（电力电子与电力传动专业论文）集中式预付费电能计量控制系统.pdf

西北 1 业大学硕士学位论文 摘 要 abs tract wit h t h e r a p id r is in g o f s t u d e n t s n u m b e r , m a n y u n iv e r s it i e s h a v e b u i lt s t u d e n t s m u lt i- la y e r a p a rt m e n t . u n d e r t h e c i r c u m s t a n c e s , g u a r a n t e e i n g t h e s e c u r it y o f s t u d e n t s d a ily e le c t r ic it y , p r e v e n t in g t h e a b n o r m a l p o w e r c o n s u m in g , a n d t o r e a liz e t h e s c i e n t if ic a n d i n t e llig e n t e le c t r ic e n e r g y m a n a g e m e n t is n e c e s s a ry . i n o r d e r t o m e e t t h e s e d e m a n d s , a k in d o f c h e a p p r e - p a id p o w e r - m e a s u r in g s y s t e m w it h n o v e l s t r u c t u r e is d e s ig n e d , w h ic h c a n r e a l iz e c e n t r a liz e d m e a s u r in g , c e n t r a l iz e d m a n a g e m e n t a n d r e a l- t i m e c o n t r o l . t h e s y s t e m is c o m p o s e d o f t h e p a rt s o n t h e h o s t c o m p u t e r a n d t h e s la v e m ic r o p r o c e s s o r . t h e h o s t c o m p u t e r c a n p r o c e s s a ll t h e u p l o a d e d d a t a w h i c h c o u ld b e s h o w e d a n d a n a ly z e d , t h e s la v e m i c r o p r o c e s s o r is u s e d t o c o l le c t d a t a , m e a s u r e e n e r g y a n d m o n it o r lo a d , a n d t h e ic c a r d is t h e c a r r ie r o f in f o r m a t io n b e t w e e n t h e h o s t a n d s l a v e c o m p u t e r . t h e m o s t im p o r t a n t p a rt is m e a s u r i n g a n d c o n t r o llin g in t h is d e s ig n . s o , p o w e r m e a s u r in g ，p o w e r c o n t r o lli n g , d a t a t r a n s m itt in g o f m u ft i- u s e r is f o c u s e d o n t h is p a p e r . t h e s t r u c t u r e c h a r ts , p r o g r a m f lo w - c h a r ts a n d c ir c u it s a r e g iv e n . o n t h e p r e m is e o f g u a r a n t e e i n g a c c u r a c y o f m e a s u r i n g ; i n o r d e r t o r a is e t h e w h o le s y s t e m s s e c u r i饥 w e a d o p t e d t h e d e s ig n m e t h o d s o f m e a s u r i n g a lo n e , m u lt i- z o n e s u p e rv is io n , t o p c o n t r o l lin g , b u s c o m m u n i c a t io n , a n d t h e m e a s u r in g s y s t e