基于IEC標準的哥倫比亞電能表設計

李昊一 左 勇

（安徽南瑞中天電力電子有限公司）

0 引言

當前，世界各國為保障電力使用的質量、節能以及安全，都致力于智能電網基礎的發展建設，在保留完整性的同時且實時搜集各電力用戶的用電信息是智能電網成功運作的重要環節之一。位于智能電網末端設備的智能電能表，覆蓋范圍極其廣泛，在能源互聯網的高速發展中被賦予了新的任務與使命。智能電表是用戶與智能電力網絡交流與互動的終端窗口，是維系電力交易公平、公正的工具，同時也是用戶感受和體現電網智能化成果最直接的方式。

1 需求分析

本文以IEC的一系列智能電能表規范為依據，建立使用穩定安全可靠的軟硬件平臺，并依托現有測量積累的經驗基礎，完成電能量時鐘、費率和時段、計量、凍結結算、電表清零、數據存儲、事件記錄、信號輸出、通信、負荷記錄、測量及檢測、顯示、報警、停電抄表及顯示［1］、費控、安全保護及認證等功能，進而實現多種信息的輸入輸出，計量功能差異化、多樣化，滿足不同量級客戶群體的不同需求，同時滿足智能電網系統的總體需求。

2 總體方案

本文設計的哥倫比亞智能電能表是采用大規模集成電路，應用數字采樣處理技術及SMT工藝，根據工業用戶實際用電狀況所設計、制造的具有現代先進水平的儀表。

該表性能指標符合IEC62052-11［2］，IEC52053-21／22，遵循IEC62056-21／46／47／53／61／62，能計量各個方向的有功、無功電量及需量，具有RS485和近紅外通訊、RF無線通信（PLC／3G）、按鍵等功能，性能穩定、準確度高、操作方便，其外觀簡圖如圖1所示。

圖1 智能電能表外觀簡圖

3 硬件設計

哥倫比亞智能電能表由供電單元、計量單元、負荷控制單元、數據存儲單元、數據加密單元、事件觸發單元、數字邏輯控制單元、通信單元組成。主處理電路由MCU、計量芯片、RTC、外部存儲、RTC等組成。MCU采用SPI、I2C接口與外部存儲、RTC、LCD等交互數據。

硬件設計采用模塊化電路設計［3］，數字邏輯部分采用平臺化設計方案，由于采用高速32位ARM架構的處理器，大容量數據存儲需采用標準化原理圖和印制版圖設計方式。硬件設計應充分考慮兼容性、可靠性，包括冗余度設計。在硬件器件參數的選擇上，要滿足10年以上可靠運行時間，要求產品在生命周期內，能夠為軟件提供一個可靠的、性能優越的硬件平臺。

4 軟件設計

軟件設計需要整個系統具備使用靈活、操作方便、可靠性強等優點，設計采用面向對象的設計方法，按照功能分類，定義不同類型的對象，每個對象獨立實現其全部功能。通過面向對象的設計，減少功能之間的耦合，增加軟件的可擴展性，提高軟件的穩定可靠性和可維護性。軟件劃分為三層：驅動層、系統層、應用層，如圖2所示。

圖2 軟件架構圖

應用層：實現電能表的應用功能。應用層按照功能劃分為各個模塊，各個模塊之間交互數據采用函數接口［4］方式，減少全局變量的使用，最大限度減少模塊之間的耦合。

系統層：管理各個外設，為應用層提供規范化的調用接口，并對各個事務進行管理。

驅動層：實現各個設備的驅動。

4.1 應用層設計

應用層依據表內規約協議、包括應用層數據單元（AMDU）［5］的數據類型協議，設計時依照AMDU編碼規范，使用的是面向對象且擁有高度的穩定性和可操作性的思想。

應用層設計分為電流需量計量、日計時測量、通訊處理、負載記錄、凍結數據等功能，任務優先級順序通過任務調度器進行調度。

設備將表內芯片輸出的電脈沖信號進行實時反饋與采集，在服務器內部進行電量演算，以70ms［6］為時間間隔單位，讀取表內芯片的參數寄存器用于更新服務器內部的實時參數，并用這些參數實現實時監控運行參數，計算有功、無功需量等功能。得到的一些檢測項見下表。

不僅如此，依靠對實時運行參數的精確掌握，實現了對短路、斷路、過載、電壓不穩、過流、電壓電流不平衡、電流諧波不穩［7］等非正?，F象做出及時判斷并記錄的功能。當表內實時參數有效值達到事件觸發點并觸發判定時間到一定量時，會對應相應非正常事件進行記錄，進行上報錯誤和警報，同時對此時的電流質量參數、正反向電壓、電壓電流質量等重要數據進行記錄，以便后續對發生異常時的狀態進行分析和回溯。

通訊端會分別獲取由驅動層遞交的紅外、RS485這兩個單獨通訊信道的實時緩存數據，在完成合規與協議一致的判定后再遞交問題處理結果并做出相應回復用以進行與外部的交互。

