电力系统自动化课程报告基于一种简易多功能电能表设计方案的讨论.docx

电力系统自动化课程报告 课题名称： 基于一种简易多功能电能表设计方案的讨论 学院名称： 信息科学与工程学院 专业班级： 学 号: 学生姓名： 指导老师： 目录1.摘要32前言33总体方案34各个子模块的简介44.1前端电路调理模块44.2电能测量模块54.3通信模块64.4显示模块74.5键盘模块75关于电能表可靠性讨论85.1外部环境对电子式电能表的影响85.2可靠性措施86.心得体会91.摘要随着电子技术的发展，越来越多的设备实现了数字化，实现电能表的数字化智能化将会为电力部门节省大量人力物力成本。目前数字式多功能电能除了能够实现数字式计量显示功能外，还能实现通信、双向计费等一系列功能。本文中介绍的一种基于单片机简易方案包含双向计量、数字显示、通信、键盘操作、存储等功能，在最后介绍了一些关于电表可靠性改善措施。关键字： 电能表 多功能 单片机 可靠性 2前言作为测量电能的专用仪表电能表,自诞生至今已有100多年的历史。随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善,电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程:由最初的感应电能表,发展到后来的感应系脉冲电能表,直至现在的纯电子式电能表。感应系电能表是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的。感应系脉冲电能表仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件,由光电传感器完成电能脉冲转换,然后经电子电路对脉冲进行处理,从而实现对电能的测量。纯电子式电能表的原理是采用电子电路来实现电能计量,所以电子式电能表的共同特点是采用乘法器,根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。 随着电能管理的现代化,需要访问电能表很多信息,同时决策还要与电能表进行双向通讯,由于数字乘法器型电能表是以微处理器为核心,所以功能容易扩展,易和配电自动化系统集成,因此本文介绍了一种基于电能计量芯片cs5460a的电子式电能表,cs5460a是一种带有串行接口的单相双向功率电能集成电路芯片,极易与微处理器连接。3总体方案该系统主要由显示模块、通讯模块、键盘控制模块、mcu模块、电能表芯片cs5460模块、时钟模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。前端电路调理模块采用变比1：1的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：1的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到由cirruslogic公司生产的电能表芯片cs5460a，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经cs5460a转换后将电压、电流、功率、电能等信号传给单片机at89s52，at89s52组成的mcu模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用ocmj4x8cm液晶模块，液晶正常显示当前测量的电能值、日期、时间，可通过键盘控制显示电压、电流有效值、功率等；通讯模块采用max232芯片实现电能表与pc机之间的通信。并接受pc上位机同步控制并与其通信，时钟模块采用dls1302芯片，为电能表提供时间基准，为实现多费率打下基础，存储模块采用at24c16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据，还可以实现电力系统参数的实时记录，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的目的。系统硬件框图如图2-1所示： 图中流/压变换电路代表前端电路调理模块，cs5460代表测量模块，at89s52代表电能表的控制模块，ds1302代表时钟模块，at24c16代表存储模块，lcd代表显示模块，pc机代表与基站之间的通信模块（采用rs485协议），key代表键盘模块。cs5460a是crystal公司推出的用于测电流、电压、功率等的芯片,是cs5460的增强版,精度高、性能强且成本低。cs5460a包含两个模-数转换器（adc）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的模-数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、irms和vrms，用于研制开发单相2线或3线电表。cs5460a可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。cs5460a具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。cs5460a具有方便的片上ac/dc系统校准功能。“自引导”的特点使cs5460a能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，cs5460a从一个外部eeprom中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，cs5460a工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。4各个子模块的简介4.1前端电路调理模块对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2ma/2ma的电流互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图2-2所示。系统设计采用220v的市电电压输入，首先外接rx=110k电阻得到2ma的电流，然后通过变比为2ma/2ma的互感器，然后在二次侧连接1个125的定值电阻得到所需的输入电压，可以为cs5460a提供电压信号，不超出芯片的测量范围。当然电阻r2值可以根据不同的电压来调整。并加入rc滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。电流调理部分采用变比2000：1的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。并加入rc滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。经变换后的补测信号以差模电压的形式接到cs5460a的模拟信号输入端。由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大。而cs5460a具有相位补偿功能（可进行-2。4至+2。5的相位补偿，步进0。