基於智能卡的遠程費控電能表的設計與應用研究分析

摘要:分析了國內(nei) 外遠程費控電能表的研究現狀。依據遠程費控電能表的功能需求與(yu) 參數要求，對遠程費控電能表進行設計與(yu) 研究。從(cong) 功能劃分角度出發，對電能表硬件電路係統作了模塊化設計。對電能表的功能程序軟件進行研究，實現了計量、記錄、監控采集以及通信功能。通過主站係統下達指令可對遠程費控電能表進行控製。測試結果表明，基於(yu) 智能卡的遠程費控電能表實現了電能數據的主動上傳(chuan) ，有助於(yu) 主站係統依靠遠程費控電能表對電能數據進行遠程監控。

關(guan) 鍵詞:智能卡;智能電能表;遠程費控;用電信息采集;費控策略;窄帶物聯網

0引言

電力行業(ye) 作為(wei) 我國經濟發展中的行業(ye) ，其地位是十分重要的。電力企業(ye) 的供電質量、服務水平以及服務方式的升級已成為(wei) 電力行業(ye) 發展的主要方向。隨著信息化的普及，電力全覆蓋、費用全控製已逐漸成為(wei) 我國電力行業(ye) 發展的重要目標。電力企業(ye) 的計費、收費係統開始向智能化轉變。美國於(yu) 2003年提出了“電網2030規劃"，其目的是促進智能電網的建設，實現數字化供電服務，並於(yu) 科羅拉多州建設了第一座智能電網城市。歐盟則是依據一整套能源政策，積極推動綠色能源的發展。歐盟的智能電網依靠各類終端對公共部門、寫(xie) 字樓的用電情況進行監測，逐漸改變了客戶的用電習(xi) 慣。中國在智能電網領域也在積極地開展與(yu) 部署相關(guan) 項目。中國電網以特高壓電網為(wei) 骨幹網，各級電網進行協同，開展了“三集五大"的工作部署。我國電網行業(ye) 正在加快產(chan) 業(ye) 轉型升級，實現電能表遠程費控的全覆蓋。

1遠程費控電能表的關(guan) 鍵技術

1.1遠程費控電能表概述

遠程費控電能表一般包括數據采集、數據傳(chuan) 輸、電能計量、數據清零、數據存儲(chu) 、數據凍結、事件記錄告警等功能。例如，三相用電的電能表計量功能，通常涉及三相電流和電壓、頻率的測量等等，並且還包括自定義(yi) 費率的功能。遠程費控電能表可以針對不同時段和不同時區進行有效的費率定義(yi) ，並且具備電量的監控功能，可以記錄*近發生的失壓、過壓、掉電和上電等告警事件。

1.2智能無線通信技術

電能表的通信控製網絡采用的是基於(yu) 窄帶物聯網(narrowbandinternetofthings，NB－IoT)的無線通信技術。NB－IoT的係統鏈路一般分為(wei) 上行鏈路與(yu) 下行鏈路。本文研究的NB－IoT係統取消下行通道鏈路。網絡的上行鏈路采用相移鍵控(phase－shiftkeying，PSK)調製方式，並利用單載波頻分多址技術對數據進行傳(chuan) 輸。為(wei) 了提高覆蓋增強效益，通常會(hui) 設置成3．75kHz的子載波間隔，將傳(chuan) 輸速率設置在160kbit/s到200kbit/s之間。該網絡主要是基於(yu) 4GLTE的通信架構，可以滿足低功耗和大連接的應用場景需求，並且在NB－IoT網絡上實現用戶電能數據直傳(chuan) 至省主站係統的功能。NB－IoT可以部署在不同的無線頻帶上，分為(wei) 獨立部署、保護帶部署、帶內(nei) 部署3種情況。NB－IoT物聯網平台的架構如圖1所示。

2遠程費控電能表的硬件原理與(yu) 設計

2.1遠程費控電能表的功能與(yu) 參數

遠程費控電能表具有計量功能、記錄功能、監控功能和通信功能。電能表不僅(jin) 能實現電能計量，還可進行費率的設置，同時可對功率、電壓、電流、頻率、相角、功率因數、視在功率等進行測量。通信功能是基於(yu) NB－IoT通信技術實現的，窄帶(narrowband，NB)通信模組提供可查詢的AT指令，用於(yu) 查詢數據流量。當每次連接上網絡後，NB通信模組開始自動記錄數據流量，直到連接斷開才終止流量記錄。NB通信的工作頻段和天線接口特征阻抗的參數見表1，其覆蓋頻段較寬。電能表對於(yu) 超過閾值的事件，會(hui) 產(chan) 生告警信息，並依靠通信技術將監控數據和存儲(chu) 信息傳(chuan) 輸到雲(yun) 平台上。

