（电力系统及其自动化专业论文）智能用电服务体系中用电信息采集终端的设计与实现.pdf

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 金目巴工业态堂 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。 学位论文储魏次易讳 签字日期：冽年争月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥工业大学可 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：7 宓丞壕 签字日期：z 刀f f 年够月冶 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 靳龆调牛青 签字日期：汐f f 年年月2 6 日 电话： 邮编： 智能用电服务体系中用电信息采集终端的设计与实现 摘要 国家电网公司提出建设涵盖电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和 调度各个环节的统一坚强智能电网，智能用电服务作为统一坚强智能电网重要 环节，而用电信息采集又是智能用电服务体系中关键组成部分，直接面向社会 和客户，是社会各界感知和体验统一坚强智能电网建设成果的主要途径，在建 设统一坚强智能电网中具有十分重要的地位和作用。 本文结合智能用电服务体系中智能用电信息采集终端的发展趋势，参照国 家电网电力用户用电信息采集系统技术规范等技术标准，借鉴国内外同类产品 的开发思路和经验，设计并开发出具有多种功能的智能用电信息采集终端。该 终端采用基于c o r t e x m 3 内核的高性能a r m 芯片s t m 3 2 f 10 3 作为主处理器， 充分利用了芯片丰富的接1 3 资源，配合使用外部电能计量芯片m a x q 3 1 8 0 、文 件管理控制芯片c h 3 7 6 t 和存储通信器件等，具有数据采集、数据处理、数据 传输、电能质量分析、参数设置和查询、事件记录告警、本地维护、预付费和 在线程序升级等功能。 本文按照用电信息采集终端的功能要求提出了设计方案，具体说明了终端 硬件电路设计和软件实现，给出了终端的硬件构成图和软件主程序流程图。重 点阐述了电能计量模块m a x q 3 1 8 0 的开发和运用m a x q 3 1 8 0 的谐波测量实现； 介绍了终端基于u s b 的i a p 在线程序更新方法以及具体实现；对终端出厂前的 校准检验作了详述，完成了终端校准系统设计、上位机和下位机校准程序设计 和最终电气参数的具体校准实现。 关键词：智能用电服务；用电信息采集终端；s t m 3 2 ；m a x q 3 1 8 0 ；谐波测量： l a p 在线程序更新；校准 t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fp o w e ri n f o r m a t i o n c o l l e c t i o nt e r m i n a li ns m a r te l e c t r i c i t ys e r v i c es y s t e m a b s t r a c t t h es t a t eg r i dc o r p o r a t i o np r o p o s e st h eb u i l d i n go fu n i f i e da n ds t r o n gs m a r t g r i dw h i c hc o v e r st h eg e n e r a t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，s u b s t a t i o n ，d i s t r i b u t i o n ，e l e c t r i c i t y a n ds c h e d u l i n ga l la s p e c t so fp o w e rs y s t e m t h es m a r te l e c t r i c i t yi sa ni m p o r t a n t l i n ki nt h eu n i t ea d a m a n c ys m a r tg r i d ，a n dt h ep o w e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ni st h e k e yc o m p o n e n ti nt h e s m a r te l e c t r i c i t ys e r v i c es y s t e m ，i t sf a c e dt os o c i e t ya n d c l i e n t sd i r e c t l yi nw h i c hw a yt h ep u b l i cp e r c e p ta n de x p e r i e n c et h ea c