智能仪器仪表 智能电表的介绍

智能电表的介绍

摘要：智能电表是由传统电能表逐步发展起来的，它在智能电网中是重要的智能终端。智能电表功能的扩充使得智能电表除了具有了双向计量的基本功能以外，还具有分时分类计量、双向通信、多种控制的功能。智能电表的大量使用将会使得智能电网的节能、高效、安全的性能得到更充分的体现。本文介绍了智能电表的结构和工作原理,深入分析了其硬件系统及软件平台，进一步突出了其所具有的一系列功能和特点，让人们对智能电表也有了更全面的了解。

关键词：结构；原理；功能；特点；硬件系统；软件平台

The introduction of intelligent electric meter

Abstract: Intelligent electric meter is gradually developed from the traditional electric energy meter, it in intelligent power grid is important intelligent terminal. Intelligent electric meter function expansion make intelligent electric meter in addition to has the basic function of the bidirectional measurement outside, still have time sharing classification measurement, two-way communication, various control functions. The wide use of intelligent electric meter will make smart grid energy saving, high efficiency and safety performance get more fully embodied. This paper introduces the intelligent electric meter of the structure and working principle, and analyzed their hardware system and software platform, further highlights its role in a series of functions and features, let people to the intelligent electric meter also have a more comprehensive understanding.

Keywords: structure; principle; function; characteristics, hardware system; software platform

前言

智能电能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等智能化的功能。本文旨在介绍智能电表的结构原理、功能特点，以及硬件系统各组成部分和软件平台，让读者对智能电表有更进一步的分析和认识。

1 智能电表的概念

智能电表是以微处理器或微控制器芯片(如单片机)为核心的可以存储大量的测量信息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。智能电能表一般具有自动测量功能，强大的数据处理能力，进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有操作面板和显示器，有简单的报警功能。

2 智能电表的结构及原理

2.1 结构

从结构上来说，智能电表是一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括信号的输入通道，微控制器或微控制器及其外围电路、标准通信接口、人机交换通道，输出通道。智能电能表的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。其中监控程序面向仪器面板键盘和显示器，接口管理程序主要面向通信接口。

2.2 原理

用户持IC卡到供电部门交款购电，供电部门用售电管理机将购电量写入IC卡中，用户持IC卡在感应区刷卡，即可合闸供电，供电后将卡拿走。当智能电表内剩余电量等于报警电量时，拉闸断电报警(或蜂鸣器报警)，此时用户在感应区刷卡即可恢复供电;当剩余电量为零时，自动拉闸断电，用户必须再次持卡交费购电，才可以恢复用电。

感应式电表主要是由铝盘、电流电压线圈、永磁铁等元件构成,其工作原理主要是通过电流线圈与可动铅盘中感应的涡流相互作用进行计量的。而电子式智能电表主要是由电子元器件构成,其工作原理是先通过对用户供电电压和电流的实时采样,再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,并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,构成原理图详见图2-1所示[1]。

图2-1 智能电表构成原理图

通常我们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,对于智能电表来说,这是一个比较重要的常数,因为A /D转换器在单位时间内所发出脉冲数个的多少,将直接决定着该表计量的准确度。

3 智能电表功能分析

智能电表作为智能电网用户环节实现的重要基础，具备完善的功能是其必须满足的基本要求。智能电表从功能上可以划分为：双向计量、双向通信和管理控制三个部分[2]。

3.1 双向计量

计量功能是电表的一个基础功能，计量功能包括有功、无功、电压、电流量、功率因数、零序电流的计量。智能电表在电压、电流量的计量上要求能够提供足够点数的量测数据，为高级应用中的统计分析功能的实现提供历史数据。对于有功、无功的计量需要满足双向要求。随着分布式发电技术的发展，在可以预期的未来，作为供电方的用户将成为可能。同时在电力市场高度成熟以及储能技术满足应用需求的条件，充分调动用户参与电能管理的积极性，利用峰谷电价差异，引导用户参与削峰填谷。智能电表的双向计量功能是满足用户最终作为一个双向负荷的身份出现的必要条件，也是互动式电网建立的标准。

