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中心議題
    * 智能電表的軟硬件設計及低功耗設計方法 
    * 智能電表的防竊電技術
解決方案
    * 采用功能低功耗計量芯片MAXQ3180 
    * 采用五種方法降低功耗
 

0引言

隨著全球資源逐漸稀缺、環境壓力不斷增大、電力市場化進程不斷深入及用戶對電能可靠性和質量要求的不斷提升，電力行業正面臨前所未有的挑戰和機遇，建設更加安全、可靠、環保、經濟的電力系統已經成為全球電力行業的共同目標。智能電網（SmartGrid）就是利用現代測量、通信、計算機、自動化等IT先進技術，允許可再生能源順利接入電網，提高電力系統的能源轉換和傳輸效率，確保電網運行更可靠、更靈活、更經濟，能為用戶提供更高的供電質量和更優質的服務。智能電網包含從發電、輸電、變電、配電、用電和調度六個環節，智能電表屬于智能用電的環節。智能電網建設對電力設備提出更高層次的要求，智能電表和數字化變電站面臨較高景氣度，掌握該核心技術優勢和市場優勢的企業將從中受益。因此，加大智能電表的研發力度將對我國智能電網的快速發展具有重要意義。

1智能電表概述

智能電網的關鍵技術主要由四部分組成，分別是高級量測體系AMI、高級配電運行體系ADOI、高級輸電運行體系ATOI和高級資產管理體系AAMI。智能電網必須具備靈活的網絡結構和集成的通信系統，才能形成上述四大體系。

高級量測體系AM（IAdvancedMeteringInfrastructure）主要功能是授權給用戶，使系統同負荷建立起聯系，使用戶能夠支持電網的運行。AMI是許多技術和應用集成的解決方案，其關鍵技術和功能主要包括：

（1）智能電表

智能電網AMI中的智能電表系統設計電價是電力改革的關鍵。在發展智能電網中，智能電表受到前所未有的重視。智能電表不但能顯示用電量，而且能顯示電能價格，將推動新的用電方式和生活方式。

（2）通信網絡

采取固定的雙向通信網絡，能夠把采集的數據信息（包括故障報警和裝置干擾報警）實時地從智能電表傳到數據中心，是全部高級應用的基礎。

（3）計量數據管理系統MDMS

這是一個帶有分析工具的數據庫，通過與AMI自動數據收集系統的配合使用，處理和儲存電表的計量值。

（4）用戶室內網HAN

通過網關或用戶入口把智能電表和用戶戶內可控的電器或裝置連接起來，使得用戶能根據電力公司的需要，積極參與需求響應或電力市場。

（5）提供用戶服務

如分時或實時電價等。

（6）遠程接通或斷開

AMI的體系結構如圖1所示。

智能電表，將有助于在消費者和電力公司之間實現實時通信，使人們能夠基于環境和價格的考慮，最大程度地優化能源用量。智能電表使智能電網具有多層智能，能夠實時分析、決策、計劃并作出積極的行為。智能電表在智能電網中具備了電力的價值信號收集和發布功能，使電網能夠優化所有的投資和運行費用，使發電機組與用戶電器的關系更加協調。由于人們對于智能電表的發展給予了極大的重視，所以智能電表的發展異常迅速。

智能電表可以讓用戶將屋頂風電、屋頂光電裝置所生產的電能賣給電網，將有利于改進能源預測，加強網絡管理。日本經濟產業部副部長望月晴文指出，日本將根據自身的國情，圍繞大規模開發太陽能等新能源、確保電網系統的穩定運行，來構建獨具日本特色的智能電網。

目前，采用智能電表不僅可以實現對電能質量進行監測，而且可以通過儀表的網絡通信接口實現雙向數據遠程傳輸，組成分布式測控網絡系統。

2智能電表的硬件設計

2.1 MAXQ3180簡介

MAXQ3180主要由DSP和集成ADC組成，是專用的電氣參數測量前端，它采集并計算多相負載的多相電壓、電流、功率、電能等多種電力品質參數。外部主機通過片內SPI總線讀出計算結果，并且通過SPI總線來配置MAXQ3180的工作模式，監測工作狀態。

2.2硬件結構設計

智能電表的硬件結構如圖2所示。

其中計量芯片和主機的選擇是關鍵。在智能電表的設計中，專用計量芯片更便于電能和相關電力品質參數的計算，所以將嵌入式控制器分離出來專門實現管理功能，如通信、費率時段管理、實時電價、存儲管理等。

計量芯片選用Maxim生產的多功能低功耗計量芯片MAXQ3180，主機選用ST公司生產的STM32F107xx增強型ARM嵌入式控制器。由于STM32F107只具有10/100 Ethernet MAC，所以需外加10/100 Mb/s以太網物理層收發器DP83848CVV和RJ45連接器J0011D21B。這樣，智能電表可提供一個以太網通信接口，便于組成分布式通信網絡。