m w a s d iv id e d in t o t h r e e la y e r s , t h a t is m a in b o a r d ( m b ), s e c o n d a ry b o a r d( s b )a n d u s e r b o a r d( u b ),c a r ry i n g o n t h e c o m m u n ic a t io n t h r o u g h t h e d a t a b u s b e t w e e n e a c h la y e r . a c c o r d in g t o t h e r e a l- t im e r e q u i r e m e n t a n d t h e c p u s e le c t io n ,w e c o n fi r m e d r s - 4 8 5 b u s c o m m u n ic a t io n b e t w e e n m a in b o a r d a n d s e c o n d a ry b o a r d , s p i b u s c o m m u n ic a t i o n b e t w e e n s e c o n d a ry b o a r d a n d u s e r b o a r d ,a n d h a s d e f in e d t h e c o r r e s p o n d in g c o m m u n i c a t io n a g r e e m e n t i n t h e s o f tw a r e . f o llo w in g t h e s t r u c t u r e o f s y s t e m , w e f i n is h e d d e s ig n in g h a r d w a r e a n d s o f tw a r e , a n d f in a l ly , t h r o u g h d e b u g g i n g r e s p e c t iv e ly a n d u n it in g a n d a d j u s t i n g p a s s in g s y s t e m a t ic a l ly , c a n r e a liz e t h e d e s ig n o b j e c t iv e , m e e t u s e r s r e q u e s t . k e y wo r d s : c o n c e n t r a t e d p o w e r - me a s u r i n g s y s t e m i c c a r d s i n g l e c h i p c o m p u t e r b u s co mmu n i c a ti o n 西北工业人学 ! 学位论文 绪 论 绪论 0 . 1 引言 近几年， 随着高校扩招使得学校规模不断扩大， 学生人数急剧上升， 住宿紧 张的问题成为困 扰高校发展的头等大事。 为此， 许多高校都兴建了高层学生公寓。 在高校后勤社会化的大趋势下， 实现学生公寓用电管理的科学化和智能化势在必 行。 但由于很多高校的后勤部门、 物业公司对用电知识宣传不够， 致使相当多的 学生对安全用电、 科学用电、 规范用电缺乏必要的了解， 加之部分学生的素质不 高，窃电、私拉电线、违规使用大功率电器、 拖欠电费等不良现象时有发生，由 此引起的火灾、 触电事故、用电纠纷时有发生， 造成的人身伤亡、 带来的财产损 失触目 惊心。 对物业部门来说，既要保证学生正常的学习、 生活用电， 又要防止上述种种 不良 现象的发生，仅仅依靠管理人员的检查监督或者延用传统的用电管理模式， 既费时费力、 代价巨大， 又难以收到理想的效果， 根本的解决途径是建立一套新 型的计量管理系统。 传统的居民电能计量管理方式是一户一表， 人工抄表， 人工计费， 个人交费。 这种方式不可避免地存在许多问题， 如: 抄读的电量数据存在误差， 操作难以规 范化， 数据采集不够及时， 耗费人工多， 成本高， 效率低， 对拖欠电费缺乏约束 机 制 等 c 1 7 为了解决抄表及用电管理上存在的问题， 近年来出现了将电能计量数据自 动 采集、 传输和处理的电能计量自动抄表系统， 即由装在用户端的电能表计量用户 消耗的电能， 通过本地自 动抄表系统或远程自 动抄表系统获取多个用户的电量信 息，再通过通信子系统( 无线传输方式，低压电力线载波传输方式，电话线传输 方式，局域网传输方式等) 将数据传输至管理子系统，由管理人员利用软件对数 据进行汇总和分析， 大大提高了工作效率。 如果硬件允许， 还可直接向下级集中 器和电能表发出指令， 从而对用户的用电行为实施控制。 用户可以直接到供电营 业厅交费， 也可以 通过单位、 物业公司、银行等代收点 交费川。 为了解决用户拖欠电费的老大难问题， 一种“ 先交费， 后用电”的i c 卡电能 表应运而生， 这种电能表既有全电子式的， 也可以通过对传统感应式电能表的改 西北工业人学 ! 学位论文 绪 论 绪论 0 . 