（电力系统及其自动化专业论文）基于att7022b电能表及其抄表方式的研究.pdf

东北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f c o n t e m p o r a r y e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en e wt e c h n o l o g i e sa r e a p p l i e dt ot h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r ) t h e yc a nr e d u c ee q u i p m e n t c o s t sa n di m p r o v er e l i a b i l i t y , a c c u r a c ya n dm e t e r i n ge f f i c i e n c y , w h i c hh a ss h o w na v e r y w i d e r a n g e o f p o t e n t m la p p l i c a t i o n s e l e c t r o n i ce n e r g y m e t e ra n d c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ne n e r g ym e t e t a n dm a i ns y s t e ma r et h ek e y st oa u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gs y s t e m i nt h ec u r r e n te n e r g ym e t e rp r o g r a m s ，i c a p p l i c a t i o n a c c o u n t sf o ra n i n c r e a s i n g l yl a r g es h a r eo ft h ep r o g r a m a sar e p r e s e n t a t i v eo fd o m e s t i ce n e r g y m e a s u r e m e n ti c a t t 7 0 2 2i nt h ep r i c ea n dp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt h es i m i l a r f o r e i g np r o d u c t s a sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mt e n d st ou s ep o w e rl i n et o c o m m u n i c a t i o n , t w ow a ya u t o m a t i c c o m m u n i c a t i o ns y s t e m f f w a c 8 ) f o r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k sh a sd e v e l o p e dm o r ea n dm o t ei nh o m ea n da b r o a d t h e t e c h n o l o g yc o s t sm u c hl e s s ，c o m m u n i c a t e sa c r o s st r a n s f o r m e r , a n dh a sl o n g e r t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n ds t r o n g e ra n t i i n t e f f e r e n c cc a p a b i l i t yw i t h o u ta n ya n c i l l a r y e q u i p m e n t i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mi nd e t a i l si s a n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d sf o r1 1 i g hp r e c i s i o ne n e r g ym e t e ri nt h ee l e c t r i c i t y s e c t o r s ，a na n t i ，s t e a l a n dm u l t i f u n c t i o nm e t e ri sr e s e a r c h e d , w h i c hi sb a s e do n d o m e s t i ce n e r g ym e a s u r e m e n ti ca ：m 0 2 2 ba n du l t r a - l o wp o w e rm i c r o c o n t r o l l e r m s p 4 3 0 f 4 4 9 h a r d w a