基于层次分析法的智能电能表器件选型.pdf

电 测 与 仪 耒 Vo l . 57 No・ ・ 12第57卷第12期 2020年6月25日El e c t r ic al Me asur e me nt 层次分析法;微控制器;计量模块;通信模块;时钟模块 DOI 10.19753/j. issn l001-1390.2020.12.020 中图分类号TM341 文献标识码A 文章编号1001-13902020 12-0131-06 S e l e c t io n o f smar t me t e r de vic e base d o n anal yt ic h ie r ar c h y pr o c e ss Zh a n g Ye1,2 , Tia n Muq in2 , Pen Ha ibo3 _/・ Depa r t ment o f Aut o ma t io n, Ta iy ua n Inst it ut e o f Tec hno l o g y, Ta iy ua n 030008, China . 2. Sha nxi Key La b o r a t o r y o f Mining El ec t r ic a l Eq uipment a nd Int el l ig ent Co nt r o l, Ta iy ua n Univer sit y o f Tec hno l o g y, Ta iy ua n 030024, China . 3. Sc ho o l o f El ec t r ic a l a nd Info r ma t io n Eng ineer ing, Tia njin Univer sit y, Tia njin 300072, China Abst r ac t As t er min a l o f t h e sma r t g r id, sma r t met er h a s in t ellig en t f un c t io n s suc h a s c o mmun ic a t io n f un c t io n, f a ult pr e dic t io n a n d ph a se det ec t io n in a ddit io n t o t h e ba sic met er in g f un c t io n o f t h e t r a dit io n a l met er in o r der t o a da pt t o t h e ut ili za t io n o f n ew en er g y a n d sma r t g r id. Ho wev er, t h er e is n o un if ied st a n da r d f o r t h e selec t io n o f t h e ba sic c o r e dev ic es o f sma r t met er s. Th is pa per pr o po ses a sma r t met er c o mpo n en t selec t io n sc h eme ba sed o n a n a lyt ic h ier a r c h y pr o c ess. Fir sdy, t h is pa per a n a lyzes t h e f un c t io n a l r eq uir emen t s o f t h e sma r t g r id f o r sma r t met er s in a c c o r da n c e wit h t h e dev elo pmen t n eeds a n d busin ess c h a r a c t er ist ic s o f sma r t g r ids, a n d t h en, c r it er ia la yer is set f o r t h e dema n d c h a r a c t er ist ic s o f dif f er en t f un c t io n mo dules. Fin a lly, t h e o pt ima l c o mpo n en t s r eq uir ed f o r sma r t met er a r e selec t ed. Th is met h o d pr o v ides sc ien t if ic ba sis f o r t h e selec t io n o f sma r t met er c o mpo n en t s a n d pr o mo t es dev elo pmen t o f sma r t g r ids. Ke ywo r ds sma r t met er, AHP, mic r o -c o n t r o ller, met er in g mo dule, c o mmun ic a t io n mo dule, c lo c k mo dule o引言 随着电力市场改革的推进、环境监管要求日益严 格及新能源发电技术的不断发展，电力网络与市场、用 户的协调与交流越来越紧密，对于电能质量的要求越 来越高，分布式发电系统不断增多，传统的电力网络已 经不能满足要求,为此提出了智能电网的概念以满足 对电网的要求。智能电能表作为智能电网与用户的连 接端,不仅承担着电能数据采集、计量和传输的任务, 而且还必须具有对不同费率进行计量、实现数据存储、 处理与信息的交互、智能电能表与电力公司身份的相 互认证、利用历史数据对故障进行预测3］及相位的检 测⑶等功能。 