（信号与信息处理专业论文）电能管理系统研究与设计.pdf

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d o w ns t o r a g ea n dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n 2 7 ：；4g a t e w a yh a r d w a r ed e s i g n 。3 0 3 4 1d d rs d ra mi n t r o d u c t i o n 3 0 ：；4 2d d rs d r a md e s i g ni s s u e s 3 2 3 4 3d e t a i l e ds t u d ya n dd e s i g no ft h ed d rs d r a mb u s 3 4 l i i 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r4s o f t w a r ed e s i g n 4 7 4 1s o f t w a r eh i e r a r c h y 4 7 4 2d a t a l c t i 】r ea n dp r o c e s s i n g 4 7 4 2 1d a t af r a m ef o r m a t 4 8 4 2 2d a t ae n c r y p t i o n ：51 4 3 1g a t e w a ys o f t w a r ef r a m e w o r kd e s i g n 5 3 4 3 2g a t e w a ys o f t w a r ed e t a i l e dd e s i g n 5 6 4 4s e r v e rs o f t w a r ed e s i g n 5 8 c h a p t e r5s y s t e mt e s ta n ds u m m a r y 6 2 i v 5 1t e s te n v i r o n m e n t 6 2 5 2t e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s ：一6 4 5 3p r o s p e c t 6 7 r e f e r e n c e s j 6 8 山东大学硕士学位论文 摘要 通信服务运营商为了应对人民同益提高的通信需求，不断建设通信机房、基 站等通信设施，导致通信网络运行能耗不断增加。为了降低能耗，需要进行节能 减排工作。对各个站点的能耗进行实时监测和不间断跟踪，在此基础上制定相应 的优化措施，是使节能减排长期有效的根本保证。因此，需要一套电能管理系统， 完成电能数据的采集、传输、存储和分析。 本文针对运营商的需求进行分析，研究并设计了电能管理系统。实现了电能 数据的分类采集，包括交流电压有效值，电流有效值，有功功率，无功功率，功 率因数，有功电能，无功电能；直流电压，电流，功率和电能。完成了采集数据 的协议转换、加密和传输，传输方式可以根据需求从以太网，g p r s ，e 1 三种通信 链路中自由选择。 系统采用采集终端、数据网关和上层服务器三层组网结构。采集终端完成电 力信号的转换，电能参数计算并将数据发送给数据网关。为了降低成本，提高可 靠性，采集终端使用a v r 单片机作为主控制器。数据网关接收采集终端上传的电 力数据，对数据进行解析、暂存、重封装、加密，然后上传到上层数据库。数据 网关使用a r m 处理器完成主要处理功能，使用l c d 液晶屏和触摸屏进行人机交 互，完成初始参数的设置，显示系统工作状态。本文完成了采集终端、数据网关 的所有软硬件的研究和设计工作。包括采集终端的耦合、调理电路设计；p c b 布 局布线；编写电力参数计算代码；设计制作了数据网关的8 层p c b 核心板，成功 实现了d d rs d r a m 高速总线的硬件设计；开发了数据网关的人机交互界面和控 制代码，并简单实现了p c 端的测试软件。 最后，本文对电能管理系统进行了全面测试，给出了实测数据。数据表明， 本文研究设计的电能管理系统精度高、运行稳定，能够完全满足设计需求。 