基于无线通信技术的电能量计量系统

摘要

电能量计量设施是配电领域的重要组成部分，其智能化不仅是配电领域智能化的必需，同时也符合国家“十二五”规划中提出的推进物联网建设的计划。电能量计量设施作为电能量采集、记录以及通讯的重要工具，其智能化将给人们的生活带来很多便利。为了满足科技进步和社会发展对电能量计量自动化提出的越来越高的要求，必须研究和开发性能更加良好的智能电量采集装置(系统)。
　　 2012年3月我国的《政府工作报告》提出了要实施居民阶梯电价改革方案。阶梯电价更能体现能源的价值，促进用户合理用电、节约用电。本电能计量系统的计费则选择了阶梯式计费方式。
　　 系统结合了当下先进计量和通讯技术，系统由电能采集层和网关层构成，前者主要负责电能采集和传送，后者主要负责连接两种通信网络以及电能的收集。采集层与网关层的通讯是ZigBee网络通讯，使用的是简单的星型网络模型。采集层的终端节点位于用户侧，数十个采集层的终端节点组成对应于一个网关层节点。网关层的节点就是星型网络的通讯中心，是ZigBee网络协调器。网关层与上层管理中心的通讯是以太网通讯。多个网关层节点将采集层发送来的讯息传送给管理中心，起到ZigBee-以太网网关的作用。最终实现采集层信息和管理中心之间的通讯。
　　 采集层选用了ADI公司的电能测量芯片AD71056对用户的单相电进行电能统计。该芯片的输出与用户用电量成正比，将其接到单片机输入端，则可实现单片机对用户用电量的计量。选用ZigBee芯片CC2530实现电能量数据接收、无线数据发送等功能。该芯片内部集成了51单片机，简化了设计。因而采集层主要就由AD71056和CC2530实现功能。网关层的ZigBee协调器也由CC2530芯片实现。作为ZigBee网络的中心，网关层承担着数据中转、数据显示等作用。网关层中选用了基于ARM Cortex-M3架构的LM3S9B96芯片，该芯片内部集成以太网控制器，保证了以太网通讯模块的良好性能。网关层CC2530与LM3S9B96的通讯依靠串口通讯完成，二者配合实现网关层的主要功能。本系统中ZigBee网络的功能是在TI公司Z-Stack协议栈基础上实现的。而在LM3S9B96上，移植了SafeRTOS操作系统。移植了协议栈与操作系统后，整个系统的运行更加稳定可靠。
　　 目前系统主要实现了ZigBee星型组网、ZigBee网络数据传输、CC2530与LM3S9B96串行通信、LM3S9B96与计算机基于以太网通信、LM3S9B96触摸屏输入、显示等功能。
　　 本电能计量系统的应用，方便管理人员对用户用电进行远程管理，通过进一步设计，可以在管理中心的计算机上实现报表生成、打印等工作，将进一步简化电力管理人员的工作流程，节省开支。而如果将用电管理的局域网接入互联网，就可以实现工作人员实现随时随地管理、用户随时随地缴费等功能。因而，本系统对于配电网络的智能化有重要意义。