（电路与系统专业论文）基于DSP与GPRS集抄技术的多用户电表设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 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。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d s p 与g p r s 集抄技 术的多用户电表，为电能计量的进一步集中管理、降低成本提供更大 便利。 本文所研究和设计的基于d s p 与g p r s 集抄技术多用户电表，主 要由d s p 电能计量模块、m c u 数据管理单元、g p r s 无线通信模块等 部分组成。其中，计量模块完成多路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。 论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 用于多用户计量的实时算法。其次，针对该多用户电表的硬件与软件 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、d s p 与a d c 接口、d s p 与m c u 接口以及m c u 与g p r s 模块接口等电路设计；软件上的d s p 处理器a d c 中断子程 序、电能计量子程序、h p i 接口子程序，以及g p r s 接口m c u 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 m a t l a b 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， 多用户电表 a b s t r a c t t r a d i t i o n a le l e c t r i c a le n e 唱ym e a s u r e m e n ta n dm a n a g e m e n tb a s e do n o n e h o u s eo n em e t e rh a v eb e e np o p u l a r i z e da m o n gt h ee n t i r ef i e l do f e l e c t r i c a l e n e 玛ym e a s u r e m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y ，i tc a nb er e a l i z e d 向l l yi nt h e o 巧a n dt e c h n o l o g yt h a tt h ee l e c t r i c a le n e 唱yo fm a n yu s e r sa r e m e a s u r e da td i f i f e r e n tt i m eb yae l e c t r i c a lm e t e ra n dm a n a g e dc e n t r a l l y s o ， m u l t i - u s e re l e c t r i c a le n e 唱ym e t e rb a s e do nd s pa n dg p r sc o n c e n t r a t e d m e t e rr e a d i n gt e c l l i l o l o g yi s d e s i g n e dt op r o v i d ef o rc o n v e n i e n c eo f i n t e n s i v em a n a g e m e n t ，a n d s u b s t a n t i a l l yr e d u c i n gt h ec o s to fm a n a g e m e n t m u l t i u s e re l e c t r i c a l e n e 玛ym e t e r b a s e do nd s pa n d g p r s c o n c e n t r a t e dm e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g yc o n s i s t so fd s pe l e c t r i cp o w e r m e a s u r e m e n tu n i t ，m c ud a t am a n a g e m e n tu n i ta n dg p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nu n i t m e a s u r e m e n tu n i ti su s e dt oc o u e c ta n dm e a s u r e i i m l t i - u s e re l e c t r i cp o w e rd a t a ，d a t am a n a g e m e n ti su s e dt om a n a g e m u l t i - u s e re l e c t r i cp o w e rd a t aa n do p e r a t er e s p o n dt ot h ei n s t r u c t i o nt h a t p o w e ro p e r a t i o n c e n t e rd i s t r i b u t e sa tt h es a m e t i m e ， w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nu n i ti su s e dt ot r a n s m i td a t ab e t w e e ne n e 玛ym e t e ra n dd a t a m a n a g e m e n tc e n t e r i nt h i sp 印e r ，s t a m