电力系统及其自动化硕士论文-电能计量管理系统智能型电能计量表的设计.pdf

合肥工业大学 硕士学位论文 电能计量管理系统智能型电能计量表的设计 姓名：陶晓丽 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：温阳东 20100301 电能计量管理系统智能型电能计量表的设计 摘要 随着社会经济的快速发展，电能成为现代社会中国民经济和人民生活的重 要保障。本文针对合肥工业大学供电管理的现状，研究和设计了电能管理系统 中基于单片机技术的智能型电能计量表，旨在提高电能的使用效率和为建设节 约型学校提供可靠保障。该智能型电表与传统感应式电表相比，具有测量精度 高，过载能力强，功率消耗低，性能稳定可靠，体积小，重量轻，操作简便， 易于实现管理功能的扩展、一表多用等特点。 文章详细阐述了智能型三相与单相电能计量表的设计和实现。系统设计采 用以p h i l i p s 公司的p 8 9 l p c 9 4 0 1 型单片机为核心，结合美国a d 公司的a d e 7 7 5 8 ( 三相电表) 与a d e 7 7 5 5 ( 单相电表) 专用电能测量芯片的方案。该设计方案中 电流和电压通过互感器转换，由专用电能测量芯片( a d e 7 7 5 8 和a d e 7 7 5 5 ) 对采 集量进行a d 转换，低通滤波，v f 转换，输出与瞬时功率成正比的脉冲信号， 再送单片机进行数据处理，由l c d 显示所需电量。系统硬件设计采用模块化设 计方案，总体包括：单片机主控制模块，电能测量模块，键盘输入和显示模块， 电源模块，r s 4 8 5 通信模块。系统软件也采用了相应的模块化设计，使整个软件 构架更清晰简洁。并在文中讨论了智能型电表产生干扰的原因以及抗干扰处理 的硬件设计方法和软件设计方法。 系统中设计的智能型电能计量表采用集中式安装方式，由智能数据网关通 过符合r s 4 8 5 电气协议标准的总线网络对电表数据批量采集，实现与计算机的 通信，并保证现场数据网络的稳定可靠。智能型电能计量表可以实现对学校各 部门、机关用电情况的实时计量，并通过系统中的智能型数据网关与上位机联 系完成对用电情况的远程实时监测和管理，更好地完善合肥工业大学的用电管 理系统。 关键字：电能计量管理系统；智能型电能计量表；单片机：电能计量芯片 t h e d e s i g no fi n t e l l i g e n ta m m e t e r i nt h es y s t e mo fe l e c t r i c e n e r g ym a n a g e m e n t a b s t r a c t e l e c t r i c a le n e r g yb e c o m e sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nt o d a y sn a t i o n a le c o n o m y a n dp e o p l e sl i f ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y t h i sp a p e rs t u d i e sa n d d e s i g n sak i n do fi n t e l l i g e n ta m m e t e ri nt h es y s t e mo fe l e c t r i ce n e r g ym a n a g e m e n t t a r g e t i n gt h es i t u a t i o no fe l e c t r i cu s i n go fh e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y t h i s a m m e t e ri sd e s i g n e db a s e do ns i n g l e c h i pc o m p u t e rt e c h n o l o g y i tc a na d v a n c et h e s e r v i c ee f f i c i e n c yo fe l e c t r i c a le n e r g ya n db u i l dc o n s e r v a t i o no r i e n t e ds c h 0 0 1 t h i s i n t e l l i g e n ta m m e t e rh a sh i g hm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n do v e r l o a dc a p a c i t y , h i g h s t a b i l i t yc o m p a r e dw i t l lt r a d i t i o n a la m m e t e r i ta l