（电力系统及其自动化专业论文）基于ade7758的gprs网络电能表设计.pdf

d e s i g no fg p r s n e t w o r ke n e r g ym e t e rb a s e do na d e 7 7 5 8 a b s t r a c t a l o n g 、 ，i t l l t h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e r , n e t w o r k a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，v a r i o u sa u t o m a t i ce n e r g ym e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g yi sb e e nw i d e l yu s e di n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k c o m b i n i n gw i t l lc h i n a sn a t j 【o n a lc o n d i t i o n s ，t h ep a p e rs t u d y a n dd e s i g nas e to fg p r sn e t w o r ke n e r g ym e t e rb a s e do na d e 7 7 5 8 t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e de n e r g ym e t e rd e v e l o p m e n t sc o u r s ea sw e l la st h ep r e s e n t s i t u a t i o n ，a n de l a b o r a t e de a c hk i n dw a yo fe n e r g ym e t e rr e a d i n ga n dd i s c u s s e dt h e r e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b r i e f e dt h ef u t u r et e n d e n c yo ft h ee n e r g y m e t e rt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t t h e nt h et o p i ce l a b o r a t e dt h en e t w o r ke n e r g ym e t e r sg o a lf u n c t i o n ，c o m p a r e dt o t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u ss y s t e mc o n s t r u c t i o n sd e s i g np r o p o s a la t h o m ea n da b r o a dt od e t e r m i n et h ei s s u eo ft h ee n e r g ym e t e rc o n s t r u c t i o n sd e s i g n a c c o r d i n gt on e e do ff u n c t i o n ，t i sm s p 4 3 0 f g 4 6 19i ss e l e c t e da se n e r g ym e t e r s m c ua n dd e s i g ne n e r g ym e t e r st e s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e mt os i m p l i f yt h ed e s i g no f e n e r g ym e t e r sc i r c u i ta n di m p r o v et h es y s t e m sh a n d l i n ga b i l i t y ；d a t aa c q u i s i t i o np a r t u s e se l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n ts p e c i a l - p u r p o s ec h i pa d e 7 7 58t oi m p r o v et h e n e t w o r ke n e r g ym e t e r sp r e c i s i o n ；t h eu s eo fl c dm o d u l ep r o v i d e sf r i e n d l y p e o p l e m a c h i n ei n t e r f a c e ；i nt h ea n a l y s i so fc u r r e n tc o m m o n l yu s e ds y s t e