sa n dd e v e l o p i n go fe l e c t r i ce n e 玛ym e a s u r e m e n t a r ei n t r o d u c e df ；i r s t l y ，a n dt h em o s ts u i t a b l em e a s u r e m e n ta l g o r i t h mf o r m a n yu s e r s i ss e l e c t e df 硒ms e v e r a lm e a s u r e m e n ta l g o r i t h mo fa c t i v e p o w e ra n dr e a c t i v ep o w e rt h a ta r ec o m p a r e db e f o r e t h e n ，h a r d w a r ed e s i g i l a n ds o r w a r ed e s i g no ft h es y s t e ma r ee x p o u n d e di nd e t a i l h a r d w a r e d e s i g ni n c l u d e sp o w e rs o u r c e ，r e s e t ，p o w e ro f j fd e t e c t i n g ，s i g n a la c q u i s i t i o n ， i n t e r f a c eb e t w e e nd s pa n da d c ，i n t e r f a c eb e t w e e nd s pa n dm c u ， i n t e r f a c eb e t w e e nm c ua n dg p r s u n i t ，a n ds o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e sa d c i n t e r r u p tp r o g r a mo fd s p ，d s pm e a s u r e m e n tp r o g r a m ， h p ii n t e r f a c e p r o g r a mo fd s p ，g p r si n t e r f a c ep r o g r a mo fm c u m e a n w h i l e ，r e l i a b i l i t y a n do p t i m i z e da n a l y s i sc a m e do nt h es y s t e mi nt h ed e s i g np r o c e s sa r e i n t r o d u c e d f i n a l l y ， a c t i v e p o w e r a n dr e a c t i v e p o w e rm e a s u r e m e n t a l g o r i t h mt h a ta r es e l e c t e db e f o r ea r es i m u l a t e di nm a t l a b ，a n dp a r t so fk e y c i r c u i t sa r et e s t e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt e s ts h o wt h a tt r a d i t i o n a l e l e c t r i c a le n e 唱yp a r a m e t e r s ，s u c ha sa c t i v ep o w e r ，r e a c t i v ep o w e r ，a p p a r e n t p o w e r ，p o w e rf a c t o r ，c o u l db em e a s u r e da c c u r a t e l yb yt h es y s t e m a c t i v e p o w e rm e a s u r e m e n ta c c u r a c yr e a c h e st ot h el e v e lo 5 s ，r e a c t i v ep o w e r m e a s u r e m e n ta c c u r a c vr e a c h e st ot h e1 e v e l1 k e yw o r d s ：p o w e rm e a s u r e m e n t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，h i l b e r tf i l t e r g p r sc o n c e n t r a t e dm e t e r - r e a d i n g ， m u l t i - u s e re n e 略ym e t e r 湖南师范大学学位论文原创性声明 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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。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：殳且习昆、 彳只雌i 湖南师范大学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，研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。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。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名： 导师签名： 曼曩私 鹳迈 唯 心 月 月 年 年 毋7蛉 呻呷 期 期 基十d s p jg p r s 集抄技术的多用户电表没计：绪论 第1 章绪论 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。