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基于主动配电网的智能家居用电控制器的设计开发

2016-06-02
作者:邵 武1,周 伟1,杨 隽1,翟 亮1,杨家全2,穆亚明1,张雍忠1,鲁贵海1
来源:2015《电子技术应用》智能电网增刊

  邵  武1,周  伟1,杨  隽1,翟  亮1,杨家全2,穆亚明1,张雍忠1,鲁贵海1

  (1. 玉溪供电局, 云南 玉溪 653199;2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院, 云南 昆明650217)

  摘  要: 针对主动配电网智能用电装置系统的用户层,以ATT7035为控制核心,设计和开发智能家居用电控制器,可对家庭用电设备的电压、电流、频率、有功和无功功率、功率因素进行测量,并可对有功电量累积消耗进行计算,在得出测量和计算结果后通过ZigBee通信模块向智能家居系统的智能交互终端提供电能数据,实时等待互动终端指令,以此来控制智能控制器的开启和关断,从而控制与其相连的家用电设备。设计了智能控制器的CPU系统控制模块、电源驱动控制模块、电能参数采集与调理模块、ZigBee通信模块等,并给出了硬件电路原理图。该用电控制器具有多功能、可靠性高、实用性强等特点,具有一定的市场应用前景。

  关键词: 主动配电网;智能用电;智能控制器;ATT7035;用电信息采集;ZigBee技术

0 引言

  随着分布式能源(Distributed Energy Resource, DER)的渗透率在电力系统各层级的不断提高,电力系统尤其是配电网的规划和运行方式也变得相对复杂,同时对配电网的经济性和监管方式也产生了较大的影响[1]。为应对DER规模逐渐扩大以及用户对合理电价范围内供电可靠性的期望值日益提高等一系列变化,传统配电网已逐渐从被动模式向主动模式转变[2]。主动配电网旨在解决电网兼容及应用大规模间歇式可再生能源,提升绿色能源利用率,优化一次能源结构等问题[3,4]。针对DER接入配电网可能会给电网带来诸如影响短路水平、影响无功功率和电压分布等问题,尤其是新能源以即插即用方式接入,给配电网运行带来更多的不确定性,使得配电网更加难以控制。因此,有必要开发新的供配电设备使得配电网向主动调控、自动适应的主动配电网发展。

  基于主动配电网,研发智能家居系统是物联网的主要应用之一,它以家庭住址为平台,利用先进的计算机技术、通信技术、传感器技术、控制技术等,将各种家用电子设备进行集中的控制和管理,从而创造出高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。如图1所示。

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  目前市场上绝大多数家居智能控制器只具备极少的智能性,比如具备定时开、关灯功能,无法对非正常状况进行监测与断电控制,不具备真正的智能功能,并且价格很昂贵。现有的家用电器插座已经不能适应各方面的需要,尤其是在基于主动配电网的智能家居系统中,需要功能新颖的智能控制器,其潜在的市场需求很大[5]。

  为此,本文研究了一种以ATT7035芯片为信息处理核心的智能家居用电控制器。这种控制器可以对用电设备(电冰箱、洗衣机、微波炉等,如上图1所示)的电压、电流、频率、有功和无功功率、功率因素进行测量,并且可以对有功电量累积消耗进行计算,在得出测量和计算结果后通过ZigBee通信模块向家居智能系统中的智能交互终端(安卓智能手机、平板等)提供电能数据。智能交互终端上的App上层软件基于实时电能数据实时发出指令给智能控制器,智能控制器一旦收到交互终端的相应指令就可以通过继电器模块实现与其相连的家用电器设备的通信,除此之外,该家用智能控制器还可以通过保护模块实现自身保护的功能,例如防雷保护、过压保护、过流保护、短路保护、定时开通、定时关断、自动报警、自动休眠、状态提示等智能功能。

1 硬件系统设计

  1.1 硬件系统结构设计

  本文设计的智能控制器硬件系统以ATT7035芯片为核心,主要包括:CPU系统控制模块、电源驱动控制模块、接口模块、时钟模块、复位电路、LCD显示模块、ZigBee通信模块、电能参数采集与调理模块、开关电路等,如下图2所示。智能控制器以ATT7035为系统控制核心,处理各检测信号和键盘输入值,在LCD上显示其处理结果,并通过控制开关电路中的继电器实现智能控制器的开启和关断。电源驱动控制模块采用变压器降压+直流稳压方案,给LCD显示模块、CPU模块等提供电源。

