欢迎来到湖南科达瑞智能科技有限公司

首页 >> 行业资讯 >>行业动态 >> 新一代国网智能电表开发技术的演化进程——《中国智能电表的缘起、发展与期望(第三部分:中集)》
详细内容

新一代国网智能电表开发技术的演化进程——《中国智能电表的缘起、发展与期望(第三部分:中集)》

 张春晖 中国现代电网量测技术

新一代国网智能电表开发技术的演化进程——《中国智能电表的缘起、发展与期望(第三部分:中集)》

 

中国现代电网量测技术平台

张春晖

 

2019619

 

201968日,本文作者发表系列文稿《中国智能电表的缘起、发展与期望(第三部分:上集)》

 

四、新一代国网智能电表开发技术的演化进程

 

1、从国网”双芯”智能电表设计方案说起

 

(待续)

 

2019619日,将发表(续一):本系列文稿(第三部分:中集)

 

2、国网”双芯”智能电表设计技术的演化与整机两类设计方案

 

12016年,国网:在国内,首次发布《基于IR46理念的”双芯”智能电表设计方案》,并提出”双芯”智能电表架构设计模式:

 

1)”双芯”智能电表的架构设计分为两部分:

 

第一部分(计量芯),包括:电压、电流采样、计量芯片、计量MCU、存储器1RTC、时钟电池、超级电容、通信模块(RS485)等。(计量芯)独立运行,法制认证,不允许软件升级。

 

第二部分(管理芯),包括管理MCU、停电电池、卡/ESAM、显示、存储器2、负控、通信(包括:红外、RS485、上下行模块)等。(管理芯)软件允许升级。

 

”双芯”之间通过SPI接口进行数据交换,(管理芯)的故障不影响(计量芯)的运行。

 

2)基本功能划分

 

(计量芯)作为基表,主要承担电能计量任务,同时具备瞬时量测量、数据存储、脉冲指示、(全失压、电源异常事件检测)、故障上报等功能,并具备独立RS485通信接口,用于法制数据的溯源。

 

(管理芯)承担整表的管理任务,主要包括:数据冻结、需量计算、结算电量、费控、显示、对外通信、事件记录、负荷控制、软件在线升级等任务。

 

 两部分功能模块之间只有唯一通信通道进行数据交换。

 

3)”双芯”电表功能划分总则

 

(计量芯)功能要求未来长期保持不变,没有远程升级程序的需求。

 

(管理芯)功能随着用电市场放开,存在多元化管理需求,可通过远程升级程序的方式,进行(管理芯)功能升级。

 

(管理芯)涉及收费的功能,可通过(计量芯)基础冻结电能进行校核。

 

(计量芯)功能简单可靠。

 

2)表计整机第一类(采用常用计量芯片)设计方案

 

由浙江省电力公司负责研制的基于IR46理念的”双芯”智能电表是国网公司科技项目《基于IR46理念的”双芯"智能电表设计与检测技术研究》的重要组成部分。浙江电力主要承担”双芯"智能电表整表优化设计技术、软硬件配置及实现方法、非计量部分模组化设计等关键技术的研发与调试。该”双芯"智能电表的研发过程:

 

12017825日,浙江省电科院专家:《基于OIML  R46国际建议的智能电能表设计》

 

本部分内容,是对该文摘要并经编辑而成。

 

在国网:”双芯”智能电表架构设计导向下,该文提出”双芯”智能电表第一类(采用常用计量芯片)设计方案的关键技术:

 

(计量芯)部分设计

 

·计量方案设计:选用合适的A/D芯片和高精度采样单元,通过设计合理的软、硬件方案,可以提升计量准确性、宽量程、可靠性、一致性性能:

组合方式一,采用电流互感器+计量芯片,最大电流一般可以做到过载12倍,如560A

组合方式二,采用线性补偿互感器+计量芯片,可以达到最大电流是基本电流的20倍甚至100;若采用锰铜分流器,电流量程可以做得很宽,且不受磁场影响,但误差跳变较大,精度相对较低

·时钟设计:为保证时钟的准确性,时钟电源由主电源、时钟电池、超级电容三重保证;还采用硬时钟与软时钟同步执行方式

·参数保护设计:法制计量芯片,通过设定可靠的计量芯片访问权限和安全校核机制,保证计量芯片关键数据”只读”;法制计量相关参数(如电压、电流规格,脉冲常数等),只能在产品生产模式下,通过内部串口进行设置(该接口不对外开放)。在运行模式下,对法制部分只有”只读”权限

