基本信息
- 项目名称：
- 实时测量双向通信智能电表
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品针对智能电网双向的电力潮流和数字信息流，研发了一种实时测量双向通信智能电表。 1、储存刷新模块为智能电网高效节能管理，实时提供带时标的电量信息；2、双向交互式通信模块，可接收调控信息及浮动电价，发送电量及异常故障信息；3、双向电量计量软件，通过软件判断功率因数，成功地集成用户侧的分布式新能源；4、通过发送检测到的故障信息，电力公司可快速定位诊断电网故障点。
- 详细介绍：
- 一、作品目的：针对智能电网双向的电力潮流和数字信息流，并且国内的分时峰谷电表、预付费电表和自动抄表不支持信息和电能的交互。因此，研发了一种实时测量双向通信智能电表。 二、作品技术原理：该作品进行了以下突破，将之前非实时测量创新为实时测量，为智能电网高效节能管理提供带有时标的电量信息；将之前的单向通信创新为双向通信，可接收调控信息及浮动电价，发送电量及异常故障信息；将之前的单向计量创新为双向计量，可计量分布式新能源倒送配电网的电能，成功地集成用户侧的分布式新能源。具体功能实现如下： 1）实时提供带时标的电量信息：由微控制器AT89S52、电能计量芯片ADE7878和存储时钟芯片DS32C35构成实时测量电路。首先计量芯片对信号处理电路中的电流电压信号进行高速模数采样，其次微控制器与计量芯片IIC通信，读取电压、电流、功率和功率因数等电量信息。然后微控制器将电量信息分门别类地写入DS32C35的各FRAM区段中，同时读取DS32C35中时钟RTC的时间参数，并且对电量信息绑定时钟参数。最后对存储芯片DS32C35做必要的电量数据刷新。在主站召唤时，打包上传带时标电量数据。最终可实时为智能电网的高效节能管理，提供带时标的电量信息。 2）双向交互式通信：双向通信电路采用收发器MAX485搭建，通过微控制器的通用异步串行接口UART实现数据的发送和接收。而嵌入式通信处理程序对接收信息进行拆包，分为上传命令和电价信息发布及控制命令。若为上传命令，打开TXD发送端口，判断有无异常故障中断，有则先打包传送异常数据，无则打包传送该时段电量信息；若为控制命令，进行相应的控制操作；若为电价信息发布命令，显示实时电价数据，并以实时电价计费。最终可接收调控信息及浮动电价，发送电量及异常故障信息。真正实现了智能电网的信息交互，以及适应高级化电力市场。 3）双向电量计量：规定电能数据的二进制代码最高位为符号位，最高位为1，表示从电网取电状态；最高位为0，表示向电网送电状态。首先由计量芯片输出的功率因数进行正反向电量判断，功率因数为正时置电能代码最高位为1，功率因数为负时置最高位为0。然后对电能数据二进制代码的最高位分别累加即可求得正向和反向总有功。可准确计量分布式新能源倒送配电网的电能，成功地集成用户侧的分布式新能源。 4）电网故障点快速定位诊断：当计量芯片检测到断电故障（或其它异常）时，首先计量芯片IRQ0端口向微控制器INT0端口发中断申请。其次微控制器读取计量芯片中状态复位寄存器的中断事件类型。然后通过微控制器TXD 线发送故障信号，电力公司可以快速诊断故障点及故障类型，提高恢复供电的速度。 最终实验结果表明，该智能电表可达到实时性以及信息和电能交互的效果。 三、作品支撑： 本作品成果在国内核心期刊《电网技术》上发表1篇论文，并且被权威期刊《中国电机工程学报》录用1篇（均为第一作者）。而且在教育部科技查新站鉴定为作品的创新点在国内未见报道。 本作品已授权1项国家实用新型专利，公开实审1项国家发明专利。并且智能电表龙头企业北京博纳电气有限公司拟转化产品并作推荐。 本作品同时还获得多位专家的推荐，其中包括2名中国工程院院士，1名中国电力科学研究院高级工程师。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- ★发明目的：针对智能电网双向的电力潮流和数字信息流，并且国内的分时峰谷电表、预付费电表和自动抄表不支持信息和电能的交互，因此研发了一种实时测量双向通信智能电表。 ★基本思路：根据智能电网对新型智能电表实时互动的要求进行设计。在设计时尽量以软件控制代替硬件电路，简化电路结构，降低成本并减少故障率。主要由微控制器、电能计量芯片、时钟存储芯片、通信芯片和显示器五大部分组成。 ★创新点及技术关键： 1、实时提供带时标的电量信息：首先单片机读取计量芯片的电量信息，后绑定时钟参数。最后储存带时标的电量信息以及控制存储刷新模块刷新数据。在主站召唤时，打包上传带时标电量数据。可为智能化需求侧的管理提供系统范围内的量测和可观性。 2、双向交互式通信：双向通信电路采用收发器MAX485搭建，通过微控制器的通用异步串行接口UART实现数据的发送和接收。而嵌入式通信处理程序对接收信息进行拆包，分为上传命令和电价信息发布及控制命令分别操作。最终可接收调控信息及浮动电价，发送电量及异常故障信息。真正实现了智能电网的信息交互，以及适应了高级化电力市场。 3、双向电量计量：通过软件判断功率因数，可计量分布式新能源倒送配电网的电能，成功地集成用户侧的分布式新能源。 4、电网故障点快速定位诊断：计量芯片检测到异常故障后，在后备电源保证下，由微控制器TXD 线发送故障信号。电力公司可快速诊断故障点及故障类型，提高恢复供电的速度。
科学性、先进性