1 引言 近几年， 随着高校扩招使得学校规模不断扩大， 学生人数急剧上升， 住宿紧 张的问题成为困 扰高校发展的头等大事。 为此， 许多高校都兴建了高层学生公寓。 在高校后勤社会化的大趋势下， 实现学生公寓用电管理的科学化和智能化势在必 行。 但由于很多高校的后勤部门、 物业公司对用电知识宣传不够， 致使相当多的 学生对安全用电、 科学用电、 规范用电缺乏必要的了解， 加之部分学生的素质不 高，窃电、私拉电线、违规使用大功率电器、 拖欠电费等不良现象时有发生，由 此引起的火灾、 触电事故、用电纠纷时有发生， 造成的人身伤亡、 带来的财产损 失触目 惊心。 对物业部门来说，既要保证学生正常的学习、 生活用电， 又要防止上述种种 不良 现象的发生，仅仅依靠管理人员的检查监督或者延用传统的用电管理模式， 既费时费力、 代价巨大， 又难以收到理想的效果， 根本的解决途径是建立一套新 型的计量管理系统。 传统的居民电能计量管理方式是一户一表， 人工抄表， 人工计费， 个人交费。 这种方式不可避免地存在许多问题， 如: 抄读的电量数据存在误差， 操作难以规 范化， 数据采集不够及时， 耗费人工多， 成本高， 效率低， 对拖欠电费缺乏约束 机 制 等 c 1 7 为了解决抄表及用电管理上存在的问题， 近年来出现了将电能计量数据自 动 采集、 传输和处理的电能计量自动抄表系统， 即由装在用户端的电能表计量用户 消耗的电能， 通过本地自 动抄表系统或远程自 动抄表系统获取多个用户的电量信 息，再通过通信子系统( 无线传输方式，低压电力线载波传输方式，电话线传输 方式，局域网传输方式等) 将数据传输至管理子系统，由管理人员利用软件对数 据进行汇总和分析， 大大提高了工作效率。 如果硬件允许， 还可直接向下级集中 器和电能表发出指令， 从而对用户的用电行为实施控制。 用户可以直接到供电营 业厅交费， 也可以 通过单位、 物业公司、银行等代收点 交费川。 为了解决用户拖欠电费的老大难问题， 一种“ 先交费， 后用电”的i c 卡电能 表应运而生， 这种电能表既有全电子式的， 也可以通过对传统感应式电能表的改 西北 下 业大学硕士学泣论文绪 论 装来 实 现( 增加 一个 微处 理 器 模 块) ” 。 对 用户 来 说是一 户 一 表 ， 一 表 一卡 ， 先 交 费、 后用电， 用电核减， 零金额自 动断电， 很好地消除了电费收缴管理上存在的 弊端，也增强了用户的节电意识。 综合以上两种电能计量管理方式，同时针对高校学生公寓用电负荷相对集 中、 用电量不大的特点， 研制开发一套结构新颖、 价格低廉， 能够对用户用电 情 况进行集中计量、 集中管理、 实时显示的多用户电能计量管理系统， 实现面向用 户的信息化、自 动化综合管理，无疑具有积极的现实意义和广阔的市场前景。 0 . 2 电能计量、管理概述 随着电力市场的发展， 电力改革的深入， 电力系统已经开始由计划经济向市 场经济转变， 这对电能的计量及管理提出了新的要求。 对用电管理部门来说， 最 关心的不外乎三个问题: 电量的计量、电量信息的采集、电费的收缴。 而在其中 起关键作用的是电能计量装置， 因为它直接关系到供需双方的经济利益， 而且先 进的电能计量装置对于管理效率的提高、用电管理系统的扩展都大有裨益。 0 . 2 . 1 电能计量装置 电能表是一种计量某一段时间内通过的电能的累积值的表计。 电能表经历了 从感应式到电子式， 从单一的计量功能到集计量、 控制、 通讯等多种功能于一身 的发展阶段。 从总体来看，目 前的计量表计是感应式、电子式电能表并存， 但长 远来说电子式电能表取代传统的感应式电能表是大势所趋。 感应式电能表由测量部分和辅助部分构成， 测量部分包括驱动元件、 转动元 件、 制动元件、 轴承、 计度器和调整装置; 辅助部分由基架、 端钮盒和表壳组成。 当有电流通过时，其电压和电流线圈就将交变的电压和电流转变为交变的磁通， 以此来驱动转动部分( 圆盘) 旋转， 计数部分记录圆盘所转动的圈数， 并将其转换 成相应的电能量显示在计度器上。 感应式电能表具有可靠性高、 制造简便、 价格 便宜等优点， 其制造技术己经非常成熟。 但随着人们对计量要求的提高， 感应式 电能表在使用过程中暴露出越来越多的缺点， 比如功能单一、 准确度低、 频率范 围窄等。 到了 2 0 世纪6 0 年代， 为了扩展电能表的使用功能， 出现了感应式脉冲电能表。 这种表仍然采用了感应式电能表的测量机构， 只是利用光电传感器将电能转换为 电脉冲信号， 通过电子电路对脉冲信号的计算与处理， 完成电能的计量工作， 它 西北 下 业大学硕士学泣论文绪 论 装来 实 现( 增加 一个 微处 理 器 模 块) ” 。 对 用户 来 说是一 户 一 表 ， 一 表 一卡 ， 先 交 费、 后用电， 用电核减， 零金额自 动断电， 很好地消除了电费收缴管理上存在的 弊端，也增强了用户的节电意识。 综合以上两种电能计量管理方式，同时针对高校学生公寓用电负荷相对集 中、 用电量不大的特点， 研制开发一套结构新颖、 价格低廉， 能够对用户用电 情 况进行集中计量、 集中管理、 实时显示的多用户电能计量管理系统， 实现面向用 户的信息化、自 动化综合管理，无疑具有积极的现实意义和广阔的市场前景。 