依据智能电网对于智能电能表的基本功能要求, 可得智能电能表的结构如图1所示，主要包括总电源 模块、微控制器、计量模块、通信模块、安全模块、继电 器模块、时钟模块以及显示模块八部分3］。其关键元 器件包括总电源、微控制器、计量模块、时钟模块与通 信模块。其中，总电源模块负责给各功能模块提供电 131 电 测 与 仪 素 El e c t r ic al Me asur e me nt 文献［9］对绿色传感网中智能电能表系统进行了研究, 该研究中仅对通信模块中通信协议进行了优缺点对比 选型;文献［10］首先分析了传统变电站对智能电能表 计量系统的影响，针对计量系统高采样率、高精度的功 能要求，设计了三种计量系统选型方案针对枢纽智能 变电站，采用站控层传输电量信息，对小投资的终端变 电站，可以采用智能电能表与电能量终端单独组网的 形式，而发展成熟的智能变电站采用计量插件的方式 进行电能的计量与传输;文献［11 ］针对两种时钟方案 进行对比分析，并从软件、硬件以及生产过程三方面对 智能电能表时钟模块可能出现的故障提出了预测与应 对措施;文献［12 ］针对通信模块中的安全性，提出了不 同的解决方案,但并未确定具体方案。 上述分析可以发现，关于智能电能表的研究很多, 但是关于其元器件选型的研究相对甚少,基于此,文中 基于层次分析法对智能电能表的关键元器件微控制 器、计量芯片、通信模块以及时钟芯片的选型进行了 研究。 1层次分析法 层次分析法An a lyt ic Hier a r c h y Pr o c ess, AHP于 20世纪70年代初首次提出，该方法一经提出就得到了 广泛的应用〔⑶。AHP将复杂的多目标决策问题按照 总目标、评价准则以及各备选方案进行分解建立层次 结构模型,通过对构建的判断矩阵进行排序与一致性 检验,求解得到各备选方案的最终权重,权重大者仅为 最优方案。 层次分析法分四个步骤构建层次结构模型，确定 目标层、准则层与方案层;根据层次结构模型构造判断 矩阵;对判断矩阵进行层次排序与一致性检验,检验不 通过需重新构造判断矩阵;求解不同方案的权重，权重 大者为选型结果。其流程图如图2所示。 图2层次分析法流程图 Fig . 2 Flo w c h a r t o f AHP 由于不同型号的元器件对智能电能表的工作特性 影响较大以及层次分析法作为一种系统分析方法，将 研究对象作为一个系统，按照分解、比较、判断、综合的 方式对系统进行研究从而根据不同的约束准则确定最 优方案，因此，文中基于层次分析法进行智能电能表的 关键元器件的选型。首先将各功能器件的不同型号、 132 电 测 与 仪 耒 El e c t r ic al Me asur e me nt 为元器件i的失效率。为了补偿未统计全 的各模块中元件失效率，加入补偿系数卩，可得到补偿 后的各模块平均无故障时间MTBF表达式为皿］. MTBF 1/1 VA; 2 式中V般取0.05 0.2,文中取0. 1,按照国家 标准，可以分别确定微处理器、计量模块、通信模块与 时钟模块的平均无故障时间MTBF,即各模块的可靠 性。可靠性是所有关键元器件选型必须考虑的评价 指标。 2 精度 智能电能表的精度等级主要取决于时钟与电能计 量模块的精度，即电压、电流传感器的准确度等级、 A/D转换精度。精度等级越高，对电能的计量越准确, 对于智能电能表的准确度国家也有严格的标准要求, 例如计量芯片的电能计量误差不应大于0.1 ,常温下 时钟芯片1Hz的误差不应大于3. 8 ppmo电能计量模 块的精度越高可以对负荷预测提供可靠依据a】。 3功耗 国家电网对于智能电能表的元器件的使用时间有 明确要求，比如要求时钟电池工作时间至少五年以上, 要求单相与三相计量芯片的功耗必须小于50 mW与 100 mW等,从可持续发展的角度在对器件选型时也必 须考虑其功耗。 ⑷传输速率 传输速率的高低会影响整个系统的精度，国家电 网要求RS 485的最大通信速率应高于250 k bps,因此 在进行通信模块元件选型时,必须考虑传输速率因素。 ⑸兼容性 在保证系统的功能、精度等级的前提下，还要考虑 元器件之间的兼容性,保证不同厂家、不同元器件之间 具有很好的兼容性，从而不会影响元器件的功能与技 术性能指标。 6成本 随着智能电网技术的不断深化，智能电能表的应 用也日益广泛，因此在保证其满足规定的可靠性、精度 等级的同时，还要考虑其成本。 除了上述几种能够影响因素外,计量芯片的电能 质量测试功能、微控制器的功能接口、时钟模块的温度 补偿、通信模块的误码率以及各模块的体积也是元件 选型过程中必须要考虑的因素。 国家电网对微控制器的技术规范包括国家电网 在智能电能表技术规范中要求其微控制器工作电流应 W600 jlA/MHz,控制代码传输速率不能低于19 200 bps,因此其准则层设计为可靠性、功耗、数据处理能 力。此外，由于微控制器还需要与时钟芯片等进行连 接,因此还必须考虑其兼容性。满足所有技术性能指 标后还要考虑其成本。 国家电网对于计量模块的技术规范包括对数据 进行采集实现对电能、功率、功率因数的测量，功率、电 能、功率因数、频率的测量误差分别应不大于0. 2、 0.1、0.3 ,0.1，单相与三相计量芯片的功耗必须 小于50 mW与100 mWo因此其准则层设计为可靠 性、动态性能范围/精度、电能质量测试与功耗。 133 电 测 与 仪 素 El e c t r ic al Me asur e me nt Inst r ume nt at io n Vo l . 