智能电能表概述

智能电能表概述 一 定义 随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。其中传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等)；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内闪速存储器或电可擦除存贮器内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机PC机，由PC机进行全局管理。 智能电能表就是智能仪器的其中一种。智能电能表是由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能量计量、数据处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能的电能表。智能电表通过用户交费对智能IC卡充值并输入电表中，电表才能供电，表中电量用完后自动拉闸断电，从而有效地解决上门抄表和收电费难的问题。并对用户的购电信息实行微机管理，方便进行查询、统计、收费及打印票据等。智能电表较普通机械式电能表有着计量更精准、智能扣费、电价查询、电量记忆、余额报警、信息远程传送的优势。对电力公司而言，采用智能电表可省去人工抄表的成本，并且减少窃电的损失。除此之外，电力公司利用智能电表取得客户的用电量资料后，再用Internet的方式实时回传给用户参考，客户可据以分散用电的时间(因尖峰时段费率高)，作电力使用的管理，达到节省电费成本的效益。对政府而言，智能电表有助用户节约用电，可以达到节能减碳的政策目标。对于用户来说，可以节省电费开支，用户可充分利用峰、谷电价的差异自主定制用电方案，做到用相同的电，花最少的钱。因此，智能电能表的应用越来越广泛。智能电表是智能电网的智能终端，它已经不是传统意义上的电能表，智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用它还具有双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。随着智能电网的日益发展，世界各国对于智能化用户终端的需求也日益增大，据统计，在未来5年，随着智能电网在世界各国的建设，智能电表在全球安装的数量将高达2亿只。同样，在中国，随着国家坚强智能电网建设的进展，作为用户端的智能电表的需求也会大幅度地增长，保守的预计，市场将会有1.7亿只左右的需求。美国政府为升级本国电网的拨款中，就有一部分专门用于在未来3年致使13%的美国家庭(1800万户家庭)能装上智能电表。在欧洲，意大利及瑞典已经完成先进计量基础设施的部署，将所有普通电表更换为智能电表。法国、西班牙、德国和英国预计在未来10年内完成也将完成智能电表的全面推广和应用。二 智能电表的分类目前，国内的智能电能表主要分为两种：一种是机电一体式的，一种是全电子式的。1.机电一体式机电一体式，就是在原来机械电度表上附加一定部件，使得它既能完成所需的功能，又能降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有的物理结构，不改变其国家计量标准的基础上加装传感器装置变成在机械计度的同时也有电脉冲输出的智能电表。第一类机电结合的电度表,是在原有的机械表的基础上,加装电子式计数装置和相应的控制、通讯电路,或加上IC卡读写接口以实现自动计量计费和控制;其基本结构是在原有机械电度表的转盘上打孔或涂(贴)上能吸收光线的材料,通过光电转换,将机械转盘的转动变换成电脉冲信号,再进行相应的计数处理。这类电度表由于其计量原理没有改动,其计量精度和特性与机械表完全一样,而本钱相对较高。另一类机电结合的电度表则是采用电子式计量电路在获得数字式脉冲信号后,通过微型电机驱动字码转轮得到电能计数值,这种结构是最简洁可行的电子式电度表的方案,但遗憾的是其对计量电路的要求较高,即要求所有的表都按一个固定的比例将电能值转换为对应数目的数字脉冲,才能按正确的速度驱动微电机以转动字轮。这个比例就是所谓的电表常数(imp/kWh),由于电路中所用的决定脉冲速度的定时元件大都是参数离散性较大的阻容元件,为了保证电度表的计量精度和产品的一致性,就必须在生产过程中加强对元件的筛选和对半成品的调校,也就是说要增加相应的人力物力的投进并要延永生产周期,从而使电度表的生产用度和本钱有所增加。