h i e v e m e n to f t h ec o n s t r u c t i o no ft h eu n i t ea d a m a n c ys m a r tg r i d ，a n di ta l s op o s s e s sa ne x t r e m e l y p l a c ea n di m p a c t i o ni nc o n s t r u c t i n gt h eu n i t ea d a m a n c ys m a r tg r i d t h i sp a p e ri sc o m b i n e dw i t hd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fs m a r te l e c t r i c i t y i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt e r m i n a li ni n t e l l i g e n te l e c t r o n i cs e r v i c es y s t e m ，a n dr e f e r s t ot h et e c h n i q u es t a n d a r ds u c ha st h et e c h n i c a lr e g u l a t i o no ft h es t a t eg r i d su s e r a n dp o w e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e m ，u s e st h et h o u g h to fd e v e l o p m e n to ft h o s e f a m i l i a rp r o d u c t sd o m e s t i ca n do v e r s e a sf o rr e f e r e n c e ，t h e nd e s i g n sa n dd e v e l o p sa i n t e l l i g e n tp o w e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt e r m i n a l w i t hm u l t i p l ef u n c t i o n s t h i s t e r m i n a lu s e st h es t m 3 2 f10 3b a s e do nc o r t e x n m 3a n dw h i c hi saa r mc h i pw i t h w o n d e r f u lp e r f o r m a n c ea st h em a i np r o c e s s o r ，h a saf u l lu s eo ft h ec h i p sa b u n d a n t p o r tr e s o u r c e s ，m a k e su s eo ft h em a x q 3 18 0w h i c hi sae x t e r n a le l e c t r o n i ce n e r g y m e a s u r e m e n tc h i p ，t h ec h 37 6 tw h i c hi saf i l em a n a g e m e n tc o n t r o lc h i pa n ds o m e s t o r a g ec o m m u n i c a t i o nc o m p o n e n t sa sc o o r d i n a t i o n t h i st e r m i n a lh a st h ef u n c t i o n o fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i o n ，d a t at r a n s m i s s i o n ，p o w e rq u a l i t ya n a l y s i s ， p a r a m e t e ri n s t a l l a n di n q u i r e ，e v e n tr e c o r da l a r m 、l o c a lp r e s e r v e ，p a y m e n ti n a d v a n c ea n dp r o c e d u r eu p d a t eo n l i n ea n ds oo n t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dad e s i g np r o p o s a lb a s e do nt h ef u n c t i o nd e m a n do ft h e p o w e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e