r ed e s i g ni sc o m p l e t e db yr e g a r d i n gm e a s u r e m e n tc i r c u i ta s t h eg o r e a n di nt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tt a rw o r k b e n c h , t h e s o f t w a r es y s t e mo fe n e r g ym e t e ri sd e s i g n e d s t a r t i n gf r o mt h em o s tb a s i cc i r c u i t m o d e l ，c o m b i n i n gt r a n s f o r m e rm o d e la n da p p l y i n gs y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o d ， t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n dt r a n s m i s s i o no fm o d u l a t i o ns i g n a li n t h e a b s t r a c t t w a c sa n ds i m u l a t e st h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r yb ys i m u l i n k t h ee x i s t i n gp r o b l e m s a n ds o l u t i o n st ot h es p e c i f i ca p p l i c a t i o nt h et w a c ss y s t e mt oo u rc o u n t r ya r ca l s o a n a l y z e d k e yw o r d s ：a m r ；e n e r g ym e t e r ；t w a c s 论文原刨性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：猫 日期：型翌了年l 月。出日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：趱 导师签名。 日期：丑年j l 月王日 日期：王! 竺2 年l 月j l 日日期：王! 竺z 年l 月! 三厶日 j， 第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题背景和意义 电能是使用最为广泛的一种能源，涉及国民经济所有领域和人民生活的方 方面面。随着我国经济的高速发展，电力工业得到了迅猛发展，电网的负荷结 构越来越复杂，对配网调度自动化和管理自动化提出了新的要求。提高供电质 量，提高供电可靠性，实施高效准确的电能信息集抄系统已是当务之急。电力 行业要实现电力计量、负荷控制、继电保护、电力调度、故障检测和故障隔离 等综合功能的智能化是电力行业发展的迫切要求，要实现这一系列功能只有采 用计算机技术及其相关新技术。 随着现代电子技术、通信技术以及计算机及其网络技术的飞速发展，电能 计量手段和抄表方式发生了根本的变化，电力等公用企业自动抄表a m r ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 技术的应用越来越广泛。电能自动抄表系统是一种 采用通信和计算机网络技术，将安装在用户处的电能表所记录的用电量等数据， 通过遥测、传输汇总到营业部门，代替人工抄表及后续相关工作的自动化系统 1 1 。 电能自动抄表系统的实现提高了用电管理的现代化水平。采用自动抄表系 统，不仅能节约大量人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计 和誊写而造成账单出错，使供电管理部门能得到及时准确的数据信息。同时， 电力用户不再需要与抄表者预约抄表时间，还能迅速查询账单，因此自动抄表 系统也深受用户的欢迎。随着电价的改革，供电部门为迅速出帐，需要从用户 处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量和负荷曲线等，使用自动 抄表系统可以方便地完成上述功能。电能自动抄表计费系统已成为配电网自动 化的一个重要组成部分。 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局 面，引入竞争政策的逐步深入，发展自动抄表技术是提高用电管理水平的需要， 东北电力大学硕士学位论文 也是网络和计算机技术迅速发展的必然 2 1 。自动抄表势在必行： ( 1 ) 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表 的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。采用自动 抄表，能节约人力资源实现减员增效。 ( 2 ) 采用自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收 费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方使用户。 ( 3 ) 电能、燃气、水、热量等表计的自动抄表逐渐融为一体，将与安防和通 讯等功能共同构成二十世纪家居的主流智能建筑。 ( 4 ) 采用自动抄表，对于加强用电管理，防止窃电，电费催收，杜绝贪污腐 败现象都有积极的意义。 ( 5 ) 采用自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成账单错 误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息，有利于提高企业的服务质量， 树立企业的良好形象。 ( 6 ) 随着电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、 配电变压器的监测、线损的准确统计、分时电量和负荷曲线等，自动抄表为实 现上述要求提供了切实可行的技术手段。 ( 7 ) 随着现代电子技术的发展，通讯技术和计算机网络技术都有了飞速进 步，而二者的结合又进一步演化出许多新的通讯方式和通讯系统，为自动抄表 即自动抄表系统的实现提供了更多的现实可能。 ( 8 ) 可进一步与配电自动化系统，调度自动化系统和电费账务管理系统等联 网，实现电网的全面自动化。 自动抄表不单成为新的产业部门，国外已有不少著名厂商生产出a m r 系 列产品，而且对a m r 的研究也越来越深入f 3 】。自动抄表技术在我国的出现较晚， 但发展很快，全国各地已有不少制造厂，中国电力科学研究院对产品进行检测 把关，在定程度上保证了设备的质量。目前安装试用单位不少，但大多只有 小区规模，当前全国上规模的自动抄表系统都是低压配电线载波方式，载频 1 0 0 k h z 左右【4 】。 第i 章前言 1 2自动抄表的现状和相关技术 1 2 1 国外研究现状 目前世界各国都在对传统的电力工业生产方式和管理模式进行改革，使垄 断的电力行业向开放式的商业化运营和管理方向发展。在发达国家( 英国、美 国、澳大利亚) 电力市场降低了电网运营费用，使得工业用电和居民用电的电 费都大幅度降低。在发展中国家( 阿根廷、巴西) ，由于建立了电力市场，吸引 了大量的外资投入到电厂建设，基本解决了缺电问题。随着全球范围内电力经 营市场化的发展，电力等公共事业企业自动抄表技术的应用愈加广泛。自动抄 表不但成为新的产业部门，国外已有不少厂商生产出a m r 系列产品，而且a m r 的研究也越来越深入，美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表技术协会( a m r a ) ，1 9 8 9 年欧洲自动抄表技术协会( e u r o a m r a ) 和英国自动抄表协会( u k a m r a ) 也相继成立。电力技术期刊及互联网上也经常有相关的研究论文发表。从1 9 9 9 年开始，国际电工委员会陆续发布了i e c 6 2 0 5 6 抄表、费率和负荷控制的数据 交换，i e c 6 1 3 3 4 采用配电网电线的配电自动化等标准文件系列。 目前世界各国电力市场都是建立在实时电价的理论基础上的分时竞价机制 以达到资源优化配置的效果，实时电价理论已为当今学术界及电力工业所接受 并普遍应用于电力市场的设计和营运中。同时，自动抄表在使收费部门和用户 受益的同时，自身也成为一个新兴的行业从中获取利润【5 】。 国外自动抄表系统的特点： ( 1 ) 自动抄表技术应用已成规模 ( 2 ) 趋向于以电力线载波方式( p l c ) 为主 ( 3 ) 因特网是自动抄表具有潜在优势的通道 ( 4 ) 自动抄表的标准化 ( 5 ) 自动抄表和表计管理的专业化和分离化 ( 6 ) 自动抄表开拓了优质、多项服务途径 东北电力大学硕士学位论文 ( 7 ) 自动抄表是反窃电的有效手段 1 2 2 国内研究现状 我国电力工业的自动化发展水平也在不断发展，其中高压输电网的自动化 程度已经比较高，e m s ( 能量管理系统) 在我国高压输电网中的应用已经相当 普遍。因此，在我国电力网络的中、低压配电系统加快实行电力自动化工程是 一个必然的趋势1 6 ”。电力系统中推行远方自动抄表是电力企业提高服务质量的 有效手段，是推行电力企业市场化运作的关键技术。 为了适应市场需求的发展2 0 0 0 年1 0 月经全国电工仪器仪表标准化技术委 员会秘书处召集生产、用户以及计量检钡0 等2 0 个成员单位组成自动抄表系统 国家标准起草工作组，通过标准的制定将有效地规范市场和引导技术的发展， 同时在制定的过程中将依据现行相关的国际标准，使标准的制定与国际接轨， 有力于我国产品的出口。 2 0 0 3 年全国电工仪器仪表标准技术委员会提出了自动抄表系统征求意 见稿，标准体系包括总则、典型抄表系统、应用层数据交换协议和低层通信协 议四个部分，对自动抄表系统的体系结构、核心内容、基本概念、基本功能和 性能指标进行了规范，概括了数据交换协议选择的原则和自动抄表系统的建立 原则，低层接口通信协议部分主要侧重于数据通信信道的描述，而应用层数据 交换接口协议主要侧重于对自动抄表系统数据交换操作和流程的描述。 1 2 3 电能表技术的发展 测量电能用的电度表自诞生至今已有1 0 0 年，最早出现的感应式电度表由 于结构简单、可靠性好且价格便宜在我国普遍采用。