单相电子式载波预付费智能电能表的设计与实现优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 （工程硕士） 单相电子式载波预付费智能电能表的 设计与实现 design and implementation of single-phase electronic plc prepayment smart electricity meter 李宏伟李宏伟 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2012 年年 2 月月 国内图书分类号：tm933.4 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 单相电子式载波预付费智能电能表的 设计与实现 硕 士 研 究 生：李宏伟 导师：赵洪林 教授 申请学位：工程硕士 学科：电子与通信工程 所在单位：哈尔滨电工仪表研究所 答辩日期：2012 年 2 月 授 予 学 位 单 位：哈尔滨工业大学 classified index: tm933.4 u.d.c: 621.3 dissertation for the masters degree in engineering design and implementation of single-phase electronic plc prepayment smart electricity meter candidate: supervisor: academic degree applied for: speciality: affiliation： date of defence: degree-conferring-institution: li hongwei prof. zhao honglin master of engineering electronics and communication engineering harbin research institute of electrical instruments february，2012 harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 目前，随着国家智能电网的建设，国家电网公司针对智能电网的用电环节 提出了双向互动营销技术的建设目标，建设新型的网络化、智能化用电信息采 集系统，实现对电力用户的用电信息自动采集，计量异常监测、电能质量监测、 用电分析和管理。智能电能表是用电信息采集系统的终端计量设备，在电力部 门与电力用户间构建了一个公平的计费桥梁。 本课题所研究的单相电子式载波预付费智能电能表（简称智能电能表）是 针对这一实际市场需求而设计开发的新型智能电能表。智能电能表具有有功电 能双向计量功能；电压、电流、功率等电参数监控测量功能；宽温 lcd 显示功 能；电力线载波通信功能；rs485 通信功能；红外通信功能；cpu 卡预付费功 能；分时计费功能以及阶梯电价等功能，完全能够满足用电采集系统对智能电 能表的功能需求。 本文首先介绍了电能表的发展历程和现状，重点介绍了本课题所研究的具 体内容和本文的主体结构。 其次，本文详细分析了智能电能表的整体硬件电路设计。主控单元采用了 freescale 的高性能单片机 mc9s08mz60 为核心处理芯片， 简化了外围电路的设 计，提升了系统的数据处理能力；电能计量单元采用专用的电能计量芯片 rn8209， 这是一款国产的高性能的芯片， 具有一路电压和两路电流的测量功能， 有功电能计量精度能够完全满足设计的需要；电力线载波通信芯片采用了东软 的基于 bfsk 扩频调制方式的低压电力线载波通信芯片 plci36g-iii-e， 实现了 与用电采集系统的远程通信；采用了基于 esam 安全认证方式的 cpu 卡预付 费方式，保证了用户信息的安全性、可靠性。 在本文的最后，给出了智能电能表软件程序设计的思路和程序框图，以及 智能电能表可靠性设计的一些要求。 关键词：智能电能表；载波；预付费 - i - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 abstract with the construction of smart grid, the state grid corporation of china has put forward the construction target of two-way interactive marketing in allusion to the electrical utilization to develop new-type network-based intelligent information acquisition system with the function of automatically collecting electrical information, measurement abnormity monitoring, power quality monitoring ,electrical analysis and management. smart electricity meter is the terminal measuring equipment of the electrical information acquisition system, building a bridge between utility and customers for fair billing. single-phase