0 . 2 电能计量、管理概述 随着电力市场的发展， 电力改革的深入， 电力系统已经开始由计划经济向市 场经济转变， 这对电能的计量及管理提出了新的要求。 对用电管理部门来说， 最 关心的不外乎三个问题: 电量的计量、电量信息的采集、电费的收缴。 而在其中 起关键作用的是电能计量装置， 因为它直接关系到供需双方的经济利益， 而且先 进的电能计量装置对于管理效率的提高、用电管理系统的扩展都大有裨益。 0 . 2 . 1 电能计量装置 电能表是一种计量某一段时间内通过的电能的累积值的表计。 电能表经历了 从感应式到电子式， 从单一的计量功能到集计量、 控制、 通讯等多种功能于一身 的发展阶段。 从总体来看，目 前的计量表计是感应式、电子式电能表并存， 但长 远来说电子式电能表取代传统的感应式电能表是大势所趋。 感应式电能表由测量部分和辅助部分构成， 测量部分包括驱动元件、 转动元 件、 制动元件、 轴承、 计度器和调整装置; 辅助部分由基架、 端钮盒和表壳组成。 当有电流通过时，其电压和电流线圈就将交变的电压和电流转变为交变的磁通， 以此来驱动转动部分( 圆盘) 旋转， 计数部分记录圆盘所转动的圈数， 并将其转换 成相应的电能量显示在计度器上。 感应式电能表具有可靠性高、 制造简便、 价格 便宜等优点， 其制造技术己经非常成熟。 但随着人们对计量要求的提高， 感应式 电能表在使用过程中暴露出越来越多的缺点， 比如功能单一、 准确度低、 频率范 围窄等。 到了 2 0 世纪6 0 年代， 为了扩展电能表的使用功能， 出现了感应式脉冲电能表。 这种表仍然采用了感应式电能表的测量机构， 只是利用光电传感器将电能转换为 电脉冲信号， 通过电子电路对脉冲信号的计算与处理， 完成电能的计量工作， 它 西北 下 业大学硕士学泣论文绪 论 装来 实 现( 增加 一个 微处 理 器 模 块) ” 。 对 用户 来 说是一 户 一 表 ， 一 表 一卡 ， 先 交 费、 后用电， 用电核减， 零金额自 动断电， 很好地消除了电费收缴管理上存在的 弊端，也增强了用户的节电意识。 综合以上两种电能计量管理方式，同时针对高校学生公寓用电负荷相对集 中、 用电量不大的特点， 研制开发一套结构新颖、 价格低廉， 能够对用户用电 情 况进行集中计量、 集中管理、 实时显示的多用户电能计量管理系统， 实现面向用 户的信息化、自 动化综合管理，无疑具有积极的现实意义和广阔的市场前景。 0 . 2 电能计量、管理概述 随着电力市场的发展， 电力改革的深入， 电力系统已经开始由计划经济向市 场经济转变， 这对电能的计量及管理提出了新的要求。 对用电管理部门来说， 最 关心的不外乎三个问题: 电量的计量、电量信息的采集、电费的收缴。 而在其中 起关键作用的是电能计量装置， 因为它直接关系到供需双方的经济利益， 而且先 进的电能计量装置对于管理效率的提高、用电管理系统的扩展都大有裨益。 0 . 2 . 1 电能计量装置 电能表是一种计量某一段时间内通过的电能的累积值的表计。 电能表经历了 从感应式到电子式， 从单一的计量功能到集计量、 控制、 通讯等多种功能于一身 的发展阶段。 从总体来看，目 前的计量表计是感应式、电子式电能表并存， 但长 远来说电子式电能表取代传统的感应式电能表是大势所趋。 感应式电能表由测量部分和辅助部分构成， 测量部分包括驱动元件、 转动元 件、 制动元件、 轴承、 计度器和调整装置; 辅助部分由基架、 端钮盒和表壳组成。 当有电流通过时，其电压和电流线圈就将交变的电压和电流转变为交变的磁通， 以此来驱动转动部分( 圆盘) 旋转， 计数部分记录圆盘所转动的圈数， 并将其转换 成相应的电能量显示在计度器上。 感应式电能表具有可靠性高、 制造简便、 价格 便宜等优点， 其制造技术己经非常成熟。 但随着人们对计量要求的提高， 感应式 电能表在使用过程中暴露出越来越多的缺点， 比如功能单一、 准确度低、 频率范 围窄等。 到了 2 0 世纪6 0 年代， 为了扩展电能表的使用功能， 出现了感应式脉冲电能表。 这种表仍然采用了感应式电能表的测量机构， 只是利用光电传感器将电能转换为 电脉冲信号， 通过电子电路对脉冲信号的计算与处理， 完成电能的计量工作， 它 西北工业大学硕 : 学位论文绪 论 可以通过电子部分的各种变换来实现人们不同的实际需求。 感应式脉冲电能表的 出现极大地解决传统电能表功能单一的问题， 电能表可以通过软件编程实现远程 自动抄表、负荷控制参数的分散采集和存贮等功能， 使得分时电价、 需量电价等 功能得到有效地实施和推广。 但是， 感应式脉冲电能表仅仅解决了电能表的功能 扩展问题，而对表计的准确度低和频率适应范围窄的问题仍无能为力。 随着科技的发展及信息时代的到来， 数字化产品层出不穷， 遍及生产、 生活 的方方面面，电能计量表计也不例外。1 9 7 6 年日 本首先研制出了电子式电能表， 带来电能计量装置的革命性变革。 从结构上来看，电子式电能表可分为四个部分。 第一部分:电压、电流输入 回路， 是将被测功率的电压和电流分别通过分压器和互感器变换为适合于电子式 电能表乘法器所需要的小电压送至乘法器。 