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  1.2 智能用电控制器的参数指标

  本文设计的智能用电控制器其基本参数指标为:

  (1)电源适用性:供电电压为220 V,45~60 Hz条件下能正常工作;

  (2)最大负载电流:IMAX=15 A;

  (3)功耗:小于1 W;

  (4)精度:电压(1.0级)<1%,电流(1.0级)<1%,功率(1.0级)<1%,电量(1.0级)<1%;

  (5)低温工作条件:-10℃±2℃环境下,连续工作2 h,系统能正常工作;

  (6)高温工作条件:+50℃±2℃环境下,连续工作2 h,系统能正常工作。

2 智能控制器各硬件模块设计

  2.1 基于ATT7035的CPU系统核心控制模块

  所设计的智能控制器需要随时接收智能互动终端的指令信号来控制继电器实现自身的开启和关断,因此CPU系统控制模块在设计上应该选取体积小、能耗低、外设接口丰富、处理和计算速度快的控制芯片。对于这样的芯片,应符合以下几点要求:

  (1)合适的存储器。可充分利用控制芯片内存储空间,以便系统更加紧凑,且可有效解决接口能力、指令系统、寻址方式及功耗等问题;

  (2)具备配套开发系统。可进行软件调试,使用相应的开发系统进行功能性调试扩展;

  (3)体积小,成本低。芯片体积要求越小越好,集成度要高,成本尽量要低,能够在用户的承受范围之内。

  结合上述几点要求,选取单相电能专用SOC计量芯片ATT7035芯片,它是一款具有国际领先水平的专用单相电能计量SOC(system-on-chip),片内集成处理器单元、单相电能计量单元、电源管理、时钟管理单元以及PLL倍频和JTAG调试等功能。

  ATT7035芯片非常适合家居智能控制器的开发与设计,其集成了丰富的外设接口,可以直接驱动外围相关的电路,大大降低了电路的复杂性,因此,选用ATT7035作为CPU系统主控制芯片。在图2中,ATT7035芯片集成了很多电能计量的外部电路,使得设计中电路可以尽量小型化、简单化和模块化,适合本文智能控制器的开发。

  CPU系统控制模块主要实现功能为:接收来自电能参数采集与调理模块及计量模块的测量数据,进行快速正确的计算和处理,并将计算和处理结果实时发送到显示模块并控制其显示,与此同时通过ZigBee通信模块将数据发送到智能家居系统中的智能手机、平板等智能交互终端,接受来自智能交互终端的指令信息,这些指令信息控制和决定当前网络智能家电的运行状态,当家电网络中出现过压、过流、漏电、用电负荷异常等情况时,向开关电路中的继电器发出指令,自动切断当前电源,从而达到保护的作用。当然,除核心控制、处理计算电能调理参数信号外,该核心处理芯片还配置相关的外部驱动外设,如图2中的LCD显示模块、键盘、非易失存储器、蜂鸣器、复位电路等。

  ATT7035作为CPU系统控制模块的核心,提供单相电能计量所需要的全部功能,提供有功、无功、视在电能脉冲输出,并开放脉冲计数寄存器,包括有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等,具有三路ADC同步采样波形数据,支持单相两线制、单相三线制,支持灵活的防窃电方案和校表方案,窃电阈值可通过寄存器灵活设置,提供多种电能累加方式选择,支持增益误差、相位误差的软件校表,支持防潜动功能,潜动阈值可灵活设计[6]。同时还具有直流偏置自动校正,多种能量计算模式,开放快速脉冲计数寄存器,防止上、下电时丢失电能,脉冲输出PF/QF/SF脉宽可选,无功移相补偿,有功P和无功Q偏置校正等功能。

  图3所示为ATT7035的功能模块图。

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  2.2 电源驱动控制模块

  该部分将市电220 V的交流电压进行AC-DC变换,输出电路系统中需要的直流电压。本文设计智能控制器用到的工作电压有+5 V和+3.3 V两种,其中前者为图2中的电能参数采集与调理模块、时钟模块、显示模块提供电源,后者为CPU核心控制模块、ZigBee无线通信模块等提供电源,并考虑电磁兼容性能。目前工业上常见的交流电转低压直流电的技术方案主要有三种:开关电源模块方案、阻容降压方案和变压器降压整流滤波方案。其中开关电源方案的优点是体积小、效率高、自身抗干扰能力强,但是输出的电源是非隔离的,不安全,不能用于大功率负载,抗电网浪涌能力差[7];阻容降压方案是利用电容在交流电中容抗来限制电流的原理,简单地利用电阻保护的方法,该方法成本较低,受电压波动影响较大;采用第三种变压器降压整流滤波方案的优点是安全、稳定,但是体积较大。

