1、智能电表及其发展简介,传统机械表,智能电表,电能表发展历史,机械表,简单电子表,电子多功能表,智能电表,功能单一简单计量,功能简单简单计量 支持滚轮显示支持LCD显示,计量(14个费率,8个通道,支持累计值和增量值)TOU电能量TOU最大需量TOU最大需量发生时间负荷曲线(通道和时间间隔任意设置,且每个通道具有状态) 遥测值电流,电压,功率,功率因数,频率 事件记录(正常) PQM事件记录(失压,过压,电流.电压不平衡) PQM状态报警(失压,过压,电流.电压不平衡) LCD显示显示项目可以配置通过按钮可以上下翻页 Harmonic 分析 时钟(广播对时和读取) 安全(三级密码保护+硬件保护)
2、 窃电报警 通讯（RS485,网卡，拨号，GPRS,红外),更多技术和功能的混合，提供更详尽的用电信息，并具有双向通信性能 1.具备多功能表的所有功能 2.带有控制功能 3.更强大的通讯功能(双向通讯) 4.和电器间的交互 5.支持CIM(future),电能表分级,居民表,工商业电能表,关口表,精度 2级 1element,精度 1 级，0.5级 2 (3)element,精度 0.2 S，0.5级 2 (3)element,使用分级,标准分级,ANSI 美洲,IEC 欧洲,什么叫智能电表？,智能电表就是通过RS485数据传输、终端计算机软件管理能进行远程控制的计量电量的计量设备。能无费自动
3、断电、定时断送电、学生公寓恶性负载识别等功能。 智能电表外观虽与普通电表相差无几，却具有强大的数据记录和储存功能，能实现客户信息全时段全方位采集。与以往电能表相比，智能电表新增了计量信息管理、用电信息管理、电费记账、用电量监控等新功能。其中，强大的负荷曲线功能，对普通的居民用户来说，能提供两个月以上、间隔不超过15分钟的负荷记录，以指导用户自行规划和控制电费支出，最大程度节省电费。,智能电表分类,从目前来说智能电表有二种形式，一种是用IC卡的另一种是能远程控制的。,DDS208-A型单相简单电子式电能表计度器型,功能概述： DDS208-A型单相电子式电能表能精确地计量单相有功总电能，反向电能
4、计入总电能。电能表采用防磁止逆计度器显示当前电能。可用于计量频率为50Hz单相交流有功电能。电能表采用专用大规模集成电路作为核心器件，具有外围元件少、结构简单、可靠性高并具有真正防窃电、高倍过载、高精度、高稳定性、低功耗、长寿命等优点。 该产品性能指标符合国标GB/T17215-20021级和2级静止式交流有功电能表要求,产品特点： 1、计量单相有功总电能； 2、反向电能计入总电能； 3、计度器显示总有功电能示数； 4、计度器具备防强磁，止逆功能，有效防止窃电行为。 5、可选配RS485通讯接口。 6、可选通断电功能,DDS208-A型单相电子式电能表液晶型,产品概述： DDS208-A型单相
5、电子式电能表能精确地计量单相有功总电能，反向电能计入总电能。电能表采用LCD显示当前电能。可用于计量频率为50Hz单相交流有功电能。电能表采用专用大规模集成电路作为核心器件，具有外围元件少、结构简单、可靠性高并具有真正防窃电、高倍过载、高精度、高稳定性、低功耗、长寿命等优点。,功能描述： 1、计量单相有功总累计电能； 2、反向电能计入总累计电能； 3、高质量液晶显示，可选择背光功能 4、软时钟功能和结算功能可选择，可实现最近12个月结算电量记录和最近10天零点的冻结数据。 5、具备RS485通讯接口和远红外通讯接口 6、可选通断电功能,工作原理框图,内部芯片介绍,MCU：瑞萨公司的超低功耗高性
6、能16位单片机R5R0C002（ROM:16K,RAM:1K,2个8位定时器，1个16位定时器，2个串口）计量芯片：ADI公司的高可靠性专用计量芯片ADE7755液晶：农网新液晶液晶驱动：ROHM（9792）RS485：MAXIM公司的（MAX3085EESA）存储器：EEPROM存储器AT24C04,DDZY208型单相费控智能电能表,功能说明： DDZY208型单相费控智能电能表能够精确地计量正向有功电能、反向有功电能，且可以实现分时计费的功能。电能表采用液晶显示，具有红外和RS485通讯接口，并可根据用户的用电情况，进行通断电控制。同时它采用高安全性的接触式CPU卡，并内置ESAM安全模
