基于DSP与GPRS集抄技术三相电能表设计(工程师论文版).doc

基于dsp与gprs集抄技术三相电能表设计基于dsp与gprs集抄技术三相电能表设计杭州百富电力技术有限公司蒋 韦2011年目录摘要：4关键词：4一、绪论71、概述72、电能计量的应用技术简介83、电能计量系统的发展趋势114、自动表系统的发展历程12 5、gprs自动抄表系统.14二、系统设计151、系统总体设计152、电能计量原理分析162.1 有功功率测量方式16 2.1.1 离散积分有功计量法172.1.2 低通滤波有功计量法192.1.3 有效值推导有功计量法192.2 无功功率测量方法分析与比较20 2.2.1 三角公式无功计算法202.2.2 采样点平移无功计量法212.2.3 希尔伯特变换无功计量法222.2.4 计量算法分析与选择233、三相多功能电能表的硬件系统设计233.1系统硬件架构设计233.2 电源模块设计263.3 信号采集电路设计27 3.3.1 前端模拟信号采集27 3.3.2 模拟运放和抗混叠电路28 3.3.3 模数转换电路设计.303.4 复位与掉电检测电路设计313.5 dsp与adc接口电路设计323.6 dsp与管理cpu的hpi接口设计323.7 gprs模块选型与接口电路设计35 3.7.1 gprs简介与模块选型354、三相多功能电能表的软件系统设计384.1 系统软件架构设计384.2 dsp计量程序设计39 4.2.1 dsp系统存储资源分配和程序加载39 4.2.2 dsp的i/o空间映射41 4.2.3 dsp控制时序42 4.2.4 dsp对adc的中断处理程序设计.43 4.2.5 dsp数字低通滤波器和计量程序设计44 4.2.6电能计量的数据结构454.3 mcu管理程序设计46 4.3.1 mcu上电初始化程序设计46 4.3.2 mcu与dsp的hpi程序设计47 4.3.3 gprs模块程序设计47 4.3.4 at 指令简介56结论59参考文献60摘要（中文）：传统的“一户一表制”电能计量与管理，当前已普及到整个电能计量领域。但是随着电力系统用户环境的复杂化、经济的飞速发展，用电量需求越来越大，电能表的数量也迅速增加、居民住宅的质量和档次越来越高，住户对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高及管理要求的科学化，传统的人工抄表收费方式人户难、负担重、费用高和劳动强度大等弊病越来越突出。随着数字信号处理技术与无线网络技术的发展，采用单块电能表分时计量多路电力用户，并集中进行管理和控制，在理论与实用技术上都已完全可行。因此，本文将设计基于dsp与gprs集抄技术的三相电能表为电能计量的进一步集中管理、降低成本提供更大便利。 基于dsp与gprs集抄技术三相电能表系统，主要由dsp电能计量模块、mcu数据管理单元、gprs无线通信模块等部分组成。其中，计量模块完成多相电能数据的采集与计量；数据管理单元完成多用户电能数据的存储与传输等管理；无线通信模块完成数据在电表与管理中心之间的无线实时传输。文中首先介绍了电能计量领域的技术现状与发展趋势，从理论上比较了各种不同的有功与无功电能计量算法，并从中选择出最适合用于电网计量的实时算法。其次，针对该三相电能表的硬件与软件部分分别进行了详细设计，这包括：硬件上的电源模块、复位与掉电检测，信号采集电路、dsp与adc接口、dsp与mcu接口以及mcu 与gprs模块接口等电路设计；软件上的dsp处理器adc中断子程序、电能计量子程序、hpi接口子程序，以及gprs接口mcu子程序等软件模块设计。接着，本文还针对系统可靠性与优化设计进行了分析和阐述。最后，针对所选择的有功和无功电能计量算法分别进行了matlab软件仿真，并对部分关键电路进行了实际测试。仿真与测试结果表明：该系统能够较好地实现有功电能、无功电能、视在功率、功率因素等参数的集中测量与管理。关键字：功率计量，数字信号处理，希尔伯特滤波器，无线分组集抄，三相电能表摘要（英文）：the traditional a form of energy measurement and management system, the current has spread to the entire field of energy measurement. but as the complexity of power systems of the user environment, rapid economic development, increasing electricity demand, energy meter the number has increased rapidly, the quality and grade of residential higher and higher, households on the residential