  因此本文选用先通过变压器(变比为220:9)降压再整流(由四个二级管组成的桥式整流电路)滤波的方案来设计电源驱动模块。图4所示为电压驱动模块设计原理图,220 V交流市电经过变压器降压之后变成9 V交流电压,然后经过桥式整流电路(D1~D4)整流、电容(C2)滤波,通过LM7805电源芯片输出+5 V直流电压,然后再经过电容(C3/C4)滤波后经电源芯片LM1117L3并再次经电容(C5/C1)滤波,最后输出稳定的+3.3 V直流电。

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  2.3  电能参数采集与调理模块

  该部分设计作为对电能参数测量信号进行采集与调理,在整个家居用电智能控制器中起到非常重要的作用。核心控制芯片ATT7035要求作为电压信号采集端的V3P和V3N引脚的输入电压必须在-700 mV~+700 mV之间,因此采集的电压信号要经过电阻分压后才能引入到ATT7035芯片的引脚,将大电压信号转化为小电压信号,然后再输入给专用的计量芯片,其内部具有A/D转换、数字运算放大电路,可自动完成多路电压电流有效值、功率等计算。电流信号的采集利用欧姆定律I=U/R的原理,将电压信号转化为电流信号,RC低通滤波后将电压I(t)送至ATT7035的V1P和V1N输入口。

  2.4  ZigBee无线通信模块

  在家居网络中,利用无线组网技术使用射频代替线缆来传递信息,该种方式不受传输线的限制,适合家居无线组网。无线组网包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络,也包括近距离的ZigBee技术和红外技术。

  ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗的无线双向通信技术。IEEE802.15.4工作组确定ZigBee工作频段为2.4 GHz和868/915 MHz,这三个频段的物理层各不相同,所对应的带宽分别为0.6 MHz、2 MHz和5 MHz。2.4 GHz采用十六相位正交调制技术,定义了16个信道,868/915 MHz都是采用二进制移相键控的直扩序列调制(DSSS)技术,它们之间最主要的区别是工作在不同的频率之上,数据的传输速率也不相同[8]。本文采用ZigBee通信技术方案在于ZigBee技术具有如下特点:低功耗、自组织多跳网络、短距离无线连接、低功耗无线传输、超大的网络容量、系统开销小、电池续航能力高等,其传输范围为100 m,带宽为250 Kbps,传输媒介为2.4 GHz射频。

  ZigBee通信技术支持的网络拓扑结构有三种:星形、网状和簇状,各种网络拓扑结构有各自的优缺点,在应用中要根据实际需要进行选择[9,10]。本文设计的智能控制器作为应用层级服务于整个家居智能系统,针对家庭居住环境的复杂性和智能家居系统功能的多样性,一般宜采用簇状网络作为系统的组网方式,该组网方式通常由一个ZigBee网络协调器和若干ZigBee网络路由器和一些网络终端组成。

  本文设计通信方案中通过UART接口及外接RS485收发器与ZigBee模块进行串口通信,获取ZigBee模块从互动交互终端接收的控制命令并执行,将响应信息通过ZigBee模块以无线方式返回给家居智能系统中的互动终端。

  2.5 功率计算和防窃电方案设计

  2.5.1 功率及有效值(RMS)折算

  在ATT7035内部提供有功功率、无功功率和视在功率输出寄存器。功率、有效值的显示可以直接乘上相应的系数Kx即可。为了检验Kx是否正确,可以使用如下的参照近似折算公式,同时,如下图5所示为功率计算和补偿流程图。

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  有功功率折算公式:

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  其中,Preg为从功率寄存器PowerP读取的功率值;EC为智能控制器的脉冲常数;HFConst为ATT7035的HFConst寄存器的输出脉冲个数。

  无功功率折算公式:

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  其中,Qreg为从功率寄存器PowerQ读取的功率值;EC为智能控制器的脉冲常数;HFConst为ATT7035的HFConst寄存器的输出脉冲个数。

  IRMS折算公式:

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  其中,It为从IRMS读取的电流有效值数据;Ris为电流取样电阻阻值;Gain为电流通道增益。

  URMS折算公式:

