智能電表的工作原理是什么？如何進(jìn)行設(shè)計(jì)？

一、智能電表的基本原理

智能電能表利用電子電路/芯片來(lái)測(cè)量電能，其原理如圖所示。

智能電表工作原理圖

智能電能表用分流器或電流互感器將電 流信號(hào)變成可用于電子測(cè)量的小信號(hào)，用分壓電阻或電壓互感器將電壓信號(hào)變成可用于電子測(cè)量的小信號(hào)，再利用專用的電能測(cè)量芯片將來(lái)自電壓互感器、電流互感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字積分運(yùn)算，然后輸出頻率與電能成正比的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)被送到微計(jì)算機(jī)處理后進(jìn)行液晶顯示。

電子式智能電表主要是由電子元器件構(gòu)成，其工作原理是先通過(guò)對(duì)用戶供電電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣，再采用專用的電能表集成電路，對(duì)采樣電壓和電流信號(hào)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出，最后通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理、控制，把脈沖顯示為用電量并輸出。

通常我們把智能電表計(jì)量一度電時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器所發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)稱之為脈沖常數(shù)，對(duì)于智能電表來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)比較重要的常數(shù)，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出脈沖數(shù)個(gè)的多少，將直接決定著該表計(jì)量的準(zhǔn)確度。

目前智能電表大多都采用一戶一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原則，但也有些廠家生產(chǎn)的多用戶集中式智能電表采用多戶共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，這樣對(duì)電能的計(jì)量只能采用分時(shí)排隊(duì)來(lái)進(jìn)行，勢(shì)必造成計(jì)量準(zhǔn)確度的下降，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)該注意：

智能電表的工作特點(diǎn)智能電表不只采用了電子集成電路的設(shè)計(jì)，再加上具有遠(yuǎn)傳通信功能，可以與電腦聯(lián)網(wǎng)并采用軟件進(jìn)行控制，因此與感應(yīng)式電表相比，智能電表不管在性能還是操作功能上都具有很大的優(yōu)勢(shì)。

智能電表的工作原理如下：

1. 數(shù)據(jù)采集：智能電表通過(guò)自身的傳感器采集用電量等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送至電力公司數(shù)據(jù)中心。電力公司通過(guò)使用通訊網(wǎng)關(guān)將智能電表的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并以Web或APP的方式展示給終端用戶。

2. 數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存：電力公司接收到智能電表采集的數(shù)據(jù)后，會(huì)將數(shù)據(jù)在云服務(wù)器上進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和模式識(shí)別等技術(shù)，可以使用戶清楚地了解自己用電量和開(kāi)支，并可以通過(guò)調(diào)整用電習(xí)慣和設(shè)備，降低用電成本，并起到節(jié)能減排的作用。

3. 遠(yuǎn)程控制與管理：通過(guò)智能電表連接到電力公司的管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制管理，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或過(guò)載時(shí)，管理系統(tǒng)可以自動(dòng)斷開(kāi)智能電表的供電以保護(hù)用戶設(shè)備的使用安全。

二、智能電能表主要由以下幾部分組成：

1、電源模塊，給電能表提供工作電源。

2、計(jì)量模塊，利用對(duì)電壓和電流采樣，通過(guò)計(jì)量芯片轉(zhuǎn)換為實(shí)際電能的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(電能脈沖)輸出。

3、顯示模塊，用來(lái)顯示電量和相關(guān)數(shù)據(jù)。

4、通信模塊，用來(lái)和主機(jī)通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?

5、安全模塊，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?