随着电能计量和管理的需 要以及电子技术的发展，电子式电度表在2 0 世纪7 0 年代在瑞士出现，功能逐 渐增多并日臻完善【8 j 。2 0 0 3 年以来，也就是中国的城市和农村电网进行大规模改 第1 章前言 造、建设之后，电力系统对三相多功能表的需求量迅速增长，2 0 0 4 年产量估计 约7 0 万台，以不足全国电能表总产量l 的份额，创造1 1 的电能表总产值。 由此，国际、国内电表企业纷纷看好商机，抓紧新技术开发，不断推出多功能 表的新产品，以满足电能表市场的应用需求。 电能表技术的最高水平主要体现在以下几个方面： l 、高精度、长寿命计量 准确度为0 1 的有功电能计量，超过m c 在线计量的最高准确度要求， 其误差曲线的带宽为+ - 0 0 5 ； ，0 2 s 级基波表，具有分相的2 - - 5 0 次谐波有功功率计量； - o 2 s 级长寿命的电网关口表，具有电能质量计量模块。 2 、高速率、实时测量 交流采样速率为2 5 6 点周波，记录周期最短为1 0 毫秒； 电能质量计量：6 3 次谐波、电压闪变、故障录波7 8 微秒的瞬变，供电可 靠性指标的记录为9 9 9 9 9 9 9 9 9 。 3 、开放式、高速率通信技术应用 开放式通信协议i e c 6 2 0 5 6 6 1 6 2 5 3 4 6 4 2 ，抄表、费率，负荷控制数据交 换： - 互联网通信，自动发送e - m a i l 报警信号、系统运行状态刷新、数据记录， 通过以太网连接到某些国际知名的电量计费系统的关口表，w e b 服务器可直接 读取电表各种实际数据、电能质量参数，无需任何专用软件。 4 、电能计量专用芯片 采用低频滤波法计量谐波无功功率的计量芯片，高位一a d ，负荷动 态范围1 0 0 0 ：l ，线性度o 1 ，具有温度测量功能，片上接口可直接与微分电 流互感器连接； 精度优于0 1 的s o c 单芯片，2 1 位2 阶一a a d ，3 2 位可编程的电能 量计算引擎，负荷动态范围2 0 0 0 ：1 ，片内集成：高速8 0 5 1 单片机、硬实时钟、 l c d 驱动电路、看门狗电路、定时器、多种存储器、多种通信接口等。 与传统的机械表相比，采用电子计量原理的多功能表，具有高精度、多参 东北电力大学硕士学位论文 数测量、谐波功率电能计量等优势。从总体评价，多功能表还是稳态电力负荷 计量产品，由于其应用领域扩大，电力系统对电表不断提出新的技术要求。现 有的多功能表性能和品质，都不能完全适应电力系统的需求。因此，如何正确 把握产品技术发展趋势，改进产品设计，将多功能表技术水准推向一个新的高 度，无疑是电表行业和电力系统共同关注的课题。 1 2 4 电力线通讯的主要技术 由于电力配电网络遍布我们生活的各个角落，因此在电力配电线路上的传 输信息可以使信息的传输范围大大扩大，同时可以节省铺设专用线路的巨额费 用。由于各种用电设备都是和电力配电网络直接相连的，通过电力线路直接传 输信息可以说是实现配网自动化和负载监控等最直接、最有效的手段，研究基 于电力配电网络的通信技术具有重大的实用价值【9 ，“。多年来，电力线载波通信 一直是利用电力线路进行通信的主要手剧1 1 】，由于配电网络的复杂性，载波通 信在电力配电网络中的应用还不够完善，需要大量的设备投入，同时其传输距 离也受到限制【1 2 , 1 3 。 配电线路的主要功能是输送电能，同时，配电线路星罗棋布的网络为自动 抄表提供数据交换的介质。目前，基于配电线路的抄表技术主要有电力线载波 抄表、脉动控制抄表、工频通信抄表1 1 4 】。 1 、电力线载波抄表技术 电力线载波通信( p l c - - p o w e r l i n e c a r r i e r ) 诞生于2 0 世纪2 0 年代，自从 这项技术推出以来，已成熟有效地应用于电力输电系统。电力线载波频率1 0 3 0 0 k i - i z ，属于中频范围。依电力线载波所采用的通信线的不同，电力线载波分 为输电线载波、配电线载波和低压配电线载波( 又称入户载波通信) 三类。电 力线载波的调制方式有幅度调制( a m ) 、单边带调制( s s b ) 、频率调制( f m ) 或移频键控( f s k ) 。 扩频载波技术是近些年比较常用的电力线载波方法。所谓扩频技术就是将 第1 章前言 信息频带展宽，而在接收端通过相关接收来恢复原始信息带宽的一种技术。系 统牺牲带宽以降低对信噪比的要求，使信号传输更为可靠。由于采用了自适应 均衡技术、前向纠错技术等，扩频载波技术可以克服常规载波通信技术的多种 不足。 目前，利用载波法在配电线路上进行信息传输的范围还不够广泛。以国内 利用载波法进行用户自动抄表系统为例，载波传输距离小于2 公里，主要是在 配电变压器与用户之间传输信息而且大部分是仅在用户之间传输采集到的数 据，在子站与变压器之间常常是利用其他线路( 如电话线路) 作为信号传输通 道。在一些较先进的系统中，需要通过在配电变压器上加入转接设备，使载波 信号通过变压器传输至子站中央控制单元。 2 、脉动控制抄表技术 脉动控制抄表技术( r i p p l ec o n t r 0 1 ) 的工作原理类似于配电线载波抄表技术， 也是将高频信号注入到电力传输线上，只是脉动控制技术对信息的调制方式是 通过让脉动有或无来实现的脉动控制抄表技术使用的载波频率低于2 k h z ，由于 这个频率较配电线载波使用的频率更接近5 0 h z 工频，因此脉动信号比电力载波 信号传输距离远，并且该信号能够跨过配电变压器。