第二部分: 乘法器， 是一个功率转换 单元， 当被测电路的电压电流分别加到其相应的输入端时， 可转换成与被测电路 相应的直流电压输出， 送至变换器进行v - f 转换。 乘法器是电子式电能表的核心， 电子式电能表的测量原理就是使用它来实现功率和电能的测量， 表计的测量精度 也主要取决于它。 第三部分: 变换器， 也称电压一 频率( v - f ) 转换电路。因乘法器 输出的是一个模拟量( 直流电压) ， 用电压表( 数字式表) 测量这个电压， 用功率单 位( w 或k w ) 表示的测量结果就是功率数。测量电能时需将这个电压转换成相应的 脉冲数， 在一段时间内所累计的脉冲数才是要测量的电能量。 第四部分: 计数器， 是将与功率成正比的脉冲数显示出来的器件。绝大部分采取液晶或l e d 显示， 也 有通过步进电机推动齿轮用机械数字显示的。 电能表电子化的实现和应用， 使得电能表的功能从单一的电能量的计量向多 功能化的方向发展。 随着人们用电水平的不断提高和电能表制造技术的发展， 已 经形成了众多类型的电能表，如:多费率电能表 ( 或称分时电能表、复费率表、 峰谷表) 、预付费电能表 ( 或称i c 卡表) 、多用户电能表、多功能电能表等。 0 . 2 . 2 集中式电能计量、管理 在我国，民用电表的收费一直采用人工抄表、 收费的方式， 十分烦琐， 而且 容易出错。此外由于现在很多楼宇都装有防盗门锁，使得收费工作更加不方便。 随着电能计量装置电子化的逐渐推广应用与普及，使得计量精度的提高、抄表/ 收费方式的改变、多功能/ 多用户的计量管理成为可能。 西北工业大学硕 : 学位论文绪 论 可以通过电子部分的各种变换来实现人们不同的实际需求。 感应式脉冲电能表的 出现极大地解决传统电能表功能单一的问题， 电能表可以通过软件编程实现远程 自动抄表、负荷控制参数的分散采集和存贮等功能， 使得分时电价、 需量电价等 功能得到有效地实施和推广。 但是， 感应式脉冲电能表仅仅解决了电能表的功能 扩展问题，而对表计的准确度低和频率适应范围窄的问题仍无能为力。 随着科技的发展及信息时代的到来， 数字化产品层出不穷， 遍及生产、 生活 的方方面面，电能计量表计也不例外。1 9 7 6 年日 本首先研制出了电子式电能表， 带来电能计量装置的革命性变革。 从结构上来看，电子式电能表可分为四个部分。 第一部分:电压、电流输入 回路， 是将被测功率的电压和电流分别通过分压器和互感器变换为适合于电子式 电能表乘法器所需要的小电压送至乘法器。 第二部分: 乘法器， 是一个功率转换 单元， 当被测电路的电压电流分别加到其相应的输入端时， 可转换成与被测电路 相应的直流电压输出， 送至变换器进行v - f 转换。 乘法器是电子式电能表的核心， 电子式电能表的测量原理就是使用它来实现功率和电能的测量， 表计的测量精度 也主要取决于它。 第三部分: 变换器， 也称电压一 频率( v - f ) 转换电路。因乘法器 输出的是一个模拟量( 直流电压) ， 用电压表( 数字式表) 测量这个电压， 用功率单 位( w 或k w ) 表示的测量结果就是功率数。测量电能时需将这个电压转换成相应的 脉冲数， 在一段时间内所累计的脉冲数才是要测量的电能量。 第四部分: 计数器， 是将与功率成正比的脉冲数显示出来的器件。绝大部分采取液晶或l e d 显示， 也 有通过步进电机推动齿轮用机械数字显示的。 电能表电子化的实现和应用， 使得电能表的功能从单一的电能量的计量向多 功能化的方向发展。 随着人们用电水平的不断提高和电能表制造技术的发展， 已 经形成了众多类型的电能表，如:多费率电能表 ( 或称分时电能表、复费率表、 峰谷表) 、预付费电能表 ( 或称i c 卡表) 、多用户电能表、多功能电能表等。 0 . 2 . 2 集中式电能计量、管理 在我国，民用电表的收费一直采用人工抄表、 收费的方式， 十分烦琐， 而且 容易出错。此外由于现在很多楼宇都装有防盗门锁，使得收费工作更加不方便。 随着电能计量装置电子化的逐渐推广应用与普及，使得计量精度的提高、抄表/ 收费方式的改变、多功能/ 多用户的计量管理成为可能。 西北_ r 业大学硕 l 学位论文i t h论 现行的抄表、收费方式主要有以 下三种 6 1 : ( 1 )人工抄表收费方式:为用户安装普通计量仪表 上门抄表和收费。 这种方式需要管理人员多， 工作量大 按固定的时间由管理人员 ; 优点是计量仪表成本低， 收费方式容易被用户接受，基本上不存在用户电源被切断的问题。 c 2 )自 动抄表收费方式:为用户安装具有通讯能力的计量仪表，通过通讯网络 系统自 动完成用户计量仪表的数据抄收， 再通过金融网点以自 动或人工方式完成 缴费。 这种方式技术难度高， 通讯网络建设及维护成本大; 优点是自 动化程度高， 节省人力，也容易实现系统的实时监控。 ( 3 ) i c 卡收费方式:为用户安装具有i c 卡接口的计量仪表，以i c 卡作为传输 介质在用户和管理部门之间传输信息，自 动实现计量仪表的抄收以及缴费工作。 这种方式成本较高， 信息传输不及时， 同时让用户充当了 信息通道的角色。 优点 是实现了抄表、收费、 控制的三位一体， 彻底杜绝了欠费现象的发生， 精简了管 理人员，降低了管理费用。