另外这种结构的电度表在数据收集和用户缴费方式上与老式的机械表没什么区别,应属淘汰产品。2.全电子式智能电表全电子式的智能电表则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了机械部件。全电子式的智能电表比机电一体化的智能电表体积更小，可靠性更高，更加精确，耗电量也更加小，生产工艺大大改善。全电子式的智能电表将会逐步取代带有机械部件的计量表，这是未来社会发展的大势所趋。 全电子式电度表系统组成：(1)远传表。具有脉冲输出的水表、电表、气表、热表等计量表为远传表,其计量方式与传统表一样,不同的是在原基表上增加了脉冲输出功能,每个脉冲代表一定的计量值。采集器通过远传表脉冲输出端口采集脉冲。(2)采集器。采集器能同时采集水表、电表、气表、热表等输出的脉冲信息,并将这些脉冲信息转换成计量认可的物理量,存储在各采集器的存储器中,通过治理微机,可以查询系统中任意一户的耗能信息,并在治理微机的抄表等命令下将用户信息上传。(3)转换器。转换器的主要任务为:完成与采集器的数据通讯工作,向采集器下达电量数据冻结命令,定时循环接收采集器的电量数据或根据系统要求接收某个电表或某组电表的数据。根据系统要求完成与主站的通讯,将用户用电数据等主站需要的信息传送到主站数据库中。下行通道指的是转换器与采集器之间的通讯线路,主要有总线抄表系统、载波抄表系统和红外抄表系统等三种方式。通讯信道上行通道指的是转换器与主站之间的通讯线路,可以采用电话、无线、专线等通讯介质。(4)系统治理软件功能。系统治理软件以通讯为基础,以数据库为核心,提供数据处理、查询、统计、报表、备份等功能;采用面向对象和模块化相结合的方法,灵活支持不同客户的要求,如特殊格式报表,权限控制等;持客户原有的治理系统,可与其它治理软件接口,提供数据接口和通讯接口,具有网络通讯功能;可同时治理多个小区,对各小区设置通讯参数;电表治理,设置电表的原始参数、地址、及其状态;费率治理,可任意设置多种费率,设置各能源的单价;用户治理,治理和控制每户的用量,治理用户的结算方式;实时抄表功能,系统可抄取各能源表的实时数据;用度自动计算,实现将公共能源损耗均匀分摊或按比例分摊到每户并根据查表数据和单价,自动计算每产应交用度,以便向用户收费;打印功能,打印各用户用度清单;查询功能,可随时查询任一户、任一单元全部住户及整个小区内所有住户的耗能信息。三 工作原理 1. 设计原理简介 下图是一个智能电表的原理框图： 图1 原理框图 下图是一个硬件设计图： 图2 智能电表的硬件设计图智能电表主要是由电子元器件构成，其工作原理是通过对用户供电电压和电流的实时采样，采用专用的电能表集成电路，对采样电压和电流信号进行处理，转换成与电能成正比的脉冲输出，最后通过单片机进行处理、控制，把脉冲显示为用电量并输出。通常把智能电表计量一度电时A/D转换器所发出的脉冲个数称之为脉冲常数，对于智能电能表来说，这是一个重要的常数，因为A/D转换器在单位时间内所发出脉冲个数的多少，将直接决定着该表计量的准确度。目前智能电表大多数采用一户一个A/D转换器的设计原则，但也有些厂家生产的多用户集中式智能电表采用多户公用一个A/D转换器，这样对电能的计量只能采用分时排队进行，会造成计量准确度的下降。2. 计量芯片简介目前比较流行的计量芯片主要是CS5464、锐能8209以及炬力的7051系列。下面简要介绍CS5464芯片。 CS5464是一个具有功率计算引擎和电能脉冲转换功能的三通道ADC。可测量线电压和电流和计算有功，无功，视在功率，电能，功率因素和RMS电压和电流。CS5464可以连接多个电压和电流传感器，具有可与微控制器通讯的双向串口，附加性能包括系统电平校准，电压下跌和电流故障检测，峰值检测，相位补偿和电能脉冲输出。 图3 CS5464芯片管脚图 其特性如下：（1）电能数据线性：1000：1的动态范围内线性度为0.1（2）片内功能：电压和电流测量有功，无功，和视在功率/电能RMS电压 和电流计算电流故障和电压下跌检测校准相位补偿温度传感器 电能脉冲输出（3) 符合IEC,ANSI,和JIS工业标准（4）低功耗（5）篡改检测和修正（6）单电源地参考输入（7）片内2.5V参考（典型温漂25ppm/C)（8）电源监控功能（9）三线串行接口微控制器或E2PROM 电压通道输入引脚VIN两端输入电压信号波，经10倍增益放大器放大，再通过调制器来数字化。