（控制科学与工程专业论文）基于tdk71m6521的电子式电能表设计.pdf

d e s i g no f e l e c t r o n i ce n e r g ym e t e rb a s e do i lt d k 71m 6 5 21 w e i s h u a n g s h u a n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rt e n gz h a o s h e n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 日期：劢j 1 年乡月乙 日 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。本人授权湖南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 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“、) 作者签名：锄识 别磁辄膨屯 日期：洳1 年分月6 日 日期：扣，年厂月钐日 基于t d k 7 l m 6 5 2 1 的电子式电能表设计 摘要 随着我国经济建设的高速发展，各行各业对电能的需求越来越大，低成本高可 靠性电子式电能表具有非常广阔的市场潜力。鉴于目前广泛使用的基于的“专用计量 芯片+ m c u ”双核方案的多功能电能表还存在匹配性不够好、数据通信不够可靠、价格贵 等缺点，开发基于高性能的单芯片s o c 的多功能电能表很有必要。再者，工业用电 与居民用电的窃电行为严重，使国家和电力经营企业蒙受了巨大的经济损失，提高电能 计量装置本身的防窃电能力意义重大。另一方面，目前国内电能表的通信协议尚未统一， 不利于组建自动抄表系统、建设智能电网，研发具有互操作性的d l m s ( d e v i c el a n g u a g e m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) c o s e m ( c o m p a n i o ns p e c i f i c a t i o nf o re n e r g ym e t e r i n g ) 通信协 议的电能表是国内外电能计量技术发展的大势所趋。 据此，本文设计了一款基于t d k 7 1 m 6 5 2 l 单芯片s o c 结构的智能化多功能电能 表。系统既实现了高精度分时复费率计量和需量计量，又能实时监测窃电行为，通 信协议符合i e c 6 2 0 5 6 标准( 标准整体上可以分为d l m s 和c o s e m 两大部分) ， 本电能表成本低廉、计量准确、功能丰富、运行可靠，具有广阔的应用前景。 全文共分为6 部分： 第1 章为绪论，主要介绍电能表的发展历史，探讨多功能电子式电能表的研究 现状以及发展趋势，阐述本课题的提出及意义，指出本文研究的主要内容； 第2 章介绍了基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 芯片的电子式电能表的基本结构、设计目标以 及系统的总体设计方案； 第3 章详细介绍了电能计量芯片t d k 7 l m 6 5 2 1 的工作原理，重点给出了基于 t d k 7 i m 6 5 2 1 的单相多功能电子式电能表的电路设计，探讨了防窃电设计方法； 第4 章介绍了仪器的软件开发环境和运行平台，详细阐述了仪器的主程序设计 和分时复费率模块、电能计量模块、需量计量模块、通信模块等软件设计方法； 第5 章研究电能表的误差修正与仪器的可靠性设计； 结论部分总结了全文的工作，指出了后续工作方向。 本文设计的s o c 单相电子式电能表，实现了高精度分时复费率计量和需量计量， 具有有效的防窃电功能，通信协议符合i e c 6 2 0 5 6 标准，已批量生产。 关键词：电能表；t d k 7 1 m 6 5 2 1 ；防窃电；d l m s c o s e 通信协议；i e c 6 2 0 5 6 2 1 标准；模块化设计：误差校准 l i 硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y , b u s i n e s s e sg r o w i n gd e m a n d sf o r e l e c t r i c i t y ，l o w - c o s th i g h - r e l i a b i l i t ye l e c t r o n i cp o w e rm e t e rh a sav e r yb r o a dm a r k e tp o