environment, property management requirements are increasing and management of scientific requirements, the traditional way of manual meter reading charge person households is difficult, heavy burden high cost and labor-intensive and other ills has become increasingly prominent. with the digital signal processing technology and wireless network technology development, sharing a single block measuring multi-channel power meter power users, and centralized management and control, in theory and are technically feasible and practical. therefore, this article will set design is based on dsp and gprs technology, three-phase energy meter copy for the further concentration of energy metering management and reduce costs to provide greater convenience. copy based on dsp technology and gprs set of three phase energy meter system, the main energy metering module by the dsp, mcu data management unit, gprs wireless communication module and other components. among them, multi-phase power measurement module to complete data collection and measurement; data management unit to complete multi-user data storage and transmission of electric energy and other management; wireless communication module for data centers in the metering and management of wireless real-time transmission. this paper introduces the field of energy measurement situation and development trend of technology, from a variety of theoretically comparing active and reactive energy measurement algorithm, and choose the most suitable algorithm for real-time power measurement. second, for the three-phase power meter hardware and software components were designed in detail, including: hardware, power supply module, the reset and power-down detection, signal acquisition circuit, dsp and adc interfaces, dsp and mcu interface and mcu and gprs module interface circuit design; software on a dsp processor adc interrupt subroutine, subroutines energy metering, hpi interface to subroutine, and the gprs interface, such as software modules designed mcu subroutine. then, this article also directed the design and optimization of system reliability