mn e t w o r k c o n s t r u c t i o na n dt h ed i s a d v a n t a g ea n da d v a n t a g eo ft h ee m b e d d e dt u m i n go np l a n ，t h e t o p i cd e t e r m i n et h es y s t e m sn e t w o r kc o n s t r u c t i o na n dt h ee m b e d d e dt u r n i n g o np l a n ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l er e a l i z e st h ee l e c t r i c a le n e r g yq u a n t i t yp a r a m e t e rl o n g - d i s t a n c e t r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h ew i r e l e s sg p r sm c 3 9 ia n de m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l s t a c k ；t h ec a l i b r a t i o no fe n e r g ym e t e re n s u r et h ea c c u r a c yo fe n e r g ym e t e r t h e p a p e r i n t r o d u c e di nd e t a i lt h e p r o c e s s o fg p r sc o m m u n i c a t i o n r e a l i z a t i o n a c c o r d i n gt os y s t e m so w nn e e d ，c a r r i e do n t h ea p p r o p r i t ec u t t i n go u tt o t c p i pp r o t o c o ls t a c kn o to n l ys i m p l i f i e dt h et c p i pp r o t o c o lb u ta l s os a t i s f i e dt h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sr e q u e s to fe n e r g ym e t e r 。 k e yw o r d s ：a d e 7 7 5 8 m s p 4 3 0 f g 4 6 1 9l c dg p r sm c 3 9 i 插图清单 图2 1 网络电能表的总体原理框图1 3 图3 1 网络电能表的硬件结构原理图1 5 图3 2a d e 7 7 5 8 外围硬件连接图17 图3 3 网络电能表供电结构图1 8 图3 4r s 4 8 5 通讯模块和红外通讯模块复用控制电路图1 9 图3 5r s 4 8 5 模块硬件电路图。19 图3 6 红外发射和接收电路。2 0 图3 7o c m l 2 8 6 4 3 写操作时序2 1 图3 8o c m l 2 8 6 4 3 读操作时序2 2 图3 - 9 人机界面硬件接口电路2 2 图4 1 主程序流程图。2 5 图4 2a d e 7 7 5 8 写操作时序2 7 图4 3a d e 7 7 5 8 读操作时序2 8 图4 4a d e 7 7 5 8 的软件流程3 0 图4 6 某一项中西文菜单混合显示流程3 4 图4 7 红外通讯数据处理流程图。3 6 图5 1 本系统网络架构3 9 图5 2m c 3 9 i 内部结构图4 l 图5 3m c u 和m c 3 9 i 接口电路图4 2 图5 4s i m 卡电路连接图4 3 图5 5 通信协议的层次图4 4 图5 - 6g p r s 通讯部分的软件流程4 5 图5 7p p p 协议帧结构4 6 图5 8p p p 协议模块工作流程图4 8 图5 - 9g p r s 数据传输部分软件结构图5 0 图6 1 利用线周期累加法的校准流程图5 4 图6 2 三相四线制方式下的校准软件画面5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金月曼兰些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 签字日期：扣矽年夕月日 | v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部j j 或机构送交论文的复e p , l l t ：和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权地 王些盔堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：沙矽年弘月量日 学位论文作者毕业屙去向： 工作单位： 通讯地址： 名调半青 签字日期：洳7 年争月g 日 电话： 邮编： 致谢 两年半的时光转瞬即逝，在合肥工业大学的学习和生活是我人生中一段非常 宝贵而难忘的经历。