s oh a sal o to fa d v a n t a g e ss u c ha s s m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，d e p e n d a b l ep e r f o r m a n c ea n dm u l t if u n c t i o n t l l i st h e s i se l a b o r a t e sh o wt o d e s i g n a n dr e a l i z et h e s i n g l e p h a s e a n d t h r e e - p h a s ea m m e t e r - t h i sd e s i g np l a nt a k e sp 8 9 l p c 9 4 0 1a st h ec o r ea n da d o p t s a d e 7 7 5 8a n da d e 7 7 5 5 t h ee l e c t r i cc u r r e n ta n dv o l t a g eg e t t h r o u g ht h e t r a n s f o r m e r 1 1 1 ee l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n tc h i pc a nc o m p l e t et h e 加a n dv f t r a n s p o s i t i o na n dl o wp a s sf i l t e r i n g t h i sc h i pc a no u t p u tt h ep u l s i n gs i g n a lw h i c hi s p r o p o r t i o n a lt ot h ei n s t a n t a n e o u sp o w e r t h es i n g l ec h i pc a nd e a lw i t ht h ed a t ac o m e f r o mt h ea d e 7 7 5 8a n da d e 7 7 5 5 t h i se l e c t r i cd a t ac a l lb ed i s p l a y e do nl c d t h eh a r d w a r ed e s i g na d o p t sm o d u l a t e ds c h e m e t h i ss c h e m ei sc o m p o s e d 、析t h m c u ，e l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n t ，k e y b o a r de n t r y , l c d ，e l e c t r i c a lp o w e rs u p p l y a n d4 8 5c o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n g l y , t h ed e s i g np l a no ft h es o f t w a r ea l s oa d o p t st h e m o d u l a t e ds c h e m e t h ec a u s a t i o na n dt h es o l u t i o no fd i s t u r ba r ea l s oi n t r o d u c e di n t h i sa r t i c l e t h i sk i n do fa m m e t e rt a k e sc e n t r a l i z e di n s t a l l m e n t t h ei n t e l l i g e n ta p pg a t e w a y c a nc o m m u n i c a t ew i t ht h ep cb yb a t c hr e c o r d i n gt h ed a t ao fa m m e t e ra c c o r d i n gt o c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sr e l i a b l y t h j sa m m e t e rc a nr e a l i z er e a l t i m em e a s u r e m e n t o fe a c hd e p a r t m e n t ss i t u a t i o no ft h ee l e c t r i cu s i n g a n dt h ep cc a nm o n i t o ra n d m a n a g et h ea m m e t e rt h r o u g ht h ea p pg a t e w a y k