·(计量芯)故障自检:其故障信息需经(管理芯)通信接口上报

 

(管理芯)部分设计

 

·硬件设计上,”双芯”之间要做防火墙处理,即(管理芯)电源接地故障后,(计量芯)仍然正常工作

·模组化设计:通过主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来,并定义和调试各个框架之间的输入、输出链接关系,导出以功能模块为单位的算法描述;并提出”双芯”智能电表的显示、通信、负荷曲线、费控、事件等功能互相独立的设计方案,支持模块化软件升级

·软件远程升级:远程下载时,对已下载的数据进行缓存,缓存区应独立设计。下载阶段完成后,经过校核验证方可进行升级。如升级失败,要求能恢复到原来的软件;为满足软件在线升级的需要,对通信协议,需进行相应的扩展

·通信设计:采用DL/T698.45---2017面向对象的数据交换协议;通信模块可分为3层:数据接收、发送层,协议解析层,帧解析层

· ESAM保护设计:通过外部通信接口(包括红外、RS485、载波等)对内部数据的调整,需要通过ESAM加、解密处理。

·(管理芯)故障自检:其故障自检信息还有(计量芯)故障自检信息,都通过(管理芯)通信接口上报。

 

(管理芯)与(计量芯)之间采用SPI通信方式。(管理芯)作为主SPI,(计量芯)作为从SPI,传输帧格式采用DL/T698.45---2017通信协议,”双芯”接口连接方式图:(略)

 

2)补充件:2017910日,中国电科院专家:《一种基于IR46理念的智能电能表设计方案研究》。这里,将摘要叙述:

 

该文说明的”双芯”智能电表通信设计、电源设计方案,内容比较充实。

 

通信设计方案

 

·上行通信设计:

窄带(低速)电力线载波通信的通信速率已难以满足时效性较高的费控业务、高频数据采集、双向互动、软件远程升级等智能用电新需求;

”双芯”智能电表在借助原有通信信道的基础上,应配置实时性业务需求的高速/快速通信方式,如OFDM窄带(快速)电力线载波通信、国网宽带电力线载波通信、IP等通信技术。

·下行通信设计:”双芯”智能电表设置下行标准化的通信接口。下行通信模块可以兼容M---BUSZigBee、蓝牙或WiFi模块,实现与用户之间实时的双向互动,也可以满足”多表集抄”业务

·(计量芯)及其与(管理芯)的通信设计

其一,(管理芯)定时获取(计量芯)计量数据:(计量芯)与(管理芯)之间采用SPI通信方式,并制订独立的通信协议,采用主从结构进行通信。其中,(管理芯)为主站,(计量芯)为从站。通信链路的建立与解除由(管理芯)控制

其二,(计量芯)部分引出一路独立的RS485接口,是本地通信,不需组网,用于法制计量数据溯源

其三,系统主站远程召测:当主站需要从远程召测(计量芯)基础用电量数据时,可以通过抄读(管理芯)逻辑设备来抄读(计量芯)基础计量数据。

 

电源设计方案

 

·电源部分设计,应当实现”双芯”两部分的隔离

·”双芯”智能电表在工作时的主电源由电网提供,经由3个稳压模块进行电压变换后,转换为各功能模块所需的电源。稳压模块之间相互隔离,使得”双芯”两部分的电源独立,互不干扰。

·同时,为了保证停电后时钟的准确性,配置时钟电池和超级电容在停电时为RTC供电,并加入二极管,防止主电源上电后向时钟电池反向充电。

 

3)补充件:2017925日,西南交通大学、四川省电力计量中心专家:《新一代智能电能表的发展探讨》

 

本部分内容,是对该文摘要并经编辑而成。

 

该文提出:新一代智能电表发展探讨项目与以上文稿的不同点,即新增加的设计特征:

 

外形及结构设计

·做到结构件简约,底壳尺寸基本保持不变,高度进行适应修改,兼容原有表箱

·具有多通信模块热插拔功能。

 

(管理芯)通信设计

·通信模块功耗要求:上行通信模块带载能力为6W;下行模块为2.4W

·智能电表自带GPRS功能,可直接向主站传递数据,便于电力、水务、燃气、热力公司各自获取相关数据。

·目前,已有生产厂家研制出通过单张SIM卡切换通道自寻不同运营商信号的技术

·”四表集抄”:与RS---485总线相比,采用M---BUS更有优势:使用无极性双绞线,布线的拓扑结构种类更多;由于调制方式不同,带载能力也不同;可以给从机供电,提升从机自带电池的使用寿命