在即将毕业之际，我要感谢所有在这里给予我关心和帮助的 师长、朋友和同学! 首先要感谢我的导师陶维青副教授，在两年半的时间里，他给了我深刻的教 诲和莫大的鼓舞。当我对一切还懵懂的时候，是他给我指明了道路，引我进入学 术研究的大门，引导我如何进行科学研究，开阔了我的视野，丰富了我的学识， 这些将使我终身受益。他严谨的治学态度、敏锐的洞察力、慎密的思维能力以及 忘我的工作热情一直是我学习的榜样和努力的方向。 感谢毛建维、崔北京、张全、汪俊锋等实验室的兄弟姐妹们在学习上给我的 热情帮助。 感谢电气与自动化学院的全体教师在我研究生的学习期间所给予的无私帮 助，我所取得的一切成绩都是与他们的指导和帮助分不开的。 感谢我的父母，是他们教我热爱生活、直面挫折、乐观向上，我的每一点进 步都离不开他们的关心和帮助。 作者：费文坤 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 课题研究的背景、来源和意义 1 1 1 课题研究的背景和来源 近年来我国电力工业获得了快速发展，随着国家电力体制改革的逐步深入， 电力作为商品进入市场，这对电力系统的经济运行和合理调度都提出了更高要 求，不仅需要准确、准时抄录用户的用电量和线路的参数，计算线损，做好线路 的优化，还需要了解每天的用电曲线，做好负荷预测，为电厂或者电站进行有效 的反馈，使其能更有效地制定发电计划，并且目前工业用电量庞大，位置分散， 对电力系统所采用传统抄表的计量方式提出了挑战，其弊端越来越突出，既耗费 大量的人力物力，又无法避免手工抄写和计算带来差错，更重要的是数据不能实 时传送导致对数据的处理分析严重滞后，不能及时发现问题、解决问题，这已经 无法满足商业化运营的要求。 同时随着城乡电网改造的实施，电能表也在不断升级换代，各种电子式电能 表获得了极大地应用，这些都为自动准确的电量测量打下了坚实的基础。计算机 技术、网络技术和通信技术的飞速发展及日臻完善，自动化技术的不断进步， 电力系统的自动化水平不断提高，各种自动抄表技术正被广泛的运用于配电网 络。随着无线通信数字网络的发展，无线远程自动抄表己成为未来发展的必然趋 势。 基于以上种种原因，中科大鲁能集成有限公司经过系统的调研和全面的分析 后，提出独立研发多功能电能表，本课题是基于这一背景项目提出的，设计了基 于a d e 7 7 5 8 的g p r s 网络电能表。 1 1 2 课题研究的意义 g p r s 网络电能表集计算机技术、通信技术、用电及计量技术于一体，具有 实时性强，可很好的满足电力系统对数据采集精度和传输实时性的要求；控制中 心可对其进行远程控制，进行参数调整、开关等控制操作；建设成本少而且低， 不需要为远程抄表进行专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低： 集抄范围广，系统的传输容量大，数据传送速率高；通信费用低，采用包月计费 方式，运营成本低，可以很好地满足商业化运行的需求。 1 2 电能表的发展概况 1 2 1 电能表的发展历程 1 感应系电能表的诞生和发展 世界上最早出现的电能表，是由美国人爱迪生在1 8 8 0 年利用电解原理的制 作的直流电能表。交流电的出现和使用，对电能计量仪表的功能提出了新的要求。 1 1 8 8 8 年意大利物理学家费拉里斯首先想到将旋转磁场理论用于交流电能测量。 1 8 8 9 年，德国人布勒泰制作出了无单独电流铁心的感应系电能表。1 8 9 0 年，带 电流铁心的感应系电能表出现了，不过其转动元件是一个铜环，制动力矩靠交流 电磁铁产生。直到1 9 世纪末，才逐渐改用永久磁铁产生制动力矩以降低转动元 件旋转速度并增加转矩；表的计数机构几经改进，铜制的圆转盘也由铝圆盘所取 代。至此，感应系电能表的制造理论基本形成【l 】，经过一百多年的不断改进和完 善，感应式电能表的制造技术也已相当成熟。感应式电能表具有制造简单、可靠 性好和价格低廉等特点，因此，至今在包括我国的许多发展中国家甚至是一些发 达国家里，感应系电能表仍作为主要的计量工频电能的仪表被广泛使用。 2 电子式电能表的产生 随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。 电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表逐渐暴露出准 确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。基于微电子技术和计算机技术的不 断发展，人们相继开发出了多种多样的电子式电能表。 早期的电子式电能表，仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光 电传感器完成电能到脉冲的转换，然后经电子电路对脉冲进行适当处理，从而实 现对电能的测量。这种电能表的显著特点是感应系测量机构配以脉冲发生装置， 因此也被称为感应系脉冲电能表或机电脉冲式电能表。机电脉冲式电能表在国外 早已有成熟产品，并自2 0 世纪7 0 年代初就开始在一些工业化国家逐渐被大面积 采用。