高级计量体系(AMI)中的智能电能表设计

摘要：智能电能表在智能电网高级计量体系(AMI)中起着重要的作用，是客户与电力公司双向交互的重要终端设备，将推动新的用电方式和生活方式。为了更好地实现智能电能表的功能，采用模块化的设计方法，对智能电能表的主要硬件及软件进行了设计，重点对嵌入式安全模块ESAM进行了设计说明。
关键词：智能电网；高级计量体系；智能电能表；计量芯片；ESAM模块

0 引言
    目前，智能电网建设已经全面开展。所谓智能电网，就是将各种能源资源的开发利用，发电、蓄电、输电、配电、用电以及终端用户的各种电气设备和用能设施，通过数字化、信息化网络有机地连接在一起，为电力终端客户提供全面服务，为社会充分、合理利用各种能源资源、节能减排，促进低碳经济发展，提供强有力的基础设施和技术支撑。它包括高级计量体系(AMI)、高级配电资产运行(ADO)、高级输电运行(ATO)和高级资产管理(AAM)四大模块。其中AMI是智能电网的关键体系，而智能电能表又是AMI的核心。本文通过分析智能电能表在AMI中的作用，对智能电能表进行模块化设计，满足其在智能电网中的功能要求。

1 智能电能表在AMI中的作用
1．1 AMl概述
    AMI作为智能用电最核心、最关键、最基础组成部分，分为四层实现电力用户与电网公司之间能量流、信息流、业务流双向互动的新型供用电关系。
    高级计量体系分四层实现，如图1所示。

    顶层为主站层，是AMI系统的测量／计量数据管理中心、AMI通信管理中心和电力用户预付费管理中心。
    第二层为上行通信层，满足主站与电表、主站与手持终端等远程通信的需求，为电网公司和电力用户提供双向交互的通信信道。
    第三层为智能计量与分布式电源接入层，包含智能电能表、智能手持终端、分布式发电系统等设备或装置。
    其中，智能电能表作为核心设备主要实现电能计量、需量测量、阶梯电价、费率和时段、冻结、预付费功能、参数设置、事件记录及上报、远程通信、本地通信、数据采集存储、编程、电价计费等功能；智能手持终端辅助主站系统完成现场数据采集、现场售电、现场客户服务等功能；分布式发电系统含电源和并网设备，实现分布式能源接入。
    最底层为户内智能终端层，显示终端与智能电能表构成电力用户与电网交互的门户。
1．2 智能电能表在AMI中的作用
    在AMI四层结构中，智能电能表发挥着重要作用。智能电能表将有助于在消费者和电力公司之间实现实时通信，使人们能够基于环境和价格的考虑，最大程度地优化能源用量。智能电能表使智能电网具有多层智能，能够实时分析、决策、计划并作出积极的行为。
    目前，采用智能电能表不仅可以实现对电能质量进行监测，而且可以通过仪表的网络通信接口实现双向数据远程传输，组成分布式测控网络系统。
    智能电能表不但能显示用电量，而且能显示电能价格，能实现连续的带有时标的多种间隔用电计量，而且具有电量冻结功能，可以存储特定时刻的电量数据，比如设定存储月末零点时刻的电量数据，为实行居民用电阶梯电价收费奠定基础。
1．3 智能电能表的工作原理
    智能电能表是由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能的电能表。单、三相智能电能表都是多功能意义上的电能表，是在电能计量基础上重点扩展了信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能。
    它的工作原理如下：采用计量芯片或A／D转换器对用户供电电压和电流实时采样，通过MCU进行处理计算，完成峰谷、正反向或四象限电能的计量，并将电量信息等通过显示或通信的方式输出。智能电能表工作原理图如图2所示。

2 智能电能表的硬件设计
2．1 计量芯片设计
    对于电能计量芯片，在功能方面除实现基本的电能计量外，还要求能够测量电压、电流(火线及零线)、分相功率、功率因数等电参量。而在性能方面要求具有更高的测量精度、更宽的测量范围及更好的产品一致性。性能的提高要求在设计中计量芯片均采用单独的芯片。计量芯片将来自电压／电流互感器的模拟信号转换为数字信号，并对其进行积分运算，从而精确地获得有功、无功电能，实现防窃电功能、谐波分析等。
2．2 MCU设计
    智能电能表含有功能较强的微控制器(MCU)，将计算机的CPU，RAM，ROM，定时器／计数器和多种I／O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的微计算机。
    微控制器依据相应费率和需量等要求对数据进行处理，计算后的结果保存在数据存储器单元中，并可随时向外部接口提供信息和进行数据交换。有MCU的支持，可以方便地实现智能电网供电系统内精确、可靠地管理，不仅可以实现用户清洁能源输送到电网的双向计量、双向通信，而且还可以通过强大的I／O接口，实现智能家电的控制功能。
2．3 通信芯片设计
    智能电能表的通信芯片采用可热拔插的通信模块，可采用宽带无线(McWill)、电力线载波(PLC)、无线公网(GPRS)和短距离无线、RS 485、电力红外等方式与智能显示终端、智能手持终端双向通信。支持其他通信技术的无缝接入，模块更换后具备自动识别功能。
2．4 时钟芯片设计
    智能电能表复费率、预付费、阶梯电价等多种功能的实现，都需要准确的独立时钟的支撑，应采用具有温度补偿功能的内置硬件时钟电路。常用的如DS3231具有集成的温补晶振(TCXO)和晶体。包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确的计时。集成晶振提高了器件的长期精确度，并减少了生产线的元件数量。其主要特性为0～40℃范围内精度为±2 ppm，-40～+85℃范围内精度为±3～ppm，始终满足约±5 ppm(0．5 s／d)的行业要求。该芯片提供电池备份输入，有效地降低了功耗。