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。本文通过分析电力系统，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d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 与 g p r s ( g e m e r a lp a c k e rr a d i os e i c e ) 通信技术的多用户电能计量的 硕十学位论文 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 a d c ( a n a l o g t o d 晒t a lc o n v e r t e r ) 数字信号处理技术和g p r s 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。 本章将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d s p 和g p r s 集抄技术的多用户电能计量方案的 研究目标和本文的总体框架。 1 1 电能计量现状与发展趋势 1 1 1 电能计量的理论研究现状 在电能计量理论方面，国内学者和专家已经做了很多研究工作。 如陈萍，周善超的文章对国内多功能电能表目前采用的两种需量计量 方法进行了分析，并对新提出的一种名为脉冲功率法的计量方法进行 了深入阐述【l 】；如周丹丹，孟盟写的文章从谐波环境下电能计量的基 本原理出发，分析了谐波对不同电能表计量的影响，对谐波下电能计 算和电能质量分析的方法进行了讨论 2 】；马晓蕾，尹忠东的文章着重 研究了感应式电能表和电子式电能表的工作原理和计量特性【3 1 ；阳 龙，张冯硕等对谐波的电能计量误差进行仿真实验和实测实验，建立 能反映谐波功率含量与其实际误差之间关系的数学模型。引入b p 神 经网络对该模型进行逼近，利用v c + + 6 o 开发“谐波电能误差计算 软件，【4 】；申邵东，魏星等从谐波对电能计量产生的影响进行了分析。 研究了线性和非线性负载对有功电能计量的影响，通过谐波下线性负 载和非线性负载消耗电能的推导，指出了在现行电能计量中存在的不 合理之处。并利用实时数字仿真系统( r t d s ) 对搭建的模型进行了仿真 实验，分析了电能表的计量情况和计量误型5 1 。由其试验结果可知， 当存在谐波功率时，用户实际消耗电能量与电能表读数不等，这表明 目前电能计量方式存在不合理性。需要采用新的计量方式或新的电量 计算方法解决这一问题，等等。这些文献一类属于对计量理论的一些 补充与验证，另一类型偏向于做电能质量的分析，但都存在一定局限 性，有些方法与理论还在仿真阶段，没有经过现场长时间的运行证明。 基于d s p 0g p r s 集抄技术的多用户电表设计：绪论 特别在本文所要论述的多用户同时计量的理论知识方面，具体论述并 实现的方法还相对较少。 1 1 2 电能计量的应用技术现状 目前，电子式电能表发展趋势大体可以分为两个方向，一是m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 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m c u 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m c u 读取， 由m c u 完成显示、按键等用户界面，同时完成复费率，需量计算和 自动抄表等工作。像a d i 、t d k 、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t d k 公司等推出集成度更高的s o c ( s y s t e 眦 o nc h i p ) 方案，如7 1 m 6 5 1 3 ，直接将管理c p u 与计量芯片集成于一 体，用一片s o c 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a d c 芯片和m c u 、 a r m ( a d v a n c e d s cm i c r o p r o c e s s o r ) 、d s p 、c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 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o 2 s 级高精度电子式三相 多功能电能表即是采用的a d 7 3 3 6 0 加d s p 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2 0 世纪8 0 年 硕十学f 7 ：论文 代末、9 0 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、 l a n d i s & g y r 和美国g e 公司等。1 9 9 3 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，1 9 9 4 年8 月1 8 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r s 一4 8 5 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。 以上列举的是对电能表应用现状的一个分类。