电表多用户集中式智能电表的设计

毕业设计说明书(论文)作 者 张燕 学 号 0906220220学 院 信息工程学院专 业 通信工程题 目 智能电表的设计

指导者 雷宇凌 副教授

2013年6月 吉林

毕业设计说明书论文 中文摘要

毕业设计说明书论文外文摘要

目 录

摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I

Abstract. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I I

第1章绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1. 1课题研究的背景及意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.2智能电表的国内外研究现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.2. 1国外智能电表研究现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.2.2国内智能电表研究现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1.3智能电表的发展方向. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

1.4本文研究的主要内容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

第2章电能量算法介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2. 1电压、 电流有效值及谐波参数的计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2.2功率与电能的计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.3频率的计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

第3章系统硬件设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3. 1电能表的功能需求及整体方案设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3.2单片机的选择及其外围电路的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3.2. 1单片机MSP430F149概述、引脚配置及功能描述. . . . . . . . . . . . . . . . .10

3.2.2 MSP430F149的外围电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

3.3电能量采集模块电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

3.4 GPRS通信电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

3.5电源电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

3.6通断控制电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

第4章系统软件设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

4. 1系统开发环境介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

4.2电能表主程序算法设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

4.3整机初始化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

4.4用户用电量轮抄模块及脉冲处理算法设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

4.5 GPRS通信模块算法设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

4.6页面显示程序算法设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

附录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

第1章绪 论

1 . 1课题研究的背景及意义

我国目前使用的电能表中感应式机械电能表仍占大部分该种电能表计量误差较大、功耗多、体积大、功能单一且需人工抄表不仅增加了管理人员的工作而且经常出现漏抄或错抄的情况而对于窃电的防治更加无从谈起。此外感应式机械电能表主要是针对电力系统中负荷为正弦波的情形。而如今非线性用电负荷日益增多 因此谐波的危害日益增多譬如供电企业线损增加。为此有必要研究出在谐波影响下还能准确计量电能量的新电表。随着居民用电量日益增大以及许多分布式新能源的产生 电力系统网络结构也因此日益庞大复杂智能电网的建设也随之展开传统的电能表已无法满足供电和用电管理的需求。为满足以上要求具有双向多种费率计量、用户端控制、双向数据通信、分时复费率、防窃电、远程自动抄表等功能的智能电表的需求日益广泛。

1 .2智能电表的国内外研究现状

1 .2. 1 国外智能电表研究现状

从技术层面看 目前随着电子技术的发展国外已经出现了很多专门用于电能量计量的高精度芯片以及专门用于智能电表的专用处理器。如美国AD公司宣布推出四款高精度电能计量I C 高性能模拟集成电路 型号为AD E 7878、AD E 7868、AD E 7858及AD E 7854可同时测量无功和有功功率其中一款产品还具备基波电能测量功能。AD E 7878、AD E 7858及ADE7854高精度电能计量IC为多相配置而设计包括三线及四线、Y型及Δ型。除了能测量每个相位和零线电能之外AD E 7868及AD E 7878还能监测电能质量参数并具备各种防窃电功能。此外该公司推出的AD E 7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。所有其它信号处理例如乘法和滤波都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。荷兰恩智浦半导体公司也推出了基于ARMCortex的处理器解决方案——LPC 1700系列。LPC 1700的主要特点有具有100MHz处理速度的ARMCortex-M3控制器、嵌套向量中断处理器、 内存保护单元、唤醒中断处理器可以满足各种优先级中断的自动唤醒 四种省电模式睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电。恩智浦智能电表外围电路采用了优化设计具有防窃电等多种功能可使用非接触式读卡技术完成预付费。 电子技术与智能电表技术的融合促进了智能电表的飞速发展。

不仅电子技术的发展影响着智能电表的发展通信技术在智能电表中的应用也使智能

电表的功能更加完善。如 GPRS通信技术在智能电表中的应用 GPRS通信是在现有的GSM网络的基础上引入的分组交换功能支持TCP/IP协议提高了数据传输速率和传输量按流量计费。将GPRS通信技术应用到智能电表是一种安全、经济、可靠的数据传输方式。2007年英国政府规定智能电表主要就采用GPRS通信方式。又如ZigBee无线通讯技术作为当前应用最为广泛的无线传感器网络技术的代表在自动抄表产品中也有了初步的应用。ZigBee的网络拓扑结构可随意变动特别适合用户户内网络拓扑结构不固定且具有移动性特征的网络使用。其频道基于免费的2.4G频道具有成本低的优点。 2007年澳大利亚月维多利亚州要求所有智能电表必须支持连接用户设备必须通过ZigBee连接家庭局域网实现远程控制功能。可见越来越多的通信技术正在被融入智能电表的生产使用中为越来越多的用户带来利益。