2.2遠程費控電能表的硬件原理

對遠程費控電能表的硬件係統展開設計時，需根據其功能進行劃分。電能表的硬件架構包含信號處理模塊、電能計量模塊、NB－IoT通信模塊和外圍電路模塊，遠程費控電能表基本硬件架構如圖2所示。這些模塊由硬件電路組成，由對應的軟件程序進行功能的實現。電源模塊為(wei) 各個(ge) 子模塊供電，而輔助電源則用於(yu) 防止因主電源的損壞影響電能表的正常監控功能。

2.3遠程費控電能表的模塊設計

設計關(guan) 鍵電路模塊時，應基於(yu) 遠程費控電能表的基本架構。其中遠程費控電能表信號處理模塊主要是依賴數據采集ADC模塊來進行采樣。采樣功能以電流采樣電路為(wei) 例進行說明，該電路是將各相電流進行轉換，其基本原理是依靠電流互感器，將電路的一側(ce) 接地，另一側(ce) 與(yu) 係統相連接來完成采樣。其具體(ti) 原理圖如圖3所示。由於(yu) 對計量芯片的要求是保證2．5mA的電流幅值，因此通過該采樣電路可將5A電流轉換成2．5mA的電流，完成電流－電壓的轉換目的。

計量功能模塊以計量芯片ADE7878為(wei) 核心，該芯片的功能十分強大，具備很好的信號處理能力。對於(yu) 電能表的電壓和電流有效值的測量、有功功率和視在功率的測量，該芯片具有十分明顯的計量優(you) 勢。芯片的正常模式、省電模式和低功耗模式電能表對節能降耗的要求。該芯片輸入電壓的變化幅值範圍為(wei) －0．5～0．5V，晶振頻率為(wei) 16．4MHz。芯片的RSET管腳是複位輸入管腳，芯片的CF1管腳和CF3管腳是頻率校準的邏輯輸出管腳。CF1管腳和CF3管腳完成頻率校準邏輯輸出的功能。計量芯片的基本電路原理圖如圖4所示。

NB－IoT無線通信模塊采用移遠公司的BC95－B5通信模組，該通信模組具備超低功耗的特點，接收頻率保持在869～894MHz，發送頻率的範圍為(wei) 824～849MHz，該模組可擴展串口、內(nei) 置芯片式用戶身份識別(embeddedsubscriberidentitymodule，eSIM)卡接口等應用接口。模組內(nei) 部不僅(jin) 包含Flash和靜態隨機存取存儲(chu) 器(staticrandom－accessmemory，SRAM)，還擁有射頻電路和eSIM卡座電路。該無線通信模塊的降壓穩壓電路如圖5所示。

電能表的智能卡采用eSIM內(nei) 嵌的插卡方式進行通信，取消了傳(chuan) 統用戶識別模塊(subscriberidentitymodule，SIM)卡的插拔式動作，實現了電能表直接通信的方式。通過將eSIM卡與(yu) 電能表綁定，電能表在645協議基礎上擴展數據項，並在出廠時就將eSIM卡號(即手機號)寫(xie) 入到電表內(nei) 部，通過擴展的645協議進行讀取。eSIM卡的尺寸為(wei) 6mm×5mm，並以外置貼片的方式焊接到電路板上，有助於(yu) eSIM卡發生故障後的維修與(yu) 更換，便於(yu) 電能表與(yu) eSIM卡的台賬明細管理。

3遠程費控電能表的軟件架構設計

3.1架構及程序設計

電能表的軟件架構設計是依據硬件電路係統而形成的，先設計核心主程序，再依照核心主程序一次性地設計各模塊的子程序，其軟件架構如圖6所示。

遠程費控電能表的計量子程序，主要用來完成對實時時鍾數據的讀取以及用戶端使用電量的分階段計量。在電能計量方麵，子程序要分別針對有功電能、無功電能進行計量，具有正向有功、反向有功電能計量功能，可設置、組合有功電能;而無功電能可設置成任意4個(ge) 象並可設置、組合無功電能。信號處理程序首先要求電能表使用者進行安全認證;其次依照初始化命令對電能表進行初始化工作，對電能表進行模式選擇;然後啟動無線通信功能，遠程接收命令，並在讀取芯片數據後，通過LCD將結果顯示出來。遠程費控電能表的計量子程序流程如圖7所示。在計量費控方麵，可以實現遠程費控和本地費控的功能。當電能表的金額小於(yu) 設定的報警金額，電能表的LCD屏會(hui) 顯示或者報警燈亮起，提醒用戶續繳電費。

