郭志成，李晓青，周德东
（兰州工业学院电气工程学院，甘肃兰州，730050）
0 引言
智能电网是在传统电网的基础上，运用先进传感测量、通信、计算机等技术实现电力传输网络的信息化、互动化、自动化、数字化[1-2]。电能计量装置是智能电网中的重要设备之一，完成基础信息数据的采集任务[3]。以往常采用GPRS通信的方式将计量装置采集的数据远距离传输，实现远程抄表，以降低人工操作成本。但GPRS通讯因用户容量小、费用高、功耗高、数据安全等因素导致其大面积应用受到限制。近年来出现了窄带物联网( narrow band internet of things，NB-IoT)技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，是物联网技术中的重要分支，其可以容纳海量节点、低功耗、低成本、覆盖范围广、具有比GPRS更高效的网络支持[4]。针对上述情况，本文基于NB-IoT模块设计一种电能计量装置，使用物联网云平台远程监测交互数据，使用方便简单，便于电力部门的管理。
1 系统总体结构
系统总体结构如图1所示，以单片机dsPIC30F6012为控制核心，由电能表芯片ADE9078组成的电能计量电路采集电压、电流、有功、无功、频率等电量数据，通过SPI接口将采集的数据传输至单片机，单片机将数据进行计算处理，通过NB-IOT模块接入NB-IOT基站，经过核心网实现基站与物联网云平台的连接，数据到达云平台后进行进一步的挖掘、分析、运算与处理，最后由用户终端设备显示其结果。此外为了满足装置在多种场合下的应用，还设计了RS-485接口电路，时钟电路为系统提供实时时间，所测电量数据通过LCD液晶屏显示，存储电路用于存储历史数据，通过按键可对记录进行查看。
图1 系统总体结构
2 系统硬件设计
2.1 电能计量电路
系统采用美国ADI公司生产的完全集成、高精度电能计量器件ADE9078,支持电流互感器(CT)和罗氏线圈传感器进行电能计量。器件内部集成7个独立但同步采样的二阶Σ-△ADC,每个ADC都为24位，采样的电压、电流信号采用差分输入，宽输入范围±1V，动态范围10000:1,能够测量各相电压、电流的有效值、总有功功率、无功功率、视在功率、频率、相位角等电参量数据。内置一个低噪声、低漂移带隙基准电压源，保证转换的精度，带有SPI串行通行接口，直接与单片机dsPIC30F6012的片内SPI接口对接，简化了电路设计。其外围电路如图2所示。芯片29、30脚接12.288MHz的晶振电路，为片内ADC及DSP内核提供稳定工作所需的时钟信号；芯片第3、16、25、27管脚所接0.1μF和4.7μF为退耦电容,其作用为去除高频噪声；IxP和IxN、VxP和VxN为芯片的电流、电压转换通道，外置的电流、电压采样电路输出接到芯片相应的引脚上，引脚上的输入信号不得超过0.6 V；ADE9078的SPI接口引脚为：与单片机的SPI接口相应管脚相连，单片机可通过SPI接口设置电能表芯片的寄存器及读取电量数据。
图2 ADE9078外围电路
电能计量芯片ADE9078的电压、电流采样电路如图3所示。
图3 电压、电流采样电路
电压采样使用精密电流型电压互感器ZMPT101B，额定输入/输出电流为2mA/2mA,线性范围0～1000V,线性度≤0.2%，隔离耐压4500V,由互感器二次侧的电阻R8将2mA电流信号转换为约0.5V的电压信号，经过电阻R6、C14滤波后送入计量芯片的电压转换通道，其中二极管D5、D6起保护作用，防止较高电压损坏管脚。电流采样使用精密电流互感器ZMCT118A，额定输入/输出电流为5A/2.5mA,变比为2000：1，采用全差分输入，由电阻R3、R4将电流信号变为电压信号，经过RC滤波后送入电流通道，二极管同样起保护作用。
2.2 NB-IOT通信
系统采用移动公司生产的NB-IOT模组M5311实现窄带物联网通信，它采用LCC封装，具有尺寸小、低功耗、高性能的特点，宽电压供电4.5V～16V，片内自带DC-DC转换输出3.3V/2A,可以为单片机等外部系统供电，简化系统电源设计，工作温度-40℃～85℃，支持频段Band3、Band5及Band8，特别适合智能家居、共享经济、穿戴设备、远程抄表系统、市政管理等loT行业。M5311应用硬件结构图如图4所示，电路设计主要包括串口通信、复位、晶振、天线接口电路、SIM卡电路以及LED指示等部分，M5311的TXD、RXD管脚与单片机的URXD、UTXD之间通过URAT串口通信传输数据。
图4 NB-IOT通信硬件结构图
2.3 时钟电路
由时钟芯片PCF8563为系统提供年、月、日、时、分、秒等实时时间，其电路图如图5所示，芯片可在宽电压范围1.0～5.5V下工作，采用双电源供电，正常情况下由+3.3V供电，掉电后由3.6V电池组供电，其SCK、SDA为I2C总线接口管脚，与单片机对应管脚相连用于时钟芯片内部寄存器设置及读取实时时间，晶振为32768Hz，为芯片提供秒时钟信号。
图5 PCF8563时钟电路
2.4 其他电路
RS-485通信接口电路采用sipex公司生产的SP485R芯片进行设计，相比于通用的485芯片包含更高的ESD保护和高接收器输入阻抗，一条传输线上可挂接400个SP485R芯片，而不会引起信号的衰减。显示采用LCD12864液晶显示，自带中文字库，三线串口方式传输数据，简化单片机外围电路设计。单片机dsPIC30F6012的B口具有电平变化中断功能，可以此来设计4个独立按键，进行参数设置及记录查询。
3 软件设计
系统软件设计主流程图如图6所示。
图6 主程序流程图
系统上电后先进行初始化，主要包括单片机I/O口、中断、定时器、SPI接口、串行通信等的设置，单片机外围设备例如电能表芯片ADE9078、LCD显示、时钟芯片PCF8563的配置，以及通过AT指令实现NB-IOT模块的电信频段、自动找网、工作模式等的设置。NB-IOT模块联网成功后，即通过电能表芯片ADE9078采集电量数据，由PCF8563获取相对应的时间信息，单片机获取这些信息后进行存储、显示，并对电量数据进行分析判断，是否数据异常。数据可借助NB-IOT物联网、RS-485以无线、有线的方式发送出去，数据发送分为定时、异常两种发送模式。
4 结束语
本文基于NB-IOT模块设计了一种物联网电能计量装置，电路采用模块化设计，结构简单，采集的电量数据通过物联网实现远程传输，能够满足智能电网对电能计量装置的要求，且具有多种通信接口以满足不同场合的应用，以解决目前电能计量装置在数据通信、功耗、操作、成本等方面存在的问题。