e y w o r d s ：e l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ；i n t e l l i g e n ta m m e t e r ； s i n g l e c h i pc o m p u t e r ；e l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n tc h i p 插图清单 图1 1 系统结构图3 图2 1l c d 显示示意图8 图3 1 智能型电能计量表硬件设计结构图1 3 图3 2p 8 9 l p c 9 4 0 1 结构框图1 5 图3 3 微控制部分框图15 图3 4 液晶显示控制器框图1 6 图3 5p 8 9 l p c 9 4 0 1 功能框图1 6 图3 6p 8 9 l p c 9 4 01 引脚结构图17 图3 7 单相电流的转换电路l8 图3 8 三相电压转换电路19 图3 9a d e 7 7 5 8 引脚功能分布图2 0 图3 1 0a d e 7 7 5 8 内部功能框图2 2 图3 11a d e 7 7 5 8 应用电气图2 3 图3 1 2a d e 7 7 5 5 引脚功能分布图2 5 图3 1 3a d e 7 7 5 5 的管脚排列和内部功能图2 6 图3 1 4a d e 7 7 5 5 电气应用接线图2 6 图3 1 5m a x 4 8 5 引脚和结构图2 7 图3 1 6m a x 4 8 5 应用电路图2 8 图3 17a d d c 电源模块转换2 9 图3 1 8 直流5 v 转变为3 3 v 电路2 9 图3 1 9l c d 应用电路图3 0 图3 2 0 键盘应用电路图3 0 图4 1 系统软件功能框图3 2 图4 2 智能型电能计量表主程序流程图3 3 图4 3 电能计量模块主要流程图3 5 图4 4 字节传输序列3 6 图4 5 帧格式3 7 图4 6 控制码格式3 7 图4 7 通信模块程序流程图4 3 图4 8l c d 显示模块流程图4 4 插表清单 表2 1 关键元器件的选取- 8 表2 2 技术参数列表8 表2 3 电子式三相电能表关键元器件选取表1 0 表2 4 电子式三相交流电能表技术参数表1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金胆工业太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文储签字：肉蝙 签字日期：弘l o 年斗月卜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金8 巴王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：岗疵衲 导师签名： 签字日期：a d f o 年斗月a 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： p 了噶 签字日期功f d 枷胪7 日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，并 衷心地感谢导师温阳东教授在我学习和论文写作过程中给予的关怀和帮助。导 师渊博的学识、严谨的治学、开阔的视野、认真的态度使我受益匪浅。研究生 期间，导师在学习和生活上给我很多的关怀、帮助和鼓励，在此学生表示衷心 的感谢和深深的敬意。 此外论文工作得以顺利完成还要感谢实验室朱敏老师、毕锐老师、刘思邦、 胡艳红、金毅仁、杨伟、王恒、高震宇、施勇、黎明、张韬、石明刚、张玉风、 余佳同学给予我的支持和帮助，在此深表谢意。 在整个学习阶段，我的家人给予了我无微不至的照顾，在此对他们表示诚 挚的谢意和最深的感激! 作者：陶晓丽 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 1 1 智能型电能计量表研究现状与发展趋势简介 随着电子技术的迅速发展和用户对用电管理水平要求的不断提高，大规模 集成电路在电能计量表中得到广泛的应用，电能计量表的功能逐渐增多并日趋 智能化，此类多功能电能计量表也称为智能型电能计量表。智能型电能计量表 主要功能模块分为电能测量模块和数据处理模块。根据电能测量模块的不同又 可分为机电脉冲式电能计量表和全电子式电能计量表两大类。根据这两类电表 各自特点其应用领域有所不同。机电脉冲式电能计量表继承了感应式电能计量 表结构牢固、长期运行可靠和价格低廉的优点，因而在民用计量领域被广泛采 用；全电子式电能计量表较多的应用于对用电管理有更高要求的场所，也是今 后电能计量表发展的趋势。本设计中的智能型电能计量表为全电子式的电能计 量表，该类电表大多采用单片的集成芯片电路，成本比较低廉，是目前现场用 量最多的一种。 近年来，随着用电管理的要求的不断提高。