（控制理论与控制工程专业论文）综合电力监测装置的设计研究.pdf

江苏大学硕士学位毕业论文 摘要 电能是现代社会最重要的二次能源，随着电力行业的发展，电能计量、在线 监测的重要性同益突出，迫切需要一种综合电力监测装置。本文所述的综合电力 监测仪是一种多功能电力仪表，能够实时监测电网运行状态，统计部分电网运行 指标，帮助电力计量部门对电网进行有效管理，追补人为的或非人为的漏计电能， 并及时地对故障进行处理，最大限度地保障供电的真实性、可靠性和科学性，是 理想的电能计量监测仪表，对加强用电管理及提高计量水平等方面具有十分重要 的意义。 本综合电力监测装置以a t m e l 公司推出的高性能低功耗的r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc p u ) 精简指令集高速单片机m e g a l 2 8 为核心，集测量、监控、参 数设置、统计、追补和通讯于一体；采用深圳炬力公司的专用电能计量芯片 a t t 7 0 2 2 b 进行电网参数的采集和处理，不但可以简化测量电路的设计难度，缩 短开发周期、降低编程的复杂度、提高测量精度和系统运行的稳定性，而且降低 了开发成本。此外，采用r s 2 3 2 和无线两种通信方式，可以方便与上位机进行 本地和远程通信，及时地将故障信息和累计信息发送到监控终端，有利于对电网 的运行信息进行实时监测，保障电网的安全运行。 根据综合电力监测装置的技术要求和功能特点，论文给出了总体设计方案、 详细的硬件原理图和软件设计流程图。文章将硬件部分分为前端数据采集、微处 理器系统、输入输出系统，数据存储系统和通讯接口五个部分，软件部分采用模 块化设计，对耗时长但对时间要求又不高的任务采取化整为零的方法将其拆分成 多级任务逐次完成，从而减少延时时间，并提出了一种类似于操作系统中的时间 片轮循的软件设计方法，提高了系统的运行及响应速度，保障了系统快速流畅地 运行。 最后，采用三相精密测试电源对监测仪表的测量精度进行了实验论证，实 验结果表明该仪表具有较高的测量精度、较好的线性度和较大的动态范围、统计 量准确、实时性好、工作稳定，可以满足电能测量的精度要求以及电力设备实时 监控方面的要求。 关键词：a t t 7 0 2 2 b ；a t m e g a l 2 8 ；电力监测；g t m 9 0 0 b ；数据处理 江苏大学硕士学位毕业论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i ce n e r g yi st h em o s ti m p o r t a n ts e c o n d a r ye n e r g yo fm o d e r ns o c i e t y b e c a u s eo ft h ef a s td e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lp o w e r , t h ee l e c t r i c a le n e r g ym e t e r i n g ， o n l i n em o n i t o r i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i ti sn e e d e du r g e n t l yt oi n v e n ta i n t e g r a t e de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n gd e v i c e t h ei n t e g r a t e de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n g i n s t r u m e n t a t i o nw h i c hd e s c r i b e do nt h i sp a p e ri sam u l t i f u n c t i o n a le l e c t r i c i t ym e t e r s ， i tc a nr e a l t i m em o n i t o r i n gt h eo p e r a t i o n a ls t a t u so fp o w e rg r i d ，s t a t i s t i c a l l ya n a l y z e p a r to fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o ni n d i c a t o r s ，i tw i l lh e l pp o w e rm e a s u r es e c t o r st o m a n a g et h ep o w e rn e t w o r k ，m a k eu pf o r t h el e a k a g eo fe l e c t r i c i t yw h i c hi sc a u s e db y m a no rn o t ，a n dh a n d l et h ef a u l ti nat i m e l ym a n n e rs oa st om a k em a x i m u mp r o t e c to f t h e p o w e rs u