基于SoC的负载识别智能电表的设计与实现

杨磊;施火泉;吴成瑞

【摘 要】为克服目前负载识别终端的低准确率、高复杂度、高硬件成本等弊端,该文设计了一种基于SoC芯片RN8213B的微型化、多功能的智能电表.阐述和应用了相似度负载识别算法,应用了两光耦485通信和开关电源等技术,详细给出了关键硬件电路的原理及设计方案,并介绍了系统软件的模块设计.该系统具有双路计量、双路负荷独立控制、多种电力参数记录与显示以及远程通信等功能.实际应用表明该电表计量精确、负载识别准确率高,基于高集成度SoC芯片的设计方案简单、可靠、成本低,具有良好的市场前景. 【期刊名称】《自动化与仪表》 【年(卷),期】2016(031)011 【总页数】5页(P19-23)

【关键词】RN8213B;智能电表;负载识别;开关电源;SoC芯片 【作 者】杨磊;施火泉;吴成瑞

【作者单位】江南大学物联网工程学院,无锡214122;江南大学物联网工程学院,无锡214122;无锡市恒通电器有限公司,无锡214122 【正文语种】中 文 【中图分类】TM933.4

随着安全、节能、智能化意识的不断提升，对负载识别终端的要求也越来越高。非

侵入式电力负荷监测系统不需要在每个被监视电力负荷处加装传感器等硬件设备，所以负载识别的方法也由侵入式向非侵入式[1]转变，并向简单、实用、可靠的识别方法不断深入。

双回路非侵入式负载识别智能电表主要针对学生公寓、写字楼、批发市场等人口密集场所而设计，以加强终端电能的计量考核和管理，预防恶性负载造成的安全隐患。该电表可以实时监测到存在安全隐患的电器，如微波炉、电磁炉、热得快、电热毯等（可以自定义电器黑白名单），及时切断电源，并在设定延时时间之后自动尝试合闸送电；亦可通过改变继电器控制方式，用于家庭中分别记录各种用电设备的实际用电情况，生成报表，以供家庭用户掌握家中各用电器的能耗情况，以利于安全和节能[2]。样机开发与试验表明，高集成度的SoC芯片、开关电源、两光耦RS485通讯、锰铜采样等优化技术的应用，大大降低了硬件成本、体积，缩短了开发周期，具有很高的实际应用价值。 1 负载识别原理及算法

负载识别算法在智能电表识别负载的能力中起着决定性的作用。目前，主流的电器负载识别方法包括基于小波分析的负载识别[3]、利用周期性离散变换算法的负载识别[4]、基于神经网络的负载识别[5]等方法。此类算法存在识别率不高或算法实现成本高或目前难以实现等弊端。目前识别出用电器类别，如阻性负载、感性负载、容性负载（反恶性负载识别的电容补偿器）已经比较容易，但是同类用电器稳态特征较为相似，或对于非线性、混合型的用电器，单纯的通过某一种特征量来判断较为困难。因此，本文采用了一种运用相似度识别负载的算法[6]，并配合硬件实现。 由于从整体来看，每个用电器的稳态、暂态的电压、电流、无功、有功、功率因数等都有各自的特点，如阻性负载稳态特征稳定、电脑工作波形不规则、空调有多种工作状态且多变。故该方法提取用电器投切后的暂态特征量、稳态特征量、功率因数等多个特征参量，选择测量数据与数据库模板的最大相似度来确定用电负荷，进

而得到相应的工作状态和用电量。可以避免单一参数难以识别同类别相似用电器的缺点。

如有m个监测对象，每个监测对象采样n个特征量，设监测对象为 Qi（Qi=［ fi1fi2 …fin］，i=1，2，…，m），未知负荷为 Li=［fj1fj2… fjn］。为了消除不同物理量量纲的影响，需要对特征量通过标准差进行变换[7]：

由式（3）可得变换后的 Q′i＝［ f′i1f′i2 …f′in］，其中，i=1，2，…，m。 同样地，可以得到 L′j。 用 λ（Q′i，L′j）来表示家用电器模板Q′i和未知负荷Lj之间的相似度，并用百分数表示：