analysis and elaboration. finally, the choice of active and reactive energy measurement algorithm matlab software simulation were carried out, and some of the key circuits in the actual test. simulation and test results show that: the system can realize active power, reactive power, apparent power, power factor and other parameters of the concentration measurement and management. keywords: power measurement, digital signal processing, hilbert filter, wireless packet set copy, three-phase power meter一、绪论1 概述：近年来随着我国国民经济的高速发展，作为国民经济高速增长基础动力的电力工业也取得了较大规模的发展。电能作为现代工业社会不可或缺的通用能源形式已经渗入到工业生产和日常生活的各个方面。由于它特殊的生产、输送和使用方式，决定了它具有不同于其他能源的特点：使用时间的随机性，不可大批量存储以备后用，因而发电、供电、用电之间具有并存性等。由于现代科学技术暂时还不能解决大容量电能的经济存储问题，发电、供电设备的出力必须时刻与变化着的用电负荷保持动态平衡，发、供、用三方必须同时完成，因此必须实现电网发、供、用三方的电力平衡。它关系到电网的电能质量，电力系统的安全、稳定、经济、可靠运行，关系到企业生产以及人民生活的用电安全和切身利益，关系到建设环境友好型，资源节约型社会。电力工业已经成为国民经济发展中最重要的基础能源产业，它不仅是关系国家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着各种家用电器及大型用电设备的发明与使用，电网的规模也越来越大，电网内的用电部门与设备越来越复杂，使全社会的用电环境及条件越来越复杂、要求越来越高。为了能更加安全合理使用电力资源，国家质量监督检验检疫总局等制订了一系列的国家标准和行业标准对于有关电力的测量、计量、制造、检定等各个环节来加以规范以实现电力工业安全、有序、高效的运行。电力是商品，度量电力商品的手段即是电能计量。1、对供电部门和用户来说，人工抄表收取电费一直是一大难题，而人工收取电费到底难在那里呢？第一、入户难。现在的用户大多不希望被人打扰，而且抄表工作只能在早、晚居民休息时间进行，因而使收费的成效率很低，有时一户需反复多次上门才能收到电费；第二，人工工资支出高。例如10万户电力用户，抄表人员约450700人，年费用近1000万元。随着城市的扩张，抄表员人数及薪资同步增加；第三，抄表工作劳动强度大：由于高层楼房的普及，使抄表成为劳动强度较大的工作。2、如何对电力用户的用电数据进行准确无误的计量，如何令电网安全稳定运行，让电力资源更好的为社会经济服务创建节能型社会，是电力行业长期以来需要解决的问题之一，也越来越受到人们的重视。要实现这一目标，前提条件之一是能够及时准确地对用户数据进行计量，掌控电网的运行状况。如何及时准确地监测电力系统运行状态，并结合先进的通信技术将数据及时、准确地传输到控制系统，这些需求已经发展成为电力系统自动化等多个学科的研究课题。文中通过分析电力系统，特别是“需求侧管理的集中化管理需求，根据新型数字电路技术和数字信号处理技术的特点，研究基于高速dsp(digital signal processor)与gprs(gemeral packer radio sivice)通信技术的电能计量的方法，提出了一套多用户电能数据集中计量的解决方案，采用高速adc(analog-to-digital converter)、数字信号处理技术和gprs通信技术对多路电能数据进行采集、处理、传送，从而达到实现对多路电力用户的用电数据进行准确计量和管理的目的。在分析电能计量研究现状和电能计量技术应用水平的基础上，提出基于高速dsp和gprs集抄技术的电能计量方案的研究目标和本文的总体框架。主要特点：测量精度高、性能稳定可靠、寿命长、体积小、重量轻、功耗低、操作简便、易于实现管理并功能的扩展、仪表多用途性。2 电能计量的应用技术简介目前，电子式电能表发展趋势大体可以分为两个方向，一是mcu (micro controller unit)加专用计量芯片的系统架构，此类架构的电子式电能表侧重于电能的计量与对电能数据的管理。由mcu完成电能表的控制与管理功能，专用计量芯片采集电能数据，并让mcu读取，由mcu完成显示、按键、通讯、数据存储等用户需求，同时完成复费率，需量计算和自动抄表等工作。