各种新型智能型电能计量表不 断推出，型号各异，功能众多，但其基本原理相同，主要完成的功能可归结为 三个方面：计量、计费功能，包括分时计量、最大需量计量和预付费等；保护 功能，包括过电流、过电压保护与防窃电等；通信功能，可以是通过r s 4 8 5 、r s 2 3 2 接口与数据网关进行数据交换，实现与上位机通信、红外通信、无线电通信或 i c 卡模式等。 在电能计量表功能发展的带领下，抄表也经历了不同的时期，实现了从手 动抄表到自动抄表的过渡，其中出现了以p d a ( 掌上电脑) 为代表的手持式抄表 器、i c 卡表自动抄表系统、电力载波自动抄表系统、区域远红外抄表、车载抄 表系统等。本设计中采用r s 4 8 5 接口与电能管理系统中的智能数据网关进行通 信，并且通过以太网与上位机连接从而实现远程电能管理。 1 2 课题研究的背景及目的 近年来，国家越来越重视社会发展过程中的能源节约工作，大力倡导建设 “能源节约型、环境友好型“ 社会。随着节约型社会建设的深入和学校节能降 耗管理的进一步细化，学校对下属各单位实体的用电情况实施科学的电子信息 化管理，对于提高能源的使用效率和大量地节约学校的电费开支将发挥越来越 大的作用。 在这种大环境下，如何科学地使用电力能源，提高资源的利用效率，是学 校在保障教学科研基础上进一步谋划长远发展的过程中应当考虑的问题。学校 决策层需要决心加大在校园管理数字化建设中的投入，特别是目前急需的、有 显著效益的数字节能管理项目要优先实施。 合肥工业大学，南( 北) 校区及翡翠湖校区各占地约1 5 0 0 亩，学校设有1 7 个院( 部) 、4 6 个研究所、2 5 个省部级重点科研基地、1 个国家甲级综合建筑设 计研究院、5 3 个教学实验室、8 个校内实习实践基地、1 3 9 个校外实习基地；拥 有教学、科研仪器设备3 5 9 2 0 台。学校现有教职工3 7 1 5 人，专任教师1 8 6 7 人。 学校有全日制在校本科生2 4 2 2 1 人，硕士、博士研究生7 8 0 0 余人。 合肥工业大学，学院和各级部门数量多，分布范围广，所有校内单位均由 学校统一供电，用电关系复杂。面对如此庞大的用电系统，单纯靠传统的人为 管理的方式，将给节能管理带来很大的困难。很多学校面对这样的问题，由于 没有好的管理途径，尽管投入了大量的人力物力，但仍然无法管理到位。由此 造成的用电浪费数额巨大，不但额外增加了学校的财政开支，也与创建节约型 社会风气相违背。鉴于以上实际情况，本设计提供了一种有效的信息化管理手 段，可以提高管理水平，减少人力投入，进一步强化各院系和教职员工的节能 意识，通过技术手段来解决用电管理问题，为建设节约型学校提供可靠保障。 1 3 合肥工业大学电能计量管理系统概述 1 3 。1 系统设计原则 1 可靠性 该系统有稳定、可靠的运行系统。设计时充分考虑了后备以及灾难恢复系 统，使整个系统在出现故障时仍然能够提供客户服务，并能很快的排除故障正 常运行。 2 可扩展性 设计时按最经济的原则，设计了一个扩展性很强且在扩容升级时浪费最少 的系统。系统根据用电系统的结构特性，充分考虑了建筑物及部门组织机构用 电特点，构建标准化的用电管理机制和系统结构流程。 “系统“ 构建时具备了可在其他楼宇和组织结构使用所应有的可扩展性， 便于在校园其他应用场合推广。 3 开放性 该系统设计遵循开放性原则，能够支持多种硬件设备和网络。网络系统、 数据库系统和通信枢纽采用标准数据接口，具有与其他信息系统进行数据交换 和数据共享的能力，以支持用户为实现数字化校园进行后期改造。 4 安全性、可维护性 系统对数据的安全性给予了高度重视，采取防范措施防止非法入侵。另外， 对内部员工以及调度客户加强了权限控制，避免用户能够操作到超越权限的数 据。提供系统自动恢复功能。 5 实时性、并行性 考虑到采集点的数量，系统采用传输速度快的网络设计，保证信息数据的 及时有效；同时系统避免采用轮巡的方式进行点点操作，系统具各自动并行数 据上传和对多个远程采集点并行数据获取的功能。 6 适应性 软件系统具有良好的适应性，适应用户管理模式改变的需要。 7 经济性 在满足功能需求前提下提高经济性，充分考虑降低初期建设投资、运行费 用和维护费用。 l3 2 系统组成 系统主要由以下部分组成：智能型电能计量表( 带r s 4 8 5 接口) ；智能数据 阿关；符台r s 4 8 5 电气协议标准的数据采集网络；校园内部以太网络及相关网 络设备：应用服务器；数据库服务器；管理终端等。 匝亟母 一接电问 亍盘f 一 画画 芒萄芒荀 臣堕困 = 接强电闩 圈i - 1 系统结构圈 r 丽磊习 ! 柱强电问 1 4 系统功能实现 根据电能管理系统的整体组成方案，考虑合肥工业大学现有的网络资源和 下髫 聃 乙圆t 8 蚰 r 髫t 粤r 考 供电条件，各部分的具体选择如下： a 、电子式电能计量表( 带r s 4 8 5 接口) ； 由于国标规定电子式电表必须具有标准远传数据接口，通讯协议符合国标 关于电表的协议规范，因此系统选用带有远传数据接口的智能电子电能表。 