基于智能卡的远程费控电能表的设计与应用研究

钟雯倩

(贵州电网有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

电力行业作为我国经济发展中不可或缺的行业，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[1]。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[2]。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[3]，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[4]。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[5]。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，可以记录最近发生的失压、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(narrow band internet of things，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[6]。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-shift keying，PSK)调制方式[7]，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3.75 kHz的子载波间隔，将传输速率设置在160 kbit/s到200 kbit/s之间。该网络主要是基于4G LTE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[8-9]。NB-IoT物联网平台的架构如图1所示。

图1 NB-IoT物联网平台的架构

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(narrow band，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。

表1 NB功能参数

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。

图2 远程费控电能表基本硬件架构

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[10]。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2.5 mA的电流幅值，因此通过该采样电路可将5 A电流转换成2.5 mA的电流，完成电流-电压的转换目的。

图3 远程费控电能表电流采样电路原理图

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[11]。芯片的正常模式、省电模式和低功耗模式完全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-0.5～0.5 V，晶振频率为16.4 MHz。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。

图4 计量芯片的基本电路原理图

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[12]，接收频率保持在869～894 MHz，发送频率的范围为824～849 MHz，该模组可扩展串口、内置芯片式用户身份识别(embedded subscriber identity module，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(static random-access memory，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。

图5 降压稳压电路设计原理图

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(subscriber identity module，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6 mm×5 mm，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完全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。

图6 远程费控电能表的软件架构

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个象限量之和，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报警金额，电能表的LCD屏会显示或者报警灯亮起，提醒用户续缴电费。

图7 计量子程序的流程

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。

图8 通信子程序设计流程图

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。

表2 功能实验项目测试表

最终，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 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；在符合国家标准与规范的条件下，满足运行需求。

图9 远程费控电能表的系统框架图