关键字：电能采集，线性光耦，高速信号设计，电磁兼容，q t 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go f p e o p l e s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n e a c h o t h e r , t h et e l e c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e p r o v i d e r sk e 印 o n b u i l d i n gt h ec o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n tr o o m ，b a s es t a t i o n sa n d o t h e rc o m m u n i c a t i o nf a c i l i t i e s ，t h i sc a u s e dt h e e n e r g yc o n s u m p t i o ng r o w i n gr a p i d l y e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nw o r k s h o u l db ed o n et or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n i no r d e rt oe n s u r et h ee n e r g ys a v i n g w o r ki su s e f u l ，e v e r ys i t e se n e r g yc o n s u m p t i o nn e e d st ob ec o l l e c t e da n dt r a c k e d , s o o p t i m i z a t i o nm e a s u r e sc a n b ed e v e l o p e d t h e r e f o r e ，ap o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m s h o u l db ed e s i g n e dt oc o l l e c te n e r g yd a t a , s e n di t , s t o r ei ta n da n a l y z ei t t h i sp a p e ra n a l y z e dt h et e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r s n e e d sa n dd e s i g n e d ap o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m c o m p l e t e dt h ec o l l e c t i o no fe n e r g yd a t a , i n c l u d i n ga c v o l t a g er m sv a l u e ，c u r r e n tr m sv a l u e ，a c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e r , p o w e rf a c t o r , a c t i v ee n e r g y , r e a c t i v ee n e r g y ；d cv o l t a g e ，c u r r e n t , p o w e ra n de n e r g y c o m p l e t e dd a t a p r o t o c o lc o n v e r s i o n ，d a t ae n c r y p t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n , t h e r ea r et h r e ek i n d so f c o m m u n i c a t i o nl i n k sc a nt r a n s f e rd a t ai n c l u d i n ge t h e r n e t ，g p r sa n de 1 t h es y s t e mu s e sc o l l e c t o r s ，g a t e w a y sa n ds e r v e r st of o r mat h r e el a y e r sn e t w o r k s t r u c t u r e t h ec o l l e c t o r sc o m p l e t et h ec o n v e r s i o no fe l e c t r i c a ls i g n a l s ，t h ec a l c u l a t i o no f e l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n dt h et r a n s m i s s i o no