electronic plc prepayment smart electricity meter （ smart electricity meter for short）in this paper is a new-type smart electricity meter designed to meet the practical market demand with the functions of two-way metering for active energy, monitoring and measuring electrical parameter like voltage, current and power, lcd display at wide range of temperature, power line carrier communication, rs485 communication, infrared communication, prepayment with cpu card, time-share billing, step tariff and so on, which can satisfy the functional requirements of electrical acquisition system. firstly, this paper introduces the development history and current status of electricity meter and emphasizes the specific content and main structure of this paper. and then, the overall hardware circuit of the smart electricity meter is analyzed. in order to simplify the design of peripheral circuit and improve the ability of data processing, the main control unit adopts the high-performance scm mc9s08mz60 produced by freescale as the core processing chip. electricity measurement unit employs appropriative electricity measurement chip rn8209 which is made in china and has the function of measuring one-channel voltage and two-channel current and whose active energy metering accuracy can fully meet the design requirement. the chip plci36g-iii-e based on low-voltage power line carrier communication and spread spectrum modulation produced by eastsoft was used as power line carrier communication chip to achieve the telecommunication with the electricity information acquisition system. the cpu card prepayment based on esam security certificate is adopted to guarantee the safety and reliability of user information. at the last part, the thought of smart meter software program design and program chart as well as the reliability requirement of smart electricity meter are provided. keywords: smart electricity meter, power line carrier, prepayment - ii - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目 录 摘 要. i abstract .ii 第 1 章 绪 论 .1 1.1 课题来源及研究的目的和意义 .1 1.2 国内外研究现状.2 1.2.1 国外电能表技术的发展 .2 1.2.2 国内电能表现状.3 1.3 本文主要研究内容及结构.4 第 2 章 智能电能表原理.7 2.1 电能测量原理与计算方法 .7 2.1.1 有功电能测量.7 2.1.2 电压有效值测量.7 2.1.3 电流有效值测量.8 2.2 乘法器测量原理.8 2.2.1 模拟乘法器测量工作原理 .8 2.2.2 数字乘法器测量工作原理 .9 2.3 电能测量实现方案.11 2.3.1 dsp交流采样技术.11 2.3.2 电能计量芯片.12 2.4 本章小结.13 第 3 章 智能电能表硬件设计.14 3.1 智能电能表组成原理.14 3.2 电源电路.14 3.3 电能计量.15 3.3.1 rn8209 芯片特性及功能.16 