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基于Cortex-M3智能电量计费器系统

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：黄卓伦

[导读] 【摘要】通过调查社会需求，我们可以发现智能电表是以后的发展趋势，它即能够方便实现与上位机通信来实现统一管理，又能直观地提醒你要节约用电，提倡环保用电。

        (深圳市龙岗区第二职业技术学校)
        【摘要】通过调查社会需求，我们可以发现智能电表是以后的发展趋势，它即能够方便实现与上位机通信来实现统一管理，又能直观地提醒你要节约用电，提倡环保用电。智能电表是由传统电能表逐步发展起来的，它在智能电网中是重要的智能终端。智能电表功能的扩充使得智能电表除了具有了双向计量的基本功能以外，还具有分时分类计量、双向通信、多种控制的功能。智能电表的大量使用将会使得智能电网的节能、高效、安全的性能得到更充分的体现。
        关键词：电量采样;电量计费;Cortex-M3单片机;ID卡
        一、基于Cortex-M3智能电量计费器系统特点
        本课题“基于Cortex-M3单片机智能电量计费器”分为存储部分、采样部分、读卡部分、人机交换部分、时钟模块、数据存储部分和数据处理部分。核心处理部分是采用Cortex-M3单片机，实现系统的精致化，其主要功能是可以独立地完成电能数据的采集和处理等工作，保证不丢失电能原始数据，系统通过在采集处理及传输等环节采用相应的技术来保证数据的完整性。将采集到的电能数据的合法处理，能同时反映和传递到其他用户，体现统一性和公平性。
        基于Cortex-M3智能电量计费器是一个相对独立的系统，它与其它系统功能正常与否关系不大，其主要功能是可以独立地完成电能数据的采集和处理等工作，并确保电能数据的准确、完整与可靠，因此电能计费系统必须具有以下特点：
        （1）完整性:由于电能数据具有累加性和传递性的特点，任何情况下保证不能丢失电能原始数据，系统通过在采集处理及传输等环节采用相应的技术来保证数据的完整性。
        （2）一致性:电能系统的用户有很多，来自不同的部门和单位，任何时刻任何用户所面对和处理的电能数据应该完全一致，既任何一个对电能数据的合法处理，能同时反映和传递到其他用户，体现统一性和公平性。
        （3）同时性:由于电力市场中买卖各方的电能交易同时进行，同时完成，电能的统计时段和结算费率的设定也是以时钟为基准进行的，因而整个系统具备统一的标准时钟系统，保证各个计量点在同一时刻完成电能的计量及电能数据的带时标的存储。
        （4）及时性:根据不同电力市场运营的要求，对电能数据的累加和处理根据实际要求做到准实时，对于现货交易的电力市场则对电能数据的传输和统计周期有较高要求。
        （5）灵活性:电量计费系统在数据采集与传输、数据保存和利用等方面有很大的灵活性，能在不同应用场合和功能要求的情况下灵活统计。
        （6）安全性:系统的电能原始数据不能删除，电能计量和结算模型也只用在授权许可下才能修改，完善的保安措施，不同等级的用户，设立相应的访问权限，保证电能计量的合法性和严肃性。
        （7）开放性:一个电能量计量系统涉及到多个不同的厂站，可能会采用不同的电能表计和不同的电能数据采集装置，以不同的数据通信规约向主站系统传送数据，主站系统用户也可能会以不同的方式接入系统，或采用不同的应用环境实现不同的应用功能，这就要求系统在数据采集，传输和数据处理及应用等多个环节有良好的开放性，采用当今流行的各类技术标准，以适应不同用户和应用环境的要求,这样就能保证电能数据的开放性。
        二、设计目标
        1、应用场合和档次
        电量计费控制器应用在电量计费系统的前端数据采集，设计目标主要面向中小型企业单位和学校等用户的中小型电量计费系统。产品设计定位在中低端档次，设计的总原则是性价比高。
        2、智能电量计费器控制功能
        可以计算220V交流市电的有功电能使用量。
        实时数据保存，保证断电数据不丢失。
        感应卡取电和计费。
        IC卡交款充值，刷卡供电。
        实用性，可以方便使用在中小型电量计费场合。
        准确性，保证计费算法的公平、公正和公开
        3、智能电量计费器技术参数
        本课题研究一种实用型单相电子式射频卡预付费控电器，它采用高精度、高可靠性、电子电能表集成电路，结合预付费处理电子模块而成，用以计量频率为50Hz的单相交流有功电能，采用IC卡技术和SMT工艺，具有计量准确、精度稳定、安全保密、性能可靠、功能齐全、低功耗、操作简单方便等优点，是改革用电体制、实现用电商品化的理想产品。
        当剩余电量为零时，自动断电，必须再次持卡交费购电，才可以恢复用电。
        准确度等级：1.0级
        基本电流Ib（额定最大电流Imax）：2.5（10）A、2.5（20）A、5（20）A
        电量常数：1600 imp/KWh
        参比电压：220V
        参比频率：50Hz
        工作电压范围：AC 220±20%V
        功耗：<2W
        工作条件：环境温度-25 ～ +70℃，相对湿度不超过85%（+25℃）
        断电情况下表内数据可保存100年
        M1射频卡刷卡次数10万次以上
        绝缘：所有线路对壳间能经受波形为1.2/50μs，峰值为6KV的脉冲电压，在相同极性下冲击10次，不出现电弧放电和击穿现象。线路对地绝缘经受频率为50Hz的实际正弦波形的交流电压2KV历时一分钟的试验不击穿。
        4、设计原则和框图
        设计原则：
        以公平、公正、公开的原则实现电量的自动化结算。
        对器件选型贯彻现实性、先进性、经济性及统一性的原则。
        保证整个系统的完整性、可靠性、可用性、可维护性、准确性，并便于以后升级扩展。
        符合DL/T448-2000《电能计量装置技术管理规程》。
        智能专用电子芯片设计，科学考虑芯片性能和使用需求。
        设计框图如图2.1所示。

                                     系统结构框图
        三、结语与展望
        当前,全国电力供需矛盾突出,加强电力需求管理,控制不合理用电也是节约。实现电力需求管理和综合电力资管理,是电力供应发展的方向。新型智能电能表不仅能现电能计量、还能实现电能控制。当电力充足时,可复费电计量,降低电价,鼓励用电;电力供用紧张时,可限制用电或止供电,提高电价,保证重点用电需求。现在我国城镇通讯络已比较完备,并已延伸到各个角落,应用新型集中式智能电能构建智能电能管理系统,并结合通讯网络技术,建立电能计，用电负荷控制系统,实现电力供需平衡,保证网安全有着广阔的应用前景,也为实现电力需求侧管理提了一条新途径。
        参考文献:
        [1]康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，2006.1.
        [2]牛昱光.单片机原理与接口.北京：电子工业版社，2008.2.
        [3]王利强，电路CAD-Protel DXP 2004电路设计与实践.天津：天津大学出版社，2008.8.
        [4]李维缇，郭强编著.液晶显示应用技术.北京：电子工业出版社，2001.7.
        [5] AD7755中文资料.
        [6]ARM嵌入式C编程标准教程   主编：侯殿有人民邮电出版社 2010.7.
        作者简介：黄卓伦（1990.8），性别男，籍贯(广东省兴宁市)，单位：深圳市龙岗区第二职业技术学校，研究方向：自动控制。