p p l y sa u t h e n t i c i t y , r e l i a b i l i t y a n ds c i e n t i f i c i t y i th a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et os t r e n g t h e nt h em a n a g e m e n ta n di m p r o v et h ep o w e rm e a s u r e m e n tl e v e l a n di sc o n s i d e r e da ni d e a li n s t r u m e n to fm o n i t o r i n gi nt h ep o w e rm e a s u r e m e n t t h ei n t e g r a t e de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t a t i o nu s e dt h ea t m e l c o m p a n y sh i g h - p e r f o r m a n c el o w p o w e rr i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc p u ) a t m e g a l 2 8m i c r o c o n t r o l l e ra sac o r e c h i p ，a n di n t e g r a t e d t h ef u n c t i o n so f m e a s u r e m e n t ，m o n i t o r i n g ，p a r a m e t e rs e t t i n g ，s t a t i s t i c s ，s u p p l e m e n t a lc o m p e n s a t ea n d c o m m u n i c a t i o n a c t i o n ss e m i c o n d u c t o rc o ，l t d ss p e c i a le l e c t r i c a le n e r g y m e a s u r e m e n tc h i pa t t 7 0 2 2 bi sa d o p t e dt oc o l l e c ta n dp r o c e s st h ep o w e rn e t w o r k p a r a m e t e r s u s i n gt h es p e c i a l i z e de n e r g ym e a s u r e m e n tc h i pc a n n o to n l ys i m p l i f yt h e d i f f i c u l t yo fm e a s u r i n gc i r c u i td e s i g n ，s h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c e t h ec o m p l e x i t yo fp r o g r a m m i n g ，i m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dt h es t a b i l i t y o ft h es y s t e m ，b u ta l s or e d u c et h ed e v e l o p m e n tc o s t s i na d d i t i o n ，t h eu s eo ft h et w o c o m m u n i c a t i o nm o d e r s 2 3 2a n dw i r e l e s sm a d ei tc o n v e n i e n tt oc o m m u n i c a t ew i t h t h ep cb yl o c a lo rr e m o t e ，a n di tc a ns e n tt h ef a u l ti n f o r m a t i o na n da c c u m u l a t e d i n f o r m a t i o ni nat i m e l ym a n n e rt ot h em o n i t o r i n gt e r m i n a l s ，w h i c hi sb e n e f i c i a lf o r r e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h eo p e r a t i o ni n f o r m a t i o no nt h ep o w e rn e t w o r ks o a st o p r o t e c tt h es a f e t yo f t h ep o w e rn e t w o r k so p e r a t i o n 江苏大学硕士学位毕业论文 t h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a m ，t h ed e t a i l e ds