t e n t i a l a tp r e s e n t , t h ew i d e l yu s e dm u l t i - f u n c t i o ne n e r g ym e t e rb a s e do nt h e ”m e a s u r ec h i p + m c u d u a l - c o r ep r o g r a m s b u ti th a sm a n yp r o b l e m sa st h em a t c h i n go ft w oc o r e s ，t h er e l i a b i l i t yo f d a t at r a n s m i s s i o n ，e x p e n s i v ea n ds oo n s oi t sn e c e s s a r yt od e v e l o ph i g h - p e r f o r m a n c em u l t i - f u n c t i o np o w e rm e t e rb a s e do ns i n g l e - c h i ps o c f u r t h e r , s t e a l i n gb e h a v i o ri ss e r i o u s l yi nr e a l l i f es ot h a tt h es t a t ea n dp o w e re n t e r p r i s e ss u f f e r e dh u g ee c o n o m i cl o s s e s i m p r o v et h ee n e r g y m e a s u r e m e n td e v i c ei t s e l fa n t i - t a m p e rc a p a b i l i t yi ss i g n i f i c a n t b e s i d e s ，a t p r e s e n t , t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lc a nn o tb eu n i f i e d ，w h i c hh a m p e r e dt h es e t t i n gu po fa u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gs y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o no fs m a r tg r i d r & di n t e r o p e r a b l ed l m s c o s e m e t e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fe n e r g ym e t e r i n gt e c h n o l o g ya t h o m ea n da b r o a d 一 a c c o r d i n g l y ，w ed e s i g n e dai n t e l l i g e n tm u l t i f u n c t i o n a le n e r g ym e t e rb a s e do ns t r u c t u r e o fs i n g l e - c h i ps o co ft d k 71m 6 5 21 t h e s y s t e m h a sf u n c t i o n so fh i g h - p r e c i s i o n t i m e s h a r i n gm u l t i - r a t em e a s u r e m e n ta n dd e m a n dm e a s u r e m e n t ，a n di tc a nr e a l t i m em o n i t o r o fs t e a l i n gb e h a v i o r ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sm e e tt h ei e c - 6 2 0 5 6s t a n d a r d t h i se n e r g y m e t e ri sl o w - c o s t ，a c c u r a t e ，f e a t u r e r i c h ，r e l i a b l e ，a n dh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s 