电通信。北斗通信模块无线传输模型如图3所示。

图3 北斗通信模块无线传输模型

北斗通信模块采用基于我国自主开发的北斗导航系统(beidou navigation satellite system,BDS)同时兼容全球定位系统(global positioning system, GPS)的BDS&GPS双模定位通信模块。该模块集成了BDS通信、BDS/GPS定位等功能，能够实现卫星定位、通信、位置上报等功能。当有线通路出现故障时，北斗通信模式作为辅助通信方式，也能够实现超长距离的数据传输和交互。

2.3 防窃电电路设计

电能表对电流进行取样的常用方式有锰铜分流和电流互感器加电阻取样两种。其中，锰铜分流方式简单、可靠、价格低；电流互感器的电流特性好。为此，本设计选择使用两个电流互感器加电阻分别取样火线电流和零线电流的方式，电流采样电路如2.1节所述。通过比较两个电流通道的电流值，可以准确检测增加额外导线旁路部分电流。此外，当主副计量通道电能值的差值大于或者等于电能值的12.5%并且持续时间大于12 s时，系统将其判定为窃电0漏电事件，系统选择电能值大的回路进行计量。因此，在发生窃电漏电事件时，通过该方式系统仍能实现电能的准确计量，并能准确检测到窃电行为。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

本系统的软件主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

双向计量多功能电能表在完成上电后，首先要进行系统初始化操作，包括设置定时器、存储器自检、配置LCD驱动及对ADC模块初始配置等。紧接着，对控制器进行掉电检测。由于电源部分源头来自于电力系统，检测得到电源正常的时候则电网电压正常，可进行下一步处理；否则，后续还要对主电源进行正常性检测。

主程序中电能计量部分属于整个设计的核心部分。其主要工作包括：读取实时时钟、根据费率情况判断双向实时电价；计算出各项所需参数并计量相应时钟费率阶段所消耗的电量，包括双向有功电能量、无功电能量、电流、电压以及功率因数等；将数据存储在FRAM中。主程序以时间为设计主线，循环、有序地完成各个模块操作，包括双向通信、数据计算和计量、数据的存储等。

3.2 系统主要子程序设计

3.2.1 双向通信模块软件设计

RS-485模块接收中断和发送中断流程图分别如图5、图6所示。

图5 RS-485模块接收中断流程图

图6 RS-485模块发送中断流程图

本文设计的双向通信电能表采用IEC 62056-21通信协议，其为设备语言报文标准和能源计量配套标准(device language message specification/companion specification for energy metering, DLMS/COSEM)中关于电能表本地直接数据交换的技术规范。而STM32F103有三个UART口，可分别应用于光电通信、RS-485通信和北斗通信。

下面以RS-485为例，阐述通信接收中断流程。由于IEC 62056-21通信协议明确规定了每帧数据的帧头和帧尾，因此可以按照协议规定制定一个表格，把每种通信模式下的帧头和帧尾数据保存到该表格中。通信接收中断可通过比较接收到的帧头、帧尾数据与表格中的数据是否一致，判断是否接收完毕。

因为协议中规定数据字节之间最大时间间隔为500 ms，握手之后等待接收的最大时间间隔为1 500 ms；因此，需要在数据接收时判断延时时间。由于北斗通信作为RS-485通信的辅助通信方式，且光电通信和RS-485通信协议一致。三者的发送和中断流程类似，此处不再赘述。

3.2.2 电能参数计量软件设计

电能参数计算是电能计量的核心，其主要的电能参数有电压、电流有效值，有功、无功功率，有功、无功电能及功率因数等。系统通过一段连续时间内的ADC采样点计算，实现电能参数计量。根据电工基础理论，交流电压U、电流信号I的有效值为：

(1)

(2)

式中：u(t)和i(t)分别为被测电压、电流信号;T为信号周期。

将式(1)、式(2)离散化，得：

(3)

(4)