但目前大多数使用的i c 卡预付费电表在结构上仍采 用一户一表的方式，这种方式成本高、体积大、不利于用电的集中管理。 针对目前许多新型住宅电能表集中安装的特点， 综合考虑不同抄表、 收费方 式的优缺点， 考虑采用多个具有通讯接口的用户电能测量模块构成通讯网络， 共 用一套插卡/ 显示电路，以i c卡作为传输介质， 配合上位机的管理软件，即可方 便地构成一套多用户集中式电能计量/ 管理系统，很好地解决了计量、抄表、缴 费等问题。 而由多个用户共同承担智能化的投入， 从而提高了性价比， 平均每户 造价仅略高于传统感应式电表。 由此可见， 使用电子式电能表， 再配合相应的通讯电路及管理软件构成的计 量管理系统，可以有效地提高电力部门或物业公司对用户进行科学管理的能力， 减少大量的繁重劳动。 西北 业大学硕士 学位论文第章 设计任务及设计方案 第一章设计任务及设计方案 1 . 1 设计任务 本设计是针对高校学生公寓用电的集中计量、 集中管理， 与西安秦通公司合 作开发的工程项目。 具体来讲， 是将高层学生公寓各个房间用电量的计量管理统 一集中到计量控制柜，以i c 卡为介质， 实现各用户电量信息的输入 ( 购电) 、 输 出 ( 电量显示)以及与上位机的数据交换; 计量控制柜 ( 下位机)除具有电能计 量功能外，本身还具有电 量信息的传输、继电 器的通/ 断控制、负载性质的识别 等功能，而由上位机实现对i c卡的电量信息进行读/ 写、分析汇总等工作。 设计完成后实现的主要功能有: ( 1 ) 集中管理，自 动计费 以整栋公寓为单位， 实现按户( 或每个房间) 用电自 动计量，自 动计费; 变 分散计量为集中计量，高效科学，防窃电; ( 2 )预付费及零金 额断电控制 通过 i c卡实现电费预缴， 零金额时自动断电。 先缴费， 后供电， 随缴随供; ( 3 )电量查询 用户卡插入 i c 卡座，显示屏上显示该用户房间号和电量信息; ( 4 )负载限制，断电及保护功能 监测每个用户的用电负荷，超负荷自 动断电，确保用电安全; ( 5 )负载识别功能 保证正常的照明用电和电脑、 充电器等整流型负荷的使用， 而限制大功率电 加热类负载; ( 6 )错卡判断，防窃电功能 以i c 卡为智能数据载体， 实行一户一卡， 每张用户 i c 卡与所指定计量控制 柜的一个计量单元 ( 房间)相对应，便于结算和管理; ( 了 )数据分析、汇总、报表打印功能 上位机管理系统高度智能化，管理规范、数据准确、结算迅速、自 动汇总。 西北 下 业大学硕七学位论文第一章 设计任务及设计方案 1 . 2 设计方案 1 . 2 . 1 市场调研 传统的用电管理模式存在人工抄表误差大、 效率低， 先用电后付费容易造成 用户拖欠电费等弊端。而目 前使用的i c 卡预付费电表在结构上仍然沿用传统的 一户一表方式，成本较高，占用空间大， 不利于新型住宅的集中供电管理。对于 学生公寓这种具有特殊的用电规律和管理方式的用户， 研制开发一种成本低廉、 集中计量、集中管理的智能i c 卡预付费计量管理系统很有必要。 目 前市场上的同类产品也有不少，主要有以下两家: ( 1 ) 大连理工大学电器设备厂的计费式电能计量系统 是集电能计量、 用电控制、 收费管理、 配电保护等多功能于一体的电能计量 装置， 主要用于学生公寓、 企业集体宿舍、 写字楼等进行用电计量和电费集中管 理。 整套系统由计量柜、读卡器、管理卡、统计卡、用户卡、微机组成。规格为 6 4 - 2 5 6路。主要功能有停电自 动保护、功率限制，过载自 动断电、短路自 动 保护、 对纯阻性负载 ( 如:电 炉、电热杯) 加设限制、自 动恢复供电、自 动按时 停送电、联网通讯、欠费报警等。 ( 2 )石家庄师慧智能用电管理系统 系统集供电、 限电、 抄表、 计费等功能于一身， 采用计算机分级控制的方式， 对学校、 公寓小区等集中用户进行用电的计量与控制， 既能自 动进行用电量的读 取、 存档、结算，保证数据的准确性，又能对欠费用户进行警告、 停电、送电控 制， 节省了大量人工抄表的时间和费用， 提升公寓小区用电管理的水平。 系统由 一台主控计算机和多台控制柜组成， 每台控制柜作为一个测控站， 通过单片机模 块化控制的方式对多至 4 8个用户进行用电的控制管理 ( 1 6路轮巡) ，形成一个 计算机集散测控系统， 组成测控网络， 对公寓小区的用电实行遥测控制， 方便管 理 。 1 . 2 . 2 本系统基本结构及规格 根据设计要求及现有资料分析， 可知本系统为典型的上位机/ 下位机结构， 上、下位机通过i c 卡或射频卡进行通讯 ( 如图1 - 1 ) a ( 1 )计 算机数据管理系统 ( _ 匕 位机) 西北 下 业大学硕七学位论文第一章 设计任务及设计方案 1 . 2 设计方案 1 . 2 . 1 市场调研 传统的用电管理模式存在人工抄表误差大、 效率低， 先用电后付费容易造成 用户拖欠电费等弊端。而目 前使用的i c 卡预付费电表在结构上仍然沿用传统的 一户一表方式，成本较高，占用空间大， 不利于新型住宅的集中供电管理。对于 学生公寓这种具有特殊的用电规律和管理方式的用户， 研制开发一种成本低廉、 集中计量、集中管理的智能i c 卡预付费计量管理系统很有必要。 