这种电能表和机械藕合式多费率电能表都是感应系电能表向全电子式电能 表过渡发展过程中的电能计量品种，它们对分时电价、需量电价制度的实施起了 积极的推动作用。但是以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定 了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低等缺点。 为了替代感应系测量机构，从2 0 世纪7 0 年代起人们就开始研究并试验采用 电子电路来测量交流电能。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路 式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功率 和电能的电子电路的共同特点。 全电子式电能表是在2 0 世纪7 0 年代后期发展起来的，因其没有机械转动部 分和计数机构，又称为静止式电能表或固态电能表。但由于受当时的电子技术水 平的制约，全电子电能表仅用于标准表。随着电子技术的迅猛发展，电子器件的 性能在2 0 世纪8 0 年代有了质的飞跃，且价格幅度下降，国外电子表的生产有了 长足的进步。到2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初国外大公司相继推出了全电子式多 功能电能表，如瑞士兰地斯公司( l a n d i s & g y r ) 、法国斯伦贝谢公司 ( s c h l u m b e r g e r ) 和美国通用电气公司( g e ) 等。电子式电能表按照其乘法器工作原理 的不同可分为模拟乘法器型和数字乘法器型两大类【2 】。目前电子式电能表在国外 的使用己比较普遍，特别是在西方发达国家非常普及，其年销量已超过机械式电 2 能表。 电子电能表与机械式电能表相比，除具有测量精度高、性能稳定、功耗低、 体积小和重量轻等优点外，它还可以实现更丰富的功能，如复费率、最大需量、 有功和无功电能记录、事件记录、负荷曲线记录、功率因数测量、电压合格率统 计和串行数据通信等。电子式多功能电能表应用领域很广，并由于它具有强大的 通讯功能而广泛应用于远程抄表，为用电管理所需的电能计量数据远程自动采集 和自动计费、为电厂考核上网报价商业运营，以及为大型企业内部能源自动化管 理提供了先进的技术手段。 而在初期，人们对于电子式电能表推广使用存在很大争议，主要原因是其使 用寿命和可靠性指标方面有待进一步提高。电子式电能表的失效机理与机械式电 能表不一样，机械式电能表的失效机理属机械磨损型，在使用过程中精度逐渐降 低，最终失效，辅以机械计度器进行数据显示，一旦发生故障，主要的只是计量 精度不符要求，但计度器的度数还在，其影响相对较小。电子式电能表的失效机 理属偶发性的，一旦出现故障就可能导致不计电量，无显示，或历史计量数据丢 失，其故障原因可能仅仅是由内部的某些元器件失效所致。同时，电子式电能表 在现场使用环境下暴露出抗干扰能力差等弱点。经过调查和试验发现，生产厂家 在元器件和材料选择、工艺上随意性较大，质量波动明显，另外缺乏实际运行经 验，生产也未形成规模，售后服务和技术支持投入力量都不足，所以在当时的条 件下大面积使用风险较大。随着电子电路设计与制造新技术的出现，电能表的器 件选择和工艺控制逐渐成熟，以及电子式电能表在各种现场环境下工作可靠性的 问题逐渐攻破，相继出现了多种寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能 表。目前己有相当数量的各种类型的国产和进口电子式电能表投入电网运行，并 已产生了显著的经济和社会效益。在多年来的推广和使用中，电子式电能表性能 的优越表现使人们对它建立了充分的信心。 我国从2 0 世9 0 年代初开始研制全电子式电能表。1 9 9 4 年威胜集团、恒通公 司等相继推出了电子式多功能电能表。随后有多家公司开始小批量生产。经过技 术的引进、消化和吸收，我国电子式电能表的研制与生产逐渐进入创新和符合国 情的快速发展阶段。1 9 9 6 年初电力部下令在全国推行复费率和负荷控制，为电子 式电能表开辟了广阔的应用领域。并且由于“两网改造 的带动，电子式电能表 应用面迅猛扩大，它的开发设计和制造技术也得到了飞速的发展。 1 2 2 电能抄表计费的方式 电子式电能表向多功能的方向发展，在抄表技术方面已由最初的手工操作进 步到目前应用广泛的抄表器自动抄表，并正由本地向远程自动抄表的方向拓展。 目前有多种不同类型的电能表应用在各种电能计量现场，所以也相应有不同的技 术特点的抄表计费的方式【3 1 。 1 手工抄表方式 3 由抄表员携带纸和笔到现场根据用户电能表的读数计算电费。所抄电能表一 般为最简单的没有通信接口的感应系电能表。 2 本地自动抄表方式 本地自动抄表主要采用携带方便、操作简单可靠的抄表设备来自动完成抄表 工作。 本地自动抄表一般是在配备有相应模块的电能表和手提电脑之间通过无线 通信的手段来达到非接触性完成数据传输的目的。依据采用的无线通信种类的不 同又可分为红外线就地自动抄表、蓝牙就地自动抄表、z i g b e e 就地自动抄表、无 线电自动就地抄表和超声波就地自动抄表等几类。