b 、智能数据网关； 通过专门针对电表数据系统设计的智能数据网关，实现对楼层所有电表的 数据采集、缓存、数据转换、协议转换等，完成本地处理后，将数据封装后提 交给服务器。 c 、符合r s 4 8 5 电气协议标准的数据采集网络： 电子式智能计量电表采用集中位置安装的方式，智能数据网关通过符合 r s 4 8 5 电气协议标准的总线网络对电表数据批量采集，保证现场数据网络的稳定 可靠。 d 、校园内部以太网络及相关网络设备； 中间数据传输通道的选择考虑到学校现有的局域网资源和降低通讯成本的 因素，采用内部以太网作为传输通道。智能数据网关通过校园以太网络及相关 网络设备的支持，远程地获取智能电子电能表的用电数据。借助校园网络，并 在此基础上构建增值服务。 e 、应用服务器； 应用服务器主要由接口服务和w e b 服务组成，接口服务主要接收数据通道 的数据并存储。w e b 服务提供后台的应用服务并将获取及整理后的数据通过各种 表现形式进行发布，并提供多样话的途径为用户提供业务管理手段。 f 、数据库服务器； 数据库服务器处于整个系统的“后台“ ，负责将相应的用户管理信息、获取 的数据等进行归档，并对前台的用户提交的请求进行数据层面的处理，通过存 储过程及触发器等机制，保证数据的完整性和安全性，并为系统长期稳定运行 提供稳定的数据支撑。 g 、管理终端； 管理终端即客户端，客户端采用b r o w s e r s e r v e r 结构，用户通过浏览器访 问应用服务器。通过权限的控制，区分各不同权限用户的浏览及管理范围，以 完成浏览查询及管理等功能。 4 第二章智能型电能计量表概述 2 1 电能测量原理简介 电能计量表根据其工作原理的不同可以分为电解式、感应式和静止式三大 类，在实际使用中测量交流电能主要采用感应式和静止式。感应式电能表其测 量原理和结构存在一些制约性的，使此类电表的功能扩展和精度提高受到限制； 静止式电能表的测量原理是将单相或三相交流功率采用全电子方式转换成脉冲 或其他数字量后再进行相应的数据处理，此类电表又称全电子式电能表，它具 有线性度好、测量精度高、过载能力强、功耗低、功能扩展容易、可测频带宽、 体积小以及重量轻等诸多优点。对于电能表而言其测量工作原理不同，仪表的 性能，制造成本也会有所差异，因此随着对用电管理要求的提高，感应式电能 表正逐渐被静止式电能表所取代。 静止式电能表根据其转换方式的不同又可以分为模拟数字变换( a d c ) 型、 热电变换型、霍尔乘法型和时分割乘法型等几种类型。a d c 型电能检测是将经过 互感器变换的电流、电压瞬时值经过模数转换为数字量，由m c u ( 微控制单元) 对数字信号量进行相应的数据处理。经过模数转换后得到的是最基本的电量信 息，如电流电压的瞬时值，m c u 对所得到的基本电量信息可以作各种数学运算， 得到瞬时功率、视在功率、无功功率、功率因数、电能累计值等；热电变换型 电能测量是利用电能产生的热效应，用热电元件把其产生的热能转换成一个电 信号，此得到的电信号正比于电能功率；霍尔乘法型电能检测使用的是霍尔元 件来检测电压和电流的乘积，其得到的输出信号是与电功率成正比的电信号。 时分割乘法器作为时分割型电能检测的核心又称为p w m 乘法器，它的实质是一 个脉宽幅度调制器。两路输入信号分别经过脉宽和幅度调制，可以得到脉动信 号的直流分量，这一数值即为两路输入信号的乘积。 热电变换型电能表制造成本较高，适用于对精度有较高要求的场合，并不 适合大规模生产。霍尔乘法器型电能表的优点在于可测量频带宽度，但温度系 数不好，外磁场对其精度也会产生较大影响，因此其应用也受到限制。时分割 乘法器型电能检测方式其成本低，精度好，但一般都用于普通电能表的生产， 而且用此类型的芯片开发多功能电能计量表很难进一步进行功能扩展。a d c 型电 能检测方式在精度、功能扩展、启动电流、频率响应等方面都适于研制开发多 功能电能表，但由于a d c 型电能计量表中要使用通用微处理器芯片进行数据的 运算和处理，相应的软件设计也存在可靠性，周期，以及成本的问题。使用专 业的a d c 电能测量芯片成为了电能计量表设计领域的新趋势。本课题中电能计 量表便是采用了美国a d 公司的专业电能计量芯片，a d e 7 7 5 8 以及a d e 7 7 5 5 进行 设计。 2 2 智能型电能计量表功能概述 智能型电能计量表能够实现多种基本功能，由于采用了微处理器，它也可 根据需要进行功能扩展或功能变更。以下对其常见功能进行简单说明。 1 用电计量功能：包括累计计量和实时计量两类功能，实现累计功能时准确度 要达n o 1 度。实现实时计量功能时当用户使用的电功率越大的时候所计量到的 功率值也越准确。 2 时段控制功能：电表操作人员可以通过专用的介质对表内部设计的一个日计 时误差相当准确的百年日历实时时钟进行调节，作为主控制模块的单片机可以 以设定的周期对此时钟进行读取。实现时段控制功能的手段可以是设定一个电 量冻结时间把电量存起来，或是记录代表日的整点功率。 3 复费率功能( 分时计费功能) ：复费率的基本思想就是利用经济杠杆，使用 电的峰值和谷值的电价有所差别，电价采取峰值高，谷值低，这样对于用电质 量的改善经济效益的提高都有显著作用。 