1 1 l et h e s i si sd i v i d e di n t o6s e c t i o i l s ： c h a p t e r1i sa l li n t r o d u c t i o n ，w h i c hd e s c r i b e st h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to fe n e r g ym e t e r , e x p l o r e st h et h ec u r r e n tr e s e a r c ha n dt r e n d so fm u l t i - f u n c t i o ne l e c t r o n i ce n e r g ym e t e r t h i s c h a p t e ra l s od e s c r i b e st h ei s s u e sa n dt h e i rs i g n i f i c a n c e ，a n dp o i n t e so u tt h a tt h em a i nc o n t e n t s o f t h i st h e s i s ； c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h e e l e c t r o n i ce n e r g ym e t e rb a s e do n t d k 71m 6 5 2 1 ，a n dr e p r e s e n t st h eo v e r a l ld e s i g ng o a l sa n ds y s t e md e s i g n ； c h a p t e r3d e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe n e r g ym e a s u r e m e n tc h i pt d k 7 1m 6 5 2 1 ， d e t a i l sm a i nm o d u l eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h es i n g l e - p h a s em u l t i - f u n c t i o ne l e c t r o n i c e n e r g ym e t e rw h i c hb a s e do nt d k 7 1m 6 5 21 ，d i s c u s s e st h ea n t i t a m p e r i n gd e s i g nt e c h n o l o g y ； c h a p t e r4d e s c r i b e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n do p e r a t i n gp l a t f o r m , w h i c hm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g no fm a i np r o g r a m ，t i m e s h a r i n gm u l t i r a t em o d u l e ，e n e r g y m e t e r i n gm o d u l e ，d e m a n dm e t e r i n gm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ； c h a p t e r5a n a l y z e sa n dc o r r e c t sm e t e re r r o r ，a n de x p o u n ds y s t e mr e l i a b i l i t yd e s i g n ； i i i 基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 的电了式电能表设计 c o n c l u s i o ns u m m a r i z e st h ew o r ko ff u l lt h e s i sa n dt h ed i r e c t i o no ff o l l o w - u p t h i ss o cd e s i g ns i n g l ep h a s ee l e c t r o n i ce n e r g ym e t e rh a sf u n c t i o n so fh i g h p r e c i s i