c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g nf l o wc h a r ta r eg i v e ni nt h ep a p e ra c c o r d i n gt ot h ep o w e rn e t w o r k m o n i t o r st e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n df e a t u r e s t h ea r t i c l ed i v i d e st h eh a r d w a r ep a r t i n t of o u rp a r t s ：t h ef r o n t - e n dd a t aa c q u i s i t i o n ，t h em i c r o p r o c e s s o rs y s t e m s ，t h e i n p u t - o u t p u ts y s t e m s ，d a t as t o r a g es y s t e ma n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h e s o f t w a r ep a r tu s e st h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d f o rt h ep a r tw h i c ho c c u p i e sal o n g e r s y s t e mn m n i n gt i m eb u tn o tt h et a s ko fh i g hp i e c e m e a la p p r o a c ht a k e nt os p l i tt h e t a s ki n t os u c c e s s i v em u l t i s t a g ec o m p l e t i o n ，t h e r e b yr e d u c i n gt h ed e l a yt i m e ，a n d p r o p o s e sas o f t w a r ed e s i g nt h a ti ss i m i l a rt ot h er o u n dr o b i n t i m ea p p r o a c hi nt h e o p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c hi m p r o v e st h eo p e r m i o no ft h es y s t e ma n dt h er e s p o n s es p e e d ， a n de n s u r et h es y s t e mr u n n i n gf a s t l ya n ds m o o t h l y f i n a l l y , i t sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sv e r i f i e db yt h et h r e e - p h a s es o p h i s t i c a t e dt e s t p o w e r ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em o n i t o rh a sah i g ha c c u r a c y ，g o o d l i n e a r i t ya n dl a r g ed y n a m i cr a n g e ，a c c u r a t es t a t i s t i c s ，r e a l - t i m e ，a n dw o r ks t a b i l i t y , w h i c hi sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep o w e rm e a s u r e m e n t ，a sw e l la sr e a c ht h e r e a l - t i m em o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t so fp o w e re q u i p m e n t k e yw o r d s ：a t t 7 0 2 2 b ；a t m e g a l2 8 ；e l e c t r i cp o w e rm o n i t o r ；g t m 9 0 0 b ；d a t ap r o c e s s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密文 学位论文作者签名：葭必定 扣7 年孑月7 日 指导教师签名：劈够 7 吵年易月夕日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过后作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 夜瀛 多月多日 江苏大学硕士学位毕业论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 能源是人类社会赖以生存和发展的基础，而电能则是现代社会最重要的二次 能源形式，可靠、充分、高质量的电力供应是保证国民经济持续高速发展的最基 本前提。