但是由于使用的频率低， 脉动控制技术的数据传输速率低于配电线载波通信。在电力系统中，低于l k h z 的谐波是很普遍的，由于这个频段正是脉动控制技术的工作区间，因此脉动控 制抄表技术的工作频率必须避开电力系统的谐波点，否则将会受到谐波的强烈 干扰。 应该说脉动控制抄表技术与后面的工频通信抄表技术有些相近之处，都能 在不加中间设备的前提下实现数据的跨变压器台区交换，但该技术抗干扰能力 差、信号调制功率大、对电网的干扰大，影响了它的使用 3 、工频通信抄表技术 工频通信抄表技术也是利用电力配电线路作为信号的传输媒介。它利用电 压过零点进行信号的调制。调制信号的频率位于2 0 0 - 6 0 0 h z 之间。由变电所向 外传送的命令信息，是在5 0 h z 工频电压过零点附近( 2 0 3 0 度) 的很窄的区间内 调制信号使电压产生一个很微弱的畸变，位于远方用户电表终端能检测到这个 电压波形的畸变，并且还原出其所代表的码元。向变电所传送信息是建立在电 流调制的基础上的，在电压过零点附近很窄的区间内根据需要产生一个电流脉 冲，在变电所由位于母线上的电流互感器检测出该电流并还原出码元。工频通 信抄表技术与电力载波抄表技术相比，设备更为简单，投资更为节省，信号能 直接跨变压器台区，也不存在驻波而带来的盲点问题与脉动控制抄表技术相比， 工频控制通信技术具有信号调制容易，对电网干扰小，抗干扰能力强的特点。 双向工频自动通信技术( t w a c s t w ow a ya u t o m a t i cc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 以其通信机理的特殊性和系统的易实现性成为电网通信技术新的生长 剧”j 。t w a c s 不需要改造现有的电力配电网络，成本低廉，有较强的抗干扰 能力，不用增加中继环节，可以直接进行跨变压器台区通信，非常适合于通信 速率要求不高的场合，具有很高的实用价值。目前，这种技术已经成功应用于 国外的许多地区，而在我国还未有应用。如果能够在我国实现双向工频通信的 可靠应用，对我国的国民经济生产将带来很高的社会经济效益 1 6 , 1 7 1 。 1 3 本文的主要工作 电子式电能表及其与抄表主机的通讯是电能自动抄表系统的关键所在，本 课题研究了电能信息的集抄系统。本文的主要研究工作如下： 1 、仔细对比分析了目前的电能计量方案，针对目前采用专用集成电路的方 案所占的比重越来越大，而随着国产电能计量芯片设计和制造工艺的不断进步， 采用国产计量芯片的电能表在价格和性能上都超过了国外同类产品的情况，提 出采用国产电能计量芯片a n l 7 0 2 2 b 设计了一种适用于自动抄表系统的高精度 多功能电能表。 2 、自动抄表系统倾向于利用电力线进行通信，而不能直接通过变压器台是 当前作为电力线通信主要手段的电力线载波方式最大的弊端，在双向工频通信 系统研究逐步被人们所重视的情况下，本文从最基本的电路模型入手，结合变 压器模型，应用时域检差法，详细地分析了双向工频通信系统调制信号的产生 - 3 第1 章前言 原理和传输过程，利用s i m u l i n k 对其相关理论进行了仿真验证。分析了双向工 频通信系统在我国实现具体应用所存在的问题和解决方案。 东北电力大学硕士学位论文 第2 章电能表的设计原理和实施方案 2 1 电能表的设计理论基础 2 1 1 交流信号波形分析 电力系统在发电、输电和配电方面以及大功率的用电设备大多采用三相制。 这是因为三相制在技术上和经济上具有重大优越性。例如在尺寸相同的情况下， 三相发电机比单相发电机的输出功率大；在输电距离、输送功率、负载功率因 数等电气指标相同情况下，三相输电比单相输电节约2 5 的金属材料( 1 s l 。 三相电力系统是由三相电源、三相负载和三相输电线路三部分组成。 对称三相电源是由三个频率相同、幅值相等和初相角依次相差1 2 0 0 的正弦 电压源按一定方式连接而成，如图2 1 所示，依次称为a 、b 、c 相，记为u 。、 u b 、“r 。 其瞬时表达式为： 相量表达式为： 其中 “月= x 2 u s i n r a t = 4 5 u , i n ( , t 1 2 0 。) u c = 劲s i n 协+ 1 2 0 。) u = 化0 。 u b = u x 一1 2 0 。= 口2 u a u c = u 么1 2 0 0 = q u a 删北o 一一三+ ，警 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 第2 章电能表的设计原理和实施方案 xyz 图2 - 1 对称三相电压源 对称三相电源的波形图和相量图如图2 - 2 ( a ) 、 所示。 一一 黻。 图2 2 对称三相电压源的波形和相量图 b ) 可将三相信号分成单相进行分析( 如以a 相为例) 。在实际电路中，每相负 载可简化等效成电阻、电感、电容相串联的电路，简称r - l - c 串联电路，如图 2 3 所示。这种串联电路是具有一般意义的典型电路，它包含了三个不同的电路 参数，通过这三个参数能体现出正弦交流电路的一般特点。 