【產(chǎn)品知識】智能卡的遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

    電力行業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要行業(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(fèi)用全控制已逐漸成為我國電力行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。電力企業(yè)的計(jì)費(fèi)、收費(fèi)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”，其目的是進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化供電服務(wù)，并于科羅拉多州建設(shè)了一座智能電網(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(jìn)行監(jiān)測，逐漸改變了客戶的用電習(xí)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(xiàng)目。中國電網(wǎng)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)，各級電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同，開展了“三集五大”的工作部署。我國電網(wǎng)行業(yè)正在加產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)電能表遠(yuǎn)程費(fèi)控的全覆蓋。

1遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的關(guān)鍵技術(shù)

1.1遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表概述

     遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、電能計(jì)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(jì)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(fèi)率的功能。遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表可以針對不同時段和不同時區(qū)進(jìn)行效的費(fèi)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(jìn)行傳輸。為了提高覆蓋增大效益，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(yīng)用場景需求，并且在NB－IoT網(wǎng)絡(luò)上實(shí)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(dú)立部署、保護(hù)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(yuǎn)程費(fèi)控電能表的硬件原理與設(shè)計(jì)

2.1遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的功能與參數(shù)

   遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表具有計(jì)量功能、記錄功能、監(jiān)控功能和通信功能。電能表不僅能實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，還可進(jìn)行費(fèi)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(jìn)行測量。通信功能是基于NB－IoT通信技術(shù)實(shí)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(dāng)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?cái)?shù)據(jù)和存儲信息傳輸?shù)皆破脚_上。

2.2遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的硬件原理

   對遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的硬件系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)時，需根據(jù)其功能進(jìn)行劃分。電能表的硬件架構(gòu)包含信號處理模塊、電能計(jì)量模塊、NB－IoT通信模塊和外圍電路模塊，遠(yuǎn)程費(fèi)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(yīng)的軟件程序進(jìn)行功能的實(shí)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(yuǎn)程費(fèi)控電能表的模塊設(shè)計(jì)

3遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1架構(gòu)及程序設(shè)計(jì)

   電能表的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)是依據(jù)硬件電路系統(tǒng)而形成的，先設(shè)計(jì)核心主程序，再依照核心主程序一次性地設(shè)計(jì)各模塊的子程序，其軟件架構(gòu)如圖6所示。

3.2功能測試

   基于eSIM智能卡遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的基本功能實(shí)驗(yàn)，主要是針對電能表核心功能進(jìn)行展開。這些功能實(shí)驗(yàn)基本上與既定遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的需求相契合。為了使遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的基本功能滿足正式上線的運(yùn)行需求，利用主站的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對電能表進(jìn)行控制。實(shí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果見表2。

  *終，該遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的系統(tǒng)框架圖如圖9所示，采用該遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的實(shí)現(xiàn)方案，可利用NB通信直接與主站實(shí)現(xiàn)交互。遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表實(shí)現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的主動上傳，可對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，減少主站系統(tǒng)的運(yùn)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)0.8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(shí)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(jì)，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(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，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(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應(yīng)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(jī)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)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)心等）；

（6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)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(shí)時監(jiān)測

2）電能統(tǒng)計(jì)報表

3）詳細(xì)電參量查詢

4）運(yùn)行報表

5）變壓器運(yùn)行監(jiān)視

6）實(shí)時報警

7）歷史事件查詢

8）電能質(zhì)量監(jiān)測

9）遙控操作

10）用戶權(quán)限管理

11）通訊狀態(tài)圖

12）視頻監(jiān)控

13）用戶報告

14）APP支持

4.5系統(tǒng)硬件配置清單