而可靠的电能计量则是保证电能产品生产、配送和消费等各个环节的经 济利益得以公平正当地实现的主要手段。 上世纪9 0 年代以前，我国电力行业一直沿袭计划经济时代的做法，政企不分， 垄断经营，从而导致电力企业内部缺乏明确目标和前进动力，管理不善，效益低 下，难以灵活面对市场需求。随着我国经济的高速发展，以及全球化浪潮的日益 临近，这一旧的管理和经营模式已经越来越不能够适应形势的发展。因此，从1 9 9 8 年起，以山东、浙江、上海和东北三省等6 个单位的电力市场试点改革工作为标 志，我国开始进行电力行业市场化改革【l 】。经过近年来的努力，我国已经初步建 成了以五大发电集团和两大电网公司为主体的电力产品初级巾j 场。 我国电力行业市场化改革的总体目标要求打破垄断，引入竞争，降低成本， 健全电价机制，从而迫使处于电能生产、送配和销售等各个环节上的电力企业加 强对电能的监控，以维护自身的经济利益，这就有赖于加强对电能计量工作的重 视，提高计量数据的完整性、可靠性和准确性，从而为控制成本和经济核算提供 依据。另一方面，在我国电力初级市场基本建设完成和二级市场行将启动的情况 下，电能计量工作还需要担负起加强用电需求侧管理，为电力营销系统提供决策 支持的责任，这就对加强电能计量工作特别是其信息化水平提出了更高的要求。 传统的电能计量工具功能单一、安全性和可靠性差、精度等级不能满足需要，已 经不符合现代电量科学管理的要求。新型综合电力监测仪表的出现必将给电力部 门带来更多的信息和便利，同时也给电能质量监测系统提供更为直观的分析结果， 以利于对电能质量问题做出决策，如今电子技术和网络技术的飞速发展使得这种 需求的实现成为可能，用电监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智 能化的方向发展【2 8 1 。 在计划经济和电力系统垄断经营的条件下，电力企业主要关心的足安全生产 江苏大学硕士学位毕业论文 问题，而由计量装置故障、人为窃电、电力系统扰动等因素造成的电能计量装置 异常问题一直没有得到充分的重视。各种类型的电能计量装置异常问题往往造成 电能计量值低于实际售出的电能，使供电企业蒙受了巨大的经济损失。近年来， 随着电力行业市场化改革的深入进行，电力企业开始将工作重心转向创造和维护 自身的经济效益，这也促使他们对电能计量装置异常问题给予更大关注。另一方 面，由于局部地区电力供需状况紧张以及电费不断上涨的因素，人为窃电情况日 益增加；而电力电子技术的广泛应用，使电力系统的谐波源大量增加，引起局部 电压、电流波形的严重畸变，影响了电能表的正常工作【9 10 1 ，这些都进一步地加 剧了电能计量装置异常问题。于是提高电力系统供电管理问题已经迫在眉睫。对 电力部门而言，是相当棘手且不容回避的问题。 据有关资料披露，广东省2 0 0 2 年以来累计窃电案2 2 3 3 宗，窃电量约1 0 0 0 7 万 千瓦时，直接经济损失约6 6 7 9 万元( 窃电金额) 。由于窃电的隐蔽性、复杂性，估 计至少有2 0 的窃电案未被发现。照此计算，估计广东省每年被窃电量1 2 5 0 8 7 万千瓦时，直接经济损失8 7 5 6 万元( 按0 7 元千瓦时计算) 。武汉市供电公司 2 0 0 3 年售电量为1 3 4 亿千瓦时，其中约有2 9 8 的电量即约4 亿千瓦时被窃取，直 接经济损失约2 亿元1 12 】；上海市供电公司奉贤分公司2 0 0 1 年供电量为1 4 5 7 亿千瓦 时，其中线损率为1 1 3 9 ，除去理论线损外，超损电量7 1 4 万千瓦时，经济损失 4 0 0 余万元【l3 j ；青海电网年均窃电户3 5 0 0 户，窃电量5 0 0 0 万千瓦时，造成当地电 力企业年均经济损失1 3 5 0 万元【l4 1 。国家每年由于电力能源被盗以及企业不规范 用电等原因造成的损失相当严重。所以，大力提高电力部门偷漏电预防监测技术 以及完善用电管理务实能力，已经成为供电部门和电力相关部门的紧迫任务。 1 2 国内外电力测量装置的研究及发展状况 电网远程监控技术是8 0 年代由美国，然后是其它工业发达国家逐步发展起来 的一种电网实时监控技术。该领域的研究最先是从医学领域开始的。目前，美国 等发达国家在应用及理论研究上都走在了前面i ”】。 国内对电能质量问题的研究起步较晚，使用的电能质量测量装置功能也比较 单一，只能实现对某种电能质量指标的测量，多数不具备综合测量、分析、统计、 判断功能，对电能质量的在线监测没有得到广泛应用，电能质量的异常现象不能 江苏大学硕士学位毕业论文 及时发现，从而产生严重的后果。所以必须采用先进的技术手段，对多种电能参数 进行综合监测。电能监测仪的传统设计大多采用m c u + a d 或者工业计算机配备 数据采集卡来实现电能质量的数据采集和分析，主要针对稳态指标进行监测，系 统比较复杂，实时性难以保证，智能化和网络化水平也不高。 随着集成电路技术和计算机技术的1 速发展，网络技术和嵌入式实时系统技 术日益成熟和完善，已经被引入到电能质量监测领域，传统的设计方法也逐渐被 摒弃。