3.3.2 电能计量电路.16 3.4 单片机（mcu）控制电路 .19 3.4.1 mc9s08mz60 芯片特性.20 3.4.2 mc9s08mz60 硬件资源分配.21 3.4.3 mc9s08mz60 外围电路.23 - iii - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3.5 lcd显示驱动控制电路.23 3.6 继电器控制电路.25 3.7 cpu卡接口电路.26 3.7.1 cpu卡接口电路介绍 .26 3.7.2 esam模块介绍.28 3.8 存储器电路.29 3.9 硬件时钟电路.30 3.10 通信接口电路.31 3.10.1 红外通信接口电路.32 3.10.2 电力线载波通信接口电路 .33 3.10.3 rs485 通信接口电路 .34 3.11 本章小结.36 第 4 章 智能电能表软件设计.37 4.1 软件开发环境及程序设计方案 .37 4.1.1 软件开发环境.37 4.1.2 程序设计方案.38 4.2 子程序功能模块.39 4.2.1 系统初始化.39 4.2.2 电能计量.40 4.2.3 lcd液晶显示.41 4.2.4 读时钟数据.42 4.2.5 cpu卡预付费.43 4.2.6 远程通讯.45 4.2.7 按键扫描.48 4.2.8 低功耗处理.48 4.3 中断程序.49 4.4 本章小结.50 第 5 章 智能电能表可靠性设计及试验结果 .51 5.1 电磁兼容设计.51 5.1.1 电磁干扰源.51 5.1.2 抗干扰措施.52 5.2 基于元器件应力法的可靠性预计 .53 5.3 智能电能表试验结果及分析 .54 5.3.1 基本误差试验.54 - iv - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - v - 5.3.2 起动试验.55 5.3.3 日计时误差试验.56 5.3.4 短时过电压影响试验.57 5.3.5 电力线载波通信试验.57 5.4 本章小结.59 结 论.60 参考文献.62 附 录.65 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 .67 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明.68 致 谢.69 个人简历.70 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 课题来源及研究的目的和意义 随着我国国民经济的快速发展，人们对于电力的需求呈现出上升的趋势， 形成了工业用电、商业用电、公共用电、居民用电等多种用电类型共存的局面。 在全球能源日益紧张的今天，电作为一种关系国计民生的商品资源越发显得珍 贵和重要。随着用电量的日益增加，也为电网的安全、稳定运行带来了诸多不 良因素和影响。因此，出现了在用电高峰期间，进行拉闸限电，实行多费率计 费，以削峰填谷等行政手段和经济手段的平衡用电政策。 从发电的角度来看，过度的发电势必会造成资源的浪费，因此若要解决用 电平衡和响应国家节能减排的政策，电力企业只能通过提高对用电的管理水平 来实现。 因此， 电能表作为衡量用电多少的计量器具在其中起到了关键的作用， 如何实现电量的准确可靠计量、远程计量和实时计量，以及电能贸易结算的公 平、公正，直接关系到电力企业和广大电力用户的切身利益。 本课题直接来源于国内电力市场的需求。根据国家电网公司“集团化运作、 集约化发展、精益化管理、标准化建设”的要求1，电能表的功能和技术性能需 要有更高的要求，确保电能信息采集系统的运作水平大幅提高，提升电力企业 系统经营管理的水平和优质服务的水平。 传统的人工抄表方式已经不再适应新形势下用电管理的需求，人工抄表导 致抄表员工作量大，漏抄、错抄现象时有发生，更是无法精确的计算线损，使 得电力公司损失较大，因此，远程自动抄表已是用电管理的必然发展方向2。 目前，远程自动抄表的通信方式以有线方式和无线方式为主。电力线载波 通信和 rs-485 总线通信属于有线连接。rs-485 总线通信需要重新布线，工程 量大且维护成本较高3；而无线抄表方案相对成本较高，适合特定的环境。比 较于其它各种有线通信方式来说，电力线载波通信的优点在于它可适应任何用 电的基础设施，无需重新布线，利用现有的低压线路即可，既有无线技术的灵 活性，同时通信介质又归电力公司自己所有，因此，电力线载波通信是实现远 程自动抄表技术最佳的通信方式。 预付费是指先交钱，后用电的一种计价模式。相对于普通的电能表来讲， 采用了预付费功能后，可以大大降低电力公司的催缴电费成本，充分调动了电 力用户交纳电费的积极性，不断提高电力用户的用电节电意识。特别是针对一 些收费不方便或困难的地方，采用了预付费功能后，将彻底解决电费收缴困难 -1- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 的问题。 本课题所设计的智能电能表将适应智能电网建设，满足智能用电信息采集 系统对终端计量设备的功能需求。重点解决了基于电力线载波通信方式的远程 抄表技术和预付费技术，满足相关国家标准、行业标准的技术要求。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外电能表技术的发展 100 多年前第一台电能表诞生4。1880 年德国发明家爱迪生利用电解原理 制造出世界上最早的直流电能表5。1889 年，匈牙利岗兹公司的一位名叫布勒 泰的德国人研制出总重量为36.5kg的无单独电流铁芯感应式电能表6。 1890年， 带电流铁芯感应式电能表研制成功。 