·”双芯”智能电表的操作系统,采用更有效的任务切换调度方式。

 

对表计测试要求:四川地区,各种地理、气候因素导致现有智能电表故障率偏高。新一代智能电表的检测技术,除按照国网规范之外,还需充分考虑表计的使用环境,针对外部条件,进行一定的补充性试验。

 

420181114日,网上报道:”双芯”智能电表在浙江挂网运行

 

该报道说明:由浙江省电力公司研发、国内首款国网新一代智能电表的设计及挂网运行情况。其所列技术设计项目与以上文稿的不同点,即新增加的设计特征:

 

挂网运行的电表,是由国际认证电能表检测实验室检测通过:符合IR46标准的”双芯”智能电表。

 

浙江电力:自建虚拟主站,考核”双芯”智能电表的计量性能、数据采集上传等传统功能。

3)表计整机第二类(采用自主研发的专用计量芯片)设计方案

 

2019425日,江阴长仪集团公司、上海贝岭公司:《符合IR46的电能表设计研究》

 

本部分内容,是对该文摘要并经编辑而成。

 

在国网:”双芯”智能电表架构设计导向下,该文提出基于自主研发专用计量芯片的”双芯”智能电表第二类设计方案。其设计特征:采用专用计量芯片,具有数据隔离、传输等多项新技术设计。

 

1)专用计量芯片:增加隔离电路,这是该设计方案的核心技术。其数据信号的隔离、传输过程:

 

电气隔离设计:在数据入和数据出之间,接入SiO2SiC的高耐压隔离电容,信号可以通过,电流无法穿过,起到电气隔离作用。

 

调制与解调过程

·输入信号包括速率为2M bps的数据信号或速率为3M bps 的时钟信号

·加密选择过程:先将要传输的数据存入数据缓存电路,同时激发随机数产生电路。所产生的随机数和加密存算法存储器中加密算法的标号相对应。假设产生的随机数为m,通过数据调制电路将这个随机数m传输到数据解调侧,经过密钥解调电路的解调,就确定解调的加密存算法存储器也用m号的加密算法进行解调

·重新调整通信频率:由于隔离电容对某几个频率的信号传输可靠性最高,加密选择过程后,信号还需要进行进一步的频率调制,即由振荡电路产生一个振荡频率f,通过PLL锁相环将这个频率锁定,并通过时钟选择电路将这个振荡频率f再次倍频或分频为f1

·数据调制:将数据缓存器中的信号,经过调制电路分别按照f1频率将原有数据进行调制,调制的同时按照序号为随机数m的加密算法进行加密,经过隔离电容传到解调侧

·数据解调:解调过程与调制过程相反,即选择约定的m加密算法和频率f1进行解调。至此,就完成了数据信号隔离、传输过程。

 

可见,在隔离电路中增加了加密和解密机制,从原理上提升表计防窃电能力。

 

2)专用计量芯片:该进了常用计量芯片中电源电路设计,其设计要点:

 

在专用计量芯片内合封一个双路的小型直流变压器,即交流电源进入专用计量芯片后,通过高频逆变电路和电感的作用,由高频变压器输出两路,各路经高频滤波电路输出直流电压V1V2V1供专用计量芯片使用,V2作为电源输出供计量MCU使用。

 

3)专用计量芯片:配置高速通信接口,扩展表计附加功能设计

 

电压、电流采样的波形信号,可以高速传输到计量MCU:由采样电阻、表内互感器等采样原件采集的电压、电流波形信号,通过专用计量芯片内的高精度ADC并经基准源对比修正后,这些速率为2M bps的完整的数据信号,再通过隔离电路、高速通信接口传输给计量MCU

 

这些采样高速数据信号,由计量MCU根据需要选择算法后,经运算,可以得到:

·电能表需要的数据;

·扩展附加功能,如需要进行非侵入式电能质量检测时,无需增加外置相应检测模块,由计量MCU经运算可以实现此附加功能

 

同时,外部晶体:一路时钟信号给专用计量芯片使用,另一路(速率为3M bps)通过高速通信接口给计量MCU,作为外部时钟源使用。

 

4)这里需要说明:目前,专用计量芯片正进入双晶圆合封技术可靠性测试阶段。由于增加了耐高压的隔离电容,需要采用特殊的工艺。前一段,已通过集成电路封合技术,即计量芯片与隔离电容进行双晶圆合封,其隔离性能和通信性能已经得到验证。但对于集成电路的双晶圆合封技术的批量可靠性和批次之间的差异化测试,仍在紧密地实验过程。估计,随着IR46标准的落地,验证工作也将基本完成。