c，v0 + 一 b，上丫 + 一 a，上丫 东北电力大学硕+ 学位论文 图2 - 3 r - l - c 串联电路 设通过r - l - c 串联电路的电流为参考正弦量，则： i = l s i n c o t = x f 2 1 s i n t o t( 2 3 ) 其中电阻上的电压是与电流同频率、同相位的正弦量，电感上的电压是超前电 流9 0 。的同频率正弦量，电容上的电压是滞后电流9 0 的同频率正弦量，所以图 2 3 中的瞬时值可分别用如下表达式表征： = u ms i n c o t = 4 2 u r s i n c a t ， u = i r 叱= u 。ls i n ( ( o t + 9 0 ) = 2 u s i n ( c o t + 9 0 ) ，巩= l ( 2 - 4 ) ”c = u 们s i n ( c o t - 9 0 ) = 4 2 u cs i n ( c o t - 9 0 4 ) ，u c = 髓c 根据电路有关原理，电路两端总电压瞬时值等于这三个分压之和，即： “= “置+ 甜l + “c = 2 s i n ( c o t + ) ( 2 - 5 ) 其中为电压与电流的相位差，电路中r 、l 、c 上的瞬时功率分别为： p r = u a i = 2 u r i s i n 2c o t = u i ( 1 一c o s 2 c o t ) p l = u l i = 2 u l i s i n ( 耐+ 9 0 。) s i a 耐= u l i s i n 2 r a t 第2 章电能表的设计原理和实施方案 p c = u c i = 2 i s i n c o t s i n ( c o t - 9 0 。) = 一i s i n 2 0 a t ( 2 - 6 ) 电路中总的瞬时功率： p = u i = r + “上+ “c ) f = p r 十p l + p c = u r l ( 1 一c o s 2 c o t ) + ( u 一u c ) l s i n c o t ( 2 - 7 ) 其中u 月= u c o s # 。 叽一u c = u x = u s i n # ( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 得： p = u l c o s ( 1 一c o s 2 c o t l + u 1 s i n # s i n 2 c o t = u c o s # - u i e o s ( 2 r a t + 矿) ( 2 - 9 ) 由式( 2 9 ) 可以看出，瞬时功率由两部分组成，第一部分是恒定分量u e o s 声， 第二部分是频率为电压频率信号的正弦分量u l c o s ( 2 t 4 - 妒) ，图2 - 4 示意了电压、 电流和瞬时功率的波形图。 j 一叫 c o s 。 t0y ，2 v 坳。 、一 图2 - 4 电压、电流和瞬时功率的波形 由图2 4 可知，当。和i 同方向时，瞬时功率p 为正值，负载从电源吸收功 率：当。和f 反方向时，瞬时功率p 为负值，负载放出功率。 东北电力大学硕士学位论文 2 1 2 有功功率的计算 设正弦交流电路中瞬间电压为( r ) ，瞬间电流为f ( f ) ，则瞬间功率 p ( f ) = u ( t ) i ( t ) 是一个随时间变化的函数，它在某个周期内的平均值应等于该函 数对时间积分后，除以时间间隔，所以平均功率应为： p = ；r p ( f ) 西= 亍1r 甜( f ) 形) a t ( 2 - 1 0 ) 当用计算机处理时，需要将连续量离散化，用和式代替积分。若以t 的时 间间隔对电压和电流进行采样，用n 表示每周期采样的次数( 即t = n * a t ) ，则 有功功率公式可以表示为： p = 专“( 七) 她) ( 2 1 1 ) 式中甜( 七) ，“七) 分别代表电压、电流的第k 次采样值，n 为采样总点数，计算机 软件就可按式( 2 1 1 ) 计算出被测的有功功率。f 取得越小，则计算结果越准 确。 在三相电路中，- 总功率等于每相功率之和，由于单相功率可按如下所列的 算式计算： 只2 专善( 枷一( 七) b 2 专著( 枷。( d ( 2 - 1 2 ) 弓= 专u c ( 七) f c ( 七) 所以，三相电路的总功率可表示为： p = 只+ b + 尼 = 专薹“( 七) ( 七) + 专喜甜。( | ) f 。( 七) + 专善“。( 七) 七( 七) ( 2 1 3 ) 第2 章电能表的设计原理和实施方案 2 1 3 电压、电流的计算 在三相电路中，电压、电流的测量一般均为有效值的测量，根据电压、电 流有效值的定义： u 。= 踊丽 i 。= 承丽 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 若对被测电压“( f ) 和电流砸) 进行n 次采样，“( _ j ) 和f ( 七) 分别为第k 个采样 值，则： = 际 。后砉2 在三相电路中，a 、b 、c 相的电压有效值分别为： u 。