o n t i m e s h a r i n gm u l t i - r a t em e a s u r e m e ma n dd e m a n dm e a s 珊e m e n la n di tc a r lr e a l - t i m em o n i t o r o fs t e a l i n gb e h a v i o r , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sm e e tt h ei e c - 6 2 0 5 6s t a n d a r d s t h i se n e r g y m e t e rh a sb e e np r o d u c tb ym a s s k e yw o r d s ：e n e r g ym e t e r ；t d k 7 1 m 6 5 2 1 ；a n t i - s t e a le l e c t r o n i c ；d l m s c o s e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ；i e c 6 2 0 5 6 - 2 1s t a n d a r d ；m o d u l a rd e s i g n ； e r r o rc o r r e c t i o n 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书。i 摘i i l 邑i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论一l 1 1 课题背景l 1 2 电能表的发展历史2 1 2 1 感应式电能表的产生与发展。2 1 2 2 电子式电能表的产生与发展3 1 3 电子式电能表与感应式电能表的比较4 1 4 多功能电能表研究现状及发展趋势5 1 5 本项目的研究意义。7 1 6 本文研究的主要内容8 第2 章基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 的电子式电能表总体设计9 2 1 电能测量的基本方法9 2 1 1 感应式电能表的测量原理1 0 2 1 2 电子式电能表的测量原理1 1 2 2 电能参数的测量1 4 2 2 1 电压电流有效值的测量1 4 2 2 2 功率测量1 4 2 3 基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 的电子式电能表的构成。1 5 2 3 1 电能表的硬件构成1 5 2 3 2 电能表的总体架构1 6 第3 章基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 的电子式电能表硬件设计一1 9 3 1t d k 7 1 m 6 5 2 1 芯片介绍1 9 3 2 计量单元设计2 2 3 2 1 信号取样电路选择2 3 3 2 2 计量前端电路设计2 4 3 3 信息处理单元设计2 5 3 4 电源电路设计2 6 3 5 通信接口设计2 7 3 5 1 内部通信接口2 8 v 基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 的电了式电能表设计 3 5 2 外部通信接口2 8 3 6 显示单元设计2 9 3 7 防窃电电路设计3 0 第4 章基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 的电子式电能表软件设计3 4 4 1 系统软件开发环境介绍3 4 4 2 多功能电能表的软件设计思想3 4 4 2 1 程序的层次化设计3 4 4 2 2 程序内核封装性设计3 5 4 2 3 功能模块灵活增减的设计3 5 4 2 4 任务时间片管理3 5 4 3 主程序设计。3 6 4 4 时钟费率模块。3 7 4 5 电能计算模块3 8 4 6 需量计量模块3 9 4 7 通信模块4 0 4 7 1 i e c 6 2 0 5 6 体系简介4 0 4 7 2i e c 6 2 0 5 6 2 1 的简介4 1 4 7 3 对象标识系统4 1 4 7 4 接口类。4 2 4 7 5 通信模块的物理连接和协议4 3 4 7 6 通信的实现。