7、块，可以实现本地费控功能。本仪表为采用先进的超低功耗大规模集成电路技术及SMT工艺制造的高新技术产品，关键元器件选用国际知名品牌的长寿命器件，提高了产品的可靠性和使用寿命。,产品特点： 具有正向、反向有功电能量计量功能，并可以据此设置组合有功电能量。 具有分时计量功能。 支持日冻结、月冻结、整点冻结、定时冻结、瞬时冻结、约定冻结多种冻结方式。 能够精确测量电压、电流、有功功率、功率因数、频率。 费率和时段：支持尖、峰、平、谷四费率；全年最多可设6个时区；24小时内最多可设12个时段；支持公休日的设置；节假日最多可设14个；具有两套可以任意编程的费率和时段，并可在设定的时间点启用另一套费率和时段
8、。 阶梯：最多可划分四级阶梯；具有两套阶梯值和阶梯电价，并可在设置时间点启用另一套阶梯值和阶梯电价；支持分时和阶梯相互结合。 具备2路独立的红外和 RS485通讯接口，通讯规约符合DL/T645-2007及其备案文件。 支持本地费控功能：当用户欠费时电能表自动跳闸，给用户断电；当用户通过CPU卡充值后，电能表允许用户合闸，由用户人工恢复供电。 支持远程控制功能：由远程发送跳合闸命令，对用户进行通断电控制，远程控制优先级高于本地。 事件记录：分别记录最近10次编程、校时、开表盖、跳闸、合闸、事件清零、电表清零、充值的相关数据,结构功能框图,表内芯片介绍,MCU：瑞萨公司的超低功耗高性能16位单片
9、R5R0C028FA计量芯片：CS5464液晶：国网新液晶液晶驱动：ROHM公司的低功耗芯片BU9792FUVRS485：TI公司的SN65HVD3082继电器：浙江中孚电子有限公司的ZF618-C60A存储器：EEPROM存储器AT24C64时钟芯片：EPSON公司的RX8025T锂电池：OmniCel公司的ER14250读卡模块： ESAM模块：,手持红外终端,红外手持抄表器。通过红外进行电表出厂前的预设，抄表，设置电表参数。,自动抄表AMR发展,CopyrightThe copyright in this work is vested in GE Harris Energy Contro
10、l Systems UK Limited and the document is issued in confidence for the purpose only for which it is supplied. It must not be reproduced in whole or in part or used for tendering or manufacturing purposes except under an agreement or with the consent in writing of GE Harris Energy Control Systems UK L
11、imited and then only on the condition that this notice is included in any such reproduction. No information as to the contents or subject matter of this document or any part thereof arising directly or indirectly therefrom shall be given orally or in writing or communicated in any manner whatsoever
12、to any third party being an individual firm or company or any employee there of without the prior consent in writing of GE Harris Energy Control Systems UK Limited. Copyright GE Harris Energy Control Systems UK Limited 1999. Proprietary and Trade Secret. Published Only in a Limited, Copyright Sense.