m ，w h i c he x p l a i n st h ed e s i g no fi t sh a r d w a r e c i r c u i ta n dt h er e a l i z a t i o no fi t ss o f t w a r e ，a n dp r o v i d e st h et e r m i n a l sh a r d w a r e c o n s t i t u t i o nf i g u r ea n dd e s c r i b e st h em a i ns o f t w a r ep r o g r a mp r o c e s si nc h a r t t h i s p a p e r - a l s oe l a b o r a t e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no f t h em a x q 3 18 0w h i c h i sa ne l e c t r o n i c e n e r g y m e a s u r e m e n t c h i p ，t h e r e a l i z a t i o no fah a r m o n i c m e a s u r e m e n tu t i l i z e dm a x q 3 18 0 ；i n t r o d u c e st h ew a yo ft h et e r m i n a l si a p p r o c e d u r eu p d a t e o n l i n eb a s e do nu s ba n di t s s p e c i f i cr e a l i z a t i o n ；g i v e s a p a r t i c u l a rd e s c r i p t i o no ft h et e r m i n a l s s t a n d a r d i z i n gt e s t b e f o r el e a v ef a c t o r y ， c o m p l e t e st h ed e s i g no f t h et e r m i n a l sc a l i b r a t i o ns y s t e m ，t h ed e s i g no ft h eu p p e r c o m p u t e r a n dt h el o w e rc o m p u t e r ss t a n d a r d i z i n gp r o c e d u r ea n d t h e s p e c i f i c s t a n d a r d i z i n gr e a l i z a t i o no f t h eu l t i m a t ee l e c t r o n i cp a r a m e t e r k e y w o r d s ：s m a r te l e c t r i c i t ys e r v i c e ；p o w e r i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt e r m i n a l ： s t m 3 2 ；m a x q 3 18 0 ；h a r m o n i cm e a s u r e m e n t ；i a pp r o c e d u r eu p d a t e o n l i n e ；s t a n d a r d i z i n g 致谢 三年时间转瞬即逝，在论文完成之际我要感谢在此期间给予我帮助和鼓励的 师长、同学、朋友和家人们。 首先我要衷心感谢我的导师陶维青副教授，他是把我领进电气世界的启蒙 老师，也是我生活中的益友。在整个研究生阶段，他给予了我无微不至的关怀， 他严谨的工作作风、渊博的技术知识、敏锐的洞察力以及诲人不倦的育人态度， 不仅使我学到了研究学问的方法，也使我学到了许多为人处事的道理。将是我 未来工作和生活中的学习楷模。 感谢我的师兄崔北京、费文坤、毛建维、陈雄、周俭节、王瑕和王晶，感 谢他们在学习和生活上给予的帮助和指导。还要感谢实验室的范维银、张巧云、 黄俊祥、王大亮、王斌和可爱的师弟师妹们，以及宿舍的杨振林、杨淑明、周 亮、邵章平和李宾宾等兄弟。三年里，我们一起生活、成长和进步，这将是我 人生中最珍贵的回忆，谢谢你们! 感谢安徽科大智能公司研发部的同事们，你 们高超的研发技术水平和忘我的工作热情深深地感染了我，感谢你们对我的指 导和帮助。 最后，感谢我的奶奶、父母和老姐等我最敬爱的家人，感谢他们给予我的 无私的关心和爱护，我一定会努力工作好好生活，不辜负您们对我的期望。 作者：项玉球 2 0 1 1 。