农村电能表智能化改造设计研究

陈梨芳

（福建经济学校 计算机教研室，福建 福州 350003）

我国目前常用的电能表主要有以下三种：1）机械式电能表[1]，又称为感应式电能表，用电磁感应的原理来测量电能量.机械式电能表计量精确度较低、功能单一，因其构造简单、操作方便、价格便宜，目前在我国广泛应用.2）电子式电能表.它通过对用户供电电压和电流的实时采样，利用内置的集成电路计算用户消耗的电能，并通过显示屏显示出电能量.电子式电能表计量精确高、实时性好，但结构复杂、价格高[2].3）多功能智能式电能表[3].该表自带有CPU控制芯片、通信模块和存储模块.该电能表能够实现实时用电量计量、与采集终端直接通信等功能.

当前我国农村用户使用的电能表基本上都是单相机械式电能表，采用的抄表方式还是传统的人工抄表方式，抄表员挨家挨户到用户家中用肉眼读取电能表数据，现场计算出用户月用电量，直接收取该月电费.这种人工读表—计费—收费—催费的用户电能表管理模式，不能适应农村现代化建设发展的需求.

1 电能表智能化改造思路分析与整体框架

实现自动化抄表，前提是采用的电能表要具有智能化功能，能完成电量数据采集、数据发送等操作.使电能表智能化有两种方法：一是将原有的机械式电能表淘汰掉，直接购买智能式电能表；二是对原有的机械式电能表进行改造，使之具有智能化功能.第一种方法要购买新表，造成老表的浪费，成本较高；第二种方法是在原有的机械式电能表上配置必要的电子装备，使老表得到利用，成本较低.由于制造工艺不同，机械式电能表比智能式电能表耐磨、耐用、质量更稳定、寿命更长.考虑到成本、电能表使用寿命、农村居民经济承受能力等因素，可以直接对机械式电能表进行智能化改造，使其具有智能化功能.

电能表智能化改造是在原有的机械式电能表内部配置数据采集模块，并配合相应的软件控制，以实现命令的接收、电量数据的读取、信息的发送等操作.数据采集模块是利用光电传感器将机械式电能表中铝盘的转动转换成电脉冲输出，电脉冲序列经单片机计数器计算出电脉冲数量，并转换成电量信息存储在存储器中，等待集中器读取电能表数据.电能表智能化改造整体框架见图1.

图1 电能表智能化改造整体框架图Fig.1 Intelligent transformation of the overall framework of energy meter

2 智能化改造硬件设计

根据电能表智能化改造整体框架可以看出，电能表智能化改造由光电转换模块、主控电路、电源模块、电量存储模块、红外收发模块等构成.

1）光电转换模块.机械式电能表利用机械计数器就可以计算出铝盘的转数，鉴于机械计数器无法满足电能表数据采集终端的性能要求，本文选择光电传感器将铝盘的转数转换成电脉冲，送入微控制器的计数端口进行计数[4-5].

在机械式电能表的铝盘上某一位置作黑色记号，利用光亮的铝盘对光有反射作用，而黑色部分对光没有反射作用的原理将铝盘转动一周转换成一个电脉冲输出.当光亮的铝盘转动至发光二极管的发射孔时，光通过铝盘反射至光敏三极管，光敏三极管通过电流，从而使CD4093的输出V0；当铝盘中的黑色记号转至发光二极管的发射时，光线被黑色记号吸收，无法透过光敏三极管，导致输出V0=0.这样表盘转动一周光电传感器就输出一个电脉冲.表盘不停地旋转，光电传感器就输出脉冲序列，该脉冲序列送至微控制器的计数端就可以实现对铝盘转数的计数.光电传感器转换原理见图2.

图2 光电传感器转换原理图Fig.2 Conversion principle of photoelectric sensor

机械式电能表电能量采集基本结构见图3.

图3 机械式电能表电能量采集基本结构图Fig.3 Basic structure of electric energy harvesting of mechanical energy meter

2）主控电路.微控制器选择美国ATMEL公司生产的AT89C2051芯片，该芯片主要完成对脉冲序列的计数，并将统计出来的脉冲数转换为电能量存储在存储器中.

电能表智能化改造主控芯片AT89C2051及外围电路设计见图4.光电传感器的电脉冲输出信号输入至AT89C2051的P3.4端（T0），即计数器0外部输入端，由微控制器完成对电脉冲的计数，并将电脉冲转换成电能量存储在电量存储器中.VCC端需要的+5V直流电源由220V交流电提供，晶体振荡电路提供12MHz的时钟信号供单片机时钟输入.