表 數據項定義

資費功能：資費功能是該表計的特色功能［8］，其功能原理為查找所有假期表，查看當前運行時間（月、日）是否為假期。如果是，則執行節假日對應的日表。如果不是，執行以下步驟：將當前時間與激活被動日歷時間進行比較，如果兩者時間相等，則激活被動日歷；將運行時間（月、日）與季表進行比較，看執行哪個季表，找到季表對應的周表號；查找周表，根據當前時間（周）確定執行哪一天的日表。接著找出日表中的所有時間段，確定當前時間（小時，分鐘），運行對應的當前資費。其中的優先順序為：特殊假期＞節假日＞平日。費率項及對應項支持的最大設置數。資費功能架構圖如圖3所示。

圖3 資費功能架構圖

夏時制：本表計應用于海外，因此具有自發調整時區以及夏時制的功能。夏時制的調整時間為－120～＋120min。儀表斷電進入或退出夏令時，會有夏令時事件記錄。修改時鐘進入和退出夏令時時，設置時間立即向后和正向調整；修改夏令時間隔時，設置時間向后調整為正。夏令時開始時間與結束時間都可以設置。當系統時間走到夏令時開始時間時，系統時間與夏令時調整時間進行疊加，即可得到當下的準確時間；當系統時間到達夏令時結束時間時，系統時間去掉夏令時調整時間，即可得到當前準確的時間。其次，夏令時的調整時間也可設置，范圍為－120～＋120min，進入或退出夏令時調整時間。

報警功能：此儀表出現異常情況時會有相應的報警現象并記錄事件；警示燈只能配置為繼電器燈或開關燈（CT表無關機功能，警示燈只能配置為繼電器燈提示）；在此期間，反光燈的開啟和關閉與事件記錄沒有關聯。報警燈判斷閾值為20W［9］（燈無延時），報警燈亮，設置LCD符號，事件記錄檢測30s。設置繼電器燈時，如果放置在實驗環境中，繼電器將關閉。如果設置了儀表輸出端后面的電壓，儀表會認為沒有開關，所以燈不亮；除此之外還有以下幾個注意事項：只有在所有電源都被切斷后，時鐘才能走，上電后時鐘失效；如果外接電池被取下，將進行設置，裝上電池后立即恢復正常，報警狀態字消失；如果電池沒有接外接電池，電池不會接低電壓；只要改變電表參數，比如改變時間，復位操作也會對其進行設置；只有上下點可以恢復到非設置狀態；也可用于打開電表箱，檢查電表是否安裝在箱內，表蓋打開時，進行設置，如果關閉，它將消失，檢測按鈕在儀表左側中間；端蓋打開時設置，關閉時消失，檢測按鈕位于儀表左下方；頂蓋打開時設置，關閉時消失，檢測按鈕在儀表的左上方。

4.2 系統層設計

本系統采用國網云AMI管理平臺，進行數據云端處理，通過國網云AMI管理平臺管理設備之間的信息鏈接，對計量數據進行儲存，相比其他公域平臺成本、運維壓力更小。

在國網云AMI管理平臺［10］上搭建電能表的模型，用于驗證電能表設備與物聯網連接的身份。電能表與AMI平臺通過云端進行連接，電能表通過TQNN進行數據分析與交互。

4.3 驅動層設計

驅動層設計采用將EEPROM和RAM相結合的方式，分別用以儲存用戶電量數據與脈沖的數量。通過驅動，先測量脈沖觸數量并進行緩存至RAM［11］，再參考脈沖觸發數量來統計測量目標的電量，最后將統計得到的電量值在EEPROM中進行儲存，從而對用戶用電量數據進行保存。該方式可減少對EEPROM的使用次數，從而延長存儲的使用時長，同時提高了電表運行的數據安全性。由此可知EEPROM的數據安全性是智能電表可靠性驅動的核心。伴隨電表驅動的不斷革新，許多智能電表已經長期運行，因EEPROM故障而導致的智能電表運行故障容易發生，如脈沖丟包、數據錯位等。因此出現一些關于保護EEPROM數據的研究。例如，優化EEPROM 內存、將存儲機制改善等，以減少EEPROM損壞率。

5 測試驗證

為了驗證系統整體功能，設計的電能表在海外測試機構進行了測試。依據IEC62052-11、IEC62053-21、IEC62053-23三個標準［12］，在高精密，高準確性的環境中，設備上線后開始測試。

兩臺電能表上電后進行初始化操作，確保初始值一致，在相同環境下運行8h，對比485抄讀數據與云端存儲數據，測試驗證結果顯示，各項數據都符合哥倫比亞表的要求規約，此表具有相當大的海外前景。

6 結束語

本文研究目的為研制出一款基于IEC南美標準的哥倫比亞智能電能表，根據對現有智能電能表做出相應的修改，研制出符合測試標準的智能電能表，完成軟件及硬件方案的開發，實現哥倫比亞市場對電能表的功能需求。