式中：i=1，2，…，m； j=1，2，…，m；d=1，2，…，n。

λ值越大，说明2个负荷之间相似程度越大。因此，可通过寻找最大相似度来确定未知负荷是哪种家用电器。 2 硬件电路设计 2.1 总体功能设计

双回路智能电表一般用于学生宿舍，可以同时控制和计量2个供电回路：一路用于动力（插座）控制，一路用于照明控制。具有预付费、分时电价、负载识别和定时开关等功能。两路独立电力参数记录和显示，可通过RS485通信远程方式实现费控和数据交换。如用于学生宿舍时，当负荷超过最大功率（可设定）或检测到学生使用电炉、热得快、电吹风等恶性负载（可预设黑白名单）时，会自动判断出来并断开插座回路的供电。系统整体结构如图1所示。 图1 系统整体结构Fig.1 Frame structure of the system 2.2 电源部分

电源是整个系统的心脏，电源的好坏严重影响整个系统的性能。传统应用于电子式

电能表的电源主要是线性电源，但是线性电源存在转化效率低（自损耗功率大）、体积大、稳压范围小等缺点。相比之下开关电源具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等优点。

本设计采用高频开关电源给整个系统供电，主要为SoC芯片模块和RS485通讯模块供电，且为了保证RS485通讯效果，RS485模块电源需与其他电源做好隔离。高频开关电源主要由以下几个部分组成：

整流电路：通过二极管全桥整流将交流转换为直流（图中被省去，+VH和GND为整流后的直流输出端）；滤波电路；高频变压器：反激式变换器中采用的变压器具有将输入输出隔离和储能的作用；由D7、R110、R111、C16组成的 DRC 电压钳位电路：变压器的磁芯处于直流偏磁状态，为了防止磁芯饱和，一般在变压器中加入较大的气隙，但也增大了漏感，在开关管关断的瞬间，漏感储能引起的电流突变将产生很高的尖峰电压，为了减少开关管在开关时的电压、电流应力，必须采用嵌位电路，这样在开关管关断时，变压器漏感储存的能量被转移到了电容C61中，齐纳二极管嵌位及并联RC的结合使用不但优化了EMI，而且更有效率；由R112、R113以及光耦EL357N-G组成的反馈电路：输出准确的反馈量，保证了开关电流的稳定性和准确性。

B1为蓄电池，通过BATDET连接SoC检测电压情况，保障了电网断电时仍然可以保障智能电表关键部位的正常运行，数据记录与保存。具体电路如图2所示。 图2 开关电源原理Fig.2 Schematic diagram of switching power supply 2.3 采样电路设计

电压采样部分，通过电压互感器降压方式能起到电气隔离的作用，然而互感器成本高、功耗大，故采用电阻分压的方式。考虑到耐压和防浪涌的问题，采用10个1206贴片电阻串联（图3中Ra）分压的形式，Ra为采样电阻。电阻RF和电容CF组成的抗混叠滤波器可以在输出电平中大大降低混叠频率以防止混叠效应，也

保证了正负电压输入之间的匹配。

图3 电压采样原理Fig.3 Voltage sampling schematic

电流采样部分，通常采用电流互感器，虽然精密电流互感器的精度高，但是受环境影响较大。故本设计使用锰铜分流器，其工作原理是在通过额定电流时，在其上产生标准电压，由于其具有低温度系数，减少了因环境变化而引起的精度变化，采样精度高，而且相比电流互感器成本低，其原理如图4所示。 图4 电流采样原理Fig.4 Current sampling schematic 2.4 通讯部分设计

RS485接口组成的半双工网络，一般只需2根连线，采用平衡发送与差分接收的方式，无公共地线，抗共模干扰能力强，最大传输距离可达1200 m。典型应用为三光耦形式，为了降低硬件成本并简化应用电路，对典型方法进行优化设计，即将RS485中的使能信号与RO（数字输入信号）分别控制的方式简化为用RO代替使能控制信号；或将同一信号通过高低电压调整来兼容2种信号，使得三光耦电路变为两光耦电路，节省了使能信号控制线路的硬件成本，但同样能够达到RS485通信的效果。为了系统传输的稳定性，在高速、长线传输时，通常还会在RS485网络传输线的始端和末端并联可跳线的120 Ω匹配电阻，以减少线路上传输信号的反射。具体电路如图5所示，其中485RXD和485TXD分别连接8213B的P20/RX0和P21/TX0，GND与G485需做好隔离，不可有电联系。

