基于低成本负荷管理的智能电能表研究

王登峰，徐文涛，黄吉涛，梁 飞

(1.国家电网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001;2.国网宁夏营销服务中心，宁夏 银川 750001)

0 引言

人们对智能电能表的需求度很高，因为它具有快速的收入采集、远程监控和配电系统的控制等优点[1]。与标准机电或电子电能表相比，人们要求智能电能表具有更多的功能。自动抄表(automatic meter reading，AMR)系统就是将通信基础设施与电能表相结合的产物。这样的组合加快了仪表信息的采集速度，是一个可靠和有效的远程解决方案[2-3]。然而，基于AMR的电能表并不是一个高效且经济的解决方案。虽然它取代了人工抄表，但是需要大量的资金投入才能建立通信基础设施[4-5]。基于此，带控制装置的智能电能表和双向通信网络的高级计量体系(advanced metering infrastructure，AMI)成为科研工作者的研究热点。AMI能很好地解决一些旧系统固有存在的问题[6]。AMI由智能电表、用户网关、双向通信系统和抄表数据管理系统组成。基于AMI的抄表系统具有需求侧负荷管理(demand-side load management，DSLM)、远程电费计划设置、定价、计费信息、远程连接和断开、故障检测、篡改保护等优点[7-8]。

本文研究了一种通用智能电能表(universal smart energy meter，USEM)。它改善了以往电能表的局限性。该研究主要通过认证短消息服务(short message service，SMS)开发支付模式配置(预付费-后付费)、DSLM和远程资费计划设置及所需要的硬件和软件。本文所设计的USEM集成了过电压和欠电压保护、过载保护、篡改和旁路报警、充电报警、中断后自动重新连接和功率因数监测等不同的监测和保护方案。此外，它还集成了通过手机充值和平衡调节功能模块，可以达到快捷充电的目的。

1 技术理论分析

智能电表可以测量千瓦时(kWh)级的电能，主要参数有实际功率、无功功率、视在功率、电压、电流和频率等。计算电能量需要电压、电流和功率因数这3个参数[9]。这些参数是由电压传感器、电流传感器和过零检测器获得的。市场上有一些带有内置能量测量和电源管理系统的特定能量测量芯片。它们通过计算输出频率来测量功率，输出频率与来自电压和电流传感器的两个电压信号乘积的时间平均值成比例[10]。但是，这些能量测量芯片不灵活，不适合复杂的计费和费率设置。

本文设计的USEM所使用的测量技术涉及到的计算公式如下。

负荷在时间间隔T内消耗的能量为：

(1)

由于数字处理器不能处理模拟数据，故无法直接实现式(1)。积累电压(V[n])和电流(I[n])采样一段时间，然后将总积累值除以样本数(N)，可得到真实值P。

(2)

式中：V[n]为采样电压；I[n]为采样电流。

式(2)没有功率因数项，即相位角。以瓦秒为单位的相位角能量可以通过式(3)获得。

(3)

式中：Fs为采样频率。

(4)

式中：PPER为定时器周期寄存器值；Ft为定时器频率。

根据奈奎斯特采样定理，输入信号的最大频率应小于或等于采样频率的一半。电能计量规范要求精确测量次数为20次以内的谐波含量。采样频率要求至少为2～4 kHz。在该项工作中，采样频率为4 kHz。视在功率可以通过瞬时电压乘以瞬时电流得到。功率因数可以由实际功率除以视在功率得到。因此，所有的电测量参数都可以在不使用过零检测器的情况下，通过一个具有电压和电流采样值的微控制器来获得。

模数转换器(analog to digital converter,ADC)采样和累加的顺序如图1所示。

图1 ADC采样和累加顺序图Fig.1 ADC sampling and accumulation sequence diagram

利用单零FIR滤波器在电压采样中引入分数延迟，公式如下：

y[n]=x[n]+βx[n-1]

(5)

式中：x为输入电压；y为延时输出电压；n为采样序列；β为延时增益。

振幅和相位特性为：

(6)

式中：ω为角频率。

(7)

组延迟可根据式(8)计算：

(8)

将滤波器组延迟与电流互感器(current transformer,CT)的固有相位相等，得到滤波器的参数如下：

(9)

为了补偿数字滤波器的放大输出，滤波器参数应该乘以逆滤波器参数A-1。

(10)

滤波器系数β和A-1是在相位角校正校准期间计算得出的。

电压的离散采样和累积可以通过式(11)计算得到。

(11)

式中：V′[n]和V″[n]分别为来自ADC通道和低通滤波器的采样输出电压信号。

滤波系数Vrms和Irms为：

(12)

式中：Kv和Ki为用于获得校正测量值而使用的高精度校准常数。

最终可通过式(13)得到P。

(13)