ft h ed a t at og a t e w a y s t h ec o l l e c t o ru s i n g a na v rm i c r o c o n t r o l l e ra st h em a i nc o n t r o l l e rt or e d u c ec os 【sa n di m p r o v es t a b i l i t y t h eg a t e w a yr e c e i v e st h ed a t at h a tb eu p l o a d e db yc o l l e c t o r s ，a n dp a r s ei t , s t o r ei t , r e p a c k a g ei t , e n c r y p t i o ni t , a n dt h e nu p l o a di tt ot h et o pd a t a b a s e t h eg a t e w a yu s ea n a r mp r o c e s s o ra sam a i nc o n t r o l l e r , u s eal c ds c r e e na n dat o u c hs c r e e nt o c o m m u n i c a t e 、析t l lt h eu s e r , s e tt h ei n i t i a lp a r a m e t e r sa n dd i s p l a yt h es y s t e ms t a t u s t h i s t h e s i sc o m p l e t et h ec o l l e c t o r sa n dt h eg a t e w a y sd e s i g nw o r ki n c l u d i n gh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h ew o r ka b o u th a r d w a r ei n c l u d i n gd e s i g na n a l o gc i r c u i t , p c bl a y o u t ，d e s i g n t h e8l a y e r sp c bb o a r da n dd e s i g nd d rs d r a mh i g h - s p e e db u sc i r c u i t t h es o f t w a r e w o r ki n c l u d i n gd e v e l o pa l g o r i t h mc o d ea n dc o n t r o lc o d ea n dd e s i g nt h eg a t e w a y sg u i f i n a l l y , t h et h e s i st e s t st h ep o w e rm a n a g e m e n ts y s t e ma n dr e c o r dt h em e a s u r e d d a t a t h ed a t as h o wt h a tt h i ss y s t e mh a sas t a b l eo p e r a t i o nw i t i ll l i g hp r e c i s i o n , a b l et o f u l l ym e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s i g n a lc o l l e c t i o n ，l i n e a ro p t o c o u p l e r , h i g h s p e e ds i g n a ld e s i g n ， e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，q t 2 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和目的 第1 章绪论 近几年，运营商的机房、移动基站、接入站的数量不断增大，特别是移动基 站的数量增加非常迅猛，能耗巨大。这些通信机房里的各种电子设备，是需要在 一定的温度环境下( 机房环境国家标准g b 5 0 1 7 4 9 3 规定长年机房温度为1 8 c - 2 8 。c ) ，才能长期j 下常地运行，为了达到机房标准的环境温度，每个通信机房均 配备了一定的空调，而这些空调长年处于开机状态，占机房用电总量的比例很大。 各大运营商机房( 基站) 的能耗总量中，其能源费用支出数额较大，其中生 产用电占总耗能费用的绝大部分，是节能减排工作的重点。