直到 19 世纪末期， 交流感应式电能表的制 造理论基本形成7,9。 20 世纪初，感应式电能表得到了快速发展。当时，国外的感应式电能表的 过负荷能力已能达到 600以上，使用寿命长达 1530 年。感应式电能表具有 结构简单、操作安全、坚固耐用等优点，但其测量精度低、功能简单、频率范 围窄等缺点，限制了感应式电能表的发展。 20 世纪 40 年代，最早的电子式电能表诞生于欧洲9。早期电子式电能表 的测量机构仍采用传统感应式电能表的测量机构，电能到脉冲的转换由光电传 感器现实，经电子电路对脉冲进行采样处理，实现对电能的计量10。由于这种 电子式电能表的测量机构仍沿用了感应式电能表的测量机构，因此又称为半电 子式电能表或机电脉冲式电能表。 这类电能表由于受到感应式测量机构的制约， 机电脉冲式电能表功能单一、难以提高测量精度和降低功耗，并且成本较高， 性能和可靠性并不比感应式电能表有明显优势11-13。 直到 20 世纪 90 年代初期，随着电子技术的快速发展，电子式电能表的技 术取得了突飞猛进的发展。在日本、欧洲和美国等地区，出现了一批寿命更长、 可靠性更高、更适合现场安装使用的电子式电能表。此时的电子式电能表测量 机构采用了电子乘法器来实现电能测量，与感应式电能表的测量机构比较，电 子式电能表取消了仪表转子，故又被称为全电子式电能表或静止式电能表。电 子式电能表采用单片机技术，利用软件编程就可实现电量计量、电参数测量、 远程通信以及控制管理等功能，在实现多费率计量、电参数测量和数据存储及 通信等方面有着明显的优势14-17。全电子式电能表不仅增加了输入电压和电流 的过载能力，同时提高了测量精度以及降低了自身的功耗。由于全电子式电能 表建立在芯片和软件编程的基础上，因此具有良好的功能扩展性，目前在常规 -2- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 的全电子式电能表的基础上发展出了电子式多费率电能表、电子式多功能电能 表、 电子式 ic 卡预付费电能表、 电子式载波电能表以及电子式多用户电能表等 一系列不同功能和精度等级的电能表产品18-21。 目前各类电子式电能表在国内外的应用已经非常普及。随着大规模集成电 路技术的发展，用于电子式电能表的专用芯片越来越多，如高性能大容量的单 片机、基于 a/d 采样和 dsp 技术的电能计量芯片、高精度时钟芯片，数据存 储芯片等等，电子式电能表的功能越来越多，可靠性越来越高，性价比越来越 高。随着单片机技术的发展，计量芯片性能的提高以及专业集成芯片的使用， 电子式电能表的设计水平在不断提高，规模化生产工艺技术也非常成熟，形成 了一个欣欣向荣的产业9。 1.2.2 国内电能表现状 20世纪50年代我国开始自主研制感应式电能表，20世纪70年代开始使用进 口的电子式电能表9。20世纪90年代起，我国电能表进入了快速发展的时期， 先后历经了以机电一体为主的工业多费率电能表到电子式电能表、ic卡预付费 电能表、多功能电能表、载波电能表的发展22,23。2000年以后，由于用电需求 的增加，在市场的推动下，我国各类电子式电能表发展迅猛，目前我国已经成 为世界电能仪表行业最有活力的市场22 。 综上所述，虽然国内对电能表技术的研究和应用同国外相比起步较晚，但 目前的发展和应用却一点也不逊色于国外的发展。甚至很多电能表都开始出口 到国外，足以见证我国电能表产业发展的迅猛。 近年来，电子式载波电能表发展迅速，是目前流行的电能表产品。国外很 早就开始研究电力载波通信技术，研发载波电能表，同时制定相关标准，研制 出电力线载波通信芯片，但国外芯片价格较高，同时也不完全适合于我国电网 的应用环境1，因此没有在我国形成较大规模的发展。在20世纪90年代，国内 就有企业开始研究适合中国电力线环境的载波抄表方案，经过10多年的技术攻 关和试验，目前也已经取得了很好的效果。基于低压电力线载波的抄表技术日 渐成熟，电力线载波通信技术受到了电力公司和企业的关注24。 目前国内专注于电力线载波通信技术的企业有青岛东软公司、青岛鼎信公 司、北京福星晓程公司、深圳瑞斯康微电子公司、弥亚微电子公司等，这些公 司的产品采用的载波调制技术也都不同， 如青岛东软和鼎信采用bfsk扩频调制 技术，福星晓程采用bpsk扩频调制技术、弥亚微电子采用qpsk扩频调制技术 等等，虽然各不相同，但共同点都是采用了扩频的调制技术。产品也在不断地 更新换代，不断的提高通信质量和性能。 -3- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 这些企业只提供电力线载波通信技术产品，而不能提供电能表产品，而国 内主要生产电子式载波电能表的企业有很多，如威胜、林洋、科陆等等，采用 不同的方案技术，实现电力线载波远程抄表，而电力线载波抄表的优势在于， 共享电力线通信介质，具有效能高、安全性高等优点，在电力传输的同时可提 供远程抄表、远程监控等业务25,26。 预付费电能表曾受制于ic卡安全技术的限制未能得到普及的应用，在全国 范围内，仅有部分地区使用。随着新一代cpu卡技术以及加密技术的发展，采 用cpu卡应用在预付费电能表中将是一种发展的趋势和潮流，这不仅仅能够提 高电力公司的收费效率，同时也能够促进电力用户的用电节电意识。 电子式载波电能表虽然具有远程抄表的优势，但是无法实现预付费功能， 而目前国内的电子式电能表多数是将载波抄表功能和预付费功能分开使用，无 法将二者的优势统一结合。本课题的研究成果将载波抄表功能与cpu卡预付费 功能统一结合起来，充分发挥二者的优势，既可以满足cpu卡预付费功能，同 时又能够实现载波抄表功能以及远程通信预付费功能，为电力用户提供多渠道 的缴费方式。 