6、時(shí)鐘模塊，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，作為電量?jī)鼋Y(jié)、費(fèi)率切換的依據(jù)。

7、存儲(chǔ)模塊，用來(lái)存儲(chǔ)電能表參數(shù)、電量、歷史數(shù)據(jù)等。

8、通斷電模塊，用來(lái)控制用戶停送電。

現(xiàn)在的智能電表已經(jīng)不僅僅是簡(jiǎn)單的計(jì)量了，還要傳輸多種數(shù)據(jù)，還有防竊電功能，智能電表相對(duì)于之前的機(jī)械電表更加安全，甚至可以分析出我們的用電習(xí)慣，那么智能電表的工作原理到底是什么呢，現(xiàn)在把單相智能電表和三相智能電表分別講解。

單相智能電表工作原理圖

單相智能電表工作原理簡(jiǎn)述本產(chǎn)品由計(jì)量芯片、高速數(shù)據(jù)處理器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)接口等設(shè)備組成。在高速數(shù)據(jù)處理器的控制下，通過(guò)計(jì)量芯片準(zhǔn)確獲得電網(wǎng)運(yùn)行各實(shí)時(shí)參數(shù)，并依據(jù)相應(yīng)費(fèi)率等要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并隨時(shí)向外部接口提供信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其原理框圖如下圖所示。

三相智能電表工作原理圖

電能表工作時(shí)，電壓、電流經(jīng)取樣電路分別取樣后，送至放大電路緩沖放大，再由計(jì)量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，高性能微控制器負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。由于采用高精度計(jì)量芯片，計(jì)量芯片自行完成前端高速采樣，計(jì)量算法穩(wěn)定，微控制器僅需要管理和控制計(jì)量芯片的工作狀態(tài)。圖中的微控制器還用于分時(shí)計(jì)費(fèi)和處理各種輸入輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)段完成分時(shí)有、無(wú)功電能計(jì)量和最大需量計(jì)量功能，根據(jù)需要顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)、通過(guò)紅外或 485 接口進(jìn)行通訊傳輸，并完成運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，記錄存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)。

智能電表部分組成：

1、電源模塊，給電能表提供工作電源。

2、計(jì)量模塊，利用對(duì)電壓和電流采樣，通過(guò)計(jì)量芯片轉(zhuǎn)換為實(shí)際電能的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(電能脈沖)輸出。

3、顯示模塊，用來(lái)顯示電量和相關(guān)數(shù)據(jù)。

4、通信模塊，用來(lái)和主機(jī)通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?

5、安全模塊，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?

6、時(shí)鐘模塊，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，作為電量?jī)鼋Y(jié)、費(fèi)率切換的依據(jù)。

7、存儲(chǔ)模塊，用來(lái)存儲(chǔ)電能表參數(shù)、電量、歷史數(shù)據(jù)等。

8、通斷電模塊，用來(lái)控制用戶停送電。

下面我們來(lái)著重介紹智能電能表安全模塊

智能電能表安全模塊，安裝在電能表內(nèi)，用以實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加/解密、雙向身份認(rèn)證、存取權(quán)限控制、線路加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ堋Ｔ趯?duì)電能表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、預(yù)存金額、信息返寫和下發(fā)遠(yuǎn)程控制命令操作時(shí)，通過(guò) ESAM 進(jìn)行安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)加 / 解密處理以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾浴SAM保存電表費(fèi)率時(shí)段、表號(hào)、客戶編號(hào)、購(gòu)電金額、購(gòu)電次數(shù)等與計(jì)量計(jì)費(fèi)相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，修改時(shí)需要認(rèn)證或認(rèn)證 +MAC，保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。

智能電能表安全模塊的特點(diǎn)

符合國(guó)家電網(wǎng)公司《智能電能表信息交換安全認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》中的安全功能性要求

支持 7816(T=0)、 SPI 通訊協(xié)議

支持 SM1 算法

支持包括透明文件、定長(zhǎng)記錄文件、循環(huán)記錄文件、錢包文件等多種文件類型

文件支持明文、密文、明文 +MAC、密文 +MAC 四種認(rèn)證方式

支持多級(jí)分散的密鑰管理體系

7816 時(shí)鐘頻率：1 ~ 5 MHz

SPI 通信速率支持 1 ~ 10 MHz

數(shù)據(jù)保存時(shí)間大于 10 年，EEPROM 擦寫次數(shù)大于 50 萬(wàn)次

支持休眠模式

封裝形式：DIP8/SOP8/SOP14/SOIC8

工作溫度：-40℃ ~85℃

工作電壓：2.7V~5.5V