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基于智能卡的遠程費控電能表的設(shè)計與應用研究分析
任運業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定202201
摘要:分析了國內(nèi)外遠程費控電能表的研究現(xiàn)狀。依據(jù)遠程費控電能表的功能需求與參數(shù)要求,對遠程費控電能表進行設(shè)計與研究。從功能劃分角度出發(fā),對電能表硬件電路系統(tǒng)作了模塊化設(shè)計。對電能表的功能程序軟件進行研究,實現(xiàn)了計量、記錄、監(jiān)控采集以及通信功能。通過主站系統(tǒng)下達指令可對遠程費控電能表進行控制。測試結(jié)果表明,基于智能卡的遠程費控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的主動上傳,有助于主站系統(tǒng)依靠遠程費控電能表對電能數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控。
關(guān)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(lián)網(wǎng)
0引言
電力行業(yè)作為我國經(jīng)濟發(fā)展中bu可或缺的行業(yè),其地位是十分重要的。電力企業(yè)的供電質(zhì)量、服務(wù)水平以及服務(wù)方式的升級已成為電力行業(yè)發(fā)展的主要方向。隨著信息化的普及,電力全覆蓋、費用全控制已逐漸成為我國電力行業(yè)發(fā)展的重要目標。電力企業(yè)的計費、收費系統(tǒng)開始向智能化轉(zhuǎn)變。美國于2003年提出了“電網(wǎng)2030規(guī)劃",其目的是促進智能電網(wǎng)的建設(shè),實現(xiàn)數(shù)字化供電服務(wù),并于科羅拉多州建設(shè)了第一座智能電網(wǎng)城市。歐盟則是依據(jù)一整套能源政策,積極推動綠色能源的發(fā)展。歐盟的智能電網(wǎng)依靠各類終端對公共部門、寫字樓的用電情況進行監(jiān)測,逐漸改變了客戶的用電習慣。中國在智能電網(wǎng)領(lǐng)域也在積極地開展與部署相關(guān)項目。中國電網(wǎng)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng),各級電網(wǎng)進行協(xié)同,開展了“三集五大"的工作部署。我國電網(wǎng)行業(yè)正在加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,實現(xiàn)電能表遠程費控的全覆蓋。
1遠程費控電能表的關(guān)鍵技術(shù)
1.1遠程費控電能表概述
遠程費控電能表一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、電能計量、數(shù)據(jù)清零、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)凍結(jié)、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,并且還包括自定義費率的功能。遠程費控電能表可以針對不同時段和不同時區(qū)進行有效的費率定義,并且具備電量的監(jiān)控功能,可以記錄*近發(fā)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(shù)
電能表的通信控制網(wǎng)絡(luò)采用的是基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrowbandinternetofthings,NB-IoT)的無線通信技術(shù)。NB-IoT的系統(tǒng)鏈路一般分為上行鏈路與下行鏈路。本文研究的NB-IoT系統(tǒng)取消下行通道鏈路。網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路采用相移鍵控(phase-shiftkeying,PSK)調(diào)制方式,并利用單載波頻分多址技術(shù)對數(shù)據(jù)進行傳輸。為了提高覆蓋增強效益,通常會設(shè)置成3.75kHz的子載波間隔,將傳輸速率設(shè)置在160kbit/s到200kbit/s之間。該網(wǎng)絡(luò)主要是基于4GLTE的通信架構(gòu),可以滿足低功耗和大連接的應用場景需求,并且在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)用戶電能數(shù)據(jù)直傳至省主站系統(tǒng)的功能。NB-IoT可以部署在不同的無線頻帶上,分為獨立部署、保護帶部署、帶內(nèi)部署3種情況。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)如圖1所示。
2遠程費控電能表的硬件原理與設(shè)計
2.1遠程費控電能表的功能與參數(shù)
遠程費控電能表具有計量功能、記錄功能、監(jiān)控功能和通信功能。電能表不僅能實現(xiàn)電能計量,還可進行費率的設(shè)置,同時可對功率、電壓、電流、頻率、相角、功率因數(shù)、視在功率等進行測量。通信功能是基于NB-IoT通信技術(shù)實現(xiàn)的,窄帶(narrowband,NB)通信模組提供可查詢的AT指令,用于查詢數(shù)據(jù)流量。當每次連接上網(wǎng)絡(luò)后,NB通信模組開始自動記錄數(shù)據(jù)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(shù)見表1,其覆蓋頻段較寬。電能表對于超過閾值的事件,會產(chǎn)生告警信息,并依靠通信技術(shù)將監(jiān)控數(shù)據(jù)和存儲信息傳輸?shù)皆破脚_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系統(tǒng)展開設(shè)計時,需根據(jù)其功能進行劃分。電能表的硬件架構(gòu)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(gòu)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(xiàn)。電源模塊為各個子模塊供電,而輔助電源則用于防止因主電源的損壞影響電能表的正常監(jiān)控功能。
2.3遠程費控電能表的模塊設(shè)計
設(shè)計關(guān)鍵電路模塊時,應基于遠程費控電能表的基本架構(gòu)。其中遠程費控電能表信號處理模塊主要是依賴數(shù)據(jù)采集ADC模塊來進行采樣。采樣功能以電流采樣電路為例進行說明,該電路是將各相電流進行轉(zhuǎn)換,其基本原理是依靠電流互感器,將電路的一側(cè)接地,另一側(cè)與系統(tǒng)相連接來完成采樣。其具體原理圖如圖3所示。由于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(zhuǎn)換成2.5mA的電流,完成電流-電壓的轉(zhuǎn)換目的。