13、 All rights, Including Trade Secret Rights, Reserved,自动抄表(Automatic Meter Reading-AMR),AMR发展状况,自动表计采集,传统采集 人工抄表,半自动化采集 HHU 红外抄表,自动化采集 AMR,不精确，费时费力,自动化程度高，采集容易受到外界干扰，过分依赖于HHU,且依然费资源,省力，省成本 精确度高 完全依赖于通讯,AMR系统分类,低压抄表管理系统,配变及负控管理系统,变电站电能量管理系统,AMR采集分类,低压抄表管理系统 低压用户包含普通居民用户、商业用户、动力用户等。 低压用户是发、输、变、配、用电的最后一
14、个环节，是整个系统的重要组成部分，本系统主要实现了低压用户端的电能数据采集、电量计算分析、线损计算分析、用电控制、告警监测、窃电分析、后台管理、业务管理、付费管理、统计分析、电表分布图等功能。 上层数据主要来源于配变监测分系统以及变电站分系统提供的数据接口。 数据采集支持各种电表，机械表、机电一体表、多功能电子电表等，支持多种规约，如DL/T 645电表规约、威胜表规约，以及市面流行的其他电表规约。通过本系统的配置程序，将其它规约录入规约库，实现多种采集设备的集成，节省了项目改造中更换大量采集设备的费用。本系统支持多种通信方式：以太网、电力线载波、GPRS、 CDMA、红外、232、485串口
15、通讯等方式，可通过手机短信实现对远程设备的控制和部分数据采集。 线损分析采用多种分析检测方法，分区域、分相、分时、分总表、同期线损分析，可以发现用电异常现象，防止用户的违规操作以及发 生危险。 告警监测可以设定各种参数，对某些用电异常情况进行告警，提高服务质量。 低压抄表后台系统包括任务调度机与前置机，实现采集和计算任务处理的集群化管理。 业务管理主要对用户的装表、拆表、换表的业务操作。 付费管理实现电量结算，付款等业务。 电表分布图提供了所见即所得的设备管理方式，通过软件界面的图形化表示方法，可快速定位用户的地理位置，用户操作方便简单。,AMR采集分类,低压抄表管理系统拓扑图,AMR采集分类
16、,配变及负控管理系统 主要实现了对大用户的负荷控制和配变监测，以及各种告警检测和线路损耗分析。 系统主要包括控制管理、告警管理、后台管理、数据采集、线损分析、统计分析、负荷预测、资源管理等功能。 控制管理包含自动控制，方案控制，剔除控制等多种灵活的控制方式，具备很强的负荷控制能力，用户可根据自己的需要自己灵活定制。 控制管理系统的后台包括前置机和调度服务器，除了支持负控、配变系统外，还支持其它分系统。前置机主要实现数据的采集，参数下发，配变监测，告警管理等与底层终端的有通信的功能以及部分业务功能（如线损分析），调度服务器主要是为了实现集群化的管理，将电量采集和计算统计任务动态分配给前置机，保证
17、了系统负荷的均衡负载。 举例说明，当系统大量增加集中器、采集器电表等设备后，导致前置机负荷增加， 这时系统可以增加一台前置机，此时，任务调度机就可以将任务均衡到新增的前置机上， 减少原有前置机的负担，系统整体性能得到提高。 数据采集支持2004负控规约，并可扩充到多种规约。支持多种通讯方式。 线损分析采用数据挖掘方法，可以得到用电异常现象， 防止窃电及其他违约行为，丰富的统计分析报表、图表等可为电力公司及用电管理部门提供决策依据。 负荷预测提供了多种预测模型供用户选择，有灰度模型、一元线性回归、神经网络等，可以从时间、空间、行业等角度进行预测，是领导决策的有力工具。,AMR采集分类,配变及负控
18、管理系统拓扑图,AMR采集分类,变电站电能量管理系统 主要实现了对变电站设备的管理、告警监测、关口表的数据采集、线路损耗分析 及负荷预测。 系统主要包括告警管理、后台管理、数据采集、线损分析、统计分析、负荷预测、设备管理等功能。 后台包括 实现前置机和任务调度机，前置机主要实现数据的采集，参数下发，任务及性能监测， 告警管理等与底层终端的有通信的功能以及部分业务功能（如线损分析）， 任务调度机主要是为了实现集群化的管理，将任务的动态分配给前置机， 保证了系统负荷的均衡负载。数据采集支持多种规约比如DL/T 645规约(解释)、102规约(解释)、负控规约，支持多种通信方式Ethernet、GP