文献【1 6 】( 意大利) 提出了一种基于w e b 的电能质量监测系统的设计实例， 并且采用小波变换技术作为分析手段，整个系统的设计皋本上顺应了目前的发展 方向，但文献【1 6 】中主要介绍了系统的体系结构和小波变换技术的应用，未对现 场的实时监测设备做具体介绍。文献1 1 7 】( 美困) 提出了一种基于数字信号处理 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 的实时系统解决方案，该方案采用d s p 和p c 机的双处理器结构，d s p 处理实时任务，p c 机用于和用户交互，解决了电能质量 监测的实时性问题，但还没有达到智能化和网络化的程度，而且p c 机的采用加 大了设备的成本，不适于作为永久性在线监测设备大量安装在现场。文献【l 列是 国内提出的一种基于双c p u 的主从式结构，由予设计时一i j 比较早，采用比较早的 t m s 3 2 0 1o n d s p ，性能上已经落后，系统的设计也没有考虑到远程通信，分析 手段也只局限于采用f f t 进行稳态谐波分析，同时在设计上也没有提出实时性要 求；文献【1 9 】也是一种基于双c p u 的主从式结构，使用了新型d s p 和m c u 协同处 理，具有远程通讯功能。文献【2 她2 】虽然使用单个d s p 完成电网参数的测量，但其 通讯接口单一，且不能本地存储大量数据。 1 3 电力仪表的发展历程及发展趋势 电力仪表的发展同其它普通仪表一样，主要经历了三个阶段： 第一阶段是模拟仪表，这种仪表至今仍在各种场合被广泛使用着，如模拟万 用表、电压表、电流表等，这些仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静 电式等，它们的原理简单、坚固耐用容易生产、成本低，但由于这类仪表本身机 械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差。 第二阶段是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号通过电 子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪表把模拟仪器的精度、分 3 江苏大学硕士学位毕业论文 辨率与测量速度提高了几个数量级，为实现测试自动化打下了良好的基础，同时 能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用，但电子线路比较复杂，不能自 动适应测量环境的变化，而且仪表的校准复杂。 第三阶段足智能仪表。所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微 处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够用软件的方法实现信息 的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。这类仪表不仅精度高，功能 强大，而且能适应各种复杂的环境。综合电力监测仪是一种集测量、监控、参数 设置、统计、追补和通讯于一身的新型多功能仪表，对电网运行情况的实时监测 起着非常重要的作用。 仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影 响仪器仪表的设计；d s p 芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强； 微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力【8 ，9 1 。 近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内电力市场上已经出现了 多种多样智能化测量控制仪表，例如，三相电子式预付费电能表、低压无功动态 补偿装置，三相电能表现场校验仪等。 智能仪器的发展趋势： ( 1 ) 微型化； ( 2 ) 多功能化； ( 3 ) 人工智能化； ( 4 ) 融合i s p ( 在系统编程技术( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) ) 和e m i t 技术( e m i t 嵌入式微型囚特网互联技术是e m w a r e 公司创立e t i ( e x t e n dt h ei n t e m e t ) 扩 展i n t e m e t 联盟时提出的，它是一种将单片机等嵌入式设备接入i n t e m e t 的 技术) ，实现仪器仪表系统的i n t e r n e t 接入( 网络化) ； ( 5 ) 虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段。 微电子技术与计算机科学技术的巨大进步已成为仪器仪表领域内一场新的 革命的推动力。仪器仪表内采用了大量的新器件、新工艺。未来1 0 年内，仪器仪 表必将进一步取得重大的突破性进展，这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程 度的提高。 4 江苏大学硕士学位毕业论文 1 4 课题研究的目的与意义 随着国民经济的高速发展，电力需求量大幅增加，供电部门对电网运行情况 的监管任务也相应加重。