电能表在国内的应 用开发工作日新月异，发展很快，比如： 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e n c 2 8 j 6 0 ，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 1 ；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：应美丽的文章介绍了预 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【lo 】；周忠信，王文光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i c 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【l ，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d e s 算法产生中间密码，预付费售电系统数据 库和电能表r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 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i c 卡密码的安全，并对 基于d s p ，0g p r s 集抄技术的多用户l u 表设计：绪论 卡中数据进行加密处理，从而确保i c 卡的数据更加安全【l2 】；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2 0 0 3 年第一款 国产o 2 s 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o 2 s 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、g p r s 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r s 4 8 5 、r f ( r a d i o f r e q u e n c y ) 、红外、蓝牙、g p r s 和电力载波多种方式并存。r s 4 8 5 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g p r s 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 硕+ 学位论文 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r f 和 g p r s 的用户前端+ 小区终端的方案有望合理解决成本、抄表便利性 的问题。这将为电能数据的现代信息化管理提供极大方便。 1 1 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 o 级精度到o 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g p r s 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( 3 g ) 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 基于d s p j6 p r s 集抄技术的多用户l 乜表设计：绪论 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。 1 2 论文的主要研究内容 1 2 1 多用户电能计量的需求与可行性分析 近年来，随着各地高校的学生集体公寓和城市化扩建中各种集体 小区的建立，都存在对电能进行多用户集中计量与管理的需求。多用 户集中计量具有几个明显的优点： 一是可以降低计量的成本，提高计量的集中化程度； 二是可以方便管理，为电能数据的自动抄读与信息化管理提供更 方便的计量平台； 由于存在对多用户计量的需求，设计开发一款对多路用户集中计 量电能的电能表是很有意义的。人们对电能管理相关的态度可以总结 出以下几点：一是强调用电安全及管理，避免计量事故；二是集中化 与信息化建设，重点是集中计量与自动抄表；三是电力数据分析和电 力调度。 模数转换技术( a d c ) 与数字信号处理技术( d s p ) 已经得到了 飞速发展，根据目前所达到的运算速度，一块数字式电能表同时对多 路用户集中计量电能已经不存在速度瓶颈。依据现有的电子式电能表 的电能计量原理，选用高速的模数转换器完成对模拟信号的数字化， 用一片高速d s p 芯片进行数值运算与处理，再用一片微处理器( m c u ) 完成对多用户电能数据的管理功能，用g p r s 模块完成数据传输，这 样就构成了多用户集中式电能表的框架。 1 2 2 系统框架设计 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a d c 与d s p 。数据处理 硕十学位论文 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t m s 3 2 0 v c 5 4 x x 定点d s p 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。 多用户电表系统主要由a d c 与d s p 电能计量单元，m c u 电能数 据管理单元和g p r s 无线集抄通信单元组成，其框架如图1 1 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 1多用户电能表系统框图 1 2 3 论文的主要研究内容 如果在算法上选择不当，将会导致误差的产生和累积，从而影响 电能表的精度，影响计量。如果在采样、计算及处理的过程中不合理， 将会引起某些数据采集被中断，或者采集不完整，或者计算时受到干 扰，或者某些数据得不到存储等等，这些都将引起计量的差错，不允 许发生。所以如何设计并优化系统的架构和处理流程，特别是实现对 多路数据进行宏观上的实时采集与计量，是保证计量精度的重要研究 内容。 在资源有限的平台上完成多路同时计量的功能，要求合理的设计 计量的流程，改进并优化计量算法，提高系统特别a d c 与d s p 的运 行效率，做到速度与精度的平衡。