19、RS、 CDMA、串口等。线损分析采用数据挖掘方法，可以得到用电异常现象， 防止窃电及其他违约行为，丰富的统计分析报表、图表等可为电力公司及 用电管理部门提供决策依据。负荷预测提供了多种预测模型供用户选择， 有灰度模型、一元线性回归、神经网络等，可以从时间、空间、行业等角度进行 预测，是领导决策的有力工具。,AMR采集分类,变电站电能量管理系统拓扑图,AMR采集分类,国外采集方式,LAN,AMI MetersSmart Grid Nodes,WAN,Collector,采集系统,AMR采集分类,国外采集方式(美国),CollectorLAN Management Node/repeater r
20、egistration Tim synch Data colleee222ection Register Intrrrwwwerval Data storage Outage / Restoration notification Meter configuration management Meter flash upgrade management Event Management,AMI Meters Smart Grid NodesSelf registering Self optimizing Self healing Data measurement/storage Register
21、 Events Alarms Voltage Monitoring Outage / Restoration notification Tamper notification,Distributed Intelligence,采集系统Network Management Data Collection Meter configuration Reporting Interface to enterprise systems CIS Billing Interface to retailer systems Connect/disconnect Load control Messaging,AM
22、R采集分类,国外采集方式,AMR采集分类,国外采集方式(mesh),AMR采集分类,国外采集方式(mesh),AMR采集分类,国外采集方式(mesh),AMR采集分类,国外采集方式(mesh),智能电表构架介绍,CopyrightThe copyright in this work is vested in GE Harris Energy Control Systems UK Limited and the document is issued in confidence for the purpose only for which it is supplied. It must not b
23、e reproduced in whole or in part or used for tendering or manufacturing purposes except under an agreement or with the consent in writing of GE Harris Energy Control Systems UK Limited and then only on the condition that this notice is included in any such reproduction. No information as to the cont
24、ents or subject matter of this document or any part thereof arising directly or indirectly therefrom shall be given orally or in writing or communicated in any manner whatsoever to any third party being an individual firm or company or any employee there of without the prior consent in writing of GE
25、 Harris Energy Control Systems UK Limited. Copyright GE Harris Energy Control Systems UK Limited 1999. Proprietary and Trade Secret. Published Only in a Limited, Copyright Sense. All rights, Including Trade Secret Rights, Reserved,AMI(先进的测量架构),智能电表,AMR,AMI,Smart Grid,AMI(先进的测量架构),1.基于AMR 和智能电表 2.在AM