为此，各运营商积极 响应国家、集团公司的号召，积极开展节能减排工作。技术是手段，管理才是基 础。如何对各个站点的能耗进行实时的检测和不问断的跟踪，在此基础上评价节 能减排实施的效果，并制定相应的进一步的优化措施，是使节能减排长期有效的 根本保证。但由于目前三大运营商的通信机房和基站内没有能耗计量系统，无法 对各个站点能耗进行实时的监测及管理，难以判断节能减排效果的真实性。更无 法对这些措施实施的效果进行长期有效的跟踪。 目前基站用电管理工作存在难题，对于地市分公司来讲，在网运行基站少则 数百个，最多的超过2 千个，基站设备配置繁杂、分布地域广、机房类型多种多 样、气候特征千变万化，使全网基站耗电量千差万别，基站用电量似乎没有可比 性。如何及时审核众多基站用电量是否合理，长期困扰着基站用电管理的维护人 员。以济南联通为例，对每月数百个基站用电抄表数据核对分析工作，仅能参照 该基站上月、去年同期或相同配置基站等用电数据进行简单的比对，但是受气候 变化、基站设备调整、基站抄表间隔不确定等因素的影响，每月仅能对用电量变 化较大的基站进行分析，虽然也能发现和解决部分基站出现的用电异常问题，但 是对全网基站每月用电总体情况的把握、单个用电异常基站控制响应时间等方面， 与有效降低基站用电成本的要求仍有很大的差距。由于基站数量众多，目前的管 理方式难以实现机房、基站能耗的精细化管理，非常有必要建设一套能源管理系 山东大学硕士学位论文 统予以支撑。 本课题研究的目的就是在保证现有机房电表不动，尽量使用各机房、基站所 能提供的有效通信链路，在保证检测功能的基础上节约投资等条件下，建设一套 专门针对运营商用电检测的智能化信息系统。该系统能够监测、计算、对比分析 通信基站、接入网点、模块局、中心机房内的交直流用电设备的各类电气参数， 实现用电数据的实时采集、传递，数据分析与报表，分集查询，定时备份等功能。 1 2 测量单元功能需求 中心机房计量点较多，为了布线方便，要求在每层或区域内安装测量单元； 接入网点，单元局，基站等以站点为单位安装测量单元。机房测量单元接口需灵 活配置，具备后期扩展能力，并应配备以太网接口。基站专用测量单元采用一体 化挂箱结构，内置g p r s 模块，安装简单、接线方便。测量单元能够直接采集相 关数据，通过以太网线缆连至网络设备、或以g p r s 方式向上层数据库传输。 1 采集范围 交流( 单相三相) 测量单元采集量包括：电压、电流、有功功率、无功功率、 有功电度、无功电度、功率因数。 直流( 4 8 v ) 测量单元采集量包括：电压、电流、功率、龟度数。可以扩充温 湿度、电池状态等功能。 2 与地市汇聚层的通讯 测量单元根据现场需要配置通信接口，如：e l 、以太网、g p r s 等。测量单元 通信接口兼容d l 厂r 6 4 5 通讯规约。测量单元带本地存储功能，如与地市汇聚层通 讯出现故障，可按照要求存储相应数据，待通讯恢复后，可将出现故障时间段的 数据上传至地市汇聚层。要求在与地市汇聚层之间传输的数据采用安全加密算法 进行加密传输，以保证数据传输安全性。 3 测量单元的配置和维护 通过测量单元上的系统维护通讯口，用户可通过便携式电脑或终端对测量单 元进行系统配置。也可以通过地市汇聚层对测量单元进行配置和维护。 4 山东大学硕士学位论文 4 测量单元重新启动 测量单元在失电后，当电源重新恢复供电时，测量单元具备自动启动能力。 测量单元在接收到地市汇聚层或维护软件下达的重启动命令后，测量单元自动执 行初始化程序，重新启动工作。 5 测量单元诊断、检测、维护 测量单元具备在线自诊断功能，自诊断能力可以检测到板件的故障；具备远 程诊断、系统维护等功能。测量单元应能通过自身的维护口进行就地诊断。 6 实时时钟与对时 为方便电能量的采集，测量单元内置电池供电的实时时钟，设备断电后能维 持时钟走时1 年，实时时钟精度好于5 p p m 。系统可以通过通信方式为各测量单元 校时，使整个系统时间统一。 7 数据断电保持 测量单元采集或计算的电度等能量数据不因偶然的断电而丢失，采集的能量 数据具备带时标保持1 年以上的能力。 1 3 章节安排 本文分析系统需求，研究讨论设计方案，最终完成系统软硬件设计和测试。 具体章节安排如下。 第1 章，简单描述了课题研究背景，论述了课题研究和设计的必要性；总结 设计需求。 第2 章，根据系统需求，综合系统设计各方面因素，制定了系统整体设计方 案。根据采集终端需要采集的电能参数，查阅资料，得到电能参数的计算方法， 并进行软件实现。 第3 章，完成系统的硬件设计，包括直流采集终端、交流采集终端以及数据 网关的硬件设计。设计了采集终端中优良的信号采集和调理电路，完成数据网关 中8 层核心板的高速p c b 设计。所有硬件设计达到系统参数要求。 