同时，电流通道输入引脚IIN两端输入电压信号波，为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器，使输入电平满量程可选择为正负250mVrms或者正负50mVrms，再通过调制器来数字化。用来计算的两个电压数据来自同一个查分输入脚。两个调制器的采样速率为DCLK/8。3.采样方式而当前电子式电能表对用户用电采样方式主要有两种形式，一种是用互感器采样，一种是直接采样。采用互感器采样是用电压互感器和电流互感器分别采集用户的电压信号和电流信号；而直接采样是用热稳定性高的电阻分压网络来取得电压信号，用电阻温度系数小的锰铜片进行电流直接采样。采用互感器采样，在启动电流、线性范围、功耗和精度等方面都不如直接采样，尤其是当电流值很小的时候。互感器采样的优点是抗干扰性较强，线路简单，成本比较低。例如，当额定电流为20A的时候，直接采样的启动电流为20mA，互感器采样的启动电流为40mA。又比如，采用专用的锰铜片经行直接电流采样的全电子电能表误差可调整到+0.5%,而采用电流互感器采样，若不采取补偿措施，互感器本身误差可能超过5%。下图是某公司铜锰分流器的采样电路。图中电流流过锰铜分流器，在黄色和蓝色引线之间的电阻由欧姆定律U=RI可以取样流过的电流，其取样值一般会降低很多倍，和使用的锰铜分流器的取样电阻有关。然后经过R1、R2限流、C1、C2、C3滤波、移相位，最后送入计量芯片。C2 是调节容感性误差的电容，硬件校表的电表必须有焊盘保留。软件校表的电表通过软件可以调节容感性误差，一般没有这个焊盘。图4 某公司铜锰分流器的采样电路下图是某全电子式智能电表的电流互感器采样原理电路，图中除RL外的电路就是电流互感器的电路，电流互感器原理就是变压器原理：U1/U2=T1/T2，I1/I2=T2/T1。那么我们的电压互感器是输入1.5A，输出7.5mA的话，其实就是初级“1Turn”为1圈,则次级”N2Ts”为1.5A/7.5mA=200圈。输出的电流必须要转化为电压加到计量芯片的电流通道上，由欧姆定律U=RI，在电流通道的两个管脚之间加一个电阻，则可以使两管脚之间的电压随输入的电流变化而变化。达到采样的目的。当然RL取样电阻周围还有电容旁路、滤波，或者还有电阻限流。 图5 某全电子式智能电表的电流互感器采样原理电路下图是某全电子式智能电表的电压互感器采样原理电路，如图所示，在1、2脚之间输入需要采样的电压，3、5之间则输出采样后的电压，比如输入220V，输出0.77V，（输入电压和输出电压的变化是电压互感器本身决定的，因电压互感器不同而不同）。输出的0.77V直接送到计量芯片的管脚。如果是三相电压，则要把三个输出的一端连接在一起作为取样信号的基准参考零电位。使用电压互感器的好处是采样后的电压是和输入的电压隔离的，对于从电压线路传导来的高频干扰电表的信号有衰减作用，电表能通过抗电磁干扰（浪涌、群脉冲、脉冲电压等）的能力比直接电阻降压取样的要强。但是对电压互感器的变比精度要求高，制作电压互感器的材料工艺都会要求更严格，成本就高。图6 某全电子式智能电表的电压互感器采样原理电路4. 抄表方案 电度表作为电费收取的计量依据,涉及到抄表,从现行技术来看主要有IC卡式,远传抄表式。IC卡电表收费系统的本钱较低、可靠性高、使用寿命长。IC卡是用硅片(EEPROM)来存储信息的,一张IC卡至少也可以使用10年以上。IC卡电表收费系统安全性高,不易仿制,收费正确,不易出错。它具有很强的加密性。采用IC卡电表收费系统可进步居民用电收费的治理水平,确保电力部分能及时收到电费(用户不继续买电,将被断电)。IC卡表的系统功能包括预收费功能,报警功能,断电功能,显示功能和加密功能。IC卡表的整个收费系统包括主机,IC卡电表和IC卡三部分。IC卡电表收费系统,实现了用电收费电子化,技术成熟可靠。所以,IC卡收费系统在我国得到了较大范围的推广。但是,从系统的角度来看,由于用户终端与系统主机并没有直接联系,只有在用户持卡交费时才能了解到用户情况,信息反馈滞后,可以讲,用户终端仍然与整个网络脱节。从经济角度来看电力部分先收费后送电不符合经济政策,可以说在一定程序上侵犯了用户的利益,所以现在有很多城市已经原则上不再审批新的IC卡表项目,从长远来看,IC卡收费系统只能作为一种过渡性产品。