其中操作简单方便的首选信息 媒体就是红外线，它能够非接触地完成数据传输，且实现起来方便可靠；而应用 前景最广阔的则是z i g b e e 就地自动抄表。 采用手持抄表器( 即掌上电脑) 是进行本地抄表的主要形式。它的主要功能是 实现现场记录( 手工键入或自动抄录) 仪表数据、对智能仪表的特定参数或原始数 据进行现场设置、并能够和中心站计算机系统进行通信，以送回所采集的数据。 掌上电脑的体积很小，比一般的笔记本电脑还要小得多，一般都可单手握持，其 c p u 多采用i n t e l8 0 5 1 ，8 0 8 6 ，8 0 1 8 6 等芯片。掌上电脑常采用较大的点阵式图形液 晶显示屏，一屏可显示多行信息，并且其工作温度适应性较宽，基本上不受地域 和气候的影响。此外，掌上电脑还具有一定的数据保持能力，由掌上电脑供电并 直接驱动可打印收费通知单。在实际操作中，掌上电脑至少还具有查询、工作检 查和特殊情况处理等一系列功能。 3 移动式自动抄表方式 利用汽车装载收发装置和9 0 0 m h z 无线电技术以及电能表上的模块，不必到 达用户现场，在附近一定距离内能自动抄回电能数据。美国居民区抄表大部分采 用这种方式。 4 预付费电能计费方式 收电费难是全国各地普遍存在的现象，也令供电管理部门大伤脑筋，许多用 户法律观念淡薄，拖欠电费，使电力工业的发展受到很大影响。用电预付费方式 受到了广泛关注。这种方式通过磁卡或i c 卡和预付费电能表相结合，实现用户 先交钱后用电的管理。 预付费电能表可以分为投币式、磁卡式和i c 卡式三种。投币式预付费电能 表是一种在国外使用最早的预付费电能表，由于这种装置容易被窃，并且在管理 与维护上也存在一系列问题，目前已被淘汰。磁卡式预付费电能表的磁卡是由磁 卡读写器将数据记录在卡片状的磁性材料上而构成的，如日常生活中的电话卡、 银行卡等，因为磁卡的复制相当容易，并且它还很容易在受热、受压、受折或受 强磁场影响而物理性损坏，导致磁卡系统的安全性较低，所以它未能得到广泛的 推广使用。i c 卡全称为“i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d , i c 卡是一种具有微处理器和大容 量存贮器的集成电路芯片嵌装于塑料芯片而成的卡，i c 卡安全性能较高，但成本 较磁卡昂贵。经过制造厂多年来的不断改进，特别是对i c 卡部分硬件和软件的 改进，使用了c p u 卡和非接触式卡等最新技术，以及技术条件的统一，使预付费 表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趋于完善，与此同时，内置继电器的 质量和容量也有明显改善，随着电子元器件质量的进一步提高和成本的大幅度下 降，i c 卡预付费电能表目前已逐渐被接受使用。 5 远程自动抄表方式 远程自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，a m r ) 是一种不需人员到达现场就能 完成自动抄表的新型抄表方式 4 1 。采用低压电力线、公用电话网、无线电和现场 总线等多种通信网络，将电能表的数据自动传输到电能计费管理中心进行处理。 远程自动抄表是一种先进的抄表方式，不但降低了劳动强度，而且还大大提高了 抄表的准确性和及时性，杜绝了抄表不到位、估抄、误抄、漏抄等问题。它便于 将计算机网络和营业管理相结合，成为配电自动化系统的一部分。而且还可望发 展成为将自动抄表与银行计算机联网的一种新的收费方式，实行银行票据自动划 拨，从而更有效地确保电力企业的合法权益并方便用户。 从计算机通讯网络的角度来看，远程自动抄表系统可以表示为两级子网络结 构，即用户子网络和通信子网络，可以把电能表当作系统的网络源点，而管理中 心主机则是网络的信息宿点受主。主机通过通讯网络发出抄表命令，不断地对各 电能表的各种数据进行自动收集并作各种统计处理。各电能表作为从机接收各种 抄表命令，并传送所要求的数据。一般常采用两级通讯方式，以抄表集中器作为 通信中继节点，从电能表到抄表集中器间的通信通常采用r s 4 8 5 和低压电力线载 波等方式实现，人们普遍认为电力线载波通讯方式更有发展前景；而抄表集中器至 电能计费中心计算机系统之间，通常采用电话线或无线电台方式传送。 1 2 3 电能表系统发展趋势 从电能表的研究和应用来看，电能表技术的发展有以下的趋势： 1 ) 电子式电能表全面替代感应表 与感应表相比，电子式电能表拥有诸多的优势，可靠性更高，准确度更好， 功能更强大，性价比更好。 2 ) 计量性能要求进一步增强 随着电子式电能表技术的不断进步，用户更加关注电能表的量程、轻载准确 度、低功率因数准确度、起动灵敏度、防潜动可靠性，以及谐波下计量的准确性 等特性。 3 ) 三相多功能表的计量性能进一步突破 目前高端三相多功能表应用更加广泛，特别是国产o 2 s 级表的逐步使用， 使用户比以往更加关注电能计量的相关算法，特别是非线性工况下的计量算法。 4 ) 液晶显示器加速替代字轮计度器 5 液晶显示器获得用户更多的认可，今后液晶显示器发展的趋势和重点是确保 其质量，延长使用寿命，确保能达到电能表整机的寿命要求，特别是在抗紫外线 照射、高温高湿、低温等方面需要进一步提高。 5 ) 防窃电要求进一步加强 窃电问题越来越严重，窃电方式更加多样化和隐蔽化，对电能表防窃电的要 求也越来越高，电子式电能表具有强大的优势。 