第4 章，简单论述了系统软件架构，讨论了数据传输中的帧结构、加密方法； 山东大学硕士学位论文 利用q t 设计了数据网关中的交互界面和控制程序。完成了数据网关和数据库端应 用程序设计。 第5 章，对系统进行整体全面测试，分析测试结果，验证设计方案。 山东大学硕士学位论文 2 1 系统架构 第2 章系统架构及电能参数计算 2 1 1 系统整体设计 系统采用3 级组网结构。网络拓扑如图2 1 所示： 省级数据处 理监控平台 第3 级 呻徽慧蹄黼慧黝 il 以奠, z f 4 g p r s e 1以) k m g p r s e 1 一一一一 一一一一一i 一一一一一一一一一一十一一一一一l 一一一一一一一一一一一- 一一一一 叁岛国吕叁岛国8 嬲 图2 - 1 系统网络结构拓扑 第l 级为局端监测现场网络，局端监测现场网络完成现场用电信息的数据采 集，汇总，协议转换，并采用适当的链路形式将采集的数据传输到地市级数据汇 集中心服务器。 第2 级为地市级数据汇集中心，收集各机房、基站、接入站的用电数据，进 行本地数据缓存，统计汇总各类数据，并根据设置要求，分类别、分时间段上传 至省级数据中心。地市级数据中心只有数据收集、汇总的权限，而没有数据当地 查询和修改的权限，以保证省级中心所收集数据的原始性、真实性。 第3 级为省级数据中心，省级数据中心收集全省各地的用电信息，分类存储 至中心数据库，定时对数据安全备份，并建立监测信息系统软件平台，对数据进 行统计、分析、报表管理，产生各种类型的日统计报表、月统计报表、季统计报 7 山东大学硕士学位论文 表和年统计报表，这些报表将成为指导节能决策、挖掘节能潜力、优化节能管理 流程制度等的有力依据，以实现能耗数据的精确化、具体化管理。同时，接受各 地市级有关人员的信息查询。 2 1 2 局端监测网络 局端监测网络由用电信息采集终端、供电设备及局端通信网关组成。每个机 房、基站或接入站设置一台高可靠性通信网关设备，若干用电信息采集终端设备， 这些采集终端通过r s 4 8 5 总线连接到通信网关设备上。如图2 2 所示： ，一、7 、。、 攀舳佑? j 图2 - 2 局端监测网络 采集终端由传感器和m c u 构成，用于实时采集用电设备的电压、电流，通过 数字信号处理算法计算供电设备的功率和电能。采集终端将这些数据通过r s 4 8 5 总线定时上传到局端通信网关设备，通信协议符合电表通信规约 d l 厂r 6 4 5 1 9 9 7 2 0 0 7 。每个采集终端具备独立的地址码，以便网关设备识别所 连接的用电设备类型，从而进行分类统计。采集终端根据用电设备的用电类型又 分成直流终端、单相交流终端、三相交流终端。 通信网关采用嵌入式计算机实现，能够收集本地信息，并储存于本地存储器。 通信网关对数据进行收集，计算处理，并本地存储后，选择合适的链路，发送到 数据汇集中心服务器。通信网关具有液晶和触摸屏，具有友好的人机界面，能够 现场进行通信配置。 山东大学硕士学位论文 2 1 3 地市级及省级数据中心 地市数据汇集中心的主要任务是汇集本地市所有局端网关发送来的用电信 息，进行本地存储，并按照设置频度要求上传到省级数据中心数据库服务器。地 市级数据汇集中心设置双机互备本地数据库服务器，用于缓冲本地采集的数据信 息，并保证其高可用性。 数据采集服务器负责轮流采集各机房、基站、接入站的局端通信网关所收集 的本地用电信息，并进行分类汇总。数据转移服务器负责将数据采集服务器采集 到的数据信息转移到数据库服务器内，并负责在规定的时间将本地数据库服务器 中的数据转移到省级数据中心服务器。地市级数据汇集中心设置的防火墙进一步 提供数据包过滤功能，进一步提高通信的安全性。 省级监控中心设备能够与d c n 网连接，可以接收各地市监控中心上传的数据， 并根据数据做存储、计算、对比分析，生成报表，为节能减排及设备运营维护提 供参考数据。 省级数据中心配置两台数据库服务器，用于实时收集个地市数据中心转移上 来的用电信息数据，并根据时间设置，将数据转移到网络存储服务器上。使用两 台数据库服务器，采用双机冗余的方式，一方面保证数据库服务器的可靠性，另 一方面利用双机冗余负载均衡可以提高其吞吐能力。 省级数据中心配置一台或多台应用服务器，该应用服务器运行整个管理信息 系统的后台软件，为用户提供各种信息查询服务。查询服务器用于完成用户的身 份认证，为不同的用户提供不同的查询界面。应用服务器和查询服务器都是基于 b s 架构，用户只要拥有浏览器，有合适的权限，并经过简单的认证过程，便可查 询到自己权限范围内的数据。 2 2 电力参数测量原理与算法 电能参数的计算由采集终端完成，其基本过程为通过a d 转换把电压、电流 模拟信号转换为离散的数字信号，然后在单片机中通过定点算法完成各参数的计 算。