 

4)参考件:智能电能表可靠性设计

 

2011年,浙江正泰仪器仪表公司专家:《DDZY666智能电能表可靠性设计》。这里,摘要供参考。

 

1)智能电表的早期失效与预防

 

设计引起的早期失效

制造引起的早期失效

材料引起的早期失效

 

2)智能电表可靠性设计需注意的问题

 

降额设计:使电能表的关键元器件或五金件等在工作时承受的工作应力适应低于其规定的额定值,达到降低故障率的目的。

 

热设计:减少热量产生、降低热阻、提高电性能稳定性和可靠性,延长寿命。

 

容差设计:EMC设计是最典型的容差设计。电能表的电磁兼容性是指电表内部、组件之间以及电表与其它设置之间有相互连接关系的信号的电气特性,在一定的误差范围内能够”互相容忍”,保证功能的正常实现。

 

3DDZY666系列智能电表的可靠性预计

 

国际/国内电子设备可靠性预计标准,给出了参比条件下的失效率及其环境应力

 

军标类GJB/Z 299C,国内常用,但对电能表可靠性预计有很多不太适合之处

 

 IEC62059---41是目前专门针对电能表可靠性预计的国际标准。其应力数据源来自于西门子SN29500系列标准

IEC62059---41的缺点是未考虑湿度影响。

 

成熟因子

 

特殊部件的寿命预计

 

4)智能电表的可靠性试验

 

加速寿命试验:被多数国际标准认可。它能在较短时间内对可靠性及寿命进行考核认证:

 

加速寿命试验模型的选择

 

以智能电表为例,如要分别验证10年、15年、20年可用时间,则需要保证加速试验的累计时间。累计时间表:(略)

 

5)本文点评

 

1)经过3年的研发,推出”双芯”智能电表整机两类设计方案,是电表行业首次实现IR46标准在国内落地的重要事件。其中,对计量性能防护,法制计量数据与非法制计量部分隔离的要求,提出了切实可行的”双芯”解决方案,颠覆传统智能电表一体化设计方法。

 

特别是浙江省电科院承担国网”双芯”智能电表研发项目,探索向计量产品设计方向发展的跨越。

 

2IR46标准提出计量性能防护,”双芯”智能电表整机两类设计方案有各自的解决方法。

 

表计整机第一类设计方案,主要通过计量芯片访问权限和安全校核机制,保证”只读”;法制计量相关参数,只有”只读”权限;ESAM模块,通过加、解密处理。

 

表计整机第二类设计方案,采用自主研发的专用计量芯片,增加数据的隔离电路和调制、解调程序;通过高频逆变器和电感作用,经高频滤波电路输出直流工作电压,应该说:这些计量数据隔离、直流工作电源隔离技术是创新设计。

 

还有,专用计量芯片配置高速通信接口,可以扩展表计附加功能设计,减少晶体数量,很有应用前景。

 

3)现有表计整机两类设计方案,从整体上看尚不完善,主要是法制计量部分设计没有说明:电表整机电路结构,包括计量单元、数据处理单元、存储单元、显示模块、通信模块、电源模块等设计;软件设计,包括功能界面设计,电能表软件设计(主程序流程图、中断处理数据流程图等),软件功能模块设计(初始化模块、计算模块、数字滤波模块、误差补偿模块、FFT模块、自动校准模块等)。

 

4)表计整机两类设计方案都未提到”双芯”智能电表的可靠性设计,这是国产智能电表设计的一大难点。多年来国产电表的发展,已经说明:将影响智能电表走向高品质、走向海外市场。

 

5)回顾来看,上一篇文稿指出:”双芯”智能电表是国网新一代智能电表的起步项目,可能成为新一代智能电表的过渡性产品。本文通过:《国网”双芯”智能电表设计技术的演化与整机两类设计方案》的汇总分析,期望下一步推出的新一代智能电表整机设计方案,将是一个技术领先、设计完整的整机技术文本。

 

(待续二)

                                                                                                                                                                      声明


本文为张春晖先生原创内容,欢迎原文转发,如需转载请在文章开头注明作者姓名并注明“本文转载于中国现代电网量测技术微信公众平台,电网量测技术微信公众号为dianwangliangce”字样



湖南科达瑞智能科技有限公司

联系热线:13787238692,0731-89606851     公司邮箱:hnkdrzn@163.com     公司地址:湖南省长沙市高新区文轩路27号麓谷企业广场A4栋

Copyright @ 2018 . All rights reserved.  湘ICP备18001566号-1