像adi、tdk、ti、中颖、珠海炬力等许多芯片制造商纷纷结合自己的技术优势定制出许多高性能的电能专用计量芯片模块。并且随着技术的发展，有像中颖公司等推出集成度更高的soc(system on chip)方案，如sh79f642，直接将管理cpu与计量芯片集成于一体，用一片soc方案的计量芯片即可满足设计要求。大量专用芯片的引入，有利于电能表的快速开发，并且有利于批量生产降低成本。国内很多电能表厂家都采用这种方案设计生产电能表，比较重要的厂家有长沙威胜，深圳科陆，宁波三星，江苏林洋等都有设计并生产基于上述架构的三相多功能电表。另一类是使用通用芯片的系统架构。随着adc芯片和mcu、arm(advancedrisc microprocessor)、dsp、cpld(complex program- mable logic device)、fpga(field programmable gate array)等通用硬件以及这些硬件新用法的引入，为系统设计在功能上、性能上获得了很大的灵活性与选择余地，使得仪表架构设计发生了比较大的变化。使用通用芯片架构，在功能与精度上都能够较好的定制，有着较好的适应性与竞争力。不过，相应的设计要点开始转向如何选择合适的满足需求的低成本硬件平台、如何选择适合应用场合的计量算法、如何高效设计电能计量方案使其达到较高的性价比。此架构的电表成本较高，有着较好的自主性，像长沙威胜的一款0.2s级高精度电子式三相多功能电能表即是采用的六通道模拟输入前端处理器ad73360加dsp处理器的方案设计的。 早期的电能表是机械表，机械电能表的精度受制于机械结构，运行久了其机械运转部分会有磨损，那就会影响计量。到20世纪80年代末、90年代初国外大公司推出全电子式多功能电能表，如斯伦贝谢、landis&gyr和美国ge公司等。1993年我国以湖南威胜电子有限公司为代表开始研制自己的电子式多功能电能表，1994年8月18日第一台三相全电子式多功能电能表研究成功。电子式多功能表随着销售应用面的扩大，技术上不断向前发展，电子式多功能表相继开发并具有如rs一485口的通讯，全失压记录，多事件记录，电压合格率测量，负荷曲线存贮等功能。目前由于国家电网改造的带动，电能表行业看好，国内电子式多功能电能表行业呈现一派欣欣向荣的景象，目前全国生产电子式电能表的厂家已增加到大大小小数百家。电子式电能表可按其功能分为：单相/三相有功电能表、单相/三相无功电能表、多费率电能表、最大需量表、脉冲电能表和多功能电能表、功率因数测试表、谐波参数分析仪、电能质量分析仪等。这些电能表可分成两大类，一种是用于大量安装使用的电能计量仪表终端，另一种是按需要使用的监测和分析仪表。这些就是电能表应用现状的一个基本分类。电能表在国内的应用开发使用的技术日新月异，发展很快，例如：电能数据采集的自动化与信息化建设的应用开发：文昱，江智军的文章提到用以太网控制器enc28j60，实现以太网通信，配合上位机显示，对电能数据进行集中管理6；柯静，石蓉的文章描述了电度表自动抄表系统的关键技术7；刘锦华的文章介绍了低压配电网载波抄表系统8等等；为适应需求进行的预付费与复费率开发：应美丽撰文介绍了预付费售电管理系统9；龙玉湘，章兢等研究了一种新型的预付费单相电能表10；周忠信，王文光发表的文章通过对网络化复费率预付费载波数传表及其售电管理系统的技术方案的介绍，探讨了目前许多ic 卡电能表及其售电管理系统的技术解决方案和具体存在的问题11，等等：增强电能计量功能，增强计量安全性的应用开发：郭亮， 杜谦的文章设计了一种采用des算法产生中间密码，预付费售电系统数据库和电能表ram(random access memory)中存储伪密码，由中间密码和伪密码进行运算得到卡密码的方法保证ic卡密码的安全，并对卡中数据进行加密处理，从而确保ic卡的数据更加安全12；多数地方仍然基于一户一表，国内各电表厂家基本都有各系列的产品，但是侧重点不同，如宁波三星凭借其传统单相机械表的优势，占据着国内单相电子式电能表比较重要的市场地位；再如威胜集团在三相电子式多功能电能表上所占市场份额比较大等等。根据相关统计数据，关于电能计量可以总结出以下几个特点： (1) 准确度将会越来越高，作为计量产品，准确度无疑是最受用户关注的重要参数，也是生产厂家竞相追逐的指标。在2003年第一款国产0.2s级电能表后至今的短短几年时间里，国内大多数有自主研发能力的生产厂家都已经有了自己的0.2s级产品。(2) 功能日趋丰富，随着电力部门用电管理、营销模式的发展，电力部门已经不单单把电能表作为一种简单的电量计费工具。电能表必然变为一种适应用电管理、营销模式需求的多功能计量设备。电子式电能表在满足电力系统要求，实现多种辅助功能等方面更具有优势。目前，普通居民用表中预付费及复费率功能已经相对成熟并有大量应用。国产高端电能表一般可提供如下功能：有、无功电能计量，最大需量计量，可自定义的多费率、多时段电量计量，多种实时参数测量，多种故障报警及事件记录功能，停电抄表功能，温度补偿电路，多种通信方式，开盖报警等简单防窃电功能。