6 ) 具有通信接口尤其是r s 4 8 5 接口成为趋势 目前的通信方式无法全面满足用户的要求。而电能表配备r s 4 8 5 接口具有成 熟和性价比的优势，适合未来采用更新、更好的通信技术，因此成为用户目前较 为理想的选择而逐渐成为标准配置。对通信接口的要求也进一步提高，如抗静电、 抗雷击浪涌的指标，抗人为攻击的能力等。 7 ) 电力线载波应用增速加快 载波通信由于采用电力系统固有网络的独特优势，国内外厂商都加强了对电 力线载波通信技术的研究，并且在抗衰减、抗噪声、抗失真、发送效率、接收灵 敏度以及网络功能等多个方面都取得了不少进展。电力线载波技术的发展趋势的 各种技术综合运用，各项指标全面发展，在保证通信可靠性的同时，进一步会加 入数据安全功能。 8 ) 实时时钟及相关功能需求不断增加 多费率表的实时时钟的准确度跟电费的准确性直接相关，因而精度要求很 高，因此越来越多的用户要求采用温度补偿，以达到全温度范围内的高精度。而 对于普通表来说，出于成本的考虑，可以允许使用m c u 软件时钟。 9 ) 模块化设计成趋势 电力技术的飞速进步和各地方电能表的版本不同，对电能表的技术更新、开 发速度和产品的可靠性提出了更高的要求，为适应这一要求，模块化设计将成为 趋势。无论是硬件还是软件都能采用模块化设计，将技术相对成熟和标准的部分 进行封装入库，当设计新的产品时，只需要将精力集中于产品的新模块、新功能 的开发，以及模块的集成上，这样既有效缩短产品的开发周期，又能提高产品设 计的可靠性。 1 0 ) 通信规约需要统一标准 现行的d 坍6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约已经颁布1 0 年，在很多方 面规约内容滞后，不能适应电能表功能的需求，用户和厂家对新数据项定义各自 定义规约，造成数据标识的冲突和混乱，规约资源的利用率低，同时规约的解释 不明确，造成理解上的差异。因此，无论电力用户还是生产厂家，都希望尽快对 电能表的通信规约进行修订和完善，在新一代的通信规约中还要考虑新技术、新 功能的适用性和今后规约扩展的管理。 6 1 3 主要研究内容及文章结构 本文主要介绍了电能表技术发展的现状，对比分析了各种电能表的特点。在 总结现阶段各种电子电能表优缺点的基础上，结合我国的国情研究设计了一种网 络电能表。跟踪当今先进的微电子技术、信号处理技术和通信技术，采用电能计 量专用芯片a d e 7 7 5 8 进行电能计量；选用t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机为m c u 而 设计的网络电能表的数据处理系统：在分析目前常用的系统网络架构和嵌入式接 入方案的优缺点的基础上确定本系统的网络架构和嵌入式接入方案，运用m c 3 9 i 无线g p r s 通讯模块实现电能量参数的远程传输；最后对a d e 7 7 5 8 进行校验，确 保网络电能表的精度。 本文结构主要分为： 第一章绪论介绍了系统研发的背景、来源和意义，介绍了电能表的发展概 况、各种抄表方式的特点和电能表的发展趋势。 第二章网络电能表的总体设计方案，结合需求给出了网络电能表的的目标 功能，提出了具体的主要技术指标，然后针对该目标功能和技术指 标要求比较网络电能表的设计方案，进行重要的芯片选型，最后设 计了网络电能表的总体方案。 第三章网络电能表的硬件设计，对本系统的总体硬件设计作了介绍，给出了 总体硬件框图；接着分别详细设计了网络电能表的电能计量电路、存 储模块、电源模块、r s 4 8 5 串行通讯接口、红外通讯接口、液晶显示 模块的硬件电路；最后介绍了网络电能表的可靠性和抗干扰问题，和 采取的相应解决措施。 第四章网络电能表的软件设计，给出了总体软件设计，介绍了本文中软件设 计的思想和主程序流程图；在此基础上分别详细介绍了网络电能表系 统中电能计量模块、人机接口模块和红外通讯模块等三个模块的软件 设计，指出了各模块软件设计的重点和要点。 第五章网络电能表的g p r s 通讯设计首先在分析目前常用的系统网络架构 和嵌入式接入方案的优缺点的基础确定了系统网络架构和嵌入式接 入方案；根据方案设计 g p r s 通讯的硬件电路和系统的软件。 第六章网络电能表的校验介绍了电能计量芯片a d e 7 7 5 8 的校准原理、算法 和流程，设计了a d e 7 7 5 8 的校准软件，提高了测量的电能量参数的精 度； 第七章总结与展望对本文中所做的工作作了一个总结，并对电能表的发展 前景做了展望。 第二章网络电能表的总体设计方案 网络电能表实际上就是一个自动化测控系统，设计时需要一个总体设计方 案，以便后面具体设计工作的开展。 2 1 网络电能表的目标功能 经过查阅大量的有关资料和参考有关国家标准，网络电能表应具备以下功 能： 1 用电计测功能： 网络电能表的用电计测功能包括累计计量和实时计量两类功能：1 ) 累计 计量，累计各用户电能的消耗量，包括正反向有功电量、四象限无功电量；2 ) 实时计量，各用户负载消耗功率的实时值，当用户用电功率较大时，所计量到 的功率值越准确。 2 监控功能 网络电能表应该有较强的监视与控制功能，能不断地监视线路功率，超功 率限额报警，超功率时间大于设定值时给出跳闸信号，在这里起到电力定量器 的作用。