需要计算的参数有：电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在 9 山东大学硕士学位论文 功率、功率因数、有功电能、无功电能等。 2 2 1 电压电流有效值的计算 交流电的有效值是按电流的热效应进行定义：让一个交流电流和一个直流电 流分别通过阻值相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，那么就把这一 直流电的数值叫做这一交流电的有效值【l 】。 v ( o f ( f ) 一 r 交流电路直流电路 图2 3 等效电路示意图 对于标准正弦信号，可用平均值响应法测量其有效值。 足 珞效= 髟 ( 2 - 1 ) 其中： k ，= 1 1 1 1 【2 】，为正弦波平均值和有效值之间的恒定比例因子。 矿= ；r l 材( ，) 陋，为交流电的平均值。 此方法只能用于标准正弦波有效值的计算，如果被测信号存在失真，则会引 入显著的测量误差，这是平均值法固有的算法缺陷，不适用于本文方案。 本文使用一种更通用的算法，均方根值法( r m s ，r o o tm e a ns q u a r e ) 。在数 学上，r m s 又称二次均值，是动态信号有效值的一种统计算法，可以使用一个离 散序列或一个时域连续的函数计算r m s 值，它是一个广义平均指数p = 2 的特殊 情况【3 】o 对于一个时域连续变化的函数厂( f ) ，其r m s 值定义为： 1 0 山东大学硕士学位论文 取五f 互， 厶= 舰厮 厶= 后万面 对于一个连续的离散序列 而，x 2 ，吒) ，其r m s 值定义为， ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 根据交流电有效值的定义，某交流电流f ( f ) 在时间段丁内流经电阻尺产生的热 量为：q = r 【f ( f ) 】2 r d t ，某直流电流j 在相同时间段r 内流经同一电阻欠产生的热 量为：q 2 = i ：r t 。 由q l = q ，则r 【f ( f ) 】2 r d t = j 2 r 丁， 由此求得，此交流电流的有效值k 为： 。踊丽 用同样方法，可推导出交流电压的有效值u 。为： 吒= 痧 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 对于正弦交流电，在一个周期内，对电流、电压信号进行有限点( n 个) 采 样，用采样值代替电流、电压函数，得到电流、电压的离散化计算公式： l 。= 降 = 属面 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 山东大学硕士学位论文 式中，t ：电力信号波形的周期：厶、玑：分别为第力个电流、电压采样点 的瞬时采样值；n ：一个周期内的采样点数；r ：相邻两次采样时刻的时间间隔。 若进行等时间间隔采样，即a t = 去，则有： i 咖= 晤i n - i 2 = 1 丙| 缶n - i u 。2 。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 就是本文采用计算交流电流、电压有效值的公式。 2 2 2 功率的计算 ， 1 、有功功率 在一个周期内电路吸收的平均功率即为有功功率，对于正弦交流电，它的值 为： p = ；r 础= 研c o s ( 虬一彬) = 研c o s 9 ( 2 一1 1 ) 式中，u 、，为电压、电流的有效值；尹= 虬一是电压与电流在关联参考方 向下的相位差；c o s 伊称为功率因数，缈称作功率因数角。 在电流、电压含有各种谐波的情况下，p = ；j c r 甜( ，) f ( t ) d t ，离散化后得： p = 丙| 刍n - i u j l l ( 2 - 1 2 ) 式中，q 、l 为电压、电流在采样时刻的瞬时值；n 为在一周期内的采样点 数。从公式中可以看出，有功功率p 是各个采样点瞬时功率的平均值，这就要求 电压、电流的采样必须在同一时刻进行，否则计算结果会产生较大的误差。该算 式不用测量电压和电流之间的功率因数角，减小了计算软件的复杂度。同时，该 算式还要求电压和电流的必须是等时间间隔采样，否则计算结果会有很大误差。 2 、视在功率和无功功率 1 2 山东大学硕士学位论文 视在功率s 等于电流、电压有效值的乘积，有效值能客观地反映正弦量的大小 和它的做功能力，因此视在功率反映了为确保网络能j 下常工作，外电路需传给网 络的能量或该网络的容量。 s = 。k ( 2 1 3 ) 有功功率p 、无功功率g 、视在功率s 满足如图2 4 所示功率三角形关系1 4 。 由此可得，无功功率q ： 图2 4 功率三角形示意图 q = 4 s 2 一p 2 ( 2 1 4 ) 功率因数： c o s 缈：= p ( 2 1 5 ) c o s 缈2 i 2 。