4 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状2 1 3 我国智能用电服务体系未来发展目标3 1 4 本文的主要工作和章节安排3 第二章智能用电服务体系5 2 1 智能电网5 2 1 1 智能电网的思想5 2 1 2 智能电网的内涵和特征5 2 2 智能用电服务体系7 2 2 1 智能用电服务体系架构7 2 2 2 智能用电服务体系的主要内容8 2 2 3 智能用电服务体系技术标准8 2 3 用电信息采集系统9 2 3 1 用电信息采集系统概念9 2 3 2 用电信息采集系统构成一9 2 3 3 用电信息采集系统功能l o 2 4 国内用电信息采集系统建设情况1 2 2 4 1 用户用电信息采集覆盖情况1 2 2 4 2 用电信息采集终端设备使用情况1 3 2 5 本章小结：1 4 第三章用电信息采集终端设计1 5 3 1 用电信息采集终端设计原则和依据l5 3 1 1 用电信息采集终端设计原则15 3 1 2 用电信息采集终端设计依据1 6 3 2 用电信息采集终端功能要求1 6 3 3 用电信息采集终端设计方案1 6 3 3 1 终端崽体设计1 6 3 3 2 c p u 选型17 3 3 3 电能计量芯片选型18 3 4 用电信息采集终端硬件设计18 3 。4 1 终端硬件构成1 8 3 4 2 部分硬件模块介绍2 0 3 5 用电信息采集终端软件设计2 2 3 5 1 软件开发环境2 2 3 5 2 终端主程序流程2 2 3 6 本章小结2 3 第四章m a x q 3 1 8 0 开发和谐波测量的实现2 4 4 1m a x q 3 1 8 0 的构成和工作原理2 4 4 1 1m a x q 3 18 0 的构成2 4 4 1 2m a x q 3 1 8 0 的工作原理2 4 4 2m a x q 318 0 与s t m 3 2 f 10 3 通信的实现2 5 4 3m a x q 3 18 0 寄存器的配置一2 6 4 3 1m a x q 3 1 8 0 内部寄存器介绍2 6 4 3 2m a x q 3l8 0 单位转换系数求解2 6 4 3 3m a x q 3 1 8 0 初始化时寄存器配置2 8 4 4m a x q 3 18 0 谐波测量实现2 9 4 4 1m a x q 3 1 8 0 谐波测量原理2 9 4 4 2m a x q 3 1 8 0 谐波测量方法实现3 0 4 5 谐波测量实验数据分析3 4 4 6 本章小结3 5 第五章基于u s b 的用电信息采集终端在线程序更新3 6 5 1 终端在线程序更新方式3 6 5 2s t m 3 2 闪存编程介绍3 6 5 2 1s t m 3 2 闪存编程方法3 6 5 2 2s t m 3 2 闪存存储器组织结构一3 7 5 3s t m 3 2 在线程序更新原理：3 7 5 3 1 技术原理3 7 5 3 2 系统构成3 8 5 4s t m 3 2 在线程序更新步骤3 9 5 4 1 上位机编译需要被更新的代码3 9 5 4 2 下位机更新程序源代码编写3 9 5 5 f l s a h 闪存编程操作4 2 5 5 1 擦陈操作4 3 5 5 2 写操作4 4 5 5 本章小结4 5 第六章用电信息采集终端校准实现4 6 6 1 终端校准原理4 6 6 2 终端校准系统设计4 7 6 2 1 上位机校准软件4 7 6 2 2 终端校准程序设计4 9 6 3 终端校准具体实现5 0 6 3 1 电压校准5 0 6 3 2 电流校准5l 6 3 2 相位校准5 2 6 4 实验数据分析5 4 6 5 本章小结5 6 第七章总结和展望5 7 7 1 工作总结5 7 7 2 未来展望5 8 参考文献。5 9 攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利6 2 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 10 图6 1 图6 2 图6 3 酊6 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 插图清单 智能表格用电服务体系架构7 用电信息采集系统构成图1 0 终端系统构成图1 7 s t m 3 2 f 1 0 3 总体结构框图1 7 用电信息采集终端设计原理图1 9 电压采样通道电路图2 0 m a x q 3 18 0 外围接口电路2 0 e e p r o m 和时钟电路原理图2 1 u s b 通信模块电路原理图2 1 用电信息采集终端主程序流程图2 3 m a x q 3 18 0 构成框图2 4 m a x q 3 18 0 的工作原理图2 5 s t m 读写m a x q 3 18 0 操作流程2 6 逐次测量法实现流程图3 l 全波一基波测量法实现流程图3 3 谐波测量实验装置连接原理图3 4 在线程序更新通信路径3 6 s t m 3 2 在线程序更新技术原理流程图3 8 程序更新系统构成一3 9 i a p 引导程序流程图4 0 u s b 处理函数流程图4 0 程序更新函数流程图4 1 s t m 3 2 内置f l a s h 存储空间分配：一4 1 全擦除操作流程图4 3 页擦除操作流程图4 4 写操作流程图4 5 终端校准系统构成图4 7 上位机校准软件界面4 8 