本课题将重点实现高精度电能计量、载波抄表以及cpu卡预付费等功能， 同时还增加了rs-485通信和红外通信，为用户提供更多的通信方式选择。计费 模式可以选择分时计费模式或阶梯电价计费模式，满足不同地区、不同用户的 实际需求，实现平衡用电。 我国电能表正向着低功耗、防窃电、谐波计量、多用户一体化、自动远程 抄收、负荷监控、高精度、多功能等方面发展27，电子式电能表将全面替代感 应式电能表28,29，这也是发达国家电能计量现代化的经验和趋势30。按照国家 相关政策要求，结合我国实际情况分析，电子式载波预付费智能电能表的产业 化发展将成为我国电能表行业发展中重要的组成部分。 1.3 本文主要研究内容及结构 本课题基于当前国内外电能表发展的技术现状，从智能电能表的硬件电路 设计、软件程序设计、可靠性设计等几个方面入手，给出一款符合市场应用需 求的智能电能表产品的设计方案，并在最后给出了相关的试验数据以及测试分 析结果。 本课题将实现完成的主要功能如下： （1） 电能计量：计量正向有功电能、反向有功电能、组合有功电能； （2） 电参数测量：实时测量电压、电流、功率、功率因数、频率等电参 数； -4- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 （3） 存储冻结：具有结算日冻结、日冻结、整点冻结、瞬时冻结、约定 冻结等存储功能，能够存储上 1 月至上 12 月的电量数据； （4） 分时计费：至少支持尖、峰、平、谷 4 个费率，24h 内可以任意设 置 8 个时段。支持节假日、公休日特殊费率时段的设置，具有两套可以任意编 程的费率和时段； （5） 硬件时钟：具有高精度的硬件时钟芯片，具有日历、计时和自动闰 年切换功能。能够满足多费率计量的需求； （6） lcd 显示：采用宽温 lcd 显示电量、电价、时间等参数数据； （7） 费控功能：支持本地 cpu 卡和远程通信预付费功能，可以通过远 程通信对欠费的用户进行拉合闸处理； （8） 远程通信：同时具有红外通信、电力线载波通信和 r485 通信三种 通信方式，满足不同的功能需要，实现远程自动抄表； （9） 阶梯电价：可以实现递增或递减的阶梯电价模式31-34。 本课题的关键技术性能指标如下： （1） 参比电压 220v； （2） 参比电流 10（60）a； （3） 参比频率 50hz； （4） 准确度等级：有功 1.0 级； （5） 起动电流：0.4%(1.0 级)基本电流（ib） ； （6） 工作温度范围：-25+60； （7） 极限工作温度范围：-40+70； （8） 通信信道： 电力线载波通信接口， 红外接口通信， rs-485 接口通信； （9） 通信协议：dl/t645-2007 多功能电能表通信协议 。 本论文共分为 6 章，各章节具体内容如下： 第 1 章：绪论。介绍了本课题的来源及研究的目的、意义，同时介绍了本 课题国内外技术现状并简要的介绍了本文的结构。 第 2 章：智能电能表原理。本章给出了智能电能表电能测量的理论计算方 法和实现的方案，简单介绍了乘法器的工作原理。 第 3 章：智能电能表硬件设计。主要介绍了智能电能表的硬件组成原理， 本章节将从电源电路、计量电路、单片机（mcu）电路、时钟电路、存储器电 路、lcd 显示电路、cpu 卡接口电路、通信电路、继电器控制电路、esam 电 路等硬件电路出发，详细的介绍了硬件设计电路的组成工作原理。 -5- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -6- 第 4 章：智能电能表软件设计。本章在硬件设计平台的基础上，着重论述 了单片机（mcu）软件程序设计的思想，本方案采用单片机嵌入式 c 语言实现 模块化结构程序设计，提高程序的可移植性和可读性，加快了产品研发速度。 第 5 章：智能电能表可靠性设计及试验结果。本章重点对智能电能表进行 了 emc 的设计及分析，从实践的角度出发，提出了一些抗干扰的方案措施。 给出了智能电能表的部分试验测试结果。 最后给出了本文的结论。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 2 章 智能电能表原理 2.1 电能测量原理与计算方法 智能电能表属于计量设备，电能计量是其最基本也是最重要的功能之一， 本课题主要计量有功电能，同时测量有功功率、电压、电流等参数，因此，接 下来只对上述参数的测量方法进行讨论。 2.1.1 有功电能测量 有功电能是指 0的时间范围内，有功功率对时间的积分。 tpt 瞬时电压的数学表达式为 ( )sin2sin m u tutut (2-1) 瞬时电流的数学表达式为 m )( )i sin()2 sin(i ttit (2-2) 则一个周期内的平均有功功率的数学表达式为 p 0 1 ( ) ( )cos t pu t i t dtui t (2-3) 一个周期内的电能w可由如下公式计算 00 ( ) ( )cos tt wpdtu t i t dttui (2-4) 公式 （2-4） 是目前所有乘法结构的电能测量单元的理论基础35。 可以看出， 有功电能是一个与有功功率和时间有关的累积量。 2.1.2 电压有效值测量 在智能电能表的功能里，除了有功电能的测量之外，还需要对电压、电流 等参数进行测量，用来监测用电的状态。 在我国的工业电网中，电压是50hz的正弦波，数学表达式为 sin m uut (2-5) -7- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -8- 2 2f t (2-6) 式中 u电压有效值； m u电压最大值； f工频频率，50h