3.2 双向通信

为了建立智能电表和智能电网之间联系，形成数据传输的通道，可靠、稳定的通信网络是必备基础条件之一。对于智能电表而言为了实现其管理控制、以及计量功能，数据的传输将不再是表端到管理主站之间的单向传输。而应一方面由智能电表采集电压、电流表征电能质量的量测量以及电能消费数据的电度信息。另一方面，智能电网中的智能变电站还可以向智能电表发出调控信息，因此，智能电表要求具有双向的通信功能。

3.3 管理控制

智能电表作为交互式的智能电网的终端管理单元，管理控制包括费率控制、远程控制管理、分布式发电设备控制、智能化家电设备、以及本地管理控制功能。费率控制按照费率控制实现方式，可以分为本地智能费控和远程智能费控两种方式。远程控制功能为实现远方的负荷投切提供了方便的接口，便于供电端管理。分布式发电设备控制，可以向供电段提供用户功率方向选择。在已达成供电协议的基础上，供电端可以根据系统实际情况，按照调度准则对用户的分布式设备进行管理。由于智能电表的MCU 可以带有强大的I/O 接口，使得它可以与更多的外部设备对接。借助远程通信的功能，用户在异地通过计算机网络、移动通讯设备对智能化用电设备进行远程遥控、遥测将会变成现实。本地管理控制功能为用户提供一种本地接口，用户可以通过该功能接口，就地查询用电特性、费率模式、实现就地分合闸等简单查询、管理功能[3]。管理控制功能示意图见图3-1。

图3-1 智能电表管理控制功能

4 智能电表的主要特点

与传统电能表相比，智能电能表具有以下几个主要特点:

（1）测量精度高，可以利用微处理器执行指令的快速性和A/D转换的时间短等特点对被测量进行多次测量，然后求其平均值，就可以排除一些偶然的误差与干扰，还可以通过数字滤波，剔除粗大误差和随机误差的方法提高测量精度。

（2）能够进行间接测量，智能电能表可以利用内含的微处理器通过测量几种容易测量的参数，间接地求出某种难以测量的参数。

（3）能够自动校准，智能电能表在使用前进行自动校准，在测量过程中进行校准，从而减少误差。

（4）具有自动修正误差的能力。

（5）具有自诊断的能力，智能电能表若发生了故障，可以自检出来，仪器本身还能协助诊断发生故障的根源。

（6）能够实现复杂的控制功能。

（7）允许灵活地改变仪器的功能。

（8）智能电能表一般都配有GPIB或RS232等接口，使智能电能表具有可程控操作的能力。从而可以很方便地与计算机和其他仪器组成用户需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。

5 智能电表的硬件系统

智能电表中均含有微处理器或微控制器，在微处理器或微控制器的外围进行设备的扩展如程序存储器ROM、数据存储器RAM、键盘、显示器、报警装置和通信口。作为一个完整的智能电能表还应包括输入通道和输出通道[4]。图5-1表述了智能电能表的硬件结构组成。

图5-1 智能电能表硬件原理图

智能电能表实际上是一个微型计算机系统，它是具有微处理器或微控制器的，并有标准总线接口的新型仪器。不同功能的智能电能表由不同部件组合而成。智能电能表的监控程序固化在程序存贮器EPROM、ROM、EEPROM等中，被测参量通过传感器将非电量变换成电量，然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号。所采集的数据或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于片内数据存储器RAM中。智能电能表的控制部分一般分两种情况，一是微处理器接受键盘输入的命令后，不需经过数模转换器，直接由接口输出控制信息和数据信息，去控制一些执行机构[5]。

智能电能表硬件部分各功能环节如下:

5.1 微处理器或微控制器

微处理器和微控制器在智能电能表中都是智能电能表的心脏，它们的结构、特性对智能电能表的性能影响很大。微处理器也是一种通用器件，如果给予足够的外部支持电路和处理时间，它几乎可以完成任何任务，数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。根据智能电能表控制功能和测量功能的不同选用合适的单片机作为智能电能表的核心，从而提高智能电能表的整体性能。