4 3 第5 章电能表的误差分析与可靠性分析：4 7 5 1 电能表的误差来源与误差修正4 7 5 1 1 电能表的误差来源4 7 5 1 2 电能表的误差修正4 7 5 2 电能表的抗干扰设计4 9 5 2 1 电能表的干扰来源及影响4 9 5 2 2 电能表的硬件抗干扰方法一5 0 5 2 3 电能表的软件抗干扰方法5 1 结论5 4 参考文献5 6 致谢6 0 附录a 攻读学位期间参与的项目与撰写的学术论文6 1 附录bi e c 6 2 0 5 6 21 的帧定义6 2 附录c 电能表实物图6 7 v i 硕：t ：学位论文 第1 章绪论 本章主要介绍电能表的发展历史，比较电子式电能表与感应式电能表各自的 优缺点，对多功能电子式电能表的研究现状以及未来发展趋势进行探讨，阐述本 课题的提出及意义，指出本文研究的主要内容。 1 1 课题背景 电能是当今社会最重要的能源之一，它的应用在生产技术与现实生活中拥有 划时代的意义。电能表作为电能计量器具，直接关系到国家与用户的利益。因此 电能表的设计开发一直都是电力部门以及电能表生产商致力攻关的方向【l 】。特别 是最近十几年，我国的国民经济有很大的发展，电力行业跃居世界前列。电能计 量仪器仪表的研发与生产制造也随着电力工业的发展而日新月异。我国幅员辽阔， 电能资源相对来说比较缺乏，电能的节约与合理有效利用显得尤为重要。因此， 电能计量装置的精确测量和功能扩展越来越受到重视。传统的感应式电能表具有 准确度不高、功能较为单一、适用频率范围小的缺点，随着电力系统的逐渐扩大 及对电能合理利用的不断探索，电力行业对新型的电子式电能表的研制与开发的 需求也日益迫切l z 】。 微电子技术、计算机自动控制技术与通信技术的飞速发展，有力地促进了电 子式电能表技术的进步。高准确度、高可靠性的元器件及大规模电路集成和电路 表面贴装等技术已经应用于电子式电能表的研发和生产，使电子式电能表寿命显 著的加长、性能明显提高、功能更加多种多样，并且逐渐使供用电管理的智能化 和自动化成为现实【3 j 。上个世纪的八十年代，作为一种全新的测量仪器仪表，电 子式电能表被推向了市场，到了九十年代，电能表的制造和应用更加有了长足发 展【3 】。高等级标准的电子式电能表得以研制和应用，提高了电能计量的精度，同 时也使自动化程度得以提升。另外，电子式电能表也已由单一的电能计量功能发 展为多种功能测量。与此同时，随着经济的高速发展，各行业对电能的需求愈来 愈大，电力供需矛盾日益突显，不同的时间段内用电不均衡的现象也越加严重 【3 】【4 1 。为了使用电不均衡的现象得以改善，日益尖锐的电力供需矛盾得以缓解， 负荷曲线得以调节，需要对负荷曲线“削峰填谷”，提高用电效率，合理利用资源， 也就是说对用户的用电情况进行分时复费率计量，这样可以从经济上鼓励用户尽 量避开在高峰期用电1 4 j 。另外，自动抄表以及输配电自动化等技术的发展，对电 能表提出了更高的要求，新型的电能表应具有信息存储与数据交换等功能。电子 式电能表对采集到的信息采用数字处理的方式，使得上述功能很容易集成在一块 基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 的电子式电能表设计 电能表上面实现，并且方便扩展更多的功能来满足不同用户的不同需求，由此带 来了诸多优点i s j 。 在现代生活中，由公共事业部门提供的水、电、气、热等各种能源的集中供 应给人们的日常生活带来了很多的便利，极大的提高了生活质量【5 j 。为了减少人 为差错、提高设备和应用系统综合利用，降低运行成本，获得最佳商业利益，公 共事业部门在提供相应的服务的同时，将智能仪器仪表越来越多地用于系统集成， 取得了良好的效果【6 j 。比如电力公司在电能计量与管理、远方抄表与计费、负荷 监测与控制等系统中越来越多地使用多功能电能表等智能计量仪表。而且随着客 户需求的日益提高，出现了各种智能计量仪器仪表以及应用系统来满足不同层次 客户的应用需求。但是，大量使用制造厂家自定义的智能电能计量仪器仪表和智 能系统，给不同客户系统间集成以及互操作带来了很大的困难，造成不必要的浪 费【7 1 。因此探索研究新型的智能的电能计量仪器仪表以及系统集成方法从而解决、 避免上述问题是今后重要的发展方向。互操作性指的是计量仪器仪表的数据管理 系统不受所测量的能量类型、计量仪表型号、制造厂家以及通信介质所限制，可 以和任何一个计量仪器仪表进行互相的对话。这要求对话双方都正确的执行同一 标准的配套的操作【8 j 。 1 2 电能表的发展历史 电能表是我国起步较早的一种计量产品，到目前为止对它的设计开发以及应 用已经有4 0 多年的历史了。纵观电能表的发展历史，大致可以分为感应式电能表 和电子式电能两个阶段哺j 。 1 2 1 感应式电能表的产生与发展 最先出现在世界上的电能表来源于德国人爱迪生，他于18 8 0 年应用电解原理 制作了一款直流电能表【8 】。交流电的出现和使用，对计量电能的仪器仪表功能提 出了新的要求。几乎在同一时间，意大利物理学家费拉里斯与美国一个物理教师 于1 8 8 8 年想到并将旋转磁场理论应用于交流电能的测量，也就是在一个可以转动 的导体上作用两个频率相同但是相位和空间不相同的交变磁场，这样导体就可以 旋转。