上位机校准软件程序流程图4 8 m a x q 31 8 0 校准顺序流程图一4 9 上位机校准命令帧结构5 0 终端校准主程序流程图5 0 电压校准流程图5 1 图6 8每一档位的电流校准流程图5 2 图6 - 9相位校准流程图5 3 图7 1用电信息采集终端实物图5 7 表格清单 表1 1 中国未来智能电网投资情况1 表2 1 智能电网与当前电网特性比较7 表2 2 智能用电服务体系技术标准规划情况9 表2 3 电能信息采集终端功能分类表1 2 表2 - 4 电力用户用电信息采集覆盖情况统计表1 3 表2 5 用电信息采集终端设备使用情况统计表1 4 表3 1 终端功能模块所用芯片和功能列表1 9 表4 1m a x q 31 8 0 内部寄存器描述2 6 表4 2 电气单位转换系数求解2 8 表4 3m a x q 31 8 0 谐波通道配置3 1 表4 4 逐次测量法实验数据3 4 表4 5 全波一基波测量法实验数据3 5 表5 1s t m 3 2 大容量产品闪存存储结构3 7 表5 2 闪存编程和擦除寄存器_ 一4 2 表6 1 相位校准电流分档列表5 3 表6 2 交流电压测量实验数据5 4 表6 3 交流电流测量实验数据5 4 表6 - 4 合元条件下终端有功电能实验数据5 5 第一章绪论 1 1 研究背景 自从人类发明电能以来，已成为人们生活中不可或缺的重要能源，在国民 经济中占有十分重要的地位。由于电能不能大量存储，电能的生产、变换、输 送、分配和消费实际上是同时进行的，这就构成了电力系统的发电、变电、输 电、配电和用电五大环节【l 】，每个环节都是电力系统安全、优质和经济运行的 有力保障，而用电作为电力系统中最后一个坏节，其面向的对象是广大的电力 用户，是能否为用户提供优质供电服务关键所在。 电力工业的发展在中国已有1 0 0 多年的历史，近年来电力体制也进行了一 系列的改革，厂网分离是电力工业体制改革的第一步，五大发电集团和两家电 网公司成立之后，掀起了投资兴建电源的热潮，与此相对应的是，电网的投资 则显得平静的多，“重发电，轻输电”的问题严重，电力建设发展中存在输变电 建设严重滞后于电源建设，配电网建设滞后于主网建设，负荷中心受端电网建 设滞后于送端电网建设等问题【2 j 。经过多年的发展，在投资结构方面，我国电 网投资与电源投资比例已由4 0 - 6 0 逐步调整到5 0 ：5 0 ，逐步向发达国家6 0 - 4 0 的比例靠近，今后，我国电力投资将继续向电网倾斜。 表i 1 中国未来智能电网投资情况 电网坏节投资额( 亿元) 比例 发电 5 9 9 3 2 381 6 输电 2 3 8 7 5 2 86 2 变电 7 4 8 0 6 8 81 9 5 配电 8 9 2 1 4 6 52 3 2 用电 1 1 8 4 7 3 23 0 8 调度 1 4 6 3 2 1 43 8 通信信息5 7 1 2 4 6 31 4 9 合计 3 8 4 1 210 0 随着国家电网公司全面建设具有中国特色的坚强智能电网发展战略的提 出，从发展智能电网的深度和广度考虑，结合中国式电网的特点，预计未来智 能电网的投资构成上，如表1 一l 所示，配网自动化和用户侧系统建设投资比例 将高达4 0 ，将是智能电网建设投资中所占比例最高的环节1 3j 。智能用电服务 环节直接面向社会和客户，是社会各界感知和体验统一坚强智能电网建设成果 的主要途径，在建设统一坚强智能电网中具有十分重要的地位和作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外基于发展新能源、节能减排、提高电网运营效率、改善供电服务质量 等需要，陆续开展了智能用电服务的研究和实践，是以自动抄表和用电信息采 集、用电设备自动控制为主，主要集中在配电和用户侧，并开始分布式能源接 入研究实践，并取得了阶段性成果。 意大利主要电力运营商于2 0 0 1 2 0 0 4 年间，安装和改造了3 0 0 0 万只智能 电表，建立起了智能化计量网络，实现了全国9 5 以上用电用户电能信息的自 动采集h j ；法国电力公司从2 0 0 8 年起更换2 7 0 0 万只普通电表为智能电表， 使客户能自动跟踪自身用电情况，并能进行远程控制，截止2 0 0 8 年，法国超过 l0 0 0 万个用户可以通过网站、邮件、电话、专门的电子接收装置，获得最大 关键峰荷电价信息，实时调整用电方式；根据英国政府披露的计划，到2 0 2 0 年，每个英国家庭都必须安装智能电表，实现远程抄表和对设备用电的动态控 制，以及将客户利用风力或太阳能所发的电卖给电网，以降低能源耗用量【5 】； 美国在2 0 0 9 年发布了复苏计划尺度报告，包括为4 0 0 0 万美国家庭安装智能 电表，实现远程管理及读表等功能；日本关西电力于2 0 0 8 年宣布，该公司将把 辖区内1 2 0 0 万台电能表陆续更换为配备无线功能的智能电能表，该智能表除了 能提供远程自动读取仪表统计值功能外，还可以统计家中电器的电费和向用户 提供电能使用咨询服务1 6 j 。 1 2 2 国内研究现状 国内开展智能用电服务体系研究虽然较晚，但在智能用电服务相关技术领域 已展开了大量的研究和实践。 ( 1 ) 建成了系列自动化和信息化系统 大客户负荷管理和低压集中抄表系统已安装使用近9 0 0 多万户，其中 1 0 k v 专变大客户已建设6 3 7 万户，覆盖率达4 4 6 ；在1 1 个网省公司运行 了涵盖从公司总部、网省公司、地市公司、基层单位到电力客户的营销业务应 用系统；建成营销分析与辅助决策系统，实现报表自动生成和指标监管等功能； 公司信息网和骨干网已覆盖2 9 个网省公司和大部分直属单位，广域网络覆盖率 为9 8 6 。 ( 2 ) 全面启动了电力用户用电信息采集系统建设 2 0 0 8 年，国家电网公司提出了全面建设用电信息采集系统的规划，要求以 网省电力公司为单位实现所有电力用户的“全覆盖、全采集、全费控”，采集周 期最小为l5 分钟17 | 。该规划是建设“信息化、自动化、互动化智能电网的 基本要求，是推进营销计量、抄表、收费模式标准化建设和公司信息化建设的 现实需要，是全面实行居民阶梯电价的必然选择。 ( 3 ) 试点实施了负荷响应和双向互动式服务 2 部分电力供应紧张地区的网省公司依托行政手段和电力负荷管理系统，促成 政府出台尖峰电价、蓄热蓄冷电价和可中断负荷电价等激励措施，通过经济手 段引导用户避峰；部分网省公司依托营销业务系统提出了适用于不同客户群体 的抄表及电费收缴模式，制定了用户电力自助服务终端建设规范，大部分网省 ( 直辖市) 公司分别建立了9 5 5 9 8 客户服务网站和呼叫中心，为客户提供专业 性的互动服务。 ( 4 ) 制定了一系列用电服务行业和企业标准 为了更好地发展用电服务体系，针对与用电服务相关的关键技术领域，制定 了一系列的行业和企业标准。该系列标准包括用电信息采集系统建设标准、用 电信息采集系统运行管理标准、用电信息采集系统终端设备标准电动汽车充放 电设施建设标准、智能用电小区建设标准和智能量测设备标准系列等。 1 3 我国智能用电服务体系未来发展目标 构建智能用电服务体系对我国经济建设和可持续发展都具有重要的意义。 未来发展目标体现在以下几个方面。 ( 1 ) 用户广泛参与，用电需求自由响应 通过供电侧和用电侧的信息高效互动，用户可根据电网发布的实时电价信 息，选择最佳用电方案，自觉把高峰时段的部分负荷转移到非高峰时段，减少 电费开支，降低电网高峰负荷，提高发输电设备运营效率。 ( 2 ) 实时友好互动，服务方式便捷多样 建设和完善智能双向互动服务平台，充分考虑用户个性化和差异化服务需 求，实现与电力用户的能量流、信息流、业务流的双向互动，为用户提供灵活、 多样、高效和便捷的服务，提高服务能力，提升客户满意度。 ( 3 ) 兼容分布式能源，优化终端用能方式 通过建设电动汽车充放电设施、分布式电源及储能并网控制等方式，推动 终端用户用能模式的转变和优化，提升用电效率，提高清洁电能在终端能源消 费中的比重，到2 0 2 0 年，争取实现终端能源消费中电能比重超过2 6 2 的目标。 ( 4 ) 推动技术创新，多方合作共赢 推动智能用电领域的技术创新，带动相关产业的发展，不断延伸用电服务 领域，创造电力商品服务的附加值，拓展公司经营范围，实现多方共赢。 1 4 本文的主要工作和章节安排 本文结合智能电网的发展，依据智能用电服务体系中对用电信息采集终端 未来发展要求，参照了q g d w3 7 3 - - 2 0 0 9 电力用户用电信息采集系统功能 规范、q g d w3 7 4 3 2 0 0 9 电力用户用电信息采集系统技术规范、d l t 6 9 8 3 1 2 0 1 0 电能信息采集终端技术规范通用要求等技术标准，借鉴国内外同 类产品的开发思路和经验，设计并开发出具有多种功能的智能用电信息采集终 3 端，尤其在终端电能计量、谐波测量、程序在线更新和校准检验方面做了详细 深入的研究和探讨。 本文第一章介绍了论文研究背景，国内外用电服务体系的现状及我国未来 智能用电服务体系的发展目标；第二章首先对智能电网的概念作了介绍，对智 能电网的关键环节智能用电服务体系、用电信息采集系统和国内的建设情况作 了详细阐述；第三章按照用电信息采集终端的功能要求提出了设计方案，具体 阐述了终端硬件电路设计和软件实现；第四章着重介绍了m a x q 3 l8 0 工作原 理、通信实现和寄存器的配置，运用两种不同方法实现对电网谐波测量；第五 章介绍了基于u s b 的终端在线程序更新方法以及在终端中的具体实现；第六章 对终端出厂前的校准检验作了详述，完成了终端校准系统设计、上位机和下位 机校准程序设计和最终电气参数的具体校准实现；第七章对本课题的工作做了 归纳和总结，对未来的发展方向做了展望。 4 第二章智能用电服务体系 2 1 智能电网 2 1 1 智能电网的思想 受全球气候变化、不可再生能源快速消耗和用户对电能质量要求等因素影 响，电力行业面临着前所未有的挑战，建设更加安全、可靠、环保和经济的电 力系统成为全球电力行业的共同目标，为了达到这一目标，北美和欧洲已经开 展了一系列的研究，提出了建设智能电网的设想。