远程自动抄表系统实现用电数据的自动抄收,可杜尽人工操纵的一切弊端。用户的用电数据可直接进进用电营业的计算机治理系统,用电治理职员可随时监视用电情况,发现题目(如故障、窃电等)及时处理。线损情况直接影响着供电部分的经济效益,以前不管人工抄读还是IC卡表都无法正确计量线损情况,找到线损原因也很困难,而采用远传抄表后可以几乎同时取得总表读数和分表总读数,随时把握线损情况,并较轻易地分析线损原因以便加以处理。随着形势的发展,居民在银行开设个人账户,营业计算机治理系统与银行联网,完成数据的自动抄收、处理、银行转账交费等全套操纵,可真正实现用电治理的自动化。现在国内的远传抄表系统主要有485总线和载波抄表两种形式,载波集抄系统是利用专用芯片对用电数据进行调制解调,通过电力线进行通讯以实现集中抄表。485总线方式的数据传输可靠性高,且造价较低,缺点是需布线,安装较复杂,另外拉线易被人为破坏,特别是现在很多小区不答应拉明线,使这种总线方式难于施工。现在采用较多的方案是用户终端到数据集中器采用电力线载波通讯,数据集中器到上位机用专用电话线。当然,根据小区的不同情况,也有很多采取485总线与电力载波配合使用的方案。由于全电子式智能电表的用电量数据已经数字化，可以很方便地与各种数据收集传送电路配合组成自动计量计费地系统，是现行家用电度表地换代产品，该类产品的大量使用将节省供电部门大量的抄表计算工作，并能及时回收电费，即先付费后用电，具有巨大的经济效益和社会效益。这样的智能电表有两种常见的抄表方案：总线制集中抄表和电力载波集中抄表。都是远程抄表。总线制集中抄表：电表部分采用智能电表，各户智能电表信号线并接在一根总线上，总线连接到楼下转接器，各楼转接器与小区的集中器相连，由集中器集中供电。电力载波抄表：直接利用现有低压输电线路进行数据传输的集中抄表系统，省去了铺线工程，优势明显。该系统是集微电子技术、通讯技术和计算机技术于一体的高新产品，具有高可靠且安装简单等显著特点，广泛适用于城市及农村的电表、气表抄收、计费和监控。但由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制：(1)配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送;(2)不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同;(3)电力线存在本身固有的脉冲干扰。另外电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通信媒介，但由于现代通信技术的发展，使电力线载波通信成为可能，其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。电力线载波通信的关键就是选用一个功能强大的电力线载波专用Modem芯片。四 工作特点（1）功耗方面：由于智能电表采用电子元件设计方式，因此一般每块表的功耗仅有0.6w0.7w左右，对于多用户集中式的智能电表，其平均到每户的功率则更小。而一般每只感应式电表的功耗为1.7w左右。（2）精度方面：就表的误差范围而言，2.0级电子式电能表在5%400%标定电流范围内测量的误差为2%，而且目前普遍应用的都是精确等级为1.0级，误差更小。感应式电表的误差范围则为+0.86%-5.7%，而且由于机械磨损这种无法克服的缺陷，导致感应式电能表越走越慢，最终误差越来越大。 据统计，50%以上的感应式电表在用了5年以后，其误差就超过了允许的范围。（3）过载、工频范围：智能电表的过载倍数一般能达到68倍，有较宽的量程。目前810倍率的表成正为越来越多用户的选择，有的甚至可以达到20倍率的宽量程。工作频率也较宽，在40HZ1000HZ范围。而感应式电表的过载倍数一般仅为4倍，且工作频率范围仅为4555HZ之间。 （4）功能：智能电表由于采用了电子表技术，可以通过相关的通信协议与计算机进行联网，通过编程软件实现对硬件的控制管理。因此智能电表不仅有体积小的特点，还具有了远传控制(远程抄表、远程断送电)、复费率、识别恶性负载、反窃电、预付费用电等功能，而且可以通过对控制软件中不同参数的修改，来满足对控制功能的不同要求，而这些功能对于传统的感应式电表来说都是很难或不可能实现的。