在现有的d s p 计量终端的硬件平台 上如何使用合适算法和实现方式，如何实现硬件和软件的协调与控制 基于d s p jg p r s 集抄技术的多用户电表设计：绪论 同步，特别是多路选择中的用户切换，如何处理有限字长效应和c 语 言、汇编语言混合编程等等问题，需要深入学习与研究。 系统采用a d 7 6 5 5 作为模数转换器，最高采样速率可达1 m s p s 。 对2 4 路单相电能用户进行电能数据采集时，电压、电流信号一起共涉 及4 8 路信号，因此必须对a d c 的输入进行切换才能实现数据采集。 模拟信号切换输入时引入的噪声和相位延时，将严重影响计量。尽量 减少由此引入的影响，是不能忽视的研究重点之一。 由于采用1 6 位高速a d c 和t m s 3 2 0 v c 5 4 x x 定点d s p 构建采集 与运算平台，加上d s p 的资源有限，将面临如下问题： 高速与干扰，电压和电流4 8 路信号最高采样速率理论上达到 5 0 0 k s p s ，并且还要不断切换采样通道，d s p 最高运行速率4 0 m h z 。 如此高的工作速率必将对干扰十分敏感。多用户间的切换与同步，因 为涉及多路用户的同步采样，各路之间的切换以及电压电流之间的同 步对保证精度十分重要。计量算法上，针对各用户的电能计量算法以 及轮换算法是保证正确计量的关键。从一路切换到另一路需要时间， d s p 从读取电压电流的采样值到运算完成得到电能数据也需要时间， 为保证计量精度，电压电流信号每个周期必须完成5 0 次以上的采样， 协调多路模拟开关和a d c 及d s p 之间的同步是实现正确计量的重点 难点，需要不断摸索测试。通过选择合适算法、优化数据处理流程来 减少运算量，充分发挥硬件特性来解决该难点。 本课题是建立在电工技术、现代电路技术、数字信号处理技术等 基础理论之上的，它集数据采集，电能计量算法、电能数据管理及 g p r s 通信功能于一体。一方面它需要完成各种基本的电参数的实时 采集，另一方面还要在此基础上完成计量功能，最后通过m c u 对电 能数据进行管理并通过g p r s 与数据中心进行通信等。 多用户电能表需要完成对多路电能物理量的采集、运算、显示、 存储与传输等功能。在数据采集上，首先需要对各路用户电压瞬时值、 电流瞬时值进行实时采集，然后在此基础上，由d s p 完成各路用户电 压及电流有效值、瞬时有功功率、瞬时无功功率、功率因数等的计算， 由m c u 对这些数据进行管理，从而提供给系统数据库作为用电计费 和对用户情况跟踪调控的依据。 硕十学位论文 为实现上述功能，基于d s p 与g p r s 集抄技术的多用户电能表系 统选用采样速率可达1 m s p s 的1 6 位高精度a d c 芯片a d 7 6 5 5 作为模 数转换器，用1 6 位的高速定点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 x x 系列作为 运算计量单元，由此完成对最多2 4 路用户的电能数据采集与计量。其 中主要工作可以分解为两大方面： 一是计量程序、通信程序、电能数据管理程序等软件设计； 二是硬件电路设计与实现，电磁兼容性设计，数据安全性、计量 可靠性和通信可靠性的优化设计等内容； 1 3 本文章节安排 本文共分七章阐述相应的设计理论和设计过程。各章节主要内容 安排如下： 第一章是绪论。主要叙述论文的研究背景，包括研究现状与应用 现状、论文的主要研究内容。 第二章进行电能计量算法的理论性分析。首先介绍测量及计量的 技术标准。然后详细分析比较了有功和无功计量原理、实现算法。 第三章是进行系统的硬件设计，将针对该多用户电能表的各部分 硬件电路进行详尽分析与设计。 第四章是系统的软件设计部分。将阐述多用户电能表的软件系统 设计，这包括：d s p 的a d c 中断程序、d s p 的定时器中断程序、多 路选通程序、h p i 接口以及g p r s 通信子程序设计等。 第五章进行系统的可靠性设计与优化分析。本章介绍系统的可靠 性设计，并对系统进行了优化分析。 第六章是算法的软件仿真与系统测试。首先介绍有功与无功计量 算法的m a t l a b 软件仿真；进而针对系统的部分关键电路进行了实测， 给出了测试波形和数据结果。 第七章是总结与展望，对全文设计工作进行了总结；同时对以后 进一步的研究方向进行了展望。 基于d s pj jg p r s 集抄技术的多用户i 乜表设计：电能计量原理分析 第2 章电能计量原理分析 2 1 电力测量与电能计量的技术标准 在电力测量与电能计量领域中有一系列的国家和行业规范标准， 这些标准中有对供电指标作要求的，有对计量表功能和精度作要求的， 有对监测分析设计作要求的，也有对各类表的测试检定等环节作要求 的【1 3 】【1 4 】。其中对于仪器仪表和供电指标的部分要求如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1电力测量与电能计量相关的标准 标准号 标准名称( 巾文) 实施日期 g b 厂r1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差 1 9 9 6 0 l o l g b 厂r1 7 2 1 5 2 1 1 2 0 0 6 交流电测量设备通用要求、试验和试验条件第1 1 部分：测量设备 2 0 0 6 l o o l g b 厂r3 9 2 5 - 1 9 8 3 2 0 级交流电度表的验收方法 1 9 8 4 1 0 0 l j j f1 0 3 6 1 9 9 3 交流电能表检定装置试验规范1 9 9 3 1 0 0 l j j f1 0 3 6 一1 9 9 3交流电能表检定装置试验规范1 9 9 3 1 0 0 l s n 厂r1 8 4 3 2 - 2 0 0 6 进出口仪器仪表检验规程第2 部分：静止式交流电能表 2 0 0 7 0 5 1 6 g b 厂r1 7 2 1 5 3 l l - 2 0 0 8 交流电测量设备特殊要求第1 1 部分：机电式有功电能表( 0 5 、1 和2 级) 2 0 0 9 0 1 0 1 g b 厂r1 7 2 1 5 3 2 1 2 0 0 8 交流电测量设备特殊要求第2 1 部分：静止式有功电能表( 1 级和2 级)2 0 0 9 0 1 0 l g b 厂r1 7 2 1 5 3 2 2 2 0 0 8 交流电测量设备特殊要求第2 2 部分：静止式有功电能表( 0 2 s 级和o 5 s 级) 2 0 0 9 0 1 0 l g b 厂r1 7 2 1 5 3 2 3 2 0 0 8 交流电测量设备特殊要求第2 3 部分：静止式无功电能表( 2 级和3 级)2 0 0 9 0 l o l 表2 - 2 电能表相关标准 其中在测量计量方面的技术标准要求中，主要对测量误差等级和 功能作详细要求，主要体现在瞬时电压、瞬时电流、有功功率、无功 1 1 硕十学位论文 功率的要求等。