这个美国的物理教师成功利用该原理研制出了感应式电能表的模型。这些 理论和模型全都是交流电能表的雏形的萌芽【9 j 。 18 8 9 年，德国人布勒泰开创了感应式电能表的极其重要的应用天地，他制作 出第一块感应式电能表，但是这是一款没有单独电流铁心的感应式电能表，电压 铁芯总电抗要做的很大，因此体积也很大。18 9 0 年，带电铁心的感应式电能表应 运而生，制动力矩要依靠交流电磁铁来产生，转动元件是个铜环。直到1 9 世纪的 末期，才逐渐改用直流磁铁产生制动力矩，直流磁铁的使用使得转动元件旋转速 2 硕士学位论文 度降低，转矩得到了增加。与此同时，电能表的技术机构也得到了改进，铝制转 盘将铜制转盘取代。至此，感应式电能表的制造理论已经基本形成了0 0 1 。 经过一百多年的不断改进与完善，感应式电能表得到了飞速的发展，各项参 数都得到了很大的提高，其制造技术也已经发展的非常成熟。感应式电能表结构 简单、可靠性好、操作安全、方便维修并且造价低廉，在电能计量领域得到了广 泛使用。至今，感应式电能表仍在许多发展中国家甚至是某些发达国家被作为计 量工频电能的主要仪器仪表。但是不可否认的是，感应式电能表存在着诸如准确 度不够高、功能较为单一、适用频率范围比较窄等致命的缺点1 9 1 1 0 】。 1 2 2 电子式电能表的产生与发展 电能开发及利用不断的加快，随着电子工业、微电子技术的迅猛发展以及用 电负荷的不同，对电能的管理、电能表的功能和性能提出了新的更高的要求。传 统的机械感应式电能表由于驱动线圈的低频窄带电磁特性等结构及其原理问题， 逐渐暴露出计量精度低、功能难以扩展和计量非线性负荷误差大等诸多缺点。另 外，随着电力行业对计划调度以及经济调度的要求不断提高，电能供需矛盾的逐 渐加剧。电能管理与合理有效利用得到了各国的高度重视，功能单一的感应式电 能表及其相关机械装置已经不适应现代电能管理的要求，对多功能、高精度、防 窃电、便于自动抄表的新型多功能电子式电能表的需求日益彰显 2 , 4 j 。 早期的电子式电能表是机电一体式的特种电能表，也就是仍然用感应式电能 表作为基表，然后利用电子电路来实现新的功能，其显著特点是感应式测量机构 配以脉冲发生装置。这种机电一体化的电能表是感应式电能表向全电子式电能表 发展过程中的过渡的电能计量装置。2 0 世纪6 0 年代末，日本的杉山桌先生发明了 时分乘法器，提出了功率测量原理，利用电子电路来测量交流电能，实现了全电 子式电能计量。任何电子电路进行电能计量的第一步都是确定电功率，然后将电 功率对时间的积分即得到电能。因而，实现测量电功率和电能的电子电路的共同 特点就是使用乘法器【6 ，。 全电子式电能表又称为静止式电能表或固态电能表，这种电能表没有机械转 动部分和计数机构，是在2 0 世纪7 0 年代后期发展起来的】。全新的全电子式电能 表具有得天独厚的功能优势，而且随着电子技术的迅猛发展，电子器件的价格越 来越便宜，性能越来越优良，使得全电子式电能表的性能逐渐的更加优越。电子 式电能表根据乘法器工作原理的不同可以分为两大类型，即模拟乘法器型和数字 乘法器型【1 1 】。近年来，随着电力行业的日益发展和用电管理要求的不断提高，功 能繁多、品种多样的新型电子式电能表推陈出新，但是他们的基本原理都是相同 的，其功能大概可以归结为3 个方面：计量、计费功能，包括分时复费率计量、预 付费还有最大需量的计量等；保护功能，包括过流、过压保护与防窃电功能等； 4 硕士学位论文 电子式电能表和传统的感应式电能表的运算原理也有较大的差别，前者采用 乘法器进行运算，因此即使在有外界磁场干扰的情况下也可以保证较好的计量精 度，而后者利用电磁理论的相关原理进行电量的计算，难以避免的会容易受到外 界磁场的干扰，从而不能保证有较好的计量准确度。 ( 5 ) 便于安装使用 感应式电能表由于采用电磁理论计算电量，而安装位置的异常会影响到其计 算过程而造成电能计量不准确，与之相对的是电子电能表的计算，由于在电子式 电能表中不含特殊机械旋转部件而其计算过程也可以较好的排除外界电磁场的干 扰，因此对于安装位置等并无特殊要求，比较简便易用。 ( 6 ) 防窃电能力更强 在我国无论是城市用电抑或乡村用电中都或多或少的存在着窃电问题，由于 电子线路内部设计和程序设计上容易实现对付各种窃电行为检测，可以在根本上 控制窃电行为的发生，而传统的机械感应式电能表很难进行窃电事件的监测。相 比较而言，电子式电能表在防窃电功能上要比感应式电能表强大很多1 1 2 。 