= 辱 = 际 辱 a ，b ，c 相的电流有效值分别为： ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 一i s ) 东北电力大学硕十学位论文 2 1 4 无功功率的计算 ( 2 1 9 ) 在交流电路中，理想状态下电压和电流是同相角的，但实际应用中，用户 的负载呈现容性或感性负载的特性，并且这种特性随用户负荷变化而变化，所 以电压与电流之间存在一定的角度，图2 5 是电压与电流的矢量图，其中电压矢 量口与电流矢量7 之间有夹角矿，可以把矢量7 分解成五和丘两个分量，分别平 行垂直于矢量d ，它们的大小分别为： i t = l c o s q ，j ，= i s i n 伊 一 l 【， 图2 5 电压与电流的矢量图 辱辱镢 l i i i m w w l l 第2 章电能表的设计原理和实施方案 根据功率公式： p = u l c o s q 即五分量对有功功率有贡献，而五分量对有功功率贡献为o ，习惯上把碣部分 叫无功功率。 q = u l s i n p = u l i ( 2 - 2 0 ) 由式( 2 - 2 0 ) 可知，无功功率虽不能消耗电流，但会使线路中的总电流变大， 加大了线损，所以实际应用中应尽量降低无功功率。 一般地，计算无功功率采用先计算视在功率、再计算无功的办法。 s = u 一，。 ( 2 2 1 ) 视在功率是电压和电流的乘积，反映额定功率的大小。由视在功率求取无 功的公式是： d = s 2 一p 2 无功算出的值有正有负，其中当电压超前电流时，q 为正值，说明用户负 载为感性负载；当电压滞后电流时，q 为负值，说明用户负载为容性负载。根据 对这些数据的分析可以对用户负载进行补偿。通常配电柜中的电容就是用来补 偿负载降低无功用的。 2 1 5 功率因数的计算 功率因数是指负载上的有功功率与视在功率的比值 cos缈=ip(2-22) 式中的p 就是电压与电流之间的相位角。 功率因数作为电力系统中的一个重要指标，其大小体现了电网运行质量的 高低，是电力部门调节电网时重点参考的数据。在实际应用中，如果功率因数 太低，表示输出功率中无功功率所占比例很大，会有如下所列的不良后果： ( 1 ) 电源设备不能充分利用。电源设备( 发电机或变压器) 是根据额定电压 u 。与额定电流，。的大小设计制造的，其额定容量为： 东北电力大学硕士学位论丈 岛= u o i o( 2 - 2 3 ) 它所能发出的有功功率，与式( 2 2 3 ) 算得的功率因数有关。 p = u o i o c o s ( 2 - 2 4 ) 功率因数越低，电源设备所能发生的有功功率越小，其容量将不能充分利用。 ( 2 ) 在线路中将会引起较大的电压跌落和功率损耗，在线路中i = = 三一， u c o s 矿 当c o s 越低，则通过线路的i 就越大，导线的能量损失和导线电抗电压降落就 越大，线路的功率损失增加，则降低了使用效率，造成有功电能的浪费，而线 路的电压降增加，会使负载两端电压降低，影响正常使用。因此，提高功率因 数，对于提高电源设备的利用率，改善供电质量，节约电能都有积极的作用【1 9 1 。 2 1 6 频率的测量与基波向量的计算 频率的测量采用周期法，该方法基于简单信号观测模型，纯恒幅正弦信号 的传统频率概念。 z = a 。s i n ( 2 矿+ ( 2 2 5 ) z ( r ) 取单一的相电压。 测量方法是计算电压信号每个过零点的时刻，由此得到r = t 。- t , = a t ， t 再通过厂= 圭，就可得出频率的值。 基波向量计算利用f f t 变换的结果，f f t 变换不仅能滤出整次谐波分量和 恒定的直流分量，对于非整次谐波分量和按指数衰减的非周期分量所包含的低 频分量也有一定的抑制能力。 第2 审电能袁的设计原理和实施方案 2 1 7 最大需量的计算 最大需量定义为一个月内平均3 0 分钟或1 5 分钟内消耗的功率的最大值。 f 2 p d t 2 嚣( 2 - 2 6 ) 其中，和f 2 为时刻，f i 与，2 的差等于1 5 或者3 0 分钟。 在时间段f 1 f ：内，记录下f o 和发生的时刻。一般情况下 和屯采用滑差 方式，每过一分钟t ，、f ：增加，但t ：的差值保持不变，固定为1 5 或3 0 分钟。 2 2 电能表的设计方案 目前三相电能计量方案中，采用专用集成电路的方案所占的比重越来越大， 但长期以来电子式电能表计量方案所使用的产品多为进口芯片，电能计量方案 设计应用复杂，而且成本偏高。a t t 7 0 2 2 是珠海炬力集团将所掌握的先进的1 6 位一a a d 转换与2 4 位d s p 技术合二为一集成到一起来完成电能计量的采集 与运算任务，并直接提供电能所需的各类参数，采用朋广r 7 0 2 2 不但大大简化了 电子式电能表计量部分的设计，而且也大大降低了电能表芯片的成本。以此芯 片为核心的多功能复费率电能表一直受到国内用户的青睐，而随着多功能防窃 电基波谐波三相电能专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b 的推出，对于窃电行为的防范不 仅仅停留在科学规范的管理层面，也为保证减少电能的损失提供了一种先进可 靠的技术手段。 本设计采用美国t i 公司的1 6 位超低功耗单片机m s p 4 3 0 f “9 和珠海炬力 公司的多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b 实现多功能防 窃电电能表。 