其中对于电子式电能表，根据表2 1 ，有功功率准确度 等级主要有：o 2 s 级、o 5 s 级、l 级、2 级；无功功率准确度等级主要 有：1 级、2 级、3 级。 根据“g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 供电频率允许偏差 【1 5 】，频率偏差指系 统频率的实际值和标称值之差。正常运行下标称频率为5 0 h z 的电力系 统，其正常频率偏差允许值为o 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可 以放宽到o 5 h z 。用于频率偏差指标评定的测量仪表，其相应的绝对 误差不大于o 0 1 h z 。根据“g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 供电电压允许偏差 ，电 压偏差是指供电电压对标称电压的偏差。交流5 0 h z 的电力系统在正常 运行条件下供电电压对标称系统电压的偏差计算公式如式( 2 1 ) ： 电压偏差( ) = 塞型焉篙裹墓娑x 1 。 式( 2 - 1 ) 3 5 k v 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称系统电 压的1 0 ，1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的 7 ，2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为标称系统电压的+ 7 、1 0 。由 此，测量的精度要达到并超过2 2 0 1 = 2 2 v 。 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 ( a c t i v ep o w e r ) 、无功功率q ( r e a c t i v ep o w e r ) 、视在功率s ( a p p a r e m p o w e r ) 、功率因数( p o w e rf a c t o r ) 等的测量。为此，国家有包括“o 2 s ， o 5 s 和1 级交流有功电度表”、“l 和2 级静止式交流无功电度表”等一 系列电能计量表标准供遵循。 由于硬件设计时，已经对几种供电方式进行了兼容，故以下的功 率测量实现都可以基于单相条件下进行。此外，算法讨论是建立在国 家标准“g b 31 0 2 5 1 9 9 3 电学和磁学的量和单位 【1 6 】定义的基础上。 2 2 有功功率测量方法分析与比较 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( p a s e v a l ) 定理及方程： r ( o ) = l 厂( f ) 1 2 出= i f ( 厂) 1 2 式( 2 2 ) 可知：对于能量有限的信号，时域内信号的能量等于频域内信号 1 2 基于d s p 与g p r s 集抄技术的多用户电表设计：f 乜能计量原理分析 的能副2 5 1 。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( 2 3 ) ： 只= ；r 虬( f ) l _ r ( f ) 出= 善( 一嬲厶一嬲) = 善( 鼍萨与笋) 式( 2 _ 3 ) 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( d f t 或f f t ) 获得。但在定点d s p 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a d 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 5 h z 偏差【1 5 】) ，a d 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 2 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，电流定义如式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 所示： “一( f ) = u 。s i n 缈f = 劢s i n 饼式( 2 4 ) o ) = ls i n ( 国f 一痧) = 西s i n ( 彩f 一) 式中，“一( f ) 表示f 时刻电压瞬时值；( f ) 表示f 时刻电流瞬时值； 表示电压峰值；l 表示电流峰值；u 表示电压有效值；，表示电流有 效值；表示电压、电流相位差；缈表示角频率：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 可用式( 2 6 ) 求 得： 尸= 亭f ( f ) ( f ) 出= 亭r s i n 研厶s i n ( 酬一矽) 砒= 明c 。s 式( 2 6 ) 其中：丁为正弦周期，国：2 万r ，一个周期内的电能形可用式( 2 7 ) 硕十学位论文 求得： 矿= f ( f ) ( f ) 出= 兀刀c o s 公式( 2 6 ) 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