国家每年由于电力能源被盗以及企业不规范用电等原因 造成的损失相当严重，面对电能计量异常问题日益严重的情况，传统的电能计量 监测手段也逐渐显现其弱点。主要表现在：1 信息化程度低，不能及时反馈电能 计量装置异常状态并对其做出反应；2 工作过分依赖于人员素质。传统电能计量 监测手段存在的这些不足说明，我们有必要采取新的、自动化和信息化程度较高 的监测方式，以提高电能计量监测工作水平，控制电能计量装置异常| 、口j 题，挽回 电力仓业的损失。所以，大力提高电力部门窃漏电预防监测技术以及完善用电管 理的务实能力，就成为供电部f - j 署t j 电力相关部门的紧迫任务。为了提高对用电单 位的监管力度，保证国家的财产不受损失，研制新型的电网监测仪表就显得尤为 重要。 本课题针对目前电力监测仪表及相关技术进行了较为深入的研究，并在此基 础上，采用a t m e l 公司的m e g a 系列单片机进行综合电力监测装置的设计和开 发。m e g a 系列单片机采用流水线结构，废除了机器周期的概念，具有速度快、 时钟频率高( 本装置使用的m e g a l 2 8 速度可达1 6 m h z ) 、i o 口功能强、驱动能力 大、存储功能灵活、外设丰富、低功耗、高保密性等优点。因此选用这一系列中 的m e g a l 2 8 单片机进行综合电力监测装置的开发，具有较高的性价比，能较好 的满足没计要求。 1 5 本文的主要工作 本课题的主要任务是没计个综合电力监测装置，该装置现场实时采集电压 电流信号，通过专用电能芯片的运算得出一系列电力参数，并可通过r s 2 3 2 或 者g s m g p r s 的方式和远程的服务器进行数据交换，以达到远程监控的目的。 本文的主要工作安排如下： ( 1 ) 总体介绍仪表的任务；并介绍了仪表的部分工作原理； ( 2 ) 采用a t m e g a l 2 8 单片机为m c u ，a t t 7 0 2 2 b 为数据采集和处理单元， 对综合电力监测装置进行了硬件电路的设计，介绍了各部分的硬件接口； ( 3 ) 结合系统的硬件电路和仪表的技术指标要求，设计系统的软件，以准确 5 江苏大学硕士学位毕业论文 的实现系统所要求的性能； ( 4 ) 最后，总结开发过程中遇到的一些问题，并对系统进行了总体测试，基 本达到预期目标，同时对今后电力系统监控装置的发展方向进行了展望。 6 江苏大学硕士学位毕业论文 第二章系统总体方案设计及测量的基本原理 2 1 系统实现的基本功能 综合电力监测仪主要包括测量、显示、故障处理、数据存储、统计、通讯、 参数修改等功能模块。该产品用于监视三相四线有功( 无功) 电度表的运行状态， 当p tp j 路( 一次侧或二次侧) 发生熔断或完全断相时，或当c t 回路发生开路 或短路时，该仪表能准确判断失压或断流之相，详细记录其相应的时f h j ，并及时 报警。该装置能够完成的主要功能如下： ( 1 ) 测量功能 监测仪对被监测电网的三相电压、三相电流进行采样，采样周期为6 5 0 m s ， 以此作为电网的实时电压和电流，并通过专用电能芯片处理可得到实时的三相有 功( 无功) 功率、合相有功( 无功) 功率、三相有功( 无功) 电度、合相有功( 无 功) 电度、功率因数等电网参数。 ( 2 ) 电压质量统计功能 对每秒钟的采样电压进行预存储，l m i n 作为1 个统计单元，取l m i n 内的电压 采样值的平均值，作为被监测系统过去1 m i n 的实时运行电压。监测仪可统计出本 日、昨日、当月、上月四个时问段的电压最大最小值，并记录最值电压发生的 时刻。通过与设定的电压上下限进行对比，可统计出本日、昨日、当月、上月四 个时问段的电压超上下限时间( 以分钟为单位) ，电压超上下限率，电压合格率 等电压参数。 ( 3 ) 故障判断及报警功能 当p t 回路( 一次侧或二次侧) 发生熔断或完全断相时，或当c t 回路发生开路 或短路时，该仪表能准确判断失压或断流之相，详细记录其发生的时间，并及时 报警。当故障恢复后，能及时记录故障的恢复时间，并计算出此次故障的间隔时 间，该相故障的累计时间( 最小时间单位为l m i n ) 。当电压( p t ) 回路发生失压，电 流( c t ) 四l 路发生开路时，仪表内部启动故障次数计数器，记录失压次数或断流次 数，它是一个辅助参量。仪器还设计有相序错误指示功能，可指示人为或事故造 成的相序错误现象。该仪表能按事件发生的先后顺序记录存储4 0 0 次失压和断流 7 江苏大学硕士学位毕业论文 的起始日期、起始时间、终止日期、终止时问。 ( 4 ) 参数修改功能 系统在运行过程中，由于环境的变化，内部的一些参数就需要重新设置或者 修改，本系统主要设置和修改的参数有：a b c 各相电压电流校准系数、c t p t 变比、恢复动作电压、仪表号码、时钟设置、密码设置、手机号码设置等。 ( 5 ) 查询功能 进入查询项可以查询( 4 ) 中设置的各项参数及各故障事件记录。 ( 6 ) 通讯功能 通过g p r s g s m 网络与主站通信。与主站的通信可以是主动的也可以是被 动的。 曲主动：定时向主站发送电网参数、电表信息以及异常报警信息。 b ) 被动：接受招n ( 且i j 时数据或历史数据) 、设置等命令。 ( 7 ) 键盘与显示功能 键盘可很方便的用于数据输入和显示画面的切换，和显示模块配合形成良好 的人机交互环境。 ( 8 ) 时间功能 采用专业时间处理芯片，能实时显示系统当前时间，计时准确，自动日历系 统。 