网络电能表对自身的运行状态也应有很强的监视、控制和自检功能。 如表内电池欠压、时钟损坏和存储器损坏等故障时，网络电能表能通过l e d 闪 烁灯和错误码进行显示，还可以采用蜂鸣器进行声音提示。 3 数据显示功能 数据显示的方式有循环显示和固定显示两种。循环显示为依次显示一项内 容，一项一项地显示出用户关心的所有内容。需循环显示的内容可以由用户自 行设定。系统在一般状态下显示当前的实时时间。 4 参数预置功能 网络电能表可以提前预置某些参数。 5 存储功能 网络电能表应该能够存储正、反向有功电能、四象限无功电能、有功功率、 无功功率、电压、电流、相位等用电数据，所有数据保存3 个月以上，能存储 日负荷曲线，以方便抄表、电费结算等，同时也大大提高了成本核算和线损计 算的精确度。 6 事件记录功能 事件记录功能是当网络电能表的某些参数出现异常时，记录下异常情况的 时间以及异常情况下电能表的状态等，以备分析异常原因和追补电量。事件记 录功能可用于监视电能表电路系统是否出现故障，使用条件是否正常等，就象 飞机上的黑匣子一样，记录事件越全面越好。 7 数据通讯功能 8 通过电能表的本地r s 4 8 5 通信接口、红外通信接口和远程g p r s 通信接口， 它与外界进行数据交换，实现自动快速传输抄表数据，预置系统参数和校对时钟 等。 明确了网络电能表的目标功能后，就可以在此基础上确定网络电能表的以下 的主要技术指标： 1 ) 额定值： 交流电压输入额定值u n ：3 x 2 2 0 v ，承受1 2 u n 连续过载：电流输入 额定值i n ：3 x 5 a ，承受2 i n 输入2 4 小时连续过载； 工作电源电压信号端取电或交流2 2 0 v 士2 0 ； 频率：5 0 h z - - t ：1 。 2 ) 功耗： 电压测量回路功耗 o 5 v a 相； 电流测量回路功耗 0 7 5 v 相； 在参比电压、参比温度、参比频率条件下，每一电压线路的功耗不大 于8 v a ( 2 w ) ；有g p r s 通讯模块的数据上传通讯时不大于1 0 v a ( 5 w ) 。 3 ) 测量范围： 电流测量范围：0 - 5 a ； 电压测量范围：1 7 6 v - - 2 6 4 v ( 交流有效值) ； 功率因数测量范围：0 5 ( 滞后) 1 0 - 0 5 ( 超前) 。 4 ) 精确度要求： 各相电压、电流测量准确度为0 5 级； 有功电能计量精确度为o 5 级； 无功电能计量精确度为2 级。 5 ) 温度要求： 工作温度范围：2 0 + 5 5 ； 工作极限温度范围：2 5 + 7 0 ： 贮存与运输温度范围： 2 5 - - - + 7 0 。 2 2 系统结构设计方案比较 从对国内外产品的分析中可以看到，目前的网络电能表大多数采用以下两种 系统结构方案：一种是m c u + m c u 结构，由前端m c u 完成数据采集功能，由后 端m c u 完成显示、控制和通信功能；这种结构的产品虽然能比较好的完成控制功 能，但处理复杂数据的能力比较差，耗时过多。另一种是d s p + m c u 结构，由d s p 完成数据的采集和运算，交给后端的m c u ，由m c u 完成控制、通信和人机交互 的功能；这种结构的产品增加了系统设计的难度，并造成一定的资源浪费，造价 9 比较高。 近几年，微电子技术、计算机技术的飞速发展，有力地推动了电测量技术的 迅速更新和进步，国内外许多公司研制出不同测量原理的电能计量专用芯片，为 我们设计此类产品提供了思路。采用单片机+ 电能计量专用芯片的方案，单片机 只要对计量芯片的控制寄存器写入适当的控制字就可以了。芯片中可通过串行口 读写的寄存器有数十个之多，可以读入所需要的所有电量，所以电能计量专用芯 片的使用简化了单片机系统的设计。以m c s 5 1 为内核的单片机不善于数据计算， 而现在的计量芯片有硬件乘法器、开方器等，刚好弥补了这一不足，减少了单片 机系统需要完成的任务。对于单片机系统而言，只需要写计量芯片的控制寄存器、 读计量芯片的数据寄存器、接收状态信息、处理中断以及将计量芯片处理过的数 据送到液晶屏显示出来。这样的优点使仪表的两个单元( 计量单元和数据处理单 元) 较为均衡和合理。目前的电能计量芯片的另一特点是把电测量理论关于电功 率( 电能) 的一些基本理论融入了芯片制造技术中。比如功率表的角误差、乘法 器的瞬时功率信号频谱、关于无功功率( 电能) 的处理方法以及电源周波电能累 计模式应用于校正等都充分说明了这一点。 综上所述，本文中网络电能表采用单片机+ 电能计量专用芯片的系统结构方 案。 2 3 芯片选型 从2 1 节可以看出网络电能表实际上就是一个高效、精密的检测和控制系统， 要想使网络电能表达到2 1 节的要求的目标性能和技术指标，如何选择合适的 m c u 和电能计量芯片是成功设计的关键一步。 2 3 1m c u 选型 作为网络电能表的核心部件，微处理器的选择对整个网络电能表功能的实现 起着至关重要的作用。面向工控的单片处理器，目前广泛应用的有各系列的8 位 单片机，面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器( d s p ) ，以及市场上增强 型的1 6 位单片机。 