4 最大需量计量：在设计电表时可以预先对用户用电的最大需量进行限定，再 测量个时段的用电需量，选出其中的最大值与预先设定的这个最大需量值进行 比较，若发现超过了限定值，电能表将发出报警信号。 5 预置参数功能：电能表根据其实现的功能不同需要预置的参数也有所不同， 一般可以预置的参数有：时区、时段、冻结日、代表日、波特率、最大需量值， 滑差步进时间、时段限额、时段费率、用户级别、表号等。设定方法可以分为 本地或远程实现，本地可以利用掌上电脑，手持抄表器等实现；远程可利用数 据网关，以太网与上位机通信实现。本课题中本地实现是利用键盘输入来进行 表号，波特率等设置，远程实现是利用数据网关通过以太网与上位机通信进而 可以实现远程预置参数。 6 监控功能：电能计量表对系统线路监控功能可以表现为两个方面：当线路中 的功率超过限定额度时，会发出报警信号，当超过功率限额的时间大于预先设 定的时间值时发出跳闸信号；当电表应用于预付费系统时，当电量小于额定的 最小值但大于零的时候电表发出报警信号，当剩余电量小于等于零的时候电能 表发出跳闸信号。电能计量表对自身运行状态的监控功能表现为当表内电池欠 电压，时钟或存储器等出现故障时，电能计量表可以通过亮灯或蜂鸣器的方式 作为信号提示。 7 数据显示功能：电能计量表要求能够显示出所测的电量信息，其对于这些电 量数据的显示有两种方式：循环显示是在显示屏上依次循环显示出用户所关心 的电量信息内容，；固定显示为用户可以自由的选择所需要在显示屏上固定显 示的项目，其他未设定的项目可以通过按键切换显示。 本课题所设计的电表则采用的是固定显示，通过键盘输入功能切换所需要 6 显示的项目。 8 预付费功能：电能表的i v i c u 模块采用了单片机，利用其单片机的接口扩展功 能与用于预付费系统中的专用介质配合实现预付费功能。 9 脉冲输出功能：通过辅助端子输出2 4 路经光电隔离的电能脉冲信号，可供校 表用。 1 0 存储功能：智能型电能计量表需要存储一定时间内的电量信息数据以方便 抄表和对电费的结算。 1 1 事件记录功能：电能计量表可以记录下异常情况发生时的时间和此时电表 的状态等。查看电表的事件记录有利于分析其异常出现的原因，使电表的运行 更加稳定可靠。 1 2 数据通信功能：本设计中的智能型电能计量表通过r s 4 8 5 通信接口与智能型 数据网关进行通信，再通过以太网与上位机连接，可以实现数据的快速、实时 传输，系统参数的远程设置，和对系统时钟的校对。 2 3 智能型电能计量技术指标要求 2 3 1 单相电子式电能表技术指标 1 概述 单相电子式电能表最大电流可达到i o o a ，倍率可达到1 0 倍。单相电能表采 用p h i l i p s 公司最新的p 8 9 l p c 9 4 0 1 单片机，该m c u 采用了高性能的处理器结构， 具有超低功耗、抗干扰性强，可靠性高等特点，片内看门狗( w d t ) 定时器具有 独立振荡器，保证不死机。采用抗高频干扰的新型元器件，具有很强的抗高频 电磁场功能。通过精心布线，最大限度地提高抗干扰性能。 2 主要功能 1 ) 特性 本产品符合g b t 1 7 2 1 5 标准中1 0 、2 0 级单相电能表的全部技术要求，串 行数据通讯符合d l t 6 4 5 规约。电能表的线路设计和元器件的选择以较大的环 境允差为依据，因此可保证整机长期稳定工作。精度基本不受频率、温度、电 压变化影响。整机体积小、重量轻、密封性能好，可靠性高、抗干扰能力强。 2 ) 本表具有r s 4 8 5 通讯功能，可与智能数据网关进行通信。 3 ) 显示功能 电表采用l c d 显示，电能量显示6 位整数1 位小数，范围：0 - - - - 9 9 9 9 9 9 9 k w h 。 蕊韶目赢1 表2 一i 关键元器件的选取 名称技术要求 供货单位型号 芯片变差：4 - 0 1 线性度：0 2 美国a d 公司a d e 7 7 5 5 1 0 5 。c ，5 0 0 0 小时，漏电流 3 5 v l c d 寿命 1 0 年，一2 5 “ c 一7 5 北京迪文公司 d m ，r 3 2 2 4 0 t 0 3 5 _ 0l w n 漏电流 5 0 v日本t d k0 8 0 5 表2 2 技术参数列表 序号名称单位要求值保证值 1 0 级，国标误差限1 0 级，国标误差限 准确度等级 级 6 0 以内 4 0 以内 2 电压值 v 2 2 0 v a c2 2 0 v a c 3标定电流a 1 0 1 0 最大电流 a6 0 1 0 0 4 参比频率 h z5 0 4 5 6 5 5 功耗 电流线路 v al 6 电压 交流 k v2 4 电压 1 1 接地故障的抑制 ( 1 9 倍的标称电 u n1 91 9 压) 1 2 耐热和阻燃 1 3端子座 9 6 0 1 59 6 0 1 5 端盖和表壳 6 5 0 1 56 5 0 1 5 作用时间 s3 0 1 3 0 1 使用寿命 正 l o l o 1 4 年故障率 o 2 0 1 1 5 开箱合格率 9 9 6 9 9 9 1 6 起动电流 i b0 0 0 4 1 5 年。 