57 No . 12 Jun.25,2020 第57卷第12期 2020年6月25日 国家电网对于通信模块的技术规范静态工作电 流W0. 8 mA,最大通信速率应高于250 k bps,通信误码 率应＜io -7,因此其准则层应设计为可靠性、功耗、传 输速率与误码率。 以上，优先选择i2c通信接口，具有温度补偿功能，因 此其准则层设计为可靠性、精度、功耗、通信与温度 补偿。 根据对上述评价指标的分析可以分别得到微控制 国家电网对于时钟模块的技术规范正常工作情 器、计量模块、通信模块以及时钟模块的层次结构模 况下，工作频率偏差应W3.8 ppm,电池至少工作五年型，如图3 图6所示。 图3微控制器模块层次结构模型 Fig . 3 Hier a r c h y mo del o f mic r o -c o n t r o ller 图4计量模块层次结构模型 Fig . 4 Hier a r c h y mo del o f met er in g mo dule 图5通信模块层次结构模型 Fig . 5 Hier a r c h y mo del o f c o mmun ic a t io n mo dule 图6时钟模块层次结构模型 Fig . 6 Hier a r c h y mo del o f c lo c k mo dule 134 电 测 与 仪 耒 El e c t r ic al Me asur e me nt Inst r ume nt at io n Vo l . 57 No・ ・ 12 Jun. 25,2020 第57卷第12期 2020年6月25日 2.2模糊求解 2.2.1构造判断矩阵 根据建立的层次结构模型,构造不同功能模块的 判断矩阵，构造判断矩阵的基本原则如表1所示。 表1判断矩阵构造原则 Ta b. 1 Co n st r uc t io n pr in c iple o f judg men t ma t r ix 程度 含义 1 两个因素相比，具有同样重要性 3 两个因素相比,一个因素比另外一个因素稍微重要 5 两个因素相比，一个因素比另外一个因素明显重要 7 两个因素相比，一个因素比另外一个因素强烈重要 9 两个因素相比，一个因素比另外一个因素极端重要 2,4,6,8 上述两相邻判断的中值 倒数 因素i与j比较的判断叫，则因素j与i比较的判断 1/旳 2.2.2层次单排序及一致性检验 能否确认层次单排序，则需要进行一致性检验，所 谓一致性检验是指对模糊判断矩阵A确定不一致的允 许范围。由线性代数知识可知，“阶一致矩阵唯一的非 零特征根为阶正互反矩阵A的最大特征根入M n。 因此，当且仅当A n时,模糊判断矩阵4为一致矩阵。 2.2.3层次总排序 层次总排序是指计算所有元素对目标层的重要性 的权重，该过程按照从高到低层次依次进行。在综合 评价过程中，当目标层的权重之和大于1时需进行归 一化处理。 2.3 实例分析 文中以计量模块为例应用层次分析法对其进行器 件选型。 1 建立层次结构模型，计量模块的层次结构模型 如图4所示。 2 建立计量模块的判断矩阵，如式3所示。 all a12 a13 14 . a21 a22 a23 aQA / r、 A 3 a31 a32 a33 。34 L 42 a43 」 3 根据智能电能表对计量芯片的要求,可靠性是 最重要的,在保证可靠性的前提下要使计量芯片具有 很高的精度，以此提高测量准确性。同时还要求计量 芯片具有测量电能质量的功能。最后,从可持续发展 的角度考虑芯片的功耗。由以上分析及判断准则，可 以确定计量模块的判断矩阵为 r i -7 25 丄 2 14 A 1 54 1 6 1 5 T 6 5 1 ⑷ 4 进行单排序以及一致性检验。 对判断矩阵A进行层次分析，可以得到最大特征 根为A 4. 247 2，矩阵一致性指标CI 0. 082 4 , CR 0. 085 8 0. 1，满足一致性检验。因此，计量芯片 的判断矩阵A通过了一致性检验。 5 进行层次总排序。 对于不同的计量模块型号,依据不同的准则标准 可以得到其权重分别为0.429 9.0. 094 1.0. 185 8、 0.290 2O可以看出ADE7755的权重最大，且明显高于 其他型号芯片的权重，因此计量芯片应该选 择 ADE7755O 同理可以应用此方法对微控制器、通信模块、时钟模 块等关键元器件进施型。选型结果如表2〜表4所示。 Ta b. 2 表2微控制器选型结果 Selec t io n r esult s o f mic r o -c o n t r o ller 器件型号权重 R7F0C0040.403 7 R7F0C9020.301 2 ML610Q4960.111 6 ARMv 6-M0.183 5 表3通信模块选型结果 Ta b. 3 Selec t io n r esult s o f c o mmun ic a t io n mo dules 器件型号权重 UM33520.127 4 UM30880.465 2 UM34830.136 5 UM34860.270 9 表4时钟模块选型结果 Ta b. 4Selec t io n r esult s o f c lo c k mo dule 器件型号权重 RX8025T0.412 3 S-3530A0.250 6 DS32310.201 2 M41TC80250.134 9 135 电 测 与 仪 素 El e c t r ic al Me asur e me nt Inst r ume nt at io n Vo l . 