另外，智能電表還配有HMI人機接口，采用LCD液晶顯示模塊進行數據和設定信息的顯示。采用非易失鐵電存儲器FRAM保存累計電能和設定信息。

3智能電表的軟件設計

智能電表的軟件主要由監控程序，鍵盤掃描程序，顯示程序，設定程序，MAXQ3180數據讀取程序，量程自動校正與功率補償程序，數字濾波程序，算法程序，實時時鐘程序，分時電價程序，網絡通信程序等組成，采用C＋＋語言編程，并進行模塊化設計。

4降低系統功耗的設計方法

主機作為智能電表的核心之一，對整個系統的電源管理負有重要的作用。由于專用計量芯片MAXQ3180的使用，主機只進行管理和通信工作，選用低功耗產品STM32F107xx嵌入式控制器可以滿足要求。

降低計量部分的功耗，可以采用已下五種方法：

（1）采用3.3V供電電壓

MAXQ3180采用3.3V供電，使其可以和主流3.3V供電的微控制器接口，從而有效地降低了系統的功耗。

（2）采用低功耗模式

MAXQ3180能夠在微控制器的控制下降低工作頻率，進入低功耗測量模式，其功耗可低到正常工作模式的25%~30%而保持功能基本不變。

（3）采用休眠模式和快速喚醒

MAXQ3180使用低功耗模式使得工作電流大大降低，而休眠模式和快速喚醒可以使得實際工作的時間縮短，從而減小占空比，并最終降低平均電流。

（4）降低動態功耗

在計量芯片工作過程中，有很多部分采用間歇性工作方式，使得暫時不使用的部分處于關斷狀態，這樣可以有效地降低系統平均功耗。在需要工作時，快速啟動也是非常重要的，這就需要在計量芯片設計過程中很好地分配時鐘和時序。MAXQ3180采用了這一先進的技術，取得了非常好的節能效果。

（5）采用開關電源

在智能電表的設計中采用開關電源，這可以大大提高電源效率。

5防竊電技術的設計

MAXQ3180具備了低功耗模式和休眠模式，其中一個重要的應用就是在防失（欠）壓竊電方面。當發生失（欠）壓情況時，智能電表內的電子單元失去了電壓線圈的主供電方式，就必須使用電池供電的方式。

MAXQ3180具有低功耗模式和休眠模式，更便于全失壓情況下的安培小時累計。MAXQ3180模式電源接線圖如圖3所示。

MAXQ3180可以使用和嵌入式控制器同樣的電池供電方式，這樣減少了電平轉換和電源管理芯片的成本。它可以在不需要時處于休眠模式，僅消耗少于1μA的電流，而在需要時由嵌入式控制器通過片選瞬間喚醒，進入低功耗測量模式運行。由于在休眠模式下所有的參數設置均保留，所以在喚醒后不需要進行初始化就可直接工作，從而大大減少了工作時間，而且低功耗測量模式下不需要嵌入式控制器參與工作，嵌入式控制器可再次進入休眠，直到MAXQ3180使用中斷或者使用嵌入式控制器自身資源再次喚醒，并將測量結果讀到嵌入式控制器中進行存儲、處理、顯示和傳輸。

MAX3180全失壓安培小時累計模式時序圖如圖4所示。

在圖4中，嵌入式控制器和MAXQ3180的工作時序如下：

（1）嵌入式控制器和MAXQ3180休眠；

（2）嵌入式控制器喚醒；

（3）MAXQ3180上電；

（4）MAXQ3180預熱，只需幾個μs；

（5）MAXQ3180測量只需0.5～1個周期；

（6）MAXQ3180運行，嵌入式控制器休眠；

（7）MAXQ3180測量結束，發送IRQ，將嵌入式控制器喚醒；

（8）嵌入式控制器讀數據結束，MAXQ3180回到休眠狀態；

（9）嵌入式控制器回到休眠狀態。

在系統整個工作過程中，工作電流很小，而且工作時間很短，最終使得平均電流相對于傳統方案大幅降低。這樣，在同等電池容量和運行時間的要求下，MAXQ3180可以使用更高的頻率來進行間歇性的安培小時累計，當頻率高到一定的程度，可以近似認為這樣的累計是連續的。

6結束語

本文以MAXQ3180計量芯片為例，采用ST公司生產的STM32F107 ARM嵌入式控制器為主機，介紹了智能電表的軟硬件設計和降低功耗的設計方法，同時介紹了防竊電技術，為智能電表的開發提供了一個詳細的案例，通過以太網接口可以很容易組成通信網絡。

智能電網下的高級量測體系AMI包括智能電表、網絡通信、電表數據管理三個系統。借助該體系能實現智能需求側管理，比如用電狀況收集、需求側／電網雙向通信、實時電價響應、智能家電控制、虛擬電廠和微網控制、防偷電等任務。通過智能電網中的智能電表，一些電力消費會轉移到價格便宜的峰谷時段，減輕用電堵塞并降低對新設施建設的需要，使得消費者省錢，排放量下降。電動混合汽車可以在用電需求較低的晚間充電，甚至還可以在白天停放期間將電能重新輸回電網。智能電網不只是電網的發展機會，也是電器工業的發展機會，是信息技術的發展機會。未來我國智能電表具有非常廣闊的市場，將為我國電工儀表行業帶來巨大的商機，并推動我國智能電網的快速發展。