計量功能模塊以計量芯片ADE7878為核心,該芯片的功能十分強大,具備很好的信號處理能力。對于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(yōu)勢。芯片的正常模式、省電模式和低功耗模式wan全滿足電能表對節(jié)能降耗的要求。該芯片輸入電壓的變化幅值范圍為-0.5~0.5V,晶振頻率為16.4MHz。芯片的RSET管腳是復位輸入管腳,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(fā)送頻率的范圍為824~849MHz,該模組可擴展串口、內(nèi)置芯片式用戶身份識別(embeddedsubscriberidentitymodule,eSIM)卡接口等應用接口。模組內(nèi)部不僅包含F(xiàn)lash和靜態(tài)隨機存取存儲器(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(wěn)壓電路如圖5所示。
電能表的智能卡采用eSIM內(nèi)嵌的插卡方式進行通信,取消了傳統(tǒng)用戶識別模塊(subscriberidentitymodule,SIM)卡的插拔式動作,實現(xiàn)了電能表直接通信的方式。通過將eSIM卡與電能表綁定,電能表在645協(xié)議基礎(chǔ)上擴展數(shù)據(jù)項,并在出廠時就將eSIM卡號(即手機號)寫入到電表內(nèi)部,通過擴展的645協(xié)議進行讀取。eSIM卡的尺寸為6mm×5mm,并以外置貼片的方式焊接到電路板上,有助于eSIM卡發(fā)生故障后的維修與更換,便于電能表與eSIM卡的臺賬明細管理。
3遠程費控電能表的軟件架構(gòu)設(shè)計
3.1架構(gòu)及程序設(shè)計
電能表的軟件架構(gòu)設(shè)計wan全是依據(jù)硬件電路系統(tǒng)而形成的,先設(shè)計核心主程序,再依照核心主程序一次性地設(shè)計各模塊的子程序,其軟件架構(gòu)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鐘數(shù)據(jù)的讀取以及用戶端使用電量的分階段計量。在電能計量方面,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(shè)置、組合有功電能;而無功電能可設(shè)置成任意4個象xian量之和,并可設(shè)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;然后啟動無線通信功能,遠程接收命令,并在讀取芯片數(shù)據(jù)后,通過LCD將結(jié)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。在計量費控方面,可以實現(xiàn)遠程費控和本地費控的功能。當電能表的金額小于設(shè)定的報警金額,電能表的LCD屏會顯示或者報警燈亮起,提醒用戶續(xù)繳電費。
本文的無線通信子程序是重要的設(shè)計環(huán)節(jié),NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是借助eSIM智能卡進行無線通信,基于現(xiàn)有遠程費控電能表的通信規(guī)約,制定系統(tǒng)主站和電能表之間的數(shù)據(jù)傳輸幀格式、數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。在不同通信燈閃爍時,遠程費控電能表與采集系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換,其程序流程圖如圖8所示。
3.2功能測試
基于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既定遠程費控電能表的需求相契合。為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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對電能表進行控制。實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)表采集和通信的一體化資產(chǎn)管理,其基本實驗項目結(jié)果見表2。
*終,該遠程費控電能表的系統(tǒng)框架圖如圖9所示,采用該遠程費控電能表的實現(xiàn)方案,可利用NB通信直接與主站實現(xiàn)交互。遠程費控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的主動上傳,可對電能數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控,減少主站系統(tǒng)的運行采集壓力。
4安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案
4.1概述
用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能,用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系,推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案,實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括:表計,智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。
安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計,以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況,便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣,有效節(jié)約電能,為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。
4.2應用場所
(1)辦公建筑(商務(wù)辦公、大型公共建筑等);
(2)商業(yè)建筑(商場、金融機構(gòu)建筑等);
(3)旅游建筑(賓館飯店、娛樂場所等);
(4)科教文衛(wèi)建筑(文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等);
(5)通信建筑(郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等);
(6)交通運輸建筑(機場、車站、碼頭建筑等)。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.4系統(tǒng)功能
1)實時監(jiān)測