本文的無線通信子程序是重要的設計環節，NB－IoT網絡是借助eSIM智能卡進行無線通信，基於(yu) 現有遠程費控電能表的通信規約，製定係統主站和電能表之間的數據傳(chuan) 輸幀格式、數據編碼及傳(chuan) 輸規則。在不同通信燈閃爍時，遠程費控電能表與(yu) 采集係統之間進行數據交換，其程序流程圖如圖8所示。

3.2功能測試

基於(yu) eSIM智能卡遠程費控電能表的基本功能實驗，主要是針對電能表核心功能進行展開。這些功能實驗基本上與(yu) 既定遠程費控電能表的需求相契合。為(wei) 了使遠程費控電能表的基本功能滿足正式上線的運行需求，利用主站的物聯網係統對電能表進行控製。實現基於(yu) 物聯網表采集和通信的一體(ti) 化資產(chan) 管理，其基本實驗項目結果見表2。

*終，該遠程費控電能表的係統框架圖如圖9所示，采用該遠程費控電能表的實現方案，可利用NB通信直接與(yu) 主站實現交互。遠程費控電能表實現了電能數據的主動上傳(chuan) ，可對電能數據進行實時監控，減少主站係統的運行采集壓力。

4安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決(jue) 方案

4.1概述

 用戶端消耗著整個(ge) 電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要的意義(yi) 。構建智能用電服務體(ti) 係，推廣用戶端智能儀(yi) 表、智能用電管理終端等設備用電管理解決(jue) 方案，實現電網與(yu) 用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決(jue) 的研究內(nei) 容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理係統、需求側(ce) 管理等課題。

 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決(jue) 方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決(jue) 策層展示各分項用電的使用消耗情況，便於(yu) 找出高耗能點或不合理的耗能習(xi) 慣，有效節約電能，為(wei) 用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

4.2應用場所

  （1）辦公建築（商務辦公、大型公共建築等）；

  （2）商業(ye) 建築（商場、金融機構建築等）；

  （3）旅遊建築（賓館飯店、娛樂(le) 場所等）；

  （4）科教文衛建築（文化、教育、科研、醫療衛生、體(ti) 育建築等）；

  （5）通信建築（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

  （6）交通運輸建築（機場、車站、碼頭建築等）。

4.3係統結構

4.4係統功能

1）實時監測

係統人機界麵友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關(guan) 、地刀等合、分狀態，以及有關(guan) 故障、告警等信號。

2）電能統計報表

係統以豐(feng) 富的報表支撐計量體(ti) 係的完整性。係統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，並在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體(ti) 係的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個(ge) 回路附近時，鼠標指針變為(wei) 手形，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，並可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

係統具有實時電力參數和曆史電力參數的存儲(chu) 和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界麵中能夠自定義(yi) 需要查詢的參數、時間或選擇查詢更新的記錄數據等，並通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定製運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監視

係統對配電係統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

6）實時報警

係統具有實時報警功能，係統能夠對配電回路斷路器、隔離開關(guan) 、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監測，並根據事件等級發出告警。係統報警時自動彈出實時報警窗口，並發出聲音或語音提醒。

7）曆史事件查詢

係統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

8）電能質量監測

係統可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的電能質量進行持續性的監測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀(yi) 表，不需要可刪除。

9）遙控操作

係統支持對斷路器、隔離開關(guan) 、接地刀等進行分、合遙控操作。係統具有嚴(yan) 格的密碼保護和操作權限管理功能，對於(yu) 每次遙控操作，係統自動生成操作記錄，記錄內(nei) 容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

10）用戶權限管理

係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。從(cong) 而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證係統的穩定運行。

12）視頻監控

視頻監控展示了當前實時畫麵（視頻直播），選中某一個(ge) 變配電站，即可查看該變配電站內(nei) 視頻信息。

13）用戶報告

用戶報告頁麵主要用於(yu) 對選定的變配電站自動匯總一個(ge) 月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監控係統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

4.5係統硬件配置清單

5結束語

本文設計的遠程費控電能表實現了電能數據的采集、存儲(chu) 、計量和上傳(chuan) 功能，為(wei) 實現基於(yu) 智能卡的電能表設計提供了一種新的解決(jue) 方案。但在試驗過程中也發現，遠程費控電能表在長久運行的穩定性和可靠性方麵仍然存在著一些不穩定的因素，主要體(ti) 現在終端有時會(hui) 掉線，造成主站係統無法采集到終端的數據，因此無法準確地計算電能。後續還需要進一步提高電能表數據采集的穩定性，以滿足遠程費控業(ye) 務智能化的發展要求;在符合國家標準與(yu) 規範的條件下，滿足運行需求。

安科瑞侯文莉