另外，也有一些电能表有特殊功能，如多套费率表、谐波计量、gprs通信、电能质量分析及变压器铁损计算等，具有一定的创新性。(3) 应用范围向多层面发展，兼顾用户特殊需求，按照电力计量用户的重要程度，可将其分为关口用户、配变电用户、大工业用户、中等工商业用户及普通居民用户5类。目前我国生产的电能表产品基本上已经应用到除了重要关口外的所有用户。(4) 通信手段日新月异，在通信技术飞速发展的今天，我国电能表使用的通信手段丝毫不比其他行业逊色。目前rs485、rf(radio frequency)、红外、蓝牙、gprs和电力载波多种方式并存。rs485由于需要布线，应用麻烦；电力载波在理论上具有较大优势，但应用方案尚不成熟，该技术的前景存在一定争议；基于移动网络的gprs抄表方案得到了更多厂商的关注，此类方案随着无线网络的普及，因此得到了迅猛发展，成本也在逐步降低，目前较多应用于复费率的多功能电能表方案上，多功能多用户电能表上应用极少；同时采用rf和gprs的用户前端+小区终端的方案有望合理解决成本、抄表便利的问题。这将为电能数据的现代信息化管理提供极大方便。3 电能计量系统的发展趋势近几年来，我国电能表的产品结构发生了很大转变。我国的电能表在产品质量控制、生产技术水平以及产品适应用户需求等方面都有了质的飞跃。从2.0级精度到0.1级精度；从单一费率到多种费率指导用电；从人工入户抄表到利用电力线载波甚至gprs无线网络抄表；从单一计费功能的电能表到可实现负荷控制等多功能要求。我国的电能表产品已经不仅仅是一种单一计量功能的仪表，已经由低附加值向高附加值转化，向智能化、长寿命、多功能方向发展。其发展趋势可列举成如下几个特点： 第一个特点是信息化管理，随着各种新的通信手段不断地发展推进以及其商用化的普及。电力数据采集也必将结合先进的通信手段向密集化、实时化方向发展。在数据通道不断更新，部署性不断提高的同时，电力系统的数据体系也将朝着开放性和可接入性这一趋势发展。随着第三代(3g)通信技术的不断发展和应用普及，随着电力系统通信协议的不断推陈出新，对电力工业的信息化管理将会越来越完善，终将全面实现现代信息化管理。第二个特点是追求高端电能表的实用性、可靠性，电力运行是关系到国计民生的大事，追求高可靠性是电力运行的必然要求。对于电力公司来说，关口表的实用性与可靠性比繁多的功能更实在。我国高端电能表的制造发展较快，但往往关注于功能的开发。而功能模块越复杂，对产品可靠性的保证也就越困难。高端表将是一大发展趋势。第三个特点是谐波计量解决方案，目前的测量谐波电能解决方案是基于整数次谐波的理想算法，在实际的电力负荷中还存在非整数次谐波等复杂的成分。如何准确地计量各次(不只整数次)谐波电量，并判断其方向是个相当复杂的问题。只有真正解决了这一问题，谐波电量的计量才有意义，才可将谐波电量作为用经济手段治理谐波的基础数据。目前要解决电能表受谐波干扰而影响计量的问题，归根结底是要解决如何保证标准装置不受谐波影响或者受影响到底有多大的问题。否则只能说明电能表与标准装置受谐波影响表现一致或不一致，而不能说谁对谁错。以上关于谐波的问题解决起来比较复杂，会有较长时间的技术发展过程。4 自动表系统的发展历程 基于以上所述的手工抄表的弊端，只有依靠现代化的自动抄表系统来解决，而自动抄表技术的应用经历了从原始到现代的发展过程，主要分为以下几个阶段：（1）从20世纪90年代早期至中期，这一阶段自动抄表系统的数据传输方式主要是485总线、电力线载波自制总线。这几种方式都存在各种不足之处在于：485总线过多的分支造成维护和使用过程中很不方便，通讯可靠性较低。电力线载波，抄表很不连续，能连贯传输数据的系统很少。而这时期的采样方式主要采用脉冲采样和机械采样。系统结构形式主要是：脉冲表集中采集器。在协议方面都十分简单，基本只是几条命令。由于电源处理方面的问题采集器多数为外置式，集中采集，以便降低成本。地址多为单字节。以上各种自动抄表方式工作都不是太理想，个别的有较大的误差。（2）从19972001年，采样方式多改为磁敏传感，传输方式则以485为主流。485方式下的分支问题则使用集中器、hub解决，此种方式可以较好地正常运转。关于系统结构，多数厂家用增设集中器来解决用户增加的问题。电磁兼容成为这一时期系统的设计难点，因为电表存在瞬时功率脉冲和平均功率脉冲的不同步的问题。位置识别法在这一时期也有较广泛的应用，因为机械位置识别的方法有较好的电磁兼容能力，无需电子存储数据，同时也就不存在因为干扰造成数据突变的弊端。也不存在ups电源供电的问题。识别位置的方式主要有电阻式、红外反射式、条码识别式等等。这种方式对于机械加工及装配精度要求较高，生产过程中成品率较低，而且在读数需进位时读到的数据产生混乱或错误。（3）从2002年至今，主流模式是数码表。