图5 智能电表RS485结构原理Fig.5 RS485 schematic diagram of intelligent meter

2.5 SoC芯片及其外围电路设计

智能电表主控芯片RN8213B是锐能微科技股份有限公司于2015年底最新发布的一款低功耗、高性能、高集成度、高可靠性的单相SoC芯片，该产品内嵌32位ARM Cortex-M0核，并集成了计量模块、硬件温补RTC、LCD控制器、

E2PROM等模块，支持零线和火线双通道有功功率、无功功率、视在功率、电流有效值、有功电能、无功电能、视在电能同时计量，提供电压有效值及电压线频率测量。在5000∶1动态范围内有功误差小于0.1%，能够满足单相智能表计目前及将来持续增长的功能、性能要求。

RN8213B的外围及扩展电路的设计如图6所示。图中 VP、VN 为电压采样通道，I1P、I1N、I2P、I2N分别为两路电流采样通道，均为模拟输入端口；LCDVA～D，LCDVP1，LCDVP2 为液晶驱动部分；S1～S15，COM1～COM8为 LCD 显示接口；TURN 为轮显按键接口；CF-1和 CF-2为校表脉冲端口，通过串联LED指示校表情况，并通过光耦与芯片隔离，以免损坏电表；IR TXD和IR RXD为红外通讯接口；SoC外接32.768 kHz晶振。

图6 SoC芯片及其外围电路原理Fig.6 SoC chip and its peripheral circuit schematic 3 软件设计

双回路智能电表可以同时计量2个通道的有功电能、无功电能、视在电能，可测量电压、电流、功率、功率因数、相角、频率等参数，用户可以通过液晶显示器读取上述参数，也可以由计算机通过RS485通信口或红外读取上述参数。主要程序包括主程序、计量模块、费控模块、负载识别模块、通讯模块、按键模块、液晶显示模块、脉冲校表模块等。限于篇幅，本文重点描述负载识别部分，主要流程如图7所示。

图7 负载识别软件流程Fig.7 Software flow chart of load identification 4 实测结果与分析

为了突出对比效果，选取几种稳态差异较大和几种稳态较为相似的负载进行实验。稳态参数测试结果和恶性负载识别继电器动作情况如表1所示。由于电水壶功率较大，超过设定的阈值，所以0.1 s内继电器便会动作。电暖器和热得快为稳态功

率相似且功率因数均为1的纯阻性负载且功率较大，容易归为恶性负载，但是通常算法区分难度大，然而两者的电压电流暂态差异较大，电暖器上电后电流和有功都有一个明显的上升过程，3 s后上升过程变得缓慢，数十秒后方可缓慢趋于稳态；而热得快上电后电流瞬间上升至4.38 A，有功则在3 s左右趋于稳态，因而采用相似性算法可以很容易地区分2种相似负载。饮水机的功率较大且功率因数为1，在加热过程中稳态功率略有波动，因为其已加入白名单中，故继电器无动作。电风扇功率较小，功率因数为0.975，非恶性负载，继电器无动作。

表1 稳态参数测试结果和恶性负载判断继电器动作情况Tab.1 Steady-state parameter test results and relay operating time by recognition of malignant load序号负载名称电压/V有功功率/W继电器动作时间/s 1 电水壶 213 1360 0 6.4 1 0.1 2 饮水机 220 480 0 2.1 1 —率/（var）电流/A功率因数无功功3 电风扇（中档） 220 35.3 -8.1 0.17 0.975 —4 电暖器（高档） 217 920 0 4.3 1 6 5 热得快 215 930 0 4.38 1 3 6 电烙铁 220 20 10.8 0.2 0.69 — 5 结语

基于RN821X系列最新SoC芯片的双回路负载识别智能电表，可以独立计量2个回路的用电信息，采用非侵入式负载识别方式，识别负载的准确率高，两路独立的继电器开关，可以及时切断具有安全隐患的回路。通过更改继电器控制方式，亦可用于家庭中，识别每个用电器的投切情况，给出各用电器的用电分析报表，让用户掌握各用电器的耗能情况，益于节能和安全。高集成度SoC芯片及开关电源的使用降低了系统的复杂度、体积和成本。导轨式安装，易组网的特点便于现场安装改造。样机开发和实际应用表明，该电表具有良好的可靠性和稳定性，市场前景广阔。 参考文献：

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