26、R的基础上实现以下应用功能：实时电价直接负荷控制能源使用/最优化显示负荷监视/分类计量- 远方接入/隔离- 停电检测和隔离/用户故障呼叫管理需量水平安全性监视远方家庭控制远方设备诊断,AMI(先进的测量架构),AMI(先进的测量架构),基于智能电表的线损在线分析,基于智能电表的线损在线分析是近几年随着智能电表的推广而发展起来的新兴技术。 目前文献资料较少，有些应用先例如下。,基于智能电表的线损分析,基于智能电表的线损分析,基于智能电表的线损分析,基于智能电表的线损分析,单相智能电表设计方案,设计要求回顾系统硬件实现系统软件架构结论,内容简介,国网新规约单相表设计特点,基本计量功能增加 计量正反
27、向有功电量 测量线路电压、相线电流、零线电流、有功功率，甚至还有功率因数 费控功能复杂 支持IC卡本地费控或载波远程费控 支持时段电价或阶梯电价 增加ESAM芯片保证费控部分的数据安全性 多种抄表通讯模式 红外，RS485和电力线载波 外壳模具统一 液晶屏、LED指示灯、按键、红外抄表和嵌入式载波通讯模块安装位置完全固定。 电子线路布局布线的灵活性受到极大限制 功能庞杂 除电量计量外增加了大量的管理功能,选择带片上LCD的MCU？ MCU上需要太多的LCD引脚连接，印版布线非常麻烦 不合理的布局布线容易造成整体EMC和ESD性能降低 缺乏后续系统扩充或移植的灵活性5V芯片大大方便系统设计 计量
28、芯片、载波模块都要求5V接口MCU要有足够的程序和数据空间 配以丰富的外设模块由此，MCU应该是： 8位内核，5V接口 52或更多引脚封装 60K或更多Flash 2K或更多RAM 无需片上LCD驱动 足够的片上串行通讯口 足够的片上定时器,国网单相表系统硬件框图,8-bit MCU 60KB Flash 2KB RAM 64-LQFP,CS5464 计量,脉冲,方向,RS485,RX,TX,EEPROM,IIC,TPM,GPIO,SCI,IIC/ GPIO,红外,RX,38KHz,+5V,GND,RTC 8025T,TPM,电池,ADC,告警,GPIO,GPIO,时钟标定,电源,+5V,GN
29、D,掉电,GPIO,开关检测,ADC,继电器,电量指示,跳闸,PLC,RX,TX,+12V,+5V,CPU/RF 卡,ISO7816 x2,时钟,SCI,TPM,片外LCD驱动 (IIC),ESAM,+,SPI,PCB模块组成,主板主电源, CPU, 开关按键, 时钟, 数据存储器, ESAM, PLC/485抄表,计量板计量电路 电源控制继电器,显示板液晶显示 状态LED, 红外抄表,IC卡扩展预付费IC卡,4块印刷线路板模块化结构,电源设计,电源设计要点,MCU主板和前端计量板直接共地! 简化CS5464信号连接，不然需要7-8个光藕隔离 提高CS5464 SPI的通讯速度(接近2M) 交
30、流供电和电池供电通过简单的二极管通路切换 交流供电时，7805输出的5V一路直接供给无需电池备份工作的电路；另一路由D2供给其它需要电池备份工作的电路，此路电压为4.3V。 电池供电时，电池电压通过D1和QP1组合供电给MCU, LCD, EEPROM和RTC。QP1的作用是消除D1上的导通压降损失。交流掉电检测 对交流整流滤波后的直流电压用最简单的电阻分压取样 取样电压直接送至单片机的ADC模块进行掉电检测 基于单片机ADC模块的硬件自动比较功能，软件零开销 电池电压检测 用分压电阻取样电池电压(1/2 Vbat)，送单片机ADC实测电压值 取样电路由单独的MCU引脚控制，保证绝大部分时间取
31、样电阻不消耗电池电源省去了一般设计用于掉电检测和电池检测的电压比较器,实时时钟,RX8025T，MCU通过I2C总线控制，读取时钟参数 配置输出秒信号，经光耦输出后用于外部校时 秒信号输出和其他功能输出复用，由MCU软件控制 秒信号直接输入至单片机的一路TPM通道进行捕捉，实现单片机自身内部时钟的频率校准,数据存储,64K字节EEPROM为主 可改换其他小容量的芯片 电池备份工作附设2M字节串行Flash扩充 Flash由3.6V输出的LDO供电，和4.3V工作的MCU间无需额外电平转换 无电池备份工作,液晶显示,液晶驱动芯片为BU9792 I2C总线控制 最多144段驱动 电池备份工作灵活的