6 ) 表壳采用密封防尘、有一定强度、抗变形、抗腐蚀、抗老化的阻燃材料 制成，能铅封，只有破坏铅封才能触及仪表内部部件。 7 ) 铭牌材料采用阻燃性复合材料板，印有资产编号以及，出厂编号，具有 c m c 和制造标准的标识。 8 ) 表内所有元器件均能防锈蚀、防氧化，紧固点牢靠，端钮盒电流接线采 用嵌入式双螺钉旋紧。 9 3 主要功能 1 ) 特性 本产品符合g b t 1 7 2 1 5 标准中1 0 、2 0 级三相电能表的全部技术要求，串 行数据通讯符合d l t 6 4 5 规约。电能表的线路设计和元器件的选择以较大的环 境允差为依据，因此可保证整机长期稳定工作。精度基本不受频率、温度、电 压变化影响。整机体积小、重量轻、密封性能好，可靠性高、抗干扰能力强。 2 ) 4 8 5 通信功能，通过r s 4 8 5 与智能网关进行通信。 3 ) 显示功能 电表采用l c d 显示，电能量显示6 位整数1 位小数，范围：0 “ - 9 9 9 9 9 9 9 k w h 。 表2 - 3 电子式三相电能表关键元器件选取表 名称技术要求 制造商型号 芯片 变差：0 1 ，线性度：o 2 美国a d 公司 a d e 7 7 5 8 计量芯片a d 公司a d e 7 7 5 8 c p u 芯片p h i l i p sp 8 9 l p c 9 4 01 4 8 5 芯片m a x i mm a x 4 8 5 国家半导体公 比较器l m 3 9 3 司 1 0 5 ，5 0 0 0 小时，漏电流 1 0 年，- 2 5 c - - 7 5 北京迪文 n 漏电流3 0ua ，标称电压6 2 0 压敏电阻陕西无线二厂 m y d 2 0 k - 8 21 1 0 ，电压比1 1 5 变压器耐压 3 0 0 v a c无锡胡埭电器 e i - 3 5 晶振频率稳定度l o p p m台湾鸿星 11 0 5 9 2 m h z 。1 0 v 仔i z 转换效率1 0 0 ，隔离电压 光耦日本n e c2 5 0 1 2 5 k v ，导通电流， 5 m a ，v c e o 5 0 v 互感器精度： 6 k v ，交流电压 4 k v 。 9 ) 电磁兼容性能符合g b t 1 7 2 1 5 - 1 9 9 8 要求。 i 0 ) 可靠性：m t b f 试验参照j b t 6 2 1 4 规定，试验结果 1 5 万小时，保证平 均使用寿命 1 5 年，年故障率 9 9 9 。 表2 4 电子式三相交流电能表技术参数表 序号名称单位要求值保证值 1 0 级国标误差限4 0 1 准确度等级级 1 0 以内 2电压值 v 3 x 3 8 0 v 2 2 0 va c3 x 3 8 0 v 2 2 0 va c 1 5 、5 、1 0 、1 5 、1 5 、5 、1 0 、1 5 、2 0 、 3标定电流a 2 0 、3 03 0 4参比频率 h z5 0 4 5 6 5 5 功耗电流线路 v a 4 6 1 1交流电压 k v2 4 接地故障的抑制( 1 9 倍的标 h4 4 称电压) 1 2准确度 6 0 1 5 1 5年故障率o 50 2 1 6 3 年运行故障率 l0 5 1 7 开箱合格率 9 9 8 9 9 9 1 8起动电流i b0 0 0 4 i 0 0 0 0 0 小时 第三章智能型电能计量表硬件设计 3 1 智能型电能计量表总体结构设计 智能型电能计量表的硬件设计采用模块化设计方案，具体为：以p h t l i p s 公 司的p 8 9 l p c 9 4 0 1 为核心的主控制模块；以电压、电流互感器与美国a d 公司的专 用电能计量芯片组成的电能计量模块；电源模块；通过r s - 4 8 5 与智能数据网关 进行数据交换的通信模块；l c d 显示模块以及对智能型电能计量表进行设置的键 盘输入模块。其总体硬件结构如图3 - 1 所示。 电压 骨 + _ jr s 4 8 5 - 接e l 电流 互感 器 m c u 主控制 器单元 ( p 8 9 l p c 9 4 0 i ) 爵 叫显示模块 3 2 主控制模块 图3 1 智能型电能计量表硬件设计结构图 3 2 1 单片机的选型 m c u 是多功能电能计量表的核心部件，m c u 的选取将决定整个电能计量表的 实现、开发过程的难易以及运行情况的稳定。在本次设计中选用单片机作为主 控制模块，因此单片机的选型对于整个设计显得极其重要。 综合考虑智能型电能计量表的特点，由于智能型电能计量表的实现的功能 比较多，要考虑实现时的程序量，所以首先要注意单片机的程序存储空间。其 次，由于设计中所要采用较多的外围芯片，所以要求单片机要有足够的通用i o 口。国家规约规定电能表在停电时也能够显示电量等信息，这时就要耗费电能 表内部的电池，所以停电时的功耗问题也很重要，这就要求单片机能运行在低 功耗模式。