但电子式电能表也存在如下一些缺点1 9 】： ( 1 ) 维修复杂； ( 2 ) 由于电子式电能表设计的线路较为复杂，因此若厂家生产质量不能达标， 会容易导致电能表死机，从而造成计量数据紊乱； ( 3 ) 正是由于前面所述的电子式电能表的特点，使得电能表单价较高： ( 4 ) 电子式电能表的运行对外界环境有较高的要求。 正是由于电子式电能表的上述优点使得目前在计量功能较多的场合一般都采 用电子式电能表，而也正是由于上述的电子式电能表的单价较高等缺点使得在一 般的居民用电等功能较单一的场合依然采用感应式电能表与电子式电能表并存的 方式。目前我国的电子式电能表的生产工艺和技术水平都在不断提高，电子式电 能表的劣势也成为一个研究领域的热点， 于电子式电能表可以实现远程集中抄表， 主要集中在如何克服这些缺点。但是由 特别是在国家推行分时电价以及远程集 中抄表的今天，在建立智能电网行动热火朝天的今天，传统的感应式电能表必将 逐渐的被电子式电能表所取代，这也是不可避免，大势所趋1 2 15 1 。 1 4 多功能电能表研究现状及发展趋势 随着微电子技术、新的制作技术以及计算机技术等的快速发展，电子式电能 表得到了前所未有的发展。电子式电能表的关键优势在于电子式电能表设计时采 用微机进行软、硬件设计，并且由于拥有足够大的内存，可以很方便的整改程序 软件和相关硬件扩充所需要的功能，正是由这个巨大的优势，目前电子式电能表 可以实现的功能多达十几种1 6 】。近年来，随着科技的发达和人们要求的提高，越 5 基于t d k 7 1 m 6 5 2 1 的电子式电能表设计 来愈多的高准确度、多功能、长寿命的多功能全电子式电能表开始出现。一些甚 至能实现远程抄表，极大的促进了电子式电能表的发展。在不同的应用场合，用 户要求不同，市场定位和生产成本等都会发生变化，而电能计量装置也随之而有 各自的特点【7 毋】。而多功能的电子式电能表由于功能强大，并且相对普通电子式 电能表来说单价相差并不悬殊，因此在一些用电计量、监视、控制、甚至是管理 等许多领域内都被广泛应用。目前多功能电能表大多采用专用的计量芯片与外部 接口电路的“专用计量芯片+ m c u ”的双核方案，采用这种设计的电能表虽然功能 强大，但是不可避免的存在着双核之间匹配以及数据传输可靠性的问题，而且由 于双核方案电路相对复杂，使用芯片数量较多而造成价格昂贵和维修不方便等问 题，这些都给电子式电能表的发展和广泛应用带来了阻碍n6 1 。目前市场上中小型 用电量的用户占有绝大多数，这对这些用户，亟待开发功能接口丰富、成本较低 同时精度高的多功能电能表，以逐步实现电能计量和管理的自动化【”儿1 6 】。当前， 超大规模数模混合集成电路制造工艺技术日益成熟，而我国的集成电路设计水平 的也在迅速提高，这些都使得基于s o c 的整体解决方案逐渐被应用于各个领域当 中。近几年来，随着技术的发展，集成度更高的电能计量芯片陆续被各大半导体 公司推出，这类芯片的巧妙设计在于把计量单元和m c u 集成到一片i c ，与其他 的功能模块相结合，就形成了能够极大的简化多功能电能表的软硬进设计的以 s o c 为基础的电能表芯片处理体系，比较有代表性的是t d k 公司推出的7 1m 6 5 2 1 系列和t i 公司推出的m s p 4 3 0 f e 4 2 7 等等。在国内，虽然单芯片的电能表设计方 案还存在一些工艺上的缺陷，尚且没有广泛的被应用于电量计量，全部取代传统 电能表，但是其高集成度、丰富的功能、优越的性能、低廉的成本代表了电子式 电能表以后的发展方向【l0 1 。特别是，将测控一体化和组网功能融为一体的电能计 量装置技术逐渐的成为研究热点，并且具备很大的推广价值。 在我们生活中，电是一种商品。我国电力法中明确规定用户用电必须按照国 家核准的电价和计量装置的记录按时缴纳电费i l2 1 。但是一些不遵守法律的企业和 个人企图通过窃电、更改电能表等非法手段少交甚至不缴纳电费，这种可耻的行 为不仅使国家和电力经营企业蒙受了巨大的经济损失，甚至还可能会危及到电网 正常运行，影响公共安全，严重影响了社会稳定。因此，必须采取一切措施进行 严厉打击和查处窃电行为【1 3 儿1 4 】。改进电能表的设计就是一项具有重大意义的改善 措施。 电能表是电网中非常重要的仪器，对电能计量与管理、负荷监测与控制、远 程抄表与计费以及配网自动化等具有举足轻重的作用【l7 1 。中国幅员辽阔，各地电 能计量实际应用情况有差别，各省电力公司在目前国家电能表标准基础上制订了 符合自己需求的电能表技术要求和通信协议，虽然目前国内电能表基本上都是基 于d l t 6 4 5 规约的，但是各厂家根据自己厂家的特点和用户的生产要求添加了一 6 硕士学位论文 些内容。由于现有电能表由不同部门管理，生产制造厂商繁多，即使新表采用 d l t 6 4 5 通信协议，也将协议内容进行了一定修改，这就造成了通信协议五花八 门，给自动抄表带来一定困难【l 引。