32、对比度控制 交流供电时，MCU实测自身VDD后通过一路PWM输出可调电压，动态调整对比度 电池供电时，PWM输出改为数字IO输出，和另一路IO联合调整对比度，满足2.8-3.6V范围的对比度要求背光控制 由MCU IO控制实现,电量计量,计量部分要点,采用 Cirrus Logic 公司的 CS5464 为计量芯片 提供一路电压和两路电流的实时测量 正反向电量计量MCU通过SPI总线对芯片进行配置和数据读取 电流电压功率为寄存器直读 通过SPI通讯获取 电量计量信号为数字输出 电量脉冲 MCU中断捕获并计数 电量方向 MCU查询MCU软件配合实现软件校表 电流和电压的零偏校准 两路电流的增益匹
33、配 电流电压功率的读数标定 电量脉冲的输出频率,ESAM和IC卡接口,ESAM位于主控板上 ISO-7816双向数据由MCU的一路TPM通道模拟实现 1-5MHz时钟由MCU直接控制提供 MCU有可编程时钟输出功能 ESAM电路电源可控IC卡部分设计为外扩连接端子 提供5V供电电压 提供全双工的串行通讯TX/RX接口，由MCU的TPM通道模拟实现 提供1-5MHz时钟信号 另外提供3个普通IO信号注：由于MCU部分没有和电网隔离，为安全起见，IC卡读卡电路需要考虑和MCU电气隔离。上面提供的各类电气信号能完全满足实现这一隔离要求。,RS485通讯,RS485通讯 支持最高速率19200bps
34、适当提高光耦的驱动电流以满足高速数据传输 TX/RX由MCU的一个SCI模块驱动,红外通讯,红外抄表通讯 支持1200/2400 bps 由MCU的TPM通道模拟实现 红外发送用TPM的PWM功能直接输出38KHz载波对数据位进行调制 红外接收则由AT138进行红外解调后由TPM的捕捉/比较功能实现串行数据接收,载波通讯,载波通讯 提供载波模块插槽 MCU提供/处理载波模块所属的全部数据信号 实现MCU和载波模块之间的9600bps串行通信 基于片上硬件SCI模块,按键和开盖检测,提供两个按键输入检测 提供两个开盖信号检测防静电设计 低功耗考虑 低电平由MCU控制驱动 只在检测瞬间消耗少许电流
35、 电池备份工作时维持检测,系统软件实现框图,主控模块 任务调度,电量计量,预付费,显示驱动,时钟模块,645规约 抄表,数据存储,红外 通讯驱动,RS485 通讯驱动,载波 通讯驱动,按键开关 检测,底层 I2C驱动,ESAMIC卡 驱动,软件编程实现要点,MCU基于片内时钟工作 用RTC秒信号实时标定，保证大批量长时间的稳定性和一致性充分利用片内所有的RAM空间，任务运行采用内存动态分配 只在需要时申请内存块，用完即返还 避免任务死占内存，提高内存使用效率事件驱动，多任务协调： 基于分时轮循和状态机控制的多任务处理 确保任务运行无阻塞 能够实现任务的动态建立和删除 针对偶发运行的任务，例如：
36、抄表，读卡，电池电压检测等 避免过多的轮循，集中MCU的处理能力运行关键任务电池备份工作时MCU进入低功耗休眠模式 由实时计数器定时唤醒，唤醒间隔可编程 唤醒后进行交流供电、按键开关和电池电压等状态检测 平均功耗 7uA附带Boot-loader功能，通过RS485可以在线升级软件 仅适用于调试目的C语言编程,结论,60KB Flash,2KB RAM的8位单片机基本满足目前国网单相表主流型号的设计 同时具备引脚和内核完全兼容的型号，方便设计向上升级充分合理地利用MCU固有片上资源可以简化系统设计，降低系统成本功能完善的参考设计方案可以大大加快客户产品化的设计进程,飞思卡尔系列产品 - 9S0
37、8MZ60/96/128，针对国网单相表设计,2.75.5V / -4085工作范围 MZ系列产品引脚兼容,内核 & 内存,MZ60/96/128,S08 Core / 20MHz,Flash 60/96/128KB,RAM 2/6/8KB,时钟管理,内部时钟发生器 (ICG),8-bit Peripheral Bus,电源管理,Voltage Regulator,Power-On Reset,Brown-Out Detector,模拟模块,16-ch 8-bit ADC,串行通讯,I/O 端口,BDM,定时器 & 触发,16-bit Timer (2ch) ( x2 ),COP,16-bit Timer (6ch) ( x1 ),Real-Time Interrupt (RTI),CRC,44 LQFP, 64 LQFP,SCI ( x2 ),SPI ( x1 ),Reset Pin,多至 54 GPIO,