另外，智能型电能计量表要求与智能型数据网关通过r s 4 8 5 进行通信， 这就需要单片机具有串行通信接口，电能计量芯片与m c u 是通过s p i 口进行连接； 其他外围芯片需要i2 c 接口。定时计数器的功能强大与否也是其中一项重要的选 择依据。此外，由于电能表设计出后将会作为产品的，所以选择元器件时价格 也是需要着重考虑的。综合以上各方面，本课题的设计选用p h i l i p s 公司的 p 8 9 l p c 9 4 0 1 单片机。 p 8 9 l p c 9 4 0 1 是一个由p 8 9 l p c 9 3 1 单片微控制器和p c f 8 5 7 6 d 通用l c d 驱动器组成的多片模块，6 4 引脚封装，l c d 驱动器提供3 2 段并能支持1 4 个 背板输出。并带有自动增量地址的片上显示r a m ，因此可以将显示开销降至最 低。此款单片机具有集成度高，成本低，性能优越等优点。其执行指令时间可 以达到8 0 c 5 1 器件的6 倍。 l p c 9 4 0 1 型单片机具有以下特性：芯片工作电压范围为2 4 “ - 3 6 v ，输入输 出接口可承受5 v 的电压，也可上拉或驱动到5 5 v ；其片上f l a s h 程序存储器具 有8 k b 的可字节擦除特性，1 k b 的扇区和6 4 字节的页；具有2 5 6 字节的片上r a m 作为数据存储器；片上集成了3 2 段4 背板的l c d 驱动器，可以最大支持四块背 板的输出；具有两个1 6 位的定时计数器，可以设置每一个定时器为当发生溢出 时触发相应端口的输出，也可以设置每一个定时器为p w m 输出；其实时时钟r t c 可以设定作为系统的定时器使用；具有可选择输入和参考源的2 个模拟比较器； u a r t 为增强型设计，具有自动识别地址，检测帧错误信息，进行间隔检查，波 特率发生器；1 2 c 端口以4 0 0 k h z 字节方式进行通信，同时具有s p i 通信端口； 有四个中断优先级，8 个键盘输入中断，2 路外部输入中断；片内看门口定时器 具有独立振荡器，溢出时可以有8 种选择；不需要外接元件可进行片内上电复 位，其复位计数器和抑制干扰电路的设计可以保证完全复位，复位还可以通过 软件完成；当系统电源故障导致掉电时，其低电压复位使系统安全关闭；由于 片上看门狗具有独立的片内振荡器，因此可完成振荡器失效检测：片内振荡器 的频率范围和r c 振荡器选项可进行配置选择；对于输入输出口的工作模式可以 进行配置；端口可进行输入模式匹配的监测；所有端口都具有2 0 m a 的l e d 驱动 能力。 输入输出口最少有2 0 个，当选择为片内振荡和复位时输入输出口可达2 3 个；可使用串行f l a s h 编程实现简单的电路编程，其保密位可起到防止程序被 读出的作用；在实际应用中，可对f l a s h 程序器进行编程，允许程序运行时改 变代码的操作。 1 4 p “ 。1 1 - o l p 2 5 1 吃1 3 o l p l 【7 - o l p o i l ：o l 磊 圣 图3 2p 8 9 l p c 9 4 0l 结构框图 s d l 棚 8 p 【3 ：讲 v l 肺 p 8 9 l p c 9 4 0 1 是一个由p 8 9 l p c 9 3 1 单片微控制器和p c f 8 5 7 6 d 通用l c d 驱动器组成的多片模块，其结构如图3 - 2 所示；其中p 8 9 l p c 9 3 1 为控制器部分 如图3 3 所示；l c d 显示控制器部分如图3 4 所示。图3 5 为p 8 9 l p c 9 3 1 的功能 框图。图3 - 6 为p 8 9 l p c 9 4 0 1 引脚结构图 图3 - 3 微控制部分框图 1 5 昼孬dq，d 图3 - 4 液晶显示控制器框图 k b l 0 e m p 2 一 k 8 1 1 呻 c i n 2 b 叶 k b l 2 - c i n 2 a + k 8 1 3 4 c i n i b + p o r t0 k b l 4 。+ c i n l a - + k 8 1 5 c m p r e f 。 k b l 6 呻c m p l + 一 k 8 1 7 _ t 1 _ c l k o u l + 一 x t a l 2 卜p o r 丁3 x t a l i 。 v o o v s s 图3 - 5p 8 9 l p c 9 4 0 1 功能框图 1 6 - - t x d 一r x d + t o - s c l _ 雨丽h s d a 一l n t l 一r s t + m o s i m i s o + s p i c l k 3 3 电能计量模块 图3 - 6p 8 9 l p c 9 4 0 1 引脚结构图 设计中的电能计量模块是由电压、。电流互感器与专用的电能计量芯片组成 的。由于电能计量芯片智能接收小电压信号，故将电网上的大电压、电流信号 通过电压、电流互感器进行降压转换成可以满足电能计量芯片对所接入的电压