智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

降低計(jì)量部分的功耗，可以采用已下五種方法：

(1)采用3.3V供電電壓

MAXQ3180采用3.3V供電，使其可以和主流3.3V供電的微控制器接口，從而有效地降低了系統(tǒng)的功耗。

(2)采用低功耗模式

MAXQ3180能夠在微控制器的控制下降低工作頻率，進(jìn)入低功耗測(cè)量模式，其功耗可低到正常工作模式的25%~30%而保持功能基本不變。

(3)采用休眠模式和快速喚醒

MAXQ3180使用低功耗模式使得工作電流大大降低，而休眠模式和快速喚醒可以使得實(shí)際工作的時(shí)間縮短，從而減小占空比，并最終降低平均電流。

(4)降低動(dòng)態(tài)功耗

在計(jì)量芯片工作過程中，有很多部分采用間歇性工作方式，使得暫時(shí)不使用的部分處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣可以有效地降低系統(tǒng)平均功耗。在需要工作時(shí)，快速啟動(dòng)也是非常重要的，這就需要在計(jì)量芯片設(shè)計(jì)過程中很好地分配時(shí)鐘和時(shí)序。MAXQ3180采用了這一先進(jìn)的技術(shù)，取得了非常好的節(jié)能效果。

(5)采用開關(guān)電源

在智能電表的設(shè)計(jì)中采用開關(guān)電源，這可以大大提高電源效率。

5防竊電技術(shù)的設(shè)計(jì)

MAXQ3180具備了低功耗模式和休眠模式，其中一個(gè)重要的應(yīng)用就是在防失(欠)壓竊電方面。當(dāng)發(fā)生失(欠)壓情況時(shí)，智能電表內(nèi)的電子單元失去了電壓線圈的主供電方式，就必須使用電池供電的方式。

MAXQ3180具有低功耗模式和休眠模式，更便于全失壓情況下的安培小時(shí)累計(jì)。MAXQ3180模式電源接線圖如圖3所示。

MAXQ3180可以使用和嵌入式控制器同樣的電池供電方式，這樣減少了電平轉(zhuǎn)換和電源管理芯片的成本。它可以在不需要時(shí)處于休眠模式，僅消耗少于1μA的電流，而在需要時(shí)由嵌入式控制器通過片選瞬間喚醒，進(jìn)入低功耗測(cè)量模式運(yùn)行。由于在休眠模式下所有的參數(shù)設(shè)置均保留，所以在喚醒后不需要進(jìn)行初始化就可直接工作，從而大大減少了工作時(shí)間，而且低功耗測(cè)量模式下不需要嵌入式控制器參與工作，嵌入式控制器可再次進(jìn)入休眠，直到MAXQ3180使用中斷或者使用嵌入式控制器自身資源再次喚醒，并將測(cè)量結(jié)果讀到嵌入式控制器中進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示和傳輸。

MAX3180全失壓安培小時(shí)累計(jì)模式時(shí)序圖如圖4所示。

在圖4中，嵌入式控制器和MAXQ3180的工作時(shí)序如下：

(1)嵌入式控制器和MAXQ3180休眠;

(2)嵌入式控制器喚醒;

(3)MAXQ3180上電;

(4)MAXQ3180預(yù)熱，只需幾個(gè)μs;

(5)MAXQ3180測(cè)量只需0.5～1個(gè)周期;

(6)MAXQ3180運(yùn)行，嵌入式控制器休眠;

(7)MAXQ3180測(cè)量結(jié)束，發(fā)送IRQ，將嵌入式控制器喚醒;

(8)嵌入式控制器讀數(shù)據(jù)結(jié)束，MAXQ3180回到休眠狀態(tài);

(9)嵌入式控制器回到休眠狀態(tài)。

在系統(tǒng)整個(gè)工作過程中，工作電流很小，而且工作時(shí)間很短，最終使得平均電流相對(duì)于傳統(tǒng)方案大幅降低。這樣，在同等電池容量和運(yùn)行時(shí)間的要求下，MAXQ3180可以使用更高的頻率來進(jìn)行間歇性的安培小時(shí)累計(jì)，當(dāng)頻率高到一定的程度，可以近似認(rèn)為這樣的累計(jì)是連續(xù)的。

6結(jié)束語

本文以MAXQ3180計(jì)量芯片為例，采用ST公司生產(chǎn)的STM32F107 ARM嵌入式控制器為主機(jī)，介紹了智能電表的軟硬件設(shè)計(jì)和降低功耗的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)介紹了防竊電技術(shù)，為智能電表的開發(fā)提供了一個(gè)詳細(xì)的案例，通過以太網(wǎng)接口可以很容易組成通信網(wǎng)絡(luò)。

智能電網(wǎng)下的高級(jí)量測(cè)體系AMI包括智能電表、網(wǎng)絡(luò)通信、電表數(shù)據(jù)管理三個(gè)系統(tǒng)。借助該體系能實(shí)現(xiàn)智能需求側(cè)管理，比如用電狀況收集、需求側(cè)/電網(wǎng)雙向通信、實(shí)時(shí)電價(jià)響應(yīng)、智能家電控制、虛擬電廠和微網(wǎng)控制、防偷電等任務(wù)。通過智能電網(wǎng)中的智能電表，一些電力消費(fèi)會(huì)轉(zhuǎn)移到價(jià)格便宜的峰谷時(shí)段，減輕用電堵塞并降低對(duì)新設(shè)施建設(shè)的需要，使得消費(fèi)者省錢，排放量下降。電動(dòng)混合汽車可以在用電需求較低的晚間充電，甚至還可以在白天停放期間將電能重新輸回電網(wǎng)。智能電網(wǎng)不只是電網(wǎng)的發(fā)展機(jī)會(huì)，也是電器工業(yè)的發(fā)展機(jī)會(huì)，是信息技術(shù)的發(fā)展機(jī)會(huì)。未來我國(guó)智能電表具有非常廣闊的市場(chǎng)，將為我國(guó)電工儀表行業(yè)帶來巨大的商機(jī)，并推動(dòng)我國(guó)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展。