以m c s 5 1 为代表的各个系列的8 位单片机作为从八十年代就开始流行的处 理器，其开发技术成熟，应用广泛，不足之处在于片上外围模块过于简单，已经 不能适应于目前对测控系统功能和速度的要求。 d s p 器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然趋势。但从现阶 段各d s p 器件的情况来看，偏重于高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量 数字信号处理的场所，如雷达、多媒体等领域，在仪表领域的使用并不广泛，而 且目前其价格相对较高，开发技术难度大，开发周期相对较长。 作为以上这两种微处理器的一种折衷方案，各大公司纷纷推出各种面向不同 应用场合的增强型单片机，如a m da m l 8 6 系列、a v r 系列、德州仪器公司 1 0 m s p 4 3 0 系列和p h i l i p s 的p c f s 0 5 1 系列等。这些系列的单片机大多具有较强的功 能模块接口，较高的处理速度，大容量r o m 和r a m ，往往处理器本身就已经是 一个小系统模式，仅仅需要一些简单电容、电阻元件就可以工作，其中m s p 4 3 0 系列单片机就是其中性能价格比较优越的一款1 6 位单片机。 鉴于以上各种原因，同时兼顾网络电能表低功耗，硬件电路精简等原则，本 设计中微处理器选用德州仪器公司的1 6 位m s p 4 3 0 系列单片机。其主要特点如 下【1 4 】【2 1 】： 1 ) 低功耗：电压1 8 3 6 v 低电压，r a m 数据保持方式下耗电仅0 1ua ， 活动模式下耗电2 5 0pa m i p s ( m i p s 每秒百万条指令数) ，i o 输入端口的 漏电流最大仅5 0 n a 。 2 ) 强大的处理能力：m s p 4 3 0 系列单片机采用了目前流行的精简指令集 ( r i s c ) 结构，一个时钟周期可以执行一条指令，因此在8 m h z 晶振工作时， 指令速度可达到8 m i p s 。 3 ) 丰富的片上外围模块：m s p 4 3 0 系列单片机结合t i 的高性能模拟技术， 各成员都集成了较丰富的片内外设。 4 ) 系统工作稳定：m s p 4 3 0 系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为 4 0 - - + 8 5 ，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。 5 ) 方便高效的开发环境：因为器件片内有j t a g 调试接口，还有可电擦写 的f l a s h 存储器，因此采用先通过j t a g 接口下载程序到f l a s h 内，再由 j t a g 接口控制程序运行、读取片内c p u 状态，以及存储器内容等信息供设计 者调试，整个开发( 编译、调试) 都可以在同一个软件集成环境中进行。 m s p 4 3 0 有五个系列的m c u ，具体如下： 1 ) m s p 4 3 0 x l x x ：基于闪存r o m 的m c u ，工作电压为1 8 v 至3 6 v 、性 能高达6 0 k b 和8 m i p s ( 带有基本时钟) 包括各种外设，从简单的低功耗比较器 到高性能数据转换器、接口和乘法器等等。 2 ) m s p 4 3 0 f 2 x x - 新的基于闪存系列，功耗更低，1 8 v 至3 6 v 的工作电压下 性能高达1 6 m i p s 。其它增强功能包括偏差为士1 的集成片上超低功耗振荡器、 内部上拉下拉电阻和更多的模拟输入端。提供了多种低引脚数选择。 3 ) m s p 4 3 0 x 3 x x ：较旧的r o m o t p 器件系列，工作电压为2 5 v 至5 5 v 、 高达3 2 k b 、4 m i p s 和f l l 。 4 ) m s p 4 3 0 x 4 x x ：基于闪存r o m 的器件，工作电压为1 8 v 3 6 v ，高达 1 2 0 k b 闪存r o m8 m i p s ，使用f l l + s v s ，同时包含集成的l c d 控制器。低 功耗测量和医疗应用的理想选择。 5 ) m s p 4 3 0 x 5 x x ：新款基于闪存的产品系列，具有最低功耗，在操作电压1 8 到 3 6 v 范围内性能达2 5 m i p s ，启动时为1 2 m i p s 。特性包括一个用于优化功耗的创 新电源管理模块、一个内部控制的电压稳压器，以及超出先前器件两倍的存储能 力。 其中l 、2 、5 系列为不带l c d 驱动的，3 、4 则带有1 6 0 段或者1 2 8 段的液晶 驱动能力。本装置需要有串口通信、看门狗保护、高指令速度和实时时钟，同 时考虑到r a m 和f l a s h 的大小，最终选择了m s p 4 3 0 f g 4 6 1 9 系列作为系统的主 m c u ，它带有1 2 0 k b 的f l a s h ，4 k b 的r a m ，一个8 路输入的1 2 位a d ，两个 硬件u a r t 串口，并带有一个内部看门狗定时器，一个定时器a ，一个定时器b ， 一个基本定时