从应用层面上看各国对智能电表的需求和应用呈现出不同的特点。 2007年荷兰能源服务网络协会(ESNA)从功能划分的角度确定了智能电表在智能电网中的定位。总体上智能电表及AM I的建立是智能电网的基础。随着高级数据收集和需求响应能力的提高智能计量系统能够与广大用户一起在用电高峰时段实现削峰平谷 以提高电网的安全性和经济性。AMI通过智能电表终端和主站之间建立的强安全网络架构实现电网公司和用户的双向计量和通信实现分布式电源结构。

德国能源市场非常分散因此相关部门仅规定了安装智能电表所需的最小功能、数据格式以及统一的商业模式。德国倾向于选择可以与水、汽、热等计量表记共享远程通信信道的智能电表。前文还提到英国政府规定智能电采用GPRS通信方式澳大利亚月维多利亚州要求所有智能电表必须支持连接用户设备必须通过ZigBee连接家庭局域网。

1 .2.2国内智能电表研究现状

从技术层面上看 目前国内生产的智能电表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机电一体式智能电表是在原机械式电能表的基础上附加一定的部件不仅能使其完成所需功能造价低且方便安装。其设计方案是在不破坏现行电能表的原有物理结构、不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表使电子计数与机械计数同步其计量精度一般不低于机械计度式计量表。全电子式智能电表则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件从而取消了电能表上长期使用的机械部件。与机电一体化电表相比具有体积小、可靠性高、更精确、耗电少等特点。

抄表方式的不同体现了电能表智能化程度的高低而按抄表方式来分国内智能电表又分为分时复费率式、预付费(IC卡)式和集中远传自动抄表式3种。分时复费率电能表具有多个时段、多个电价分时计费功能但仍然靠人工抄表。与传统的机械式及单纯的电子式电能表相比仅在计费精度及时间段上体现了智能化预付费IC卡电能表收费系统的成本较低、可靠性高、使用寿命长且具有很强的加密性。采用IC卡电能表收费系统可提高居民用

电收费的管理水平确保电力部门能及时收到电费但仍存在上门抄表的弊端集中远传自动抄表可实现用电数据的自动抄收可杜绝人工操作的一切弊端。居民可在银行开设个人账户通过营业计算机管理系统和银行的联网完成数据的自动抄收、处理、银行转账交费等全套操作可真正实现用电管理的自动化。

现在国内的远传抄表方式除了传统的RS485总线和电力载波抄表两种形式外还与先进的通信技术GPRS、局域网等相结合。电力载波抄表方式是利用专用芯片对用电数据进行调制解调通过电力线进行通讯以实现集中抄表但其数据传输的安全、可靠性受电力载波影响较大 RS485总线抄表方式的数据传输可靠性高且造价较低缺点是需布线、安装较复杂、拉线易被人为破坏而ZigBee通信方式具有低功耗、低成本、低复杂程度的优点但其传输距离有限 GPRS抄表方式可实现数据实时、安全、可靠、经济的传输。通信技术的应用保证了智能电表的功能更加完善全面。

从应用层面上看我国民用、商用住房交流电度表主要为手工抄表方式甚至有些落后地区还在使用感应式机械电能表。在走向信息化、 网络化在全面建设智能电网的今天手工抄表和感应式机械电能表成为供电系统实现现代化管理的一大障碍。为了满足目前建设坚强智能电网的要求需要能同时实现多种计量、定时或随机计量读取、复费率功能、双向通信功能、远程设置及控制等多种功能的电能表。这些电表功能都是传统的感应式机械电能表不具备的从此看来传统的感应式机械电能表与智能电网要求的电能表差距很大。 电力系统从发电、配电、传输一直到区域变电所已基本实现网络化管理而唯独用户终端没有和网络连上造成了系统的不完整性直接或间接影响了系统潜能的发挥。 电能计量关系到千家万户的利益 因此具有广阔的市场前景而多功能智能电能表代替单一计费功能的感应式机械电能表已成为必然趋势相信随着我国智能电网建设的不断推进智能电表的应用也将会很快进入千家万户。

1 .3智能电表的发展方向

随着电子技术、计算机技术、通信技术的发展智能电表新的构思、新的理念日新月异以下是本人认为智能电表的几种发展方向

1多用户静止式单相复费率电能表

2 网络化电能表

3智能化住宅区的智能式电能表

4虚拟电能表

智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力这个集成的能量体系要求数据通讯和分布式计算设施是开放式的和基于标准的并且兼容各种各样的物理媒介的通讯和嵌入的计算机。 因此智能电表作为其主要的组成部分必然会得到强力的关注并且推动电表行业的发展和智能电网的建设。

1 .4本文研究的主要内容

根据智能电网的设计要求本论文设计了一款能实现以下功能的多用户集中式智能电表

1能实现16户用户用电量的计量管理。

2双向通讯功能支持远程设置、接通或断离、定时或随机计量读取。

3具有轮流显示、安全存储、复费率以及定时计量等功能。