系統(tǒng)人機界面友好,以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài),實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息,動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài),以及有關(guān)故障、告警等信號。
2)電能統(tǒng)計報表
系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能,用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況,即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明,并在用電誤差偏大時可分析追溯,維護計量體系的正確性。
3)詳細電參量查詢
在配電一次圖中,當鼠標移動到每個回路附近時,鼠標指針變?yōu)槭中?,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(shù)、正向有功電能,并可以查看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
系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能,所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫,在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等,并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報,支持導出Excel格式文件,還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。
5)變壓器運行監(jiān)視
系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)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
系統(tǒng)具有實時報警功能,系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、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(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測,并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口,并發(fā)出聲音或語音提醒。
7)歷史事件查詢
系統(tǒng)能夠?qū)b信變位,保護動作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。
8)電能質(zhì)量監(jiān)測
系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)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(jiān)測功能的電力儀表,不需要可刪除。
9)遙控操作
系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的密碼保護和操作權(quán)限管理功能,對于每次遙控操作,系統(tǒng)自動生成操作記錄,記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。
10)用戶權(quán)限管理
系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如配電回路名稱修改等)??梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
11)通訊狀態(tài)圖
系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài),發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài),及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)備,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
12)視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面(視頻直播),選中某一個變配電站,即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。
13)用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù),對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。
14)APP支持
電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)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(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢,設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
4.5系統(tǒng)硬件配置清單
5結(jié)束語
本文設(shè)計的遠程費控電能表實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的采集、存儲、計量和上傳功能,為實現(xiàn)基于智能卡的電能表設(shè)計提供了一種新的解決方案。但在試驗過程中也發(fā)現(xiàn),遠程費控電能表在長久運行的穩(wěn)定性和可靠性方面仍然存在著一些不穩(wěn)定的因素,主要體現(xiàn)在終端有時會掉線,造成主站系統(tǒng)無法采集到終端的數(shù)據(jù),因此無法準確地計算電能。后續(xù)還需要進一步提高電能表數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性,以滿足遠程費控業(yè)務(wù)智能化的發(fā)展要求;在符合國家標準與規(guī)范的條件下,滿足運行需求。
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安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊2022.05版
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任運業(yè),男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。