57 No . 12 Jun.25,2020 第57卷第12期 2020年6月25日 由表2 表4可知，在智能电能表的关键元器件选 型中，微控制器、计量模块、通信模块以及时钟模块应选 的型号分别为 R7F0C004、ADE7755、UM3088、RX8025T。 3结束语 文中介绍了智能电能表的应用趋势，依据智能电 网的发展需求具体分析了智能电网对智能电能表的功 能需求，并根据智能电能表的功能确定其关键元器件, 针对其关键元器件选型没有统一标准的问题,提出了 应用模糊层次分析法进行元器件选型,并以计量模块 为例,应用该方法进行了选型,根据不同的判断准则， 在可行性备选方案｛ ADE7755, CS5464, ATT7O51/53, ADE7878中，文中选择ADE7755为满足智能电能表 需求的计量芯片。同理对智能电能表的其他关键元器 件也进行了选型。 参考文献 [1 ] Ya n g Jin c h en g, Jia n g Pin g , Ch en Gua n yu , et a l. Applic a t io n o f c 5.0 a lg o r it h m in f a ilur e pr edic t io n o f sma r t met er s [ C ]. 13t h In t ema t io n a l Co mput er Co n f er en c e o n Wa v elet Ac t iv e Media Tec h n o lo g y a n d In f o r ma t io n Pr o c essin g . 2016, 328-333. [2] Liu Fa n g x in g , He Qin g , Hu Sh iya n , Wa n g Lei. Est ima t io n o f sma r t met er s er r o r s usin g met er r ea din g da t a [ C]. Co n f er en c e o n Pr ec isio n E- lec t r o ma g n et ic Mea sur emen t s CPEM 2018 , 2018 l-2. [3] Sh o ic h i Kit a mur a, To mih ir o Ta k a n o , Yo sh io Izui. Ex t en ded sma r t me- t er s-ba sed r emo t e det ec t io n met h o d f o r illeg a l elec t r ic it y usa g e[ J]. IET Gen er a t io n, Tr a n smissio n Dist r ibut io n, 2013, 711 1332-1343. [4] 徐薇.面向智能电能表隐私保护的方案设计[D].北京华北电力 大学，2016. Xu Wei. Desig n o f Pr iv a c y pr o t ec t io n sc h eme o n sma r t met er ] D]. Bei jin g Sc h o o l o f Elec t r ic a l a n d Elec t r o n ic En g in eer in g, 2016. [5] 张龙泉.基于R7F0C004的单相本地费控智能电能表的设计与实 现[D].湖南大学，2016. Zh a n g Lo n g q ua n . Th e desig n a n d r ea liza t io n o f t h e f ee c o n t r o lled o f sin - g le-ph a se-lo c a l sma r t met er by ba sed o n t h e c h ip R7FOC004[D]. Hu n a n Un iv er sit y, 2016. [6] 谷延军，申卫昌，刘骊.基于ATH026A的高精度智能电能表设计 [J].电网技术，2007s 2 318-320. Gu Ya n jun , Sh en Weic h a n g , Liu Li. Th e desig n o f h ig h -pr ec isio n sma r t met er s ba sed o n ATT7026A [J]. Po wer Syst em Tec h n o lo g y, 2007 s2 318-320. [7] 吴文忠.基于Lo n Wo r也技术的智能电能表的研制[J].电测与仪 表，2011,483 66-70. Wu Wen zh o n g . Dev elo pmen t o sma r t met er ba sed o n Lo n Wo r k s t ec h n o lo g y [J]* Elec t r ic a l Mea sur emen t In st r umen t a t io n, 2011, 483 66-70. [8] 赵洪山，米增强，王海萍.基于电能测量芯片ADE7756的智能电 度表设计[J].电测与仪表，2001,389 48-50. Zh a o Ho n g sh a n, Mi Zen g q ia n g, Wa n g Ha ipin g . A in t ellig en t wa t t h o ur met er ba sed o n IC ADE7756[ J]. Elec t r ic a l Mea sur emen t In st r umen t a t io n ,2001,389 48-50. [9] 石彪，林孝康，张盛.