1 5 计算无功功率，还可以使用移相法。根据无功功率的计算公式 q = k s i n 缈2 u 。k c 。s ( 伊一三) ，将电流相位滞后三，有功功率的计算公式就 变成了无功功率的计算公式。在一个周期进行n 次采样，既使用的电流采样值需 滞后4 个采样点。 q = 专篓队州。 协 这种方法直接使用采样数据计算出无功功率，不会因为s 、p 的计算误差而引 入传递误差，但是若采样波形中含有高次谐波，则此算法不适用，无法计算出正 确的无功功率值。因此本文采用( 2 1 4 ) 式计算无功功率。 3 、电能 电能是对功率在某段时间上的积分，在时间段 ，l ，f ：】内，消耗的电能可以表示 山东大学硕士学位论文 为： 矿= 肛咧f ) a r t 使用采样值计算，将上式离散化： ( 2 1 7 ) 形= ( f 2 一f 1 ) 专善n - 1 u l ( 2 1 8 ) 上式即为计算电能的公式。本文在计算软件中使用定时器精确定时，不断对 电能进行累加，保证了计算电能的精度。 1 4 山东大学硕士学位论文 3 1 硬件设计原则 第3 章系统硬件设计 在常用的系统中，硬件是软件赖以运行的基础，没有硬件，软件毫无用处； 同样，软件是硬件的灵魂，没有软件，靠指令运行的硬件也无法发挥其应有的功 能。对于本文的系统，硬件设计要满足下列原则【5 】： l 、高稳定性与高可靠性 在本文的应用中，需要在现场安置大量采集节点和数据网关，这些硬件的稳 定性和可靠性直接决定整个系统的鲁棒性，同时也决定产品后期维护的工作量。 2 、低成本 按照系统需求，需要对不同类型用电设备分类采集，得到精细化电能数据， 因此，需在应用现场安置大量采集设备，设计低成本的采集终端及数据网关，能 大幅降低整个系统的成本。 3 、便于安装 采集节点需要连接大量走线进行电压、电流数据的采集，接线方便快捷能够 保证施工的快速性，同时还需要接线端子接触良好、牢靠；接线端子要具有明确 标示，避免接线错误造成测量不准，甚至引起故障。 4 、可扩展 在保证实现系统功能的基础上，硬件设计需要保留一定的可扩展空间，方便 系统升级，增加功能；需要从i o 接口、程序空间、计算速度、电源容量等方面考 虑，设计适当的方案，在较低成本的情况下使系统具有可扩展性。 3 2 硬件设计整体结构 局端监测网络的功能可划分为两部分：数据采集与数据上传。硬件设计基于 不同功能同样分为两部分：采集终端和数据网关。采集终端完成用电数据的实时 采集、计算；数据网关将采集终端采集的数据按要求上传到上层数据库。采用这 山东大学硕士学位论文 种硬件方案，能简化硬件设计，如果把采集功能和上传功能设计在一个设备中， 势必会增加硬件复杂度，降低系统稳定性；这种设计方案还可降低系统成本，数 据网关比采集终端成本高，采用这种硬件结构，一个基站或机房只需要一个数据 网关即可，因此能大幅降低系统成本。 采集终端根据被采集电力数据的种类分为三种，交流三相采集终端、交流单 相采集终端和直流4 8 v 采集终端。这三类采集终端结构都可以用图3 1 来表示。 图3 1 采集终端结构框图 电力线中的电流和电压信号需经过互感器或其他耦合装置，把电力线中的强 电信号按一定比例转换为可被采集终端处理的弱电信号。单相和三相交流电可使 用线圈互感器，直流电可使用霍尔传感器检测。转换后的弱电信号进入前端信号 调理电路，对信号进行适当的放大、滤除噪声以及阻抗匹配，以满足a d 转换的 采集范围，并最大化利用a d 转换器的转换范围，由此提高模数转换精度。然后 信号被采集终端的a d 转换器转化为数字量，通过数字信号处理算法，计算出相 应的用电数据。采集终端接受数据网关的轮询指令，将这些数据按照一定的格式 上传到数据网关中。 采集终端还具有掉电存储功能：m c u 微控制器中的e e p r o m 用于存储电度 数，由于e e p r o m 有擦写寿命限制( 1 x 1 0 5 次) 【6 】，不能频繁的将累积数据写入 e e p r o m ，否则将造成e e p r o m 存储器过早失效。采集终端采用每2 小时写入一 次电度数的方案，这样能大幅减少e e p r o m 的擦写次数，但同时会引入一个问题， 若系统突然断电，在上次存储和断电时刻之间计算的电度数将丢失，造成较大的 1 6 山东大学硕士学位论文 测量误差。掉电存储模块可以在系统突然掉电后，维持微控制器运行一段时间， 将未存储的电度数据，及时写入到e e p r o m 中，保持测量结果的准确性。 数据网关硬件结构较为复杂，其结构框图如图3 2 所示。 甲早甲 图3 2 数据网关结构框图 采集终端将用电数据经r s 4 8 5 总线上传至数据网关，上传数据通讯波特率和 上传方式可由通讯网关通过命令设定；数