浅谈智能卡远程费控电能表的设计与应用研究分析

摘要:分析了国内外远程费控电能表的研究现状。依据远程费控电能表的功能需求与参数要求，对远程费控电能表进行设计与研究。从功能划分角度出发，对电能表硬件电路系统作了模块化设计。对电能表的功能程序软件进行研究，实现了计量、记录、监控采集以及通信功能。通过主站系统下达指令可对远程费控电能表进行控制。测试结果表明，基于智能卡的远程费控电能表实现了电能数据的主动上传，有助于主站系统依靠远程费控电能表对电能数据进行远程监控。

关键词:智能卡;智能电能表;远程费控;用电信息采集;费控策略;窄带物联网

0引言

电力行业作为我国经济发展中的行业，其地位是十分重要的。电力企业的供电质量、服务水平以及服务方式的升级已成为电力行业发展的主要方向。随着信息化的普及，电力全覆盖、费用全控制已逐渐成为我国电力行业发展的重要目标。电力企业的计费、收费系统开始向智能化转变。美国于2003年提出了“电网2030规划"，其目的是促进智能电网的建设，实现数字化供电服务，并于科罗拉多州建设了第一座智能电网城市。欧盟则是依据一整套能源政策，积极推动绿色能源的发展。欧盟的智能电网依靠各类终端对公共部门、写字楼的用电情况进行监测，逐渐改变了客户的用电习惯。中国在智能电网领域也在积极地开展与部署相关项目。中国电网以特高压电网为骨干网，各级电网进行协同，开展了“三集五大"的工作部署。我国电网行业正在加快产业转型升级，实现电能表远程费控的全覆盖。

1远程费控电能表的关键技术

1.1远程费控电能表概述

远程费控电能表一般包括数据采集、数据传输、电能计量、数据清零、数据存储、数据冻结、事件记录告警等功能。例如，三相用电的电能表计量功能，通常涉及三相电流和电压、频率的测量等等，并且还包括自定义费率的功能。远程费控电能表可以针对不同时段和不同时区进行有效的费率定义，并且具备电量的监控功能，可以记录*近发生的失压、过压、掉电和上电等告警事件。

1.2智能无线通信技术

电能表的通信控制网络采用的是基于窄带物联网(narrowbandinternetofthings，NB－IoT)的无线通信技术。NB－IoT的系统链路一般分为上行链路与下行链路。本文研究的NB－IoT系统取消下行通道链路。网络的上行链路采用相移键控(phase－shiftkeying，PSK)调制方式，并利用单载波频分多址技术对数据进行传输。为了提高覆盖增强效益，通常会设置成3．75kHz的子载波间隔，将传输速率设置在160kbit/s到200kbit/s之间。该网络主要是基于4GLTE的通信架构，可以满足低功耗和大连接的应用场景需求，并且在NB－IoT网络上实现用户电能数据直传至省主站系统的功能。NB－IoT可以部署在不同的无线频带上，分为独立部署、保护带部署、带内部署3种情况。NB－IoT物联网平台的架构如图1所示。

2远程费控电能表的硬件原理与设计

2.1远程费控电能表的功能与参数

远程费控电能表具有计量功能、记录功能、监控功能和通信功能。电能表不仅能实现电能计量，还可进行费率的设置，同时可对功率、电压、电流、频率、相角、功率因数、视在功率等进行测量。通信功能是基于NB－IoT通信技术实现的，窄带(narrowband，NB)通信模组提供可查询的AT指令，用于查询数据流量。当每次连接上网络后，NB通信模组开始自动记录数据流量，直到连接断开才终止流量记录。NB通信的工作频段和天线接口特征阻抗的参数见表1，其覆盖频段较宽。电能表对于超过阈值的事件，会产生告警信息，并依靠通信技术将监控数据和存储信息传输到云平台上。

2.2远程费控电能表的硬件原理

对远程费控电能表的硬件系统展开设计时，需根据其功能进行划分。电能表的硬件架构包含信号处理模块、电能计量模块、NB－IoT通信模块和外围电路模块，远程费控电能表基本硬件架构如图2所示。这些模块由硬件电路组成，由对应的软件程序进行功能的实现。电源模块为各个子模块供电，而辅助电源则用于防止因主电源的损坏影响电能表的正常监控功能。

2.3远程费控电能表的模块设计

设计关键电路模块时，应基于远程费控电能表的基本架构。其中远程费控电能表信号处理模块主要是依赖数据采集ADC模块来进行采样。采样功能以电流采样电路为例进行说明，该电路是将各相电流进行转换，其基本原理是依靠电流互感器，将电路的一侧接地，另一侧与系统相连接来完成采样。其具体原理图如图3所示。由于对计量芯片的要求是保证2．5mA的电流幅值，因此通过该采样电路可将5A电流转换成2．5mA的电流，完成电流－电压的转换目的。