34），可以大大减小互感器角差的影响。 图 4-1前端调理电路4.2电能测量模块测量芯片接受调理模块送来的电流电压信号经放大、滤波、采样、计算，计算出瞬时功率，并根据周期计数寄存器内设定的计数周期计算出电能值、电流有效值、电压有效值，并将其存入相应的寄存器中，然后单片机通过与芯片通信将相应寄存器中的电能值、电压有效值、电流有效值读出，并送予液晶显示。 图4-2测量流程4.3通信模块rs-485是1983年电子工业协会(eia)为了扩展rs-422的应用范围在其基础上制定的标准，rs-485 接口在总线上是容许连接多达32 个收发器，可以扩展到128或256个。rs-485最大传输速率为10mbps，最大传输距离为1219米。因为rs485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以rs485接口均采用屏蔽平衡双绞线传输。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在l00kbps速率下才能使用规定最长的电缆长度，只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。因此，rs-485更适合短距离的数据传输。在实际应用中，rs-485总线的传输速率常选择在9600bps及以下。rs-485是一个电气接口规范，它规定了平衡驱动器和接收器的电器特性而没有规定插件传输电缆和通信协议。rs-485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对某个参考点来检测信号系统，只需检测两线之间的电位差即可。但必须注意，收发器只有在共模电压不超过一定范围（-712v）的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围时，就会影响通信的可靠性甚至损坏接口。逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)v表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)v表示。由于单片机采用ttl电平，所以通信是需要转换成rs485电平，需要采用电平转换芯片设计接口电路。max485接口芯片是maxim公司的一种rs485芯片。采用单一电源+5 v工作，额定电流为300 a，采用半双工通讯方式。它完成将ttl电平转换为rs485电平的功能。 图4-3max4854.4显示模块采用液晶的串行接口，单片机通过液晶的串行口sio向液晶寄存器写命令，进而实现对液晶显示的控制。 图4-4 显示模块硬件电路4.5键盘模块键盘的设计比较简单，就是在单片机的i/o口与地之间接上按钮以及下拉电阻，构成简单的键盘。当键盘被按下后相应口被拉低为低电平，进而实现对单片机的控制，主要实现复位、运行、读数等功能的控制。 图4-5简单的键盘设计5关于电能表可靠性讨论上述方案是一种基于单片机的电子式电能表设计方案，只能实现应有的功能，基本没有可靠性方面的设计。但是实际应用中，电能表的可靠性关系到电力部门的收益，所以电子式电能表在实现计费自动化的同时，更应该注重可靠性的设计。5.1外部环境对电子式电能表的影响研制一台在实验校台上满足误差要求和功能要求的电子式电能表并不难。但要在恶劣的环境条件和电气条件下，使电能表正确工作，正确计量。就需要对电能表的很 多相关技术作深进的研究。国标gb17215提出电子式电能表的同一标准。其中很多条件都根据实际的电能表外部环境提出的。由于电子式电能表大多采用单片机进行处理，所以电子式电能表可靠性体现在两方面。其一是软件可靠性；其二是硬件可靠性。外部环境对软件的影响以传导干扰和幅射干扰两种方式表现，频繁的上下电、雷击感应的浪涌电压、电网大负荷的冲击、非线性负载的干扰、谐波影响等等。往往出现这样的情况：安装在现场的电能表出现乱码、数据丢失、不计电量等现象。但当该表拿出试验室重新上电测试一切均正常。硬件可靠性主要体现在外部环境（比如温度、湿度、电压等）及长期带电运行而元器件均正常有效地工作而不失效。5.2可靠性措施1. 选用抗干扰能力强的单片机。市面的单片机五花八门，适用于各种不同的用途，其单片机内部结构、指令系统的抗干扰能力各不相同，请留意以下几点：一是选用国际著名品牌的单片机，其之所以著名，是其综合技术指标优于其他单片机；二是选用产业级产品；三是在运算能力已经足够的情况下，选用较低的工作频率；四是在前几项保证的情况下，选用单字节指令的单片机。当然并不是其他单片机不能用，比如说51 系列单片机，有很多厂家选用，由于它最普及，设计职员最熟悉，但提醒留意使用此类型单片机要在软硬件方面更关注其抗干扰能力。2. 信号线地线处理。单片机有很多i/o口，对于输进口要给予更多的关注，假如设计不好，极易从输进口感应出错误的输进信号，使单片机错误工作，输进信号线可能短。高频、低频信号在空间要有一定间隔，spi口通讯的信号线假如通讯波特率较高，四周应有地线。两信号线并行布线时，中间应夹有一条地线。pcb板的大面积展地是必须的，此项工作的优劣直接影响到整表的抗干扰能力和小信号计量的正确度，如何展地才是最佳，需要具体情况分析。由于电子式电能表大多要用到a/d变换电路，而a/d变换电路既有模拟部分又有数字部分，所以a/d变换电路往往给出模拟地和数字地两个地。传统的单点接地、模拟信号与数字信号分开等传统设计准则并不完全适用。设计职员最恐惧的是a/d变换电路由于外界的干扰产生 “闸锁”效应，使电路迅速发热，产生高温导致失效。3. 硬件抗干扰措施。压敏电阻、高低压吸收电容、磁珠、电流检测电路、看门狗电路等都是为进步软件抗干扰能力而设计的硬件电路，着重说明一点，现在几乎所有单片机电路都内附有看门狗电路，但其构成是不同的，可以分为两类：一类是完全独立的于单片机的，它相当于将外部看门狗内置于单片机内部；另一类的看门狗电路是和单片机有联系的，在上电时单片机需给看门狗电路赋一个初始值。对于第二种，假如在上电时有一干扰信号使单片机不能赋值给看门狗，就会使看门狗不起作用，所以带有此类看门狗电路的单片机应用在电能表中，为了可靠起见，往往外部还要加装硬件看门狗电路。4. 读写e2rom的抗干措施。在非计度器方式的电子式电能表中， 读写e2rom的操纵是频繁发生的。读写的正确性就显得万分重要。e2rom读写的速度不一样，写的速度要几个ms时间。在读/写的过程出现干扰信号就有可能出错误，我们的预防措施有以下几种：一是e2rom电路加电源控制电路，不读写e2rom时，不加5v电源，使之处于“休眠”状态，不理会外部的干扰；二是读/写操纵必须跟校验码。写进之后还要读出进行比对验证检查是否写的正确；三是写多个地址，数据错误后，还有备用数据；四是选铁电存贮器，铁电存贮器读/写速度相同，均是us级的，写时间缩短，减少受干扰的可能性。5. rs485接口的抗干扰能力。在电子式电能表的端子上，除了电压、电流、中线端子外，还有测试端子、远动通讯端子和485通讯端子，前两种由于是无源输出，光耦隔离技术处理较为轻易。485通讯接口则不相同，我们的设计是485电源必须与单片机隔