具有互操作性的通信协议的研究和运用还处于 探索阶段。在欧洲的一些国家和地区，电能供应已经是开放的电力市场，也就是 不同的供应商也就是发电厂可以通过一个共同的基础也就是电网提供电能，用户 可以通过对电能不同供应商的选择，获取最便宜的电能1 1 6 博j 。 1 5 本项目的研究意义 随着我国经济的高速发展，电力工业得到了迅猛发展，各行各业对电力的 需求越来越大，从而也带动了对多功能电子式电能表的需求。特别是近些年来， 随着现代电子技术与新的制造技术的高速发展，对电子式电能表的研究热潮逐 渐到来，相关技术大大提高了电子式电能表的计量精度和使用寿命，并且根据 用户要求所研制出的电子式电能表的功能种类日益繁多，成本也在不断降低， 造成了国内外对电子式电能表的广阔的市场需求。鉴于目前广泛使用的基于的 “专用计量芯片+ m c u ”双核方案的多功能电能表还存在着匹配性不够好，数据通信 不够可靠，价格还是有点昂贵的缺点，开发基于高性能的单芯片s o c 的多功能 电能表是显得更为重要必要1 1 5 , 1 引。 各行业用电高峰期不同，电网中电力负荷随时间变化，电力负荷大时，会形 成负荷高峰，电力负荷减少时又会形成负荷低谷，电力负荷峰值与谷值相差很大 会使供发电设备容量不能充分利用，因此全面实行峰、平、谷分时电价制度，通 过“削峰填谷”提高全国用电效率1 9 , 1 0 】。具有分时复费率功能的电子式电能表需求 巨大，而且在不同的时期或季节用电高峰和低谷是有差异的。因此研制可以在同 一时刻可以进行不同费率计量的多功能电能表有重要意义【l 训。 当前的非法窃电现象依然猖獗，而且行为隐蔽，造成十分恶劣的影响，反窃 电任务迫在眉睫【1 。因此研制具有防窃电功能的电能表是十分必要的，以方便电 力部门能及时了解用户的用电状态，避免和监控窃电事件的发生i l2 1 。只有提高电 能计量装置本身的防窃电能力，才能便于用电管理部门的科学管理，进一步防止 窃电行为的发生1 1 3 1 4 j 。 通信是保证电能表的数据可靠地传输到供电部门的工具，它是整个数据管理 的根系【1 7 】。可是到目前为止，国内的通信协议不能统一，不同厂家的电能表与抄 表装置之间几乎不能相互抄读，为组建自动抄表系统，实现智能电网造成阻碍【l 引。 电能仪表的自动测量、远地抄收，对于开放的电力市场来说非常的重要，而开放 的、具有互操作性的d l m s c o s e 通信协议非常适合于开放的电力市场所需的自 动抄表系统【1 9 , 2 0 】。基于d l m s c o s e 协议的电能表，对于进入国际市场和为国内 d l m s c o s e m 的推广做准备，对于实现智能电网具有积极重要的意义【2 1 , 2 2 。 7 基于t d k 71 m 6 5 2 1 的电子式电能表设计 本课题就是为了适应上述电力系统的需求而进行的，设计了一款基于 t d k 7 1m 6 5 2 1 的单芯片s o c 结构的智能化多功能电能表。根据用户要求达到以 下目的：( 1 ) 高精度、长寿命；( 2 ) 分时复费率计量、需量的计量；( 3 ) 有效的 防窃电技术；( 4 ) 针对我国电能表通信协议不统一的局面，本设计研究并应用一 种简单，适用性强，可与其它通信协议相融合，并且在国际上得到广泛认可和应 用的通信协议。这种通信协议简单，对电能表硬件要求不高，而又可以兼顾其它 的通信协议。本课题将针对以上特点对现有的电子式电能表进行改进和完善以满 足用户要求。 1 6 本文研究的主要内容 本文首先介绍电能表的发展历史，详细比较和分析电子式电能表与感应式 电能表的优缺点，阐述多功能电能表的研究现状与发展趋势，分析了单芯片 s o c 电能表解决方案，分时复费率计量，防窃电以及实现互操作通信的研究意 义。介绍电能参数的测量方法，设计实现基于t d k 7 lm 6 5 2 l 的单相多功能电 子式电能表，介绍该电能表的基本构成，系统总体设计方案以及电能表的硬件、 软件设计，介绍一种防窃电技术，研究了电能表基于协议i e c 6 2 0 5 6 2 1 的互操 作通信的实现。分析电能表的误差校准与抗干扰技术。 全文总共分为6 章，各章的具体内容为： 第l 章：主要介绍电能表的发展历史，详细对比分析电子式电能表与感应 式电能表的优缺点进行比较，分析多功能电子式电能表的研究现状以及发展趋 势，阐述本课题的提出及意义，指出本文研究的主要内容。 第2 章：主要分析电能测量的基本方法，电能表各计量参数的测量原理， 介绍基于t d k 7 1m 6 5 2 1 芯片的电子式电能表的基本结构、设计目标以及系统 的总体设计方案。 第3 章：介绍电能计量芯片t d k 7 lm 6 5 2l 的结构、特点以及工作原理等， 详细分析基于t