期望通过一个数字化信息网 络将发电、输电、配电、供电、售电、服务以及用户的各种电气设备和其它用 能设施连接在一起，通过智能化控制使得整个系统得以优化，充分利用水能、 太阳能、风能等各种可再生资源，依靠分布式能源系统和储能系统实现精确和 最优化供能，将大大提高能源利用效率和能源供应安全，使电力用户与投资收 益达到一种合理优化的状态。这就是智能电网的核心思想1 8 l - 【】。 2 1 2 智能电网的内涵和特征 2 1 2 1 智能电网的内涵 智能电网是以包括电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度等各 环节为对象，运用最先进的电网控制技术、信息技术和管理方法，实现从发电 到用电所有环节的信息双向互动交流。它不是先进技术和高级控制方法的简单 堆砌，而是一个富于能效、智能决策、需方响应和精简灵活的开放复杂的高度 融合的系统引。智能电网是一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和 节点都得到了实时监控，并保证了从发电厂到用户端之间的每一点上的电流和 信息的双向流动，通过广泛应用的分布式智能和宽带通讯及自动控制系统的集 成，它能保证市场交易的实时进行和电网上各用户之间的无缝连接和实时互动 【1 3 】- 【1 4 】。它利用传感器、嵌入式处理、数字化通信和i t 技术，对电力系统内 各种关键设备的运行状况进行实时监控，把获得的数据通过网络系统进行收集 并整合到电力公司的数据库系统内，通过对数据的分析和挖掘，达到对整个电 力系统运行的优化管理。 2 1 2 2 智能电网的特征 智能电网的特征是它不同且好于其他形式电网的关键所在，通过分析提炼 出了以下特征： ( 1 ) 互动 一 实现与用户的智能互动，以最佳的电能质量和供电可靠性满足客户需求。 在创建开放的系统和建立共享的信息模式的基础上，通过电子终端将用户之间、 用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现数据读取的实时、高速和 双向，实现电力、电视、远程家电控制和电池集成充放电等多功能1 5 1 。它将能 源使用的决定权交给用户，用户可以实时了解电网实时电价、电力参数和能源 利用情况。高级量测体系、光纤和电力线宽带通信技术、用户智能交互终端、 智能营业厅和智能用电小区等都是智能电网互动特征的关键技术领域。 ( 2 ) 自愈 在故障未发生时，对电网的运行状态进行连续的评估自测，采取预防性的控 制手段来及时发现、快速诊断和消除故障隐患；当故障发生时，在没有或少量 人工干预下，对事故区域准确定位，快速诊断和隔离故障，重构系统网络，实 现自我恢复，最小化或避免用户的供电中断。事件响应的快速仿真决策、主动 解列灵活分区的分布协调，自适应控制和紧急状态下分布能源的辅助服务是当 前智能电网自愈研究的主要内容l l 。 ( 3 ) 坚强 智能电网的坚强意味着能够抵御外来任何形式的攻击，包括物理攻击( 爆炸、 武器) 、信息攻击( 计算机) 和自然灾害。它能有效抵御由此造成的对电力系统 本身的攻击以及对其他基础设施系统的攻击。广域同步测量系统( w a m s ) 、广 域同步控制系统( w a c s ) 、在线动态安全稳定评估控制系统、战略电力防御系统 ( s p i d ) 1 7 】和主动智能防御系统等是近几年来智能电网安全稳定研究的热点。 ( 4 ) 兼容 智能电网兼容性指的是它不仅能够承担传统的电力负荷，而且还能够兼容 可再生能源、分布式电源和储能装置。在智能电网框架下允许用户自己发电并 通过协同的、分布式的控制将多余电能回售给电网，提高电力系统的可靠性、 灵活性和效率，同时也给用户带来更多的选择。可再生能源并网发电、分布式 电源接入、微网运行控制、混合动力汽车、分布式储能装置等都是未来要研究 的关键技术。 ( 5 ) 优化 电网运行过程中的所有电力设备和通信设施都是电网的资产，智能电网通过 不断的信息整合、流程优化、业务集成和辅助决策对电网资产进行优化管理和 高效运作【l 引。优化资产的关键技术包括智能电子设备、公共信息模型( c i m ) 、 广域通信和变电站自动化i l 引。 基于以上特征，智能电网相比于当前电网有明显的优势，如表2 1 所示。 6 表2 1 智能电网与当前电网特性比较 对象当前电网 智能电网 通信没有或单向 双向 用户 不知情，不参与知情，主动参与 网络拓补 辐射状 环形网状 设备管理 人工现场校核远方实时监控 故障处理故障后被动保护且电力中断故障前主动预防和自适应保护 供电恢复 人工干预自愈 外来攻击 不能抵御主动抵御 分布式能源 很少兼容完全兼容 资产管理 很少优化 2 2 智能用电服务体系 智能电网是涵盖从发电、输电、变电、配电、用电、调度和通信技术在内 的综合智能化系统，智能用电服务体系是智能电网总体架构中一个重要环节， 直接为电力用户提供电力供应和智能化用电服务。 2 2 1 智能用电服务体系架构 智能用电服务体系的总体架构，是以坚强智能电网为基础，所有智能用电 服务关键技术设备在智能用电服务标准规范体系下，以通信与安全保障体系为 可靠保证，通过智能用电服务综合管理系统和智能用电服务互动平台，为电力 用户提供智能化、多样化的用电服务，实现