5.2 传感器

传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能电能表中占据了极其重要的地位。传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其他能量形式转换成电量形式，以便进一步加工处理，传感器的输出往往总是电信号。这主要是电信号较容易地进行放大、反馈、滤波、积分、微分、存储及远距离传送等操作。

5.3 信号调理

信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波、整形、检波、信号转换等功能环节。信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应A/D转换等环节的工作。信号调理可以改善信号质

量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等。

5.4 A/D转换器

微处理器能处理的信号应是数字信号，因此，在智能电能表的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即A/D转换器。使用A/D转换器时应先根据输入通道的总误差，选择A/D转换器的精度及分辨率。根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证智能电能表的实时性要求，对快速信号必须考虑采样/保持电路。

5.5 D/A转换器

微处理器输出的数字控制信号通过D/A转换，将离散时刻输出的控制信号转换成为离散模拟信号，为实现智能控制创造了必要条件。在D/A转换接口设计中主要考虑的问题是D/A 转换芯片的选择、数字量的码输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。选择D/A芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求:在结构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。

5.6 智能电能表的通信接口

智能电能表一般都设置有通信接口，以便能够实现程控、方便地构成自动测试系统。目前国际上采用的智能电能表的标准接口有GPIB，RS232等,本设计采用RS232接口。

5.6.1 PCI总线

PCI总线技术为CPU和板上外设之间提供方便的高速通信连接，工作频率为33MHz。PCI 对于连接到它上面的器件是具有即插即用的高速总线。但由于总线负载问题，同一个PCI 总线上只能挂4到8个器件。

5.6.2 USB总线

通用串行总线(USB)是一种外设总线标准。它为所有的USB外设提供一种通用的连接，其数据率为12Mbits/S。USB特别适合于需要高数据率和易于即插即用的应用。需要保证带宽和有限执行时间的应用包括PC电话和其他语音及视频通信应用。

6 智能电表的软件平台

智能电表的主要功能由软件实现，相应的软件有采集、采集控制、数据处理、显示、结果打印等。智能电能表的软件结构按功能可分为准备程序、键功能程序和系统控制程序（如图6-1）。为与软件结构相配合，还必须将程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)实现规划[6]。

图6-1 智能电表软件系统流程图

智能电表是以微处理器为核心的微机测量控制系统，因此智能电表在许多场合都是与计算机控制系统或DCS(集散控制系统)联系在一起的。智能电能表在不同的应用场合所受到干扰也各不相同，当仪器在运行时所受到的干扰超过一定限度时就会严重影响智能电能表的可靠性，甚至严重影响工业生产现场，因此智能电表要有一定的抗干扰能力。

微机测控系统的抗干扰技术在智能电能表的抗干扰技术中是同样适用的，主要分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。硬件抗干扰技术主要包括滤波技术(无源滤波和有源滤波)、去耦技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。软件抗干扰常常采用软件滤波(数字滤波技术)来剔除模拟输入信号中的虚假信号，求取真值。

7 结束语

通过对智能电表结构、功能、特点以及应用方面的介绍，以及对其硬件系统和软件平台的分析，不难发现，智能电表不仅有高可靠性、高准确度等优点,而且还有适应现代多样化用电要求的各种功能。同时由于采用软硬件结合的操作方式,这就使得智能电表在控制和使用上更加灵活,还可以通过软件的进一步开发适应不断变化的市场需求。相信在未来的几年里,随着产品进一步的应用推广和技术上的更成熟完善,这种现代化的电能计量产品,将更多地被用户认可和选用。

参考文献

[1] 杨少平.智能电表特点及其应用[J].福建建设科技,2008.

[2] 李保玮.智能电表简介[J].上海电气集团股份有限公司中央研究院,2010.

[3] 唐发荣.智能电表功能及其高级应用分析[J]. 安徽省电力公司合肥供电公司,2011.

[4] 牟龙华，朱国锋，朱吉然.基于智能电网的智能用户端设计[J].电力系统保护与控制，2010.

[5] 傅剑,梁英波.智能电表的设计与实践[J].化工自动化及仪表,2010.

[6] 姜洪雁.智能电表系统[J].辽宁信息职业技术学院,2009.