东北电力大学硕士学位论文 2 2 1多功能防窃电三相电能专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b a t t t 0 2 2 b 是一颗精度高且功能强的多功能防窃电基波谐波三相电能专用 计量芯片，它集成了七路二阶s i g m a - - d d t aa d c ，其中三路用于三相电压采样， 三路用于电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出 采样数据和有效值，使用十分方便，该芯片适合于三相三线和三相四线应用。 图2 6 为a 订7 0 2 2 b 的内部框图。 图2 - 6a t t t 0 2 2 b 框图 该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参 数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波有功 功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、各 瓣醛御秣辨燃搿协啪懈御琊聊协 第2 章电能表的设计原理和实施方案 相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数，提供两种视在电能( p q s 、r m s ) ， 充分满足三相多功能电能表以及基波谐波电能表制作的要求。芯片主要特性如 下： 高精度，在输入动态工作范围( 1 0 0 0 ：1 ) 内，非线性测量误差小于 o 1 。 有功测量满足o 2 s 、o 5 s ，支持i e c6 2 0 5 3 2 2 ，g b , t 1 7 8 8 3 1 9 9 8 ；功测量 满足2 级、3 级，支持i e c6 2 0 5 3 ，g b t1 7 8 8 2 1 9 9 9 提供基波、谐波电能以及总电能测量功能 提供视在电能测量功能 提供正向和反向有功、无功电能数据 提供有功、无功、视在功率参数 提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于0 5 内置温度测量传感器 可测量到2 1 次以上谐波的有功和无功功率 支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿 具有s p i 接口，方便与外部m c u 通讯 2 2 2 微处理器的选用 作为测控系统的核心部件，处理器的选择对整个系统功能的优化起着至关 重要的作用【2 0 1 。面向工控领域的单片处理器，目前广泛使用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 ) ，以及目前市场上增强型的1 6 位单片机。 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的趋势。但从 现阶段各种d s p 器件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于 大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在仪表领域的使用， 而且目前其价格较高，开发技术难度大。 作为这两种微处理器的一种折中方案，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，这些系列的单片机大多具有较强的功能处理模块接口 功能，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 列单片机就是其中的性能价格比较为优越的一款1 6 位单片机f 2 。 本设计采用了m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机，具有1 6 位r i s c 结构，1 6 位寄存器和 常数寄存器，8 通道1 2 位a d 转换器，内置乘法器，两个u a r t , 分段可擦写 f l a s h ，具有低电压、超低功耗，强大的处理能力，系统工作稳定以及代码保 护功能等优点。同时m s p 4 3 0 f 4 4 9 具有丰富的外设资源，1 6 0 段的液晶驱动能 力只需一块l c d 显示屏就可以完成显示功能。 第3 章电能表的硬件电路和软件设计 第3 章电能表的硬件电路和软件设计 3 1电能表的硬件电路设计 电能表的硬件电路设计由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、 m c u 及其它部分电路设计四大部分组成。其中核心部分是计量电路的设计，它是 电能表计量准确性的关键部分，是电能表计量功能的体现，但是其他部分也是 不可或缺的，特别是单片机控制器，用来实现系统中各个部件协调控制，人机 交互，多费率控制以及防窃电分享等重要功能。 本方案的硬件结构图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 电能表硬件组成框图 东北电力大学硕t 学位论文 3 1 1 电源电路部分 本方案中，为了提高系统的抗干扰性和可靠性，电能表的电源电路分为三 个独立的部分：电量计量电源电路、r s 4 8 5 通讯电源电路、k l c u 及其相关部分电 源电路。这样做的目的是使计量电路，r s 4 8 5 通讯和m c u 的电源相互隔离，达到 互不影响的目的。 3 1 2 计量电路部分 电能表的计量