计量功能模块以计量芯片ADE7878为核心，该芯片的功能十分强大，具备很好的信号处理能力。对于电能表的电压和电流有效值的测量、有功功率和视在功率的测量，该芯片具有十分明显的计量优势。芯片的正常模式、省电模式和低功耗模式满足电能表对节能降耗的要求。该芯片输入电压的变化幅值范围为－0．5～0．5V，晶振频率为16．4MHz。芯片的RSET管脚是复位输入管脚，芯片的CF1管脚和CF3管脚是频率校准的逻辑输出管脚。CF1管脚和CF3管脚完成频率校准逻辑输出的功能。计量芯片的基本电路原理图如图4所示。

NB－IoT无线通信模块采用移远公司的BC95－B5通信模组，该通信模组具备超低功耗的特点，接收频率保持在869～894MHz，发送频率的范围为824～849MHz，该模组可扩展串口、内置芯片式用户身份识别(embeddedsubscriberidentitymodule，eSIM)卡接口等应用接口。模组内部不仅包含Flash和静态随机存取存储器(staticrandom－accessmemory，SRAM)，还拥有射频电路和eSIM卡座电路。该无线通信模块的降压稳压电路如图5所示。

电能表的智能卡采用eSIM内嵌的插卡方式进行通信，取消了传统用户识别模块(subscriberidentitymodule，SIM)卡的插拔式动作，实现了电能表直接通信的方式。通过将eSIM卡与电能表绑定，电能表在645协议基础上扩展数据项，并在出厂时就将eSIM卡号(即手机号)写入到电表内部，通过扩展的645协议进行读取。eSIM卡的尺寸为6mm×5mm，并以外置贴片的方式焊接到电路板上，有助于eSIM卡发生故障后的维修与更换，便于电能表与eSIM卡的台账明细管理。

3远程费控电能表的软件架构设计

3.1架构及程序设计

电能表的软件架构设计是依据硬件电路系统而形成的，先设计核心主程序，再依照核心主程序一次性地设计各模块的子程序，其软件架构如图6所示。

远程费控电能表的计量子程序，主要用来完成对实时时钟数据的读取以及用户端使用电量的分阶段计量。在电能计量方面，子程序要分别针对有功电能、无功电能进行计量，具有正向有功、反向有功电能计量功能，可设置、组合有功电能;而无功电能可设置成任意4个象限之和，并可设置、组合无功电能。信号处理程序首先要求电能表使用者进行安全认证;其次依照初始化命令对电能表进行初始化工作，对电能表进行模式选择;然后启动无线通信功能，远程接收命令，并在读取芯片数据后，通过LCD将结果显示出来。远程费控电能表的计量子程序流程如图7所示。在计量费控方面，可以实现远程费控和本地费控的功能。当电能表的金额小于设定的金额，电能表的LCD屏会显示或者灯亮起，提醒用户续缴电费。

本文的无线通信子程序是重要的设计环节，NB－IoT网络是借助eSIM智能卡进行无线通信，基于现有远程费控电能表的通信规约，制定系统主站和电能表之间的数据传输帧格式、数据编码及传输规则。在不同通信灯闪烁时，远程费控电能表与采集系统之间进行数据交换，其程序流程图如图8所示。

3.2功能测试

基于eSIM智能卡远程费控电能表的基本功能实验，主要是针对电能表核心功能进行展开。这些功能实验基本上与既定远程费控电能表的需求相契合。为了使远程费控电能表的基本功能满足正式上线的运行需求，利用主站的物联网系统对电能表进行控制。实现基于物联网表采集和通信的一体化资产管理，其基本实验项目结果见表2。

*终，该远程费控电能表的系统框架图如图9所示，采用该远程费控电能表的实现方案，可利用NB通信直接与主站实现交互。远程费控电能表实现了电能数据的主动上传，可对电能数据进行实时监控，减少主站系统的运行采集压力。

4安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案

4.1概述

 用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

 安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

4.2应用场所

  （1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

  （2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

  （3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

  （4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

  （5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；

  （6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

4.3系统结构

4.4系统功能

1）实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

2）电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

3）详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

4）运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

5）变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

6）实时

系统具有实时功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统时自动弹出实时窗口，并发出声音或语音提醒。

7）历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯，查询统计、事故分析。

8）电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

9）遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

10）用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

11）通讯状态图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

12）视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

13）用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、事件等进行统计分析。

14）APP支持

电力运维手机支持“监控系统"、“设备档案"、“待办事项"、“巡检记录"和“缺陷记录"五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

4.5系统硬件配置清单

5结束语

本文设计的远程费控电能表实现了电能数据的采集、存储、计量和上传功能，为实现基于智能卡的电能表设计提供了一种新的解决方案。但在试验过程中也发现，远程费控电能表在长久运行的稳定性和可靠性方面仍然存在着一些不稳定的因素，主要体现在终端有时会掉线，造成主站系统无法采集到终端的数据，因此无法准确地计算电能。后续还需要进一步提高电能表数据采集的稳定性，以满足远程费控业务智能化的发展要求;在符合标准与规范的条件下，满足运行需求。

参考文献:

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4. 苏慧玲，王忠东，等．智能电能表检定系统标准时钟共用方法研究［J］．自动化仪表，2018，39(10):24－27．

5. 黄成．单相智能费控光纤网络电能表的设计与应用［J］．电测与仪表，2019，56(9):148－152．

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