五相关参数这是市场上一款三相四线智能电表的相关技术指标：基本参数：1. 产品型号：DTZ3412. 生产厂家：长沙威胜3. 电压规格：3220/380V;357.7/100V4. 电流规格：31.5（6）A5. 接线方式：三相四线制6. 精度等级：有功0.5s级，无功2级7. 通讯接口：2路RS485接口；远红外通讯接口8. 通讯协议：DL/T645-2007规约主要技术参数：1. 基本误差：符合IEC1036，DL/T614-2007要求2. 变差：符合IEC1036，DL/T614-2007要求3. 有功脉冲常数：6400imp 4.参比频率：50Hz5.电压工作范围：20%Un6.时钟误差：0.5s/d7.时钟频率：1Hz8.平均无故障时间：6104h9.功耗：2W，6VA10.环境温度：（-25+60)11.极限温度：（-40+70)12.产品设计寿命：10年13.后备电池寿命：3年14.电量脉冲宽度：(805)ms15.电量脉冲电压：DC(524)V16.外形尺寸：265mm170mm75mm17.单机净重：约2.4kg六注意事项 1.安装时应将接线端子拧紧，并且将表计挂牢在坚固耐火、不易振动的屏上。当外接负载超过辅助端子的输出能力时，应接中间继电器，以防损坏电表。 2.对于通过接线盒连接仪表的安装和卸除，应通过接线盒确保在电网隔离情况下进行，且由取得相关安全资质的人员操作；对于未经接线盒连接仪表的安装和卸除，应由取得相关安全资质的人员操作，同时防止触电和相间短路。3.仪表去除端盖或上盖后，如果上电，其端子或导体带有危险电压，因此，不允许用户进行去除上盖的带电操作；如用户需在去除端盖后带电操作，需提供保护的屏障或措施，且由技术熟练的、具有安全资质的人员操作。4.仪表安装过程中应使用满足相关电气规格要求的电缆类型、截面积尺寸以及接头要求，同时使用相应的力矩拧紧螺钉。5.更换仪表电池时，需要使用仪表原装电池相同的规格电池，同时电池的极性应安装正确。6.智能电表这样的智能仪器也容易被不法分子利用原理进行窃电，因此需要使用者有一定的自觉性，不要投机取巧触犯法律。七未来展望近年来，无线抄表的方式开始出现。无线抄表是利用空间的无线信道实现数据传送的，这样的抄表方式毋须置疑是最为简单、方便的抄表模式，但无线数据传输存在着在建筑物对无线电信号的反射、吸收等作用下，信号传输不稳定的问题，另外表具安装位置、空间抗扰等也对其稳定工作有较大影响，同时无线电表产品自身也存在功耗等问题，因此该模式概念上虽然都很好，但真正大面积推广应用还有相当的历程。除此之外，我注意到在生活当中很多智能电表的用户常常由于各种各样的原因没有在电费即将耗尽的时候及时读表，从表上了解到自己的用电信息，造成了生活上的不便，也给充电费的工作人员造成困扰。从前在课堂上也听说过有精通网络等方面技术的人可以通过自己的智能手机来看到一个区域的用电情况的消息，随着网络通信技术、数据库技术的发展和智能手机、个人电脑的普及，人们可以通过各种智能终端方便地对自己的用电信息进行查询，及时了解到自己家的用电信息，不用受到突然断电的困扰。但是如果智能终端还能做出提示的话那就更好了，相信很快在未来的某天会有相关的APP出现，方便人们的生活。而且，有国外的研究员曾经对各国现在大力推广智能电表表示嘲讽，并称这些智能电表是所有可联网的智能家居设备的风险源。这位名叫内坦内尔鲁宾的研究员表示，只要能渗入联网电表，黑客就能控制这些智能家居设备，甚至“登堂入室”。尽管电表的物理安全通常都挺强，但黑客仍有可以利用的漏洞，以及许多的无线方式来入侵该设备。鲁宾列出了智能电表使用的Zigbee和GSM协议，这两种协议都是不安全且未加密的，或者顶多用 GPRS A5 算法保护一下。攻击者还能利用硬编码的登录凭证，以无线的方式迫使某地区的所有单元连接到恶意基站，直接访问智能电表固件以进行更深入的漏洞利用。更糟的是，在与家庭设备通信的时候，智能电表根本不验证设备可信度，就交出了关键的网络密钥。这就等于给罪犯大开方便之门，让他们可以先通过伪装家用设备来盗取密钥，再冒充智能电表。2009年，波多黎各的账单小偷就利用了相似的安全漏洞偷到了4亿美元。鲁宾称，智能电表与内部智能家居设备的通信能力，是我们要处理的当务之急。因此，智能电表使用的协议还是需要适当加密，并且网络也很有必要进行分段。相信在不久这个问题会得到比较好的解决。