将电压、电流测量值分别与标准电压表、电流表进行比较，用试错法确定校准常数Kv和Ki。

2 USEM系统设计

2.1 完整系统架构

USEM系统由用户端、仪表端和授权端这三个主要终端组成。即用户识别号(user Identification number，UIN)，电表识别号(meter identification mumber，MIN)和授权识别号(authority identification number，AIN)。终端具有内置的远程访问控制和操作USEM-DSLM选件中的所有功能，如资费计划设置、付款方式切换、连接-重新连接及充电中心设置等。UIN可以访问仪表信息和远程切换仪表。MIN随后向AIN发送必要的确认SMS。

USEM系统模型如图2所示。

图2 USEM系统模型图Fig.2 USEM system model diagram

2.2 计量体系架构

USEM的硬件比传统的智能电能表更简单、便宜。本设计没有使用昂贵的能量测量芯片(ADE7751或类似类型)，而是开发了使用CT、电压互感器(potential transformer,PT)、ADC IC芯片、定时器IC、ATmega2560等设备的测量电路。由于功率损耗问题，本设计没有使用分压器和并联电阻电路。输入电流和电压分别由CT和PT转换到合适的范围，然后直接应用于双通道12位ADC。经过适当放大后，数字电流和电压信号被馈送至微处理器ATmega2560。累计的电压和电流样本将随时间进行积分。微控制器根据电压和电流测量值计算有功功率、无功功率、能耗和功率因数。它更新LCD驱动程序以显示计算出的能量、实际功率、功率因数等。ATmega2560具有86个I /O引脚，可以方便地针对不同的USEM进行广泛的控制。在这里，2个CT被用来测量主负载电流和反馈电流。其目的是检测仪表的干扰。相线和中性线穿过CT的一次绕组，可利用相同电阻的并联导线来延长。其最大电流额定值约为5 A。实时时钟(real time clock，RTC)用于及时存储EEPROM中的数据，有助于制定灵活的资费计划。锂离子电池用于确保RTC在断电时可以继续运行。电源选择器在断电时可以由电池供电，否则它将由电源干线供电。2个继电器可以实现多种用途，如DSML操作的负载切换、连接-未付账单的重新连接、正常连接-故障条件下用户和权限的重新连接等。类似技术也可以应用于三相电能表。

2.3 需求负荷侧管理

DSLM系统与USEM的集成提高了电源利用率，并在电力短缺时可以作为应急电源使用，从而减轻消费者在切负荷时的压力。

在USEM中，为了容纳远程负载管理系统，消费者家庭场所的电力负载分为重负载和应急负载(emergency load,EL)。重负载包括加热器、电机、冰箱、微波炉、空调、电饭煲、电视等。在一个馈线中，用户必须分配他的EL，并将信息存储在实用程序的服务器中。在缺电情况下，对馈线进行自动计算，并根据当时馈线下的可用功率分配每个用户的EL。从公用控制室，允许EL限制通过SMS发送到每个MIN；负载限制信息通过UIN发送给用户。

在从AIN收到经过认证的EL限制短信后，USEM关闭连接到重载的继电器，然后连接用户允许的EL。如果连接的EL数量大于用户允许的EL数量，则蜂鸣器发出警报声以降低EL数量。30 s后，自动化系统将关闭已连接的EL。再经过30 s后，自动化系统自动打开EL继电器，并重新检查已连接的EL数量。如果连接的EL数量小于或等于允许的EL数量，则系统在允许的EL数量下正常运行；否则，蜂鸣器发出警报声，且系统在30 s后再次关闭连接的EL数量。该检查-复查过程将会持续3次。如果用户在3次内未调整EL数量，则其所有负载将永久关闭。在这种情况下，消费者可以使用允许的EL，方法是在减少多余负载后向MIN发送SMS。当电源正常时，通过从公用设施控制室发送短信，可将EL限制条件切换回正常模式。耗电元件使用的负载不能超过允许的EL，并且由于负载电流始终由CT监控，也无法更改USEM设备以使用超过允许的EL负载。

USEM的DSLM系统流程如图3所示。

图3 DSLM系统流程图Fig.3 Flowchart of DSLM system

此外，USEM还可以通过测量负载电流，用与EL相同的方法监测用户的允许负载(permitted loads,PL)。PL是消费者在不支付额外需求的情况下通常可以使用的最大允许负载。如果用户试图使用超过PL的负载，那么USEM将关闭用户的总负载，并通过向权限控制室发送短信的方式通知用户的状态。