完善集中抄表系统主要有几大难点：设计时无统一标准，基本都是各自为政，使产品的普及存在难度；调试时只靠人为的标识来区别线路，施工中容易造成混乱；系统开发商和厂家脱节。由于表的供应商和系统的供应商分离，现阶段对于表具没有统一的标准可以遵循，系统的质量和表具的质量都是良莠不齐，经常出现互相扯皮的现象，影响用户最后的使用；由于系统环节繁多，导致系统出问题的点比较多，又由于采用集中采集的特点一个地方出现问题可能会导致一大片出问题，因此问题很多。比如，ups电源故障，可能会导致若干个采集器无法计数，可能就有好几十户或者上百户人家需要重新抄表。 在这种情况下，直读表应运而生。这种表区别与以往的表的特点是读出的就是数据，而不再是脉冲，相当于把流量计和积算仪集成到一起。因此也有人将它称之为“数码表”。直读表分为两种，分别是脉冲计数式数据远传表和机械位置识别式直读表。这两种表均比以往的分线制集中抄表系统有很大的优越性，但它们互有优缺点。 脉冲计数方式的数据远传表（即直读表），实际上是将数据采集模块和远程通讯模块集成到表内，将脉冲计数值记录到表内，外界需要读取表读数时，接通通讯电源，按照通讯协议发出读数命令即可读取数据。这种表具一般提供485接口或m-bus接口，在生产制造时，已经将初始值设定完毕。一般情况下不再需要设定初始值。 计数远传表优点：电路结构简单，价格比较便宜；对原表结构改动小，不要求有很高的机械精度，安装精度要求不高，因此成品率高；体积小巧，非常容易嵌入表内；可以记录完整的表头示数，甚至超出表头示数。计数远传表的缺点：内部有电源供电，电源的寿命是否能够满足要求成为质量的关键；对于电路的抗干扰性能要求较高。 机械位置识别式直读表（简称位置直读表）是在机械计数器字轮上安装位置表征元件（有电阻式，光电反射式，条码式等多种），在字轮的缝隙中安装位置读取电路，还有数据处理单元和通讯单元。当外界需要读取数据时，接通通讯电源，按照通讯协议发出读数命令即可读取数据。 位置直读表优点：平时根本无需电源，不用担心电池寿命问题；理论上可与机械计数器同步，无相对误差；理论上抗干扰性好。位置直读表缺点：电路结构复杂，元件多，电路部分体积较大，成本较高，嵌入表也较困难；对原表结构改动较大，精度要求高，安装精度要求高，因此精度成本高，成品率低，长期应用故障率高；在字轮处于进位状态时，有读数盲区，这时读到的将是乱数，需另一个集中器经常读取数据，系统之外的设备访问时实际读取的是集中器中的数据；为了降低成本，一般只在3个或2个低位字轮上安装位置检测单元，其它高位数据还需要外部设备如集中器或上位管理机进行识别处理，并仍然需要设置初始值。 通过上述比较我们发现，事实上计数直读表与位置直读表互有优缺点，两者的技术实现难点是在电子难度与机械难度方面进行了交换。计数直读表的实现难度是电子方面的低功耗和抗干扰性；位置直读表的实现难度是零件精度和安装精度。 由于电子技术的迅速发展，尤其是低功耗、高电磁兼容能力的芯片技术的一日千里的发展已经使23年前有难度的问题变得容易解决，而且是低成本来解决。由于内部采用无干扰的电池供电，只要在硬件方面采取有效的隔离措施，软件方面采用冗余校验的方法，计数直读表的可靠性是完全值得信赖的。目前已有企业开发出了能够嵌入表内的计数抄表模块专门用于远程自动抄表。 相对来讲位置直读表的诸多缺点是很难解决的，如进位时的检测盲区是原理性问题，而外部再加一个设备，一方面系统复杂了，另一方面同时也带来了电子实现难度。机械精度提高带来的成本提高是相对大的。市场上的诸多位置直读表已经由于精度达不到要求出现了很多问题，而且当某位出现问题时，系统在短期内是难以识别的。目前自动抄表厂家已经认识到，表具必须具备直接输出数据的功能，系统采用总线制结构。分线制系统已逐渐被淘汰。5 gprs自动抄表系统 gprs自动抄表系统工作原理：中国移动gprs系统可提供广域的无线ip连接。在移动通信公司的gprs业务平台上构建电力远程抄表系统，实现电表数据的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。gprs电力远程抄表系统由位于电力局的配电中心和位于居民小区的电表数据采集点组成，利用中国移动现有的gprs/gsm网络，电表数据通过中国移动的gprs/gsm网络进行传输。 居民小区的所有电表首先连接到电表集中器，居民用户的用电数据由复费率电表通过485传到电表集中器，电表集中器通过rs232口与gprs透明数据传输终端连接，电表数据经过协议封装后发送到中国移动的gprs数据网络，通过gprs数据网络将数据传送至配电数据中心，实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。 由于gprs通信是基于ip地址的数据分组通信网络，配电中心计算机主机配置固定的ip地址，各个电表数据采集点采用gprs模块和该主机进行通信。 gprs网络具有以下优点：1)实时在线，接入速度快，甚至可以无需通过拨号上网而持续与网络连接；2)传输速率高，理论值最高可达171.2 kb/s；3)计费合理，以流量计费；4)快捷登录，gprs用户开机后就始终附着在gprs网络上，每次使用时只需一个1-3秒的激活过程。