3 嵌入式安全模块ESAM模块设计
    智能电能表通过固态介质或虚拟介质对电能表进行参数设置、预存电费、信息返写和下发远程控制命令，操作时需通过严格的密码验证或ESAM模块等安全认证，以确保数据传输安全可靠。
    嵌入式安全模块(Embedded Secure Access Module，ESAM模块)是一种智能CPU卡，ESAM模块是将智能卡芯片封装成标准DIP8集成电路模块的形状。
    电能表中采用的ESAM模块，是集成了SM1算法的安全认证芯片，它内部集成有E2PROM，可以存储经过安全认证的数据。可以对数据进行加解密处理以确保数据传输的安全性和完整性。
    ESAM模块安装在表计内部，其ESAM模块管脚分配及封装图如图3所示。

    其内部的硬件主要包括：
    CPU及加密逻辑：保证E2PROM中数据安全，使外界不能用任何非法手段获取E2PROM中的数据。
    RAM：工作时存放命令参数、返回结果、安全状态及临时工作密钥的区域。
    ROM：存放程序的区域。
    E2PROM：存放应用数据区域，ESAM将数据以文件形式保存在E2PROM中，在满足规定的安全条件时，可进行读或写。
    I／O接口：数据交换接口，用于数据的传输。
    文件系统：ESAM内嵌片上操作系统(Chip Operation System，COS)，对模块内的基本操作方式为：从数据接口接收一条命令，然后经过处理返回应答信息给数据接口。其处理过程如图4，图5所示。

    数据在传输方式上有3种类型：明文方式、明文校验方式和密文校验方式。当数据以明文方式进行传输时由数据管理器将数据直接送给命令处理模块，当数据以明文校验或密文校验方式传输时需要加密运算器对数据进行处理。
    ESAM的基本文件系统是由主控文件MF(Master File)，目录文件DF(Directory File)和基本文件EF(Element File)组成。主文件MF在CPU卡中惟一存在，在MF文件下可以有多个目录文件DF和基本文件EF，每一个MF目录下的DF可以存放多个基本文件EF和多个下级目录文件DF，包括下级目录的目录文件为DDF，不含下级目录的目录文件为ADF。EF文件主要包括KEY文件、钱包文件、记录文件。
    CPU卡的内部文件采用目录管理的方式，即主文件管理多个目录文件，一个目录文件管理多个基本文件。而在主文件和目录文件下都有密钥文件，同时每个文件都有访问权限，即必须达到某一权限才能进行读取操作或修改操作。
    KEY文件以及文件中的密钥：每个DF文件和MF文件下有且只有一个KEY文件，在任何情况下密钥均无法读出，一旦离开该目录，该目录下的所有权限将全部丢失。在KEY文件中可存放多个密钥，每个密钥为一个定长记录，每条记录长度为25个字节，记录中规定了其标识、版本、算法、属性以及密钥本身等相关内容。在满足KEY文件的增加权限时可以用writeKey命令增加一条记录，只有在满足某个密钥使用权限时才可以使用该密钥，在满足某个密钥修改权限时才可能修改密钥。

4 智能电能表的软件设计
    智能电能表系统软件设计采用模块化设计思想，其主要性能是满足电能计量、电能量采集和自动控制的可靠性和精度。软件主要由监控程序，键盘扫描程序，显示程序，设定程序，MAXQ3180数据读取程序，量程自动校正与功率补偿程序，数字滤波程序，算法程序，实时时钟程序，分时电价程序，网络通信程序等组成，采用C++语言编程，并进行模块化设计。

5 结语
    智能电能表采用了功能模块化设计，使电表的升级换代更加方便，而且具有统一规范的规格要求、显示要求、外形尺寸、端子接线、材料及工艺等型式要求，实现了生产、检测、校验的自动化生产线，大大减轻了劳动强度。目前，智能电能表已经开始初步安装使用，但离真正意义的智能电能表还有很长的路要走。智能电能表还需在稳步发展中进一步提高，在智能电网的建设中发挥重要的推动作用。