2 2 主要技术指标 ( 1 ) 计时准确度： 0 5 s d ( 2 ) 动作电压： 7 8 u n + 2 v ( 3 ) 恢复电压：8 2 u n + 2 v ( 4 ) 起动电流： 5 0 年 ( 7 ) 电流四l 路阻抗 额定电流为5 a 时： o 0 5 q 额定电流为1 a 时： 0 5 q 8 江苏大学硕士学位毕业论文 ( 8 ) 电度容量：0 - - - 9 9 9 9 9 9 9 9 k w h 2 3 系统的设计规范 电能计量装置异常状态监测系统的开发是围绕着电力企业的需求展开的，因 此它的设计必须严格地遵循相关的技术标准，以加强它的规范性和实用性，从而 更好地为电力企业服务。系统在研究当中所引用或依据的标准和规范包括： ( 1 ) 计算机软件开发规范( g b 8 5 6 6 8 8 ) 。 ( 2 ) 电力工业计算机信息技术标准与规范选编( 一、二、三、四) 。 ( 3 ) 质量管理和质量标准i s 0 9 0 0 03 1 9 9 3 第三部分：g b t 1 9 0 0 1 i s 0 9 0 0 1 在软 件丌发、供应和维护中的使用指南( g b t 1 9 0 0 0 3 1 9 9 4 ) 。 ( 4 ) g b j 6 3 9 0 电力装置的电测量仪表装置设计规格。 ( 5 ) 电力负荷管理系统数据传输规约一2 0 0 4 。 ( 6 ) d l t6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约。 ( 7 ) 国家电力公司电力营销管理信息系统设计规范( 试行) 。 2 4 测量原理 目前应用于电力系统的各种智能测量仪表、监控装置和综合自动化系统中， 电气量采集和计算的方法主要有两种，一种是直流采样算法，另一种是交流采样 算法。用直流采样算法测量电压、电流时，均是通过测量平均值来测量电量有效 值的。可以证明，当被测信号为纯工频正弦信号时，有效值与平均值的关系为： ，= 1 11 u a a v 。但在输入信号中含有谐波时，u 。和的关系将发生变化， 并且谐波不同时，两者之间的关系也不同。由于无法测出谐波含量，它们之间的 关系也就无法确定。有分析表明，在谐波污染较为严重的情况下，这种测量方法 的误差可达1 0 以上，再用带有误差的电压、电流有效值以及它们的相位角计算 功率，结果必将会有更大误差。交流采样法是按照一定规律对被测信号瞬时值进 行采样，再通过算法求得被测量。本系统中，所计算的工频周期信号基本参数( 尸、 u 、d 真值测量所用的公式，均可看作是一种积分求平均值的计算，理论上采样 最低频率只要大于信号傅罩叶变换最高频率两倍即可【2 5 】。所采用的计算公式如 下f 2 6 】： 9 江苏大学硕士学位毕业论文 ( 1 ) 电流有效值的计算公式如式( 2 1 ) 所示： i = 晤 ( 2 一1 ) ( 2 ) 电压有效值的计算公式如式( 2 - 2 ) 所示： u = 压n x 厶_ _ l x ( 2 - 2 ) ( 3 ) 有功无功功率的计算公式如式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 所示： 尸= 专弘k 陋3 ， q = k s i n ( q ，)( 2 4 ) ( 4 ) 单相有功无功能量的计算公式如式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 所示： e p = ，p ( t ) d t ( 2 5 ) 匈= l g ( ，) 衍 ( 2 6 ) ( 5 ) 视在功率的计算公式如式( 2 7 ) 所示： s = u i ( 2 7 ) ( 6 ) 功率因数的计算公式如式( 2 8 ) 所示： p s = s i n ( 9 器 ( 2 - 8 ) 其中视在功率s 的计算公式为： s = , p 2 + q 2 ( 2 - 9 ) ( 7 ) 三相四线制模式下采用三元件测量法，合相功率的计算公式如式( 2 1 0 ) 所示： 只= u 爿l + u b l 8 + u c i c q = u 一，爿z 9 0 。+ u 拧1 8 , 9 0 。+ u i c z 9 0 。 ( 2 10 ) & = 只2 + q 4 2 a t t 7 0 2 2 b 内部结构设计采取的是交流采样法，内置高精度的a d c 以及专 用的数字信号处理d s p 电路，大大简化了设计过程，提高了测量的精度和系统 的可靠性。 1 0 江苏大学硕士学位毕业论文 第三章系统的硬件设计 3 1 系统硬件结构概述 该装置采用a t m e l 公司生产的具有强抗干扰能力的a v r 单片s j l m e g a l 2 8 作为 m c u ，采用珠海炬力公司生产的专用电能处理芯片a t t 7 0 2 2 b 完成电网上电压 电流信号的采集、转换和处理，通过s p i 接口把电能处理芯片上的数据传送给单 片机，以便单片机能按照需要做进一步分析处理，并及时的将数据送到显示模块 显示。系统的总体框架如图3 1 所示。其中无线通信模块可以实时的将电网的故 障信息传送给上位机接收终端，电力部门可以及时的发现电网运行的异常现象， 为及时采取措施排除故障提供了第一手资料。存储模块用来保存历史故障信息， 通过r s 2 3 2 通信接口可以将仪表的历史故障数据导出到上位机，方便对故障数据 作进一步的分析处理。时钟模块为整个系统提供必要的时间信息。 