式中：N为一个工频周期内的采样点数；u(n)和i(n)分别为被测电压、电流信号经ADC转换后的离散序列。

3.2.3 电能表误差分析

本设计的电能表误差主要来自于前端采样电路各电子器件参数的初始偏差，以及各种偏差引起的电表初始误差，例如电压电流计量的比例误差和互感器带入的相角误差[11-12]。下面以电压通道为例，进行电能表误差分析，电流通道也可同理分析。电压通道前端信号调理电路等效模型如图7所示。图7中：RA为限流电阻，虚线部分为电流型电压互感器(TV)等效电路;Rf为运放的等效放大电阻，其他为抗混叠滤波器等效电路。此时，TV存在比例误差(比差)、相角误差(角差)、非线性误差等；取样电阻因温漂、精度不足而产生误差；运算放大器因温漂、零漂而产生误差；抗混叠滤波器的相频特性不一致，则导致角差误差等。

图7 电压信号调理电路等效模型

(5)

(6)

(7)

式中：ΔRA、ΔRf分别为限流电阻RA与取样电阻Rf的温漂电阻。

由式(7)可见，比差Ki与信号频率无关，选取温漂较小的限流电阻大幅度减低误差。此外，可在额定输入条件下，将电能表电压通道和电流通道的测量值与实际输入值进行比较，可得到各个通道的校正系数；而后将计算得出的校表系数写入FRAM中保存，在系统上电初始化时对这些存储值进行读取，进而根据各通道的校表系数值自动修正计量偏差。

4 结束语

本文给出了基于STM32F103微处理器结构的单相双向计量多功能电能表设计方案，介绍了系统的整体架构以及软硬件的主要实现方法，并进行了电能表相关误差分析。该方案结构简单、成本低廉，且具有双向电能计量、多参数测量、防窃电和事件记录等多种功能。国网新疆电力公司投用表明，该电能表计量准确、性能稳定，具有很好的应用价值和市场前景；同时，也验证了本文设计方法的可行性及系统的实用性。

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Design of the Single Phase Smart Energy Meter with Multifunction for Bi-directional Metering

LI Ning1,LI Jianmin2,ZHANG Jianwen1,SONG Junhao2,DUAN Huijiang2,RONG Hong2

(1.State Grid Electric Power Research Institute of Xinjiang Electric Power Company,Urumqi 830011,China;2.School of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Technologies of smart meters,intelligent utilizing of electricity,and the interaction of intelligent power supplying and utilizing are both the basic components of electricity link in strong smart grid and an important research content for leading scientific,reasonable,and economic power utilization;and achieving the goal of energy conservation and emissions reduction. In accordance with the development demands for smart grid,including intelligent power utilizing of modern household and the home micro-grid generation,the design scheme of single-phase smart energy meter based on STM32F103 micro controller is proposed. This energy meter features bi-directional energy metering,multi-parameter measurement,stealing electricity prevention,and many other functions. The systematic composition of the energy meter is introduced,and the circuit design of the current and voltage signal sampling circuits and the bi-directional energy metering unit are emphasized. In addition,the design of high precision stealing electricity prevention circuit based on two current transformers and one voltage transformer is described in detail. The software design of the system is briefly introduced,the error analysis of the electric energy meter and the calibration method in the form of pure software are given. The single-phase smart energy meter with multiple functions for bi-directional metering is low cost but offers powerful functions. Its application in Xinjiang electric power company of the State Grid validates the correctness and reliability of the meter.

Energy; Distrubuted power; Smart grid; Smart meter； Metering; Circuitry; Error correction

李宁(1960—)，男，学士，高级工程师，主要从事电力营销、电能计量和电能质量技术的研究。E-mail：patton5@sina.com。 荣宏(通信作者)，男，学士，讲师,主要从事电测新技术、智能信息处理、嵌入式系统应用方向的学术研究和技术开发工作。 E-mail：hrobot@sina.com。

TH71;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703019

修改稿收到日期:2016-08-10