绿色传感网中智能抄表系统设计[J].电测 与仪表，2011,488 14 Sh i Bia o, Lin Xia o -k a n g, Zh a n g Sh en g . Th e desig n o f In t ellig en t met er r ea din g syst em in g r een sen so r n et wo r k[ J]. Elec t r ic a l Mea sur emen t In st r umen t a t io n, 2011,488 1-4. [10] 蔡利敏，刘国华，王勇.智能变电站电能量计量系统方案设计[J]. 中国电力,2011,444 31-34. Ca i Limin, Liu Guo h ua , Wa n g Yo n g . En er g y met er in g syst em desig n f o r sma r t subst a t io n s[ J]. Elec t r ic Po wer, 2011,444 31 -34. [11] 钱立军.智能电能表时钟问题分析与对策[J].电测与仪表，2014, 5113 29-32. Qia n Lijun . Pr o blem a n a lyses a n d c o un t er mea sur es o f t h e r ea l t ime c lo c k in sma r t met er sf J]. Elec t r ic a l Mea sur emen t In st r umen t a t io n, 2014, 5113 29-32. [12] 张明远，张秋月.智能电能表数据通讯安全性分析[J].电测与仪 表，2014, 5123 24-27. Zh a n g 陋in g yua n , Zh a n g Qiuyue. Da t a c o mmun ic a t io n sec ur it y a n a lysis o f t h e sma r t elec t r ic en er g y met er [ J]. Elec t r ic a l Mea sur emen t In st r u men t a t io n ,2014, 5123 24-27. [13] 田春筝，殷奕恒，关朝杰，等.基于供电分区的中高压配电网综合 评价策略[J].电力系统保护与控制，2018, 4621 152-159. Tia n Ch un zh en g , Yin Yih en g, Gua n Ch a o jie, et a l. Co mpr eh en siv e e- v a lua t io n st r a t eg y o f medium a n d h ig h v o lt a g e dist r ibut io n n et wo r k ba sed o n po wer supply div isio n [ J ]. Po wer Syst em Pr o t ec t io n a n d Co n t r o l, 2018, 4621 152-159. [14] 孙谊嫡，李宁，董小顺，等.智能电能表可靠性预计的优化模型 [J].电力科学与技术学，2017, 323 15-21. Sun Yiq ia n, Li Nin g , Do n g Xia o sh un, et a l. Sma r t met er s o pt imiza t io n mo del f o r r elia bilit y pr edic t io n[ J]. Jo ur n a l o f Eiec t r ic Po wer Sc ien c e a n d Tec h n o lo g y, 2017, 323 15-21. [15] 袁晓靖，张培仁.新型复费率智能电能表的抗干扰设计和可靠性 分析[J].合肥工业大学学报自然科学版,1997, 374-77. Yua n Xia o jin g , Zh a n g Peir en . Th e Relia bilit y a n a lyses a n d in t er f er en c e r esist en c e desig n o f a sin g le c h ip c o mput er c o n t r o l syst em-in t ellig en t t ime div isio n c o un t in g syst em o f elec t r ic a l met er [J]. Jo ur n a l o f Hef ei U- n iv er sit y o f Tec h n o lo g y, 1997, 3 74-77. 作者简介 张烽1986，女，博士研究生，讲师，研究方向为电 能质量分析、并网逆变器的控制。 Ema il zh a n g yel253 126. c o m 田慕琴1962-，女，博士生导师，教授。主要从事智能电器、煤矿安全 监测监控技术与设备绝缘技术方面的研究。 Ema il Tia n muq in 163. c o m 盆海波1989-,男，博士后，研究方向电网计量设备可靠性分析。 Ema il pen h a ibo _t ju 163. c o m 收稿日期2019-02-28；修回日期2019-05-22 王艳丽编发 136