2.4 模式切换和灵活的资费设置

USEM的每个操作，例如远程连接-重新连接、付款方式选择和费率计划配置，都可以从授权端或消费者端进行控制。USEM的主要功能是远程模式切换和费率计划设置。只需通过从权威机构发送带有特定SMS代码的SMS，而无需更改任何硬件或软件，即可将USEM设置为预付费或后付费模式。在资费计划制定中，它还具有广泛的灵活性和多功能性。

2.5 充电系统

USEM的充电系统简单、灵活，并且功能丰富多样，可以通过现有各种移动充值的支付系统进行充值。首先，消费者通过短信将请求发送其个人账号。该账号连接着消费者的付款账户(例如移动余额)、网上银行账户等。然后，实用程序服务器发送验证短信到USEM。在完成后成功充值后，消费者会收到一条确认SMS。

2.6 账单计算

预付费和后付费模式的USEM充值系统流程如图4所示。

图4 预付费和后付费模式的USEM充值系统流程图Fig.4 Flowchart of USEM recharge system in pre-paied and post-paied mode

操作模式可以使用微控制器从公用服务器进行远程选择。对于后付费计量模式，系统在授权后指定的日期内支付负余额。微控制器在每个月的第n天之后检查当前余额，然后使用UIN将账单状态发送给用户，说明账单付款的截止日期。在截止日期之后，微控制器再次检查当前余额，然后作出决定。如果在规定日期内完成充值，则电表正常工作；否则，电表将自动断开并发出警报。

2.7 保护方案

在USEM中提供防止非法用电的保护方案，例如绕过电表、断开中性线和篡改。在中性线断开/部分旁路的情况下，通过使用2个CT比较相电流和中性电流来提供保护。如果2个测量值不相等，则检测到部分旁路。在完全旁路的情况下，USEM中的PT会测量电压，并在PT上找不到电压时向AIN发送短信，以通知无电状态。如果授权机构确认用户可以使用电源，那么授权机构将采取必要的措施。在电表篡改保护方面，在打开表盖时，仪表盖与仪表的接触将断开，使用微控制器的接地引脚和中断引脚很容易检测到这种情况；当检测到篡改时，USEM断开负载并通过发送SMS通知授权。再者，在始终监视电压和电流的情况下，USEM可以在过电压、欠电压和过载的情况下保护家用电器。如果电压/电流低于或超过公用事业公司设定的特定值，则智能电表将关闭用电设备的负载，并通知相关部门和使用者。

2.8 监测和通知系统

USEM不仅可以检测到欠压、过压和过流，还可以针对这些故障提供保护并通知授权机构。这种类型的监视和保护系统提供了额外的家庭保护。管理部门可以从公用程序服务器监视每个消费者的状态，并且可以通过SMS接收所有必要的信息，例如账单信息、最后付款日期、电表状态、减载通知和设备通知等。

3 USEM的性能研究

已实现的USEM设备可以直接显示能耗、连接负载、剩余余额、功率因数和系统电压等。本文中对已实现的USEM在不同电阻、电感和电容负载情况下进行了测试。USEM与标准仪表(Fluke)测量结果对比如表1所示。表1中显示的结果表明，已开发的USEM的准确性非常高。

表1 USEM与标准仪表(Fluke)测量结果对比Tab.1 Comparison of measurement results between USEM and standard instrument(Fluke)

USEM和标准校准仪的测量结果对比如图5所示。

图5 USEM和标准校准仪(Fluke)的测量结果比较Fig.5 Comparison of measurement results between USEM and standard calibrators(Fluke)

已实现的USEM在其正常工作范围内进行了较好的校准。在不同电压、电流范围内，对不同负载下USEM的测量精度和所有功能都进行了测试。将所有测量得到的数据与标准校准仪Fluke 5502A的测试数据进行比较。本文中使用USEM测量了150～300 V的电压，并将其与Fluke 5502A进行了比较，如图5(a)所示。试验结果表明，在这个电压范围内，USEM产生的误差非常小。同时，测试比较了一定电流范围内的电流值，结果如图5(b)所示。

4 结论

本文提出并设计了一个USEM，并在试验室完成实现预付费及后付费2种配置模式。该仪表除了具备商业智能电表的所有功能外，还具有DSLM选项功能。DSLM模式可以在PL限制和EL限制条件下通过SMS进行配置，从而在电力不足时实现完全无停电。与传统的电能表相比，采用USEM的充电系统具有性价比高、吸引力强、操作简单等优点。同时，USEM具有灵活的资费计划设置，可以简单地通过短消息远程配置和重新配置。USEM还提供了远程断开电源、重新连接电源、断开电源报警和篡改报警等附加功能，可以减少大量的技术和非技术成本以及人力成本。此外，USEM原型在直接和间接负载管理、远程软件更新、蜂窝控制系统等方面具有重要的学术研究价值。