目 前市场上的同类产品也有不少，主要有以下两家: ( 1 ) 大连理工大学电器设备厂的计费式电能计量系统 是集电能计量、 用电控制、 收费管理、 配电保护等多功能于一体的电能计量 装置， 主要用于学生公寓、 企业集体宿舍、 写字楼等进行用电计量和电费集中管 理。 整套系统由计量柜、读卡器、管理卡、统计卡、用户卡、微机组成。规格为 6 4 - 2 5 6路。主要功能有停电自 动保护、功率限制，过载自 动断电、短路自 动 保护、 对纯阻性负载 ( 如:电 炉、电热杯) 加设限制、自 动恢复供电、自 动按时 停送电、联网通讯、欠费报警等。 ( 2 )石家庄师慧智能用电管理系统 系统集供电、 限电、 抄表、 计费等功能于一身， 采用计算机分级控制的方式， 对学校、 公寓小区等集中用户进行用电的计量与控制， 既能自 动进行用电量的读 取、 存档、结算，保证数据的准确性，又能对欠费用户进行警告、 停电、送电控 制， 节省了大量人工抄表的时间和费用， 提升公寓小区用电管理的水平。 系统由 一台主控计算机和多台控制柜组成， 每台控制柜作为一个测控站， 通过单片机模 块化控制的方式对多至 4 8个用户进行用电的控制管理 ( 1 6路轮巡) ，形成一个 计算机集散测控系统， 组成测控网络， 对公寓小区的用电实行遥测控制， 方便管 理 。 1 . 2 . 2 本系统基本结构及规格 根据设计要求及现有资料分析， 可知本系统为典型的上位机/ 下位机结构， 上、下位机通过i c 卡或射频卡进行通讯 ( 如图1 - 1 ) a ( 1 )计 算机数据管理系统 ( _ 匕 位机) 西北 业火学硕 学位论文第一章 设计任务及设计方案 由微机、i c 卡读写器、数据库软件组成，主要完成建立用户档案、用户用 电管理( 用电情况从卡上反馈到系统) 、售电收费管理( 向卡上写入购电量) 、统 计和报表打印等功能。 ( 2 )计量控制柜 ( 下位机) 完成多路电能集中计量和控制，一个用户对应一个独立的计量模块，实现 负载自 动限定，缴费自 动给电，用电核减、欠费断电等功能。 ( 3 )联系媒介( 本设计为i c 卡) 分为用户卡和管理卡，完成用户或管理员的身份识别，作为用户的购电凭 证和媒介，以及上位机与下位机之间数据交换的传输媒介。 计算 机 管 理 系统 传 输 介 质 如i s 卡， 射预 卡 ) 图1 - 1系 统基本结构图 本次设计的重点是下位机即计量控制部分，主要完成多路电能的集中计量、 负荷功率大小及性质的判别控制、 缴费后自 动给电、 用电自 动核减， 预购电量为 零时自 动断电等计量控制功能。 因此论文所反映的也主要是对用户用电情况的计 量、控制以及用电信息 ( 数据)的传输、通讯方面的内容。 计量控制部分设计完成后的技术参数: ( 1 )工作方式:长期连续工作; ( 2 )工作场所:室内; ( 3 )环境温度:一1 0 0c - -4 0 0c; ( 4 )环境湿度:9 0 % r h ; ( 5 )计量单元:蕊5 1 2 路; 西北 业大学硕 k 学位论文 第一章 设计任务及设计方案 ( 6 )单路短路保护电流:5 - 3 0 a( 可选) ; ( 7 )单路负载限制功率:-s k w ( 可设定) : ( 8 )功耗:-1 w1 路: ( 9 )超负荷自动断电后去负荷，延时3 分钟自 动恢复供电; ( 1 0 )抗雷击浪涌泄放电流:)1 4 k a ; 1 . 3 计量控制部分结构 1 . 3 . 1 系统结构 目 前， 我国民用电能计量为了 便于管理、 抄表和防窃电， 电能仪表多采用集 中管理，高层建筑则采用 “ 三相到楼、 单相进户”的配电方式。因此电子式多用 户电能计量装置将用户分成三组， 每组用户共用一个电压取样电路， 这样既可进 一步减少电 压的 损耗又便于安装; 而装置的工作电 源则采用三相供电 。 集中式多用户电能计量的关键是在准确计量的前提下， 确保整个系统运行的 安全可靠， 即当系统某部分发生故障时， 其造成的影响应控制在尽可能小的范围 内 。 基于 这种考虑， 设计 时采用单 独计量、 分层管理、 顶 端控制、 总线 通讯 的设计思路: ( 1 ) 对于每一用户都对应有专门的计量/ 控制模块 用户板) ， 实现电能的累 计、 电量信息的存储及负载是否超限的判断， 以及接受上层的控制命令并执行相应的 操作; ( 2 ) 每1 6 个用户模块又汇集到一个专门的通讯i 负载识别模块 ( 从板) ， 实现对 用户负载性质的判断以及连接用户模块与上层模块通讯; ( 3 )每一栋学生公寓只有一个上层管理腔 制模块 ( 主板) ，它汇集所有的中间 模块，并且具有 i c卡接口电路、键盘/ 显示电路等外围电路，可以实现读写 i c 卡 并执行相应操作的功能，通过键盘及显示电路实现管理信息的输入及i c卡数 据的显示; ( 4 )各个层次的模块之间通过串 行数据总线进行通讯。 这种设计方法除可使电量信息多级保存， 防止丢失外， 并且一旦当系统某部 分发生故障时也不会影响到其他部分， 确定了整个系统基本的层次结构后 使整个系统的安全可靠性大大增强。 ， 紧接着就需要选择主要的芯片。 