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  其中,Ut为从URMS读取的电压有效值数据;Rt为电压通道电阻串的总电阻值;Rus为电压取样分压电阻阻值;Gain为电压通道增益。

  如下图5所示,有功功率P通过电压U、电流I相乘经过低通滤波器后得到;无功功率Q计算时,先将电压移相90°,然后通过移相器后电压U和电流I相乘,经过低通滤波器LPF得到;视在功率S通过电压有效值URms和电流有效值IRms相乘得到;对于通道1和通道2的功率分别提供增益校正和相位校正,同时针对小信号的精度问题,提供了偏置校正来消除外界干扰;对电压移相90°的滤波器性能与输入信号的频率及ADC采样率相关,可以通过无功相位补偿寄存器QPhsCal(49H)对90°移相进行相位补偿。QPhsCal默认为0,在femu为505 296 MHz时,对应到50 Hz输入信号可以实现准确的90°移相。

  2.5.2 电压、电流有效值计算和电压频率输出

  在ATT7035芯片中,可以同时输出两路电流和一路电压的有效值,即Irms1,Irms2,Urms,其有效值可以保证0.5%的精度;同时通过对零点技术的方式,提供电压频率输出,频率的精度可以保证准确到0.01 Hz。图6所示为电压电流有效值计算框图。

  2.5.3  防窃电方案的设计

  在ATT7035中,可以通过防窃电模块对两路电流大小进行比较,选用较大的一路电流进行计量。可以通过FLTON(52H.5)来设置是否开启自动防窃电功能,如FLTON=0时,用户可以根据CHNSEL(51H.4)进行通道选择;FLTON=1时,防窃电单元根据用户的设置,自动选择相应的通道进行计量。用户还可以通过CIADD(51H.3)选择将两路电流先进行矢量叠加,然后再进行计量。通过ICHK(50H)用户可以设置发生窃电的比例,比如可以设置0x10H,表示两路电流有效值相差到6.25%时认为是发生了窃电。

  3 算法设计

  图7为软件系统主程序流程图。

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  本文设计的家居用电智能控制器实现电能参数采集与显示、电能数据的无线通信传输以及继电器的开启和关断、过电流与过电压保护、漏电保护、自动报警等功能。软件调试程序主要包括I2C程序,负责将I2C芯片中存储的数据读入和写入ATT7035芯片;液晶显示程序,主要负责LCD液晶显示功能;时钟程序,主要用于读出日历中的时间,进行显示并对日历进行设置;计量程序,主要用于能量累计计算、有功功率计算、电能数据打包发送、读取并处理电能数据等;定时程序,主要用于定时;系统程序,主要用于将电量比例参数写入I2C芯片,并从I2C芯片读取电量比例参数;主程序,主要用于系统初始化,主函数调用其他函数,实现智能控制器全部功能。还包括各类头文件,主要用来定义寄存器与管脚及相关函数与声明变量等。对于所设计的智能控制器,其软件系统中的某些程序与函数均有多种实现方式,可以进一步优化。

4  结论

  本文基于当前配电网由被动控制过渡到主动控制的大背景下,针对智能家居系统中的家用电控制器,开发了基于ATT7035为控制核心的智能家居用电控制器,其可对用电设备的电压、电流、频率、有功和无功功率、功率因素进行测量,并且可对有功电量累积消耗进行计算,在得出测量和计算结果后通过ZigBee通信模块向智能家居系统的智能交互终端提供电能数据,实时等待互动终端指令,以此来控制智能控制器的开启和关断,从而控制与其相连的家用电设备。该用电控制器具有多重保护、计量准确、可靠性高、实用性和智能化强、成本低廉等特点,可以有效减少用户用电开支,帮助用户有效节能,具有一定的市场应用前景。

  下一步研究工作的重点在于开发一套完整的基于智能控制器的家庭智能用电模拟系统,该系统包括齐全的家庭用电设备、智能互动终端(智能手机、平板等)、智能App安卓软件、基于ZigBee的智能家庭局域网传输通信网络以及小型光伏等分布式电源及相应的逆变控制器,并建立家居能效管理机制,综合考虑各类用电负荷的变化、实时电价及家庭能效分析结果,给出能效节能方案,统一管理各类用电设备及分布式能源的接入,将家居智能用电由被动接受转入到主动管理上,使家庭用户参与用电需求响应,实现与电网双向互动,为最终建立一个坚强的主动配电网系统打下良好的基础。

参考文献

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