3）电源模块.一个性能稳定的电源是采集模块稳定、准确工作的前提[6].电能表数据采集模块的主控芯片和外围电路所需的电源都是+5V，该电源可以直接由电力线上的220V电压经过降压、整流、稳压等一系列处理后获得.

采集模块电源电路见图5.电路提供+5V的直流电源.LED指示灯用于显示供应的直流电源是否工作正常；集成稳压器7805用于输出+5V，其中的C1和C2、C3和C4分别为输入端和输出端滤波电容，R1为负载电阻.

图4 电能表数据采集模块主控电路设计图Fig.4 Main control circuit design of energy meter data acquisition module

图5 电源电路设计图Fig.5 The power supply circuit design

4）电量存储模块.电量存储模块选择美国ATMEL公司生产的低功耗，可重复擦写串行数据存储器AT93C46芯片.该芯片采用串行EEPROM方式，与并行EEPROM相比，接线简单，大量节省了传输线，也节约了印制板面积.

AT93C46存储器与主控电路之间的数据交换是通过串行时钟线SK、串行数据输入线Dl、串行数据输出线DO这三条串行总线和CS片选端来实现的.AT93C46与单片机之间的硬件逻辑接口连接电路见图4.通过AT89C2051的P1.0端控制存储器片选CS，P1.1端接串行时钟端SK，P1.2端接串行数据输入端DI，P1.3端接串行数据输出端DO.AT93C46存储器的数据传送时序通过AT89C2051单片机编程来模拟实现，存储器中数据的读取或写入通过Pl口来传送.

在反复调试过程中发现，要做到对AT93C46存储器中的数据进行正确的读写，要注意以下两点：一是设计的硬件逻辑接口电路要符合串行数据传送模式；二是AT93C46存储器的总线数据传送时序要通过单片机的软件来模拟实现.

5）红外收发模块.红外收发模块选择ZiLOG公司生产的红外收发芯片ZHX1010，该芯片符合Ir-DA SIR串行红外通信协议,通过串口和使能控制端实现与微控制器的连接.红外收发模块电路设计见图6.直流电源通过一个外接限流电阻给LEDA端提供工作电流.P3.1口控制收发器数据的发送，当收发器接收到数据时，数据经过P3.0口输入到微控制器中进行处理.

图6 红外收发模块电路连接图Fig.6 Circuit connection of infrared transceiver module

3 电能表智能化改造性能测试

电能表数据采集模块组装调试正常后，为了验证电能表智能化改造设计的合理性，检测其技术性能，需要对改造后的电能表进行准确性和稳定性测试.测试以5个用户电能表用电量数据为实验对象，表1是部分测试数据，表中电能表实际显示和电能表数据采集模块显示这两列中的两个数据之间的时间差是半个月.

根据国家对仪器仪表测量准确度等级的划分标准规定，一般工业用仪器仪表的最大测量误差有1%、1.5%、2.5%、4.0%几种.测试结果表明，经过改造后的电能表测量准确度最大误差控制在4%以内，满足设计要求.

4 结束语

本文是结合农村电网实际情况而提出的，重点阐述如何利用现有的机械式电能表进行智能化改造，以实现自动化抄表.

经过改造后的电能表比直接购买智能式电能表投资成本低、耐用、性能稳定.利用现有的电能表进行改造的作法，对于提高农村居民用电数据采集效率具有积极的现实意义与经济效益.

表1 电能表改造准确性测试部分实验数据Tab.1 Some experimental data of watt-hour meter transformation accuracy test

[1]朱敬涛.基于电能芯片ADE7758的三相多功能工业电能表的研究[D].天津：天津大学,2007.

[2]褚大华.电子式电能表[M].北京：中国电力出版社,2009：61-67.

[3]纪振平,张晓杰,蔡煦春.智能电度表的研制[J].微计算机信息,2004(1)：55-56.

[4]闫海明.利用感应型电度表实现分时计度电能的方法[J].中国仪器仪表,2003(7)：37-40.

[5]杨惠.无线传感器网络技术的研究与应用[J].自动化与仪器仪表,2010(3)：62-64.

[6]戴松新.远程集中式自动抄表系统研究[D].南京：南京林业大学,2006.