因此， gps车载终端、自动抄表系统等远程遥测遥控系统利用gprs实现数据传输将成为今后发展的趋势。二、系统设计 1、系统总体设计由于系统实时性要求很高，对多路用户而言，每一路都要求实时采集电能数据。硬件设计时必须选用高速的adc与dsp。数据处理时，需要充分考虑到量化时的误差和前级电路存在的噪声干扰，还要考虑到运算时有限字长效应带来的影响和电能计量算法引起的误差。选定的tms320f280x定点dsp硬件平台上无法通过硬件实现浮点运算，而软件仿真浮点算法时效率不高，因此用定点小数的方式来实现计量运算。三相多功能电能表系统主要由adc与dsp电能计量单元，mcu电能数据管理单元和gprs无线集抄通信单元组成，其系统框架图所示。其中，计量单元完成多路用户电能数据的采集与计量；数据管理单元完成多用户电能数据的管理，同时响应电力运营中心的下发指令；无线通信单元完成数据在电表与数据管理中心之间的无线传输。 图1 系统框架图2、电能计量原理分析电能的计量主要为分为：有功电能计量和无功电能计量。同时实时采集瞬时参数：在瞬时电压、瞬时电流、有功功率、无功功率。电能是建立在电功率的基础上的，对电功率的测量包括对有功功率p(active power)、无功功率q(reactive power)、视在功率s(apparem power)、功率因数(power factor)等的测量。硬件设计时，要对几种供电方式进行了兼容。2.1 有功功率测量方式 有功功率(功率)p是衡量用户、企业对于电能量消耗的一个重要指标。有功功率是保持用电设备正常运行所需要的电功率，即将电能转换为其他形式能量的电功率。根据帕塞瓦尔(paseval)定理及方程：由公式知道，对于能量有限的信号，时域内信号的能量等于频域内信号的能量。据此，有功功率的测量可以从时域角度来计算，也可以从频域角度来计算，相应的就有基于电压(流)的瞬时值、峰值、有效值的三种不同的方法如式：基于有效值和峰值的算法是从频域角度来计算，频域信息可以通过傅立叶变换(dft或fft)获得。但在定点dsp上使用快速傅立叶变换的计算量较大且受有限字长效应影响，对系统资源占用较高、精度有限；离散采样时还有采样率与ad带来的精度问题，即在固定采样频率下，当实际信号的基波频率发生偏移时(系统容量较小时允许最大0.5hz偏差15)，ad采样的n点中可能无法采样到峰值或无法采样到完整周期的信号。有功功率可从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号用电流和电压信号直接相乘得到。为了计算有功功率分量(即直流分量)，可以通过多种方法对电压电流信号进行处理得到。以下分别讨论三种不同的计算有功功率的方法：2.1.1离散积分有功计量法根据电能计量技术手册对电能计量相关数据含义的定义，其中电压，电流定义如下面公式中所表示： 式中，ua（t）表示f时刻电压瞬时值；ia（t）表示f时刻电流瞬时值；um表示电压峰值；l表示电流峰值；u表示电压有效值；i表示电流有效值；表示电压、电流相位差；表示角频率：如果已知电压、电流的有效值及相位差，则一个周期内的平均有功功率p可用下面公式求得： 2.1其中：t为正弦周期，=2/t，一个周期内的电能形可用下式求得： 2.2p公式表明功率可由瞬时值求得。电压、电流的瞬时值可用分时采样的方法得到。利用离散积分图法表示一个周期内各采样点的电压、电流及对应瞬时功率。 图2 离散积分示意图从离散积分示意图看到各采样点功率p(t)为：一个周期丁内平均功率p为： 2.1式上式中，n=t/t，则一个周期内的电能w约等于 若t-0，则，形：.出，式(2.8)说明在一个周期内，将采样点电流、电压相乘累加，再乘以采样周期就是这个采样周期内的电能。式(2.1)是一个数字表达式，数字信号处理器可以轻松完成，因此只要将电压电流信号经a，d转换后送入dsp处理器，即可依式(2.1)算得电能数据。50hz正弦交流信号的周期是20ms，如果adc每100us采样一次，一个周期内就是采样200次，这样的采样速率可以计算得到精度比较满意的计量数据。实践表明：引起误差的原因不仅是采样次数和a/d转换精度，电压、电流采样电路及其信号放大电路所造成的非线性幅值误差和相位误差也是影响精度的主要原因。2.1.2 低通滤波有功计量法要得到有功功率，只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了，低通滤波法示意图就是表示对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率的方法。此方法也能正确计算非正弦电压电流信号，以及两信号波形存在相位差时的有用功率。图中所表示的所有信号处理都由数字电路完成，由数字信号处理器实现一个线性的低通滤波器即可满足要求。