- 国内相继出现的分时峰谷电表、预付费电能表及具有红外抄表和异地抄表功能电能表还是电能表智能化的起步。它们都不具备实时双向的功能，与真正意义上的智能电表还有很大差别。 ★科学性：实时测量双向通信智能电表，提出了一种创新可行的实时测量模块，为智能电网高效节能管理提供带有时标的电量信息；在交互方面，双向通信模块实现信息交互，双向电量计量软件实现电能交互。这与现有的电能表具有本质上的区别，真正意义上满足了智能电网要求的实时性以及信息和电能交互的功能。 ★先进性：本作品已获得1项国家实用新型专利授权并且公开实审1项国家发明专利。而且在教育部科技查新站鉴定为作品的创新点在国内未见报道。并且获得智能电表龙头企业北京博纳电气公司拟转化并推荐。本作品成果在国内核心期刊《电网技术》上发表1篇，并且被权威期刊《中国电机工程学报》录用1篇。同时还得到2位中国工程院院士杨奇逊和黄其励以及中国电力科学研究院高级工程师孙声波的推荐。可见，在双向通信和带时间信息的电能计量方面都给出了一种创新可行的实现方案。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2010年3月获批为国家级大学生创新实验计划（URP），并获得国家教育部1万元经费资助，并且在 2011年5月以优秀成绩结题； 2、2010年12月在中文核心期刊《电网技术》发表论文1篇；2011年4月被中文权威期刊《中国电机工程学报》录用论文1篇（均为第一作者）； 3、2011年5月在教育部科技查新工作站（G03）鉴定为作品的创新点在国内未见报道； 4、2011年6月北京四方继保自动化股份有限公司评定方案创新，获得杨奇逊院士推荐； 在国家电网东北电网评定技术可行，有广阔应用前景，获得黄其励院士推荐；在智能电表龙头企业北京博纳电气公司鉴定技术创新可行，拟转化成产品并进行推荐；在中国电力科学研究院通信与用电技术分公司评定为技术方案可行，具有较高的理论和现实意义。获副总孙声波高级工程师推荐； 5、2011年6月获得省级挑战杯比赛一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段，已经通过在线仿真调试试验。
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■图纸 ■现场演示 ■图片 ■录像 ■样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- ★使用说明：用户无需修改PCB布线就能进行产品软件升级。所提供设计包含必要的硬件和软件，其中考虑到HAN负荷控制的要求，预留出负荷控制引脚。 ★技术特点和优势：1、模块化设计：只需更换部分功能模块就可实现智能电表的硬件升级；2、提供带时标的电量：区别于国内电能表的按固定时间段分时计量，可为智能化需求侧的管理提供系统范围内的量测和可观性；3、双向通信：支持浮动电价适应了高级化电力市场，而发送故障信息可快速定位系统故障；4、双向电量计量：由于能计量分布式新能源倒送配电网的电能，可无缝集成用户侧的分布式新能源。 ★推广前景和经济效益预测： 2010-2020年，中国将进入智能电表更换高峰期，该智能电表推广前景广阔。该作品实时互动功能，可平移友好负荷以实现电力负荷曲线的削峰填谷，减小发电成本。并且在电能可靠性和电能质量方面的出色表现也可以提高电网经济收益。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外对智能电网的技术组成和实现顺序进行了深入研究。智能电网技术组成部分之一的高级量测体系是实现顺序的第一步，其中智能电表最为关键。尽管各国对智能电网的关注点不同，然而智能电网的基本特征都要求电网和用户的实时互动。目前国内外实时交互的智能电表仍在研发中，未进入实用阶段。 ★在带时标电量的实时测量方面：目前国内智能电表的智能主要体现在抄表和付费便捷化等，但还没有涉及带时标电量的实时测量。例如分时峰谷电表，只是按固定时间的峰值段和谷值段计量，并非本质的实时计量。除此，预付费电能表及自动抄表系统，这些还是电能表智能化的起步，与真正意义上的智能电表还有很大差别。实现带时标的电量测量，可为电力公司提供系统范围的量测和可观性。这保证了智能化需求侧管理，被视为实现智能电网的第一步。 ★在双向通信方面：由于国家标准《DL/T645-2007 多功能表通信规约》在某些方面不能满足智能电表的通信要求，如未涉及实时电价发布、户内网络HAN负荷控制和窃电记录上传等信息。所以，在浮动电价和控制信息接收机制，以及电量信息和异常故障信息发送处理方面在国内仍是初步研究。如现有的IC卡电能表进行通信时，用户电表和供电公司相互独立。用户不能实时查询用电信息和电价信息，供电公司也不能发送调控信息。这样就不能满足智能电网的信息交互要求，也不能适应智能电网下的电力市场。 ★在双向电量计量方面：由于分布式电源接入配电网还未进入实用阶段，配电网潮流仍是单向，目前的多功能电表不具备双向计量功能。现在学者正在积极研究采用不同的手段实现计量智能电网的双向电力潮流。双向电量计量可无缝集成用户侧分布式新能源，这也是国家智能电网利用洁净能源和节能减排的要求。 综上，智能电表作为智能电网信息和电能互动性的良好媒介，在智能电网的建设中发挥着不可替代的作用。目前国内外实时交互的智能电表仍在研发中，未进入实用阶段。所设计的实时测量双向通信智能电表提供了一种创新可行的实现方案，为实时交互智能电表的设计提供了参考。