存储模块 慷丽刷骼2 3 2 通信、 电 电 、止刮 无线通信 j 紊流 k 1 2 r 、时皇| b 梢址 通通 s p i ： m e g a1 2 8 。i 乙 1f r 1 x ， y ny 。 i 首道 爿 显示输出 丁丁、 a t r 7 0 2 2 b i键盘输入 、 图3 1系统的总体框架 3 2 微控制器模块 本仪表采用a v r 单片机作为系统的微控制器。a v r 是a t m e l 公司19 9 7 年推出 的r i s c 单片机。由于a v r 采用了r i s c 的这种结构，使a v r 系列单片机都具备了 1m i p s m h z ( 百万条指令每秒兆赫兹) 的高速处理能力，从而可以有效缓减系统 在功耗和处理速度之间的矛盾。它可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控 制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。其主要特点和优点如下【2 7 2 9 j ： ( 1 ) 自带廉价的程序存储器( f l a s h ) 和非易失的数据存储器( e e p r o m ) 。这 江苏大学硕士学位毕业论文 些存储器可可擦写1 0 0 0 次以上，新工艺a v r 器件j 程序存储器擦写可达l 万次以上， 基本不再会有报废品产生。这样使程序开发更加方便，工作更可靠。 ( 2 ) 高速度，低功耗。在和m 5 l 单片机外接相同晶振条件下，a v r 单片机的 工作速度是m 5 1 单片机的3 0 4 0 倍；并且增加了休眠功能及低功率、非挥发的 c m o s t 艺，一般耗电在1 2 5 m a ，典型功耗情况，w d t 关闭时为l o o n a ，其功 耗远低于m 5 1 单片机，更适用于电池供电的应用没备。 ( 3 ) 工业级产品。具有大电流输出可直接驱动s s r 幂i j 继电器，内有看门狗定 时器，防止程序跑飞，从而提高了产品的抗干扰能力。工作电压范围宽( 2 7 6 o v ) ， 电源抗干扰性强。i o 口功能强、驱动能力大。a v r 的i 0 口是真正的i o 口，能 正确反映i o 口输入输出的真实情况。i o 口有输入输出，三态高阻输入，也可设 定内部拉高电阻作输入端的功能，便于作各种应用特性所需( 多功能i o 口) 。 ( 4 ) 程序下载方便。a v r 程序写入可以并行写入( 用万用编程器) ，也可用串 行i s p ( 通过p c ) l r s 2 3 2 口或打印口) 在线编程擦写。也就足说可以不必将i c 芯片拆 下拿到万用编程器上擦写，可直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，方便 产品升级。 ( 5 ) 具有模拟比较器、脉宽调制器、模数转换功能。a v r 内带模拟比较器，i o 口可作a d 转换用，可组成廉价的a d 转换器。使得工业控制中的模拟信号处理 更为简单方便。 ( 6 ) 强大的通讯功能。内置了同步串行接口s p i 、通用串行接e l u a r t 、两线 串行总线接v i t w i ( 1 2 c ) ，使网络控制、数据传送更为方便。 ( 7 ) 超级保密功能，应用程序可采用多重保护锁功能。不可破解的位加密锁 l o c kb i t 技术，f l a s h 保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到保密位， 可多次烧写的f l a s h 且具有多重密码保护锁死( l o c k ) 功能，因此可快速完成产品 商品化，并可多次更改程序( 产品升级) 而不必浪费i c 芯片或电路板，大大提高产 品质量及竞争力。 ( 8 ) 产品型号多，覆盖面广。a v r 单片机系列齐全，可适用于各种不同场合 的要求。a v r 单片机共分为三个系列： 低档t i n y 系歹o a v r 单片机：主要有t i n y l1 1 2 1 5 2 6 2 8 等； 中档a t 9 0 s 系列a v r 单片机：主要有a t 9 0 s 1 2 0 0 2 3 1 3 8 5 1 5 8 5 3 5 等； 江苏大学硕士学位毕业论文 高档a t m e g a 系歹u a v r 单片机：主要有a t m e g a 8 1 6 3 2 6 4 12 8 ； 价格从几元到近百元，引脚从8 脚到6 4 脚到1 0 0 脚，还有各种不同封装供选择。 除上述特点外“零外设”也是a v r 嵌入式单片机的重要特征。由于该：枣片已 内置了程序存储器、晶振并增加了在线汇编功能，所以a v r 单片机芯片接上直 流电源，下载个程序就可以独立工作。无需附加外部设备，无需使用昂贵的编程 器和仿真装置，这给我们学习和开发带来了便利条件。本仪表使用a t m e g a 系列 a v r 单片机m e g a1 2 8 ，其内部结构框图如图3 - 2 所示： b 盟 l r r 一* m ii m m “m lf f o r * f c r s l _ p 7 ；誓嚣”i0 7 ：器i 型l ”黼“。ll 意：黥i 曼r 一，。”ii 一7 ：品是i t ： iliiii s ”一u - ) l 1 志 ll 黜i - i c u eo s cl 。，ij ”i 1o s c i l l a t o r