因为信号处理数字化，因此，此方法运用时具有较好的温度和时间稳定性。但是，低通滤波法求有功电能时，精度不能达到很高的要求。另外，当电网存在谐波影响时，对滤波效果有一定影响。所以，滤波法难以反映由冲击负荷产生的瞬时功率。 低通滤波法示意图2.1.3 有效值推导有功计量法此方法求电功率是根据式(2.3)和式(2.4)先求出电压电流有效值，根据式=2/t求得相位角，然后再求得电功率。根据电能计量技术手册对电能计量相关数据含义的定义，有效值计算如下： (2.3) (2.4)可以根据u(t)，i(t)的过零点间隔时间和u(t)的周期t来计算，当ad转换器满足同步采样时，即可以通过计算求得。设检测到的电压电流过零点间隔时间为，u(t)的周期为t，那么：=2/t，因此可以根据式(2.1)和式(2.2)求得有功功率和有功电能等值。对上述方法所产生的有功功率信息进行累计，从而产生高频电能脉冲，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此电能脉冲的输出频率将正比于平均有功功率，当此平均有功功率进一步被累加(如通过计度器累加)，就能获得电能计量信息，从而实现对电能参数的计量。此脉冲还可用于电子式电能表的自动校表与自动验表，标准表要求校表脉冲宽度为80ms。2.2 无功功率测量方法分析与比较无功功率分为感性无功负荷和容性无功功率，实际上是线圈电感性磁场能与电容器电容性电场贮能。与“有功功率不同，在国家标准gb3102.5.1993电学和磁学的量和单位16中无功功率的定义为： (2.5)即说明了“有功功率、“无功功率”以及“视在功率”三者间关系，以及无功功率的间接计算公式。从另一方面来看，这主要也是由于国际上对于非正统电路中无功功率的定义尚未有统一的标准定论导致的18。对于无功功率的定义192021和计算方法22有多种。2.2.1 三角公式无功计算法理论上我们可以按照式(2.5)计算无功功率，式(2.5)中：q是无功功率，p是有功功率，s是视在功率，且s=u半i，u为电压有效值，i为电流有效值。根据式(2.5)，只要知道了电压和电流的有效值以及功率因数，就能求出无功功率。但实际运用时会产生偏差，因为实际中要获得精确的u、i和功率因数过于困难，主要原因是电压、电流中不可避免地存在谐波成分，而且测量电路本身就是用数字方法逼近的。另外电路中还存在各种干扰和噪声，a/d转换器位数有限并存在量化误差，计算机的运算位宽受限，所表达的数值存在舍入误差。特别是在p较大的时候将会给q的精度带来很大的影响。比如：假设理论上s=3000，p=3000，这时应该q=o。如果测量结果是s=3005，p=2995，这时，有功误差为-0.17。但按照以上公式计算得q=245。很显然误差太大，不能满足日常测量的精度要求。设： (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) (2.11)用式(2.6)表示含on次谐波分量的电压信号，其中表示各次谐波的幅值，纯表示各次谐波电压与电流的相位差；式(2.7)表示含on次谐波分量的电流信号，ik表示各次谐波的幅值；式(2.8)表示式(2.6)与式(2.7)产生的瞬时功率；式(2.9)表示周期t内产生的平均有功功率；式(2.10)表示视在功率；式(2.11)表示无功功率。由上面式子可以看出式(2.9)和式(2.11)具有相似性，其中式(2.11)的相位角比式(2.9)中的相位角相差/2，针对无功计算的移相法就是为了得到电压信号与电流信号的/2相位差值，这是利用移相法计算无功功率的理论依据，即用计算有功功率的乘法器来计算无功功率，这在数字信号处理中十分有用，实际运用数字信号处理器时，让乘法器的两个输入序列变成电压序列与移相后的电流序列即可实现无功功率计算。而在计算有功功率时已经获得了电压的采样值、电流的采样值及电压电流之间的相位角，当采样点数满足计算谐波无功电能的奈奎斯特采样定理时，针对计算无功功率，有两种方法可以实现对离散信号的/2移相，一种是基于采样点平移来实现；另一种则是通过hilbert变换17来实现。2.2.2 采样点平移无功计量法基于采样点平移的无功计量理论是将得到的离散的采样点信号进行/2移相，然后采用式(2.11)计算无功功率。这是针对基波频率的采样点移相方法，实际应用时有其局限性。首先，这种方法要求被采样的信号只包含基波分量。假如对一个包含基波和三次谐波的信号，每基波周期2内进行100次采样，那么基波的/2移相等效于移动25个采样点，但是，由于三次谐波的周期缩为基波的1/3，25个采样点对于三次谐波而言，已经是移动3/2了。另外，基于采样点平移还要求每周期的采样点数是4的整数倍，否则将不能被4整除而得不到/2的移相。基于采样点平移的无功计量方法虽然存在其局限性，但仍被一些要求不高的场合采用，主要是其实现相对简单，对硬件的性能要求也不是很高，但是当电网中的谐波成分提高时，基于采样点平移计量无功电能的精度就很难保证。采样点平移的方法还有几种，虽然具体的平移方