计中，对于每一用户电能计量选用a d i 公司的专用计量芯片a d 7 7 5 5 在本设 它精度 西北 业大学硕 k 学位论文 第一章 设计任务及设计方案 ( 6 )单路短路保护电流:5 - 3 0 a( 可选) ; ( 7 )单路负载限制功率:-s k w ( 可设定) : ( 8 )功耗:-1 w1 路: ( 9 )超负荷自动断电后去负荷，延时3 分钟自 动恢复供电; ( 1 0 )抗雷击浪涌泄放电流:)1 4 k a ; 1 . 3 计量控制部分结构 1 . 3 . 1 系统结构 目 前， 我国民用电能计量为了 便于管理、 抄表和防窃电， 电能仪表多采用集 中管理，高层建筑则采用 “ 三相到楼、 单相进户”的配电方式。因此电子式多用 户电能计量装置将用户分成三组， 每组用户共用一个电压取样电路， 这样既可进 一步减少电 压的 损耗又便于安装; 而装置的工作电 源则采用三相供电 。 集中式多用户电能计量的关键是在准确计量的前提下， 确保整个系统运行的 安全可靠， 即当系统某部分发生故障时， 其造成的影响应控制在尽可能小的范围 内 。 基于 这种考虑， 设计 时采用单 独计量、 分层管理、 顶 端控制、 总线 通讯 的设计思路: ( 1 ) 对于每一用户都对应有专门的计量/ 控制模块 用户板) ， 实现电能的累 计、 电量信息的存储及负载是否超限的判断， 以及接受上层的控制命令并执行相应的 操作; ( 2 ) 每1 6 个用户模块又汇集到一个专门的通讯i 负载识别模块 ( 从板) ， 实现对 用户负载性质的判断以及连接用户模块与上层模块通讯; ( 3 )每一栋学生公寓只有一个上层管理腔 制模块 ( 主板) ，它汇集所有的中间 模块，并且具有 i c卡接口电路、键盘/ 显示电路等外围电路，可以实现读写 i c 卡 并执行相应操作的功能，通过键盘及显示电路实现管理信息的输入及i c卡数 据的显示; ( 4 )各个层次的模块之间通过串 行数据总线进行通讯。 这种设计方法除可使电量信息多级保存， 防止丢失外， 并且一旦当系统某部 分发生故障时也不会影响到其他部分， 确定了整个系统基本的层次结构后 使整个系统的安全可靠性大大增强。 ， 紧接着就需要选择主要的芯片。 计中，对于每一用户电能计量选用a d i 公司的专用计量芯片a d 7 7 5 5 在本设 它精度 西北 业大学硕 k 学位论文 第一章 设计任务及设计方案 ( 6 )单路短路保护电流:5 - 3 0 a( 可选) ; ( 7 )单路负载限制功率:-s k w ( 可设定) : ( 8 )功耗:-1 w1 路: ( 9 )超负荷自动断电后去负荷，延时3 分钟自 动恢复供电; ( 1 0 )抗雷击浪涌泄放电流:)1 4 k a ; 1 . 3 计量控制部分结构 1 . 3 . 1 系统结构 目 前， 我国民用电能计量为了 便于管理、 抄表和防窃电， 电能仪表多采用集 中管理，高层建筑则采用 “ 三相到楼、 单相进户”的配电方式。因此电子式多用 户电能计量装置将用户分成三组， 每组用户共用一个电压取样电路， 这样既可进 一步减少电 压的 损耗又便于安装; 而装置的工作电 源则采用三相供电 。 集中式多用户电能计量的关键是在准确计量的前提下， 确保整个系统运行的 安全可靠， 即当系统某部分发生故障时， 其造成的影响应控制在尽可能小的范围 内 。 基于 这种考虑， 设计 时采用单 独计量、 分层管理、 顶 端控制、 总线 通讯 的设计思路: ( 1 ) 对于每一用户都对应有专门的计量/ 控制模块 用户板) ， 实现电能的累 计、 电量信息的存储及负载是否超限的判断， 以及接受上层的控制命令并执行相应的 操作; ( 2 ) 每1 6 个用户模块又汇集到一个专门的通讯i 负载识别模块 ( 从板) ， 实现对 用户负载性质的判断以及连接用户模块与上层模块通讯; ( 3 )每一栋学生公寓只有一个上层管理腔 制模块 ( 主板) ，它汇集所有的中间 模块，并且具有 i c卡接口电路、键盘/ 显示电路等外围电路，可以实现读写 i c 卡 并执行相应操作的功能，通过键盘及显示电路实现管理信息的输入及i c卡数 据的显示; ( 4 )各个层次的模块之间通过串 行数据总线进行通讯。 这种设计方法除可使电量信息多级保存， 防止丢失外， 并且一旦当系统某部 分发生故障时也不会影响到其他部分， 确定了整个系统基本的层次结构后 使整个系统的安全可靠性大大增强。 ， 紧接着就需要选择主要的芯片。 计中，对于每一用户电能计量选用a d i 公司的专用计量芯片a d 7 7 5 5 在本设 它精度 西北工业人学硕 卜 学位沦文第一章 设计任务 及没 计方案 高， 工作稳定可靠， 与c p u接口 简单， 是很多电子式电能表都选用的计量芯片; c p u选用的是p h i l i p s 公司 的 产品p 8 7 l p c 7 6 4 和p 8 9 c 5 8 ， 一 方面是因为 其 优越 的性能( 尤其具有很强的抗干扰性) 及低廉的价格， 另一方面则是因为它使用广 泛，很容易获取相关资料及技术支持。 1 . 3 . 2 数据通讯概述 从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信， 相应的