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远程电力抄表系统一数据采集部分 摘要 随着自动化技术、嵌入式技术、计算机技术、无线通讯技术的迅速发展，远程电力抄表 系统成为了电力部门管理、分析、处理各种电量数据的一种重要选择措施。 本文作为远程电力抄表系统中的一部分，主要研究数据采集终端部分，针对止在开发研 制的多功能电能表，对电能计量原理、硬件组成模块及其功能、软件开发及其流程等进行详 细说明，较为完整地展现电能电量采集部分在整个远程电力抄表系统中的作用。 在硬件上，该多功能电能表兼顾现场抄表与远程抄表的需求，采 j 既能够实现现场无线 抄表，又能实现远程集中抄表的方式。具体实现方法是：在使用通用电量计量芯片a d e 7 7 5 5 的基础上：用单片机作为处理器，配合红外发射、接收电路，实现现场无线抄表功能；配合 载波电路板，完成采集数据的上传，实现远程数据的集中与抄录。为了保证整个系统的可靠 与稳定，在电能表内选剧单独的硬时钟芯片8 5 6 3 ，为电表提供可靠的时钟基准；在采集数 据的存储上，使用非易火性的铁电存储器，为数据的存储提供稳妥可靠的数据保存方式，整 个远程电力抄表系统因此具有了一整套可靠的数据基础。其中在连接载波板的处理上，使用 s p i 三线方式，使该多功能电能表能够在不改变整体硬件结构的前提下，仅通过更换载波方 式不同的载波板，更新相对应的接收、发送程序，就能适应不同的远程数据集中方式，使该 电能表能够方便地走上系列化的道路。 在软件上，充分利用单片机的特点和电能表采集传输数据的功能特点，直接利用汇编语 言，按照国标及南方电网的相关协议进行编程。充分考虑实际使用中的各种异常处理方法， 保证电能表准确可靠地运行，使多功能电表对远程信息的响戍速度和准确性在软件的配合下 得以提高。 该多功能电能表，已经初步研制完毕，正在进行相关的现场实验，通过、卜年多以米的安 装试运行情况来看，其运行状态良好，基本达剑了设计的要求。 关键词：抄表；多功能；电能表；a d e 7 7 5 5 ；载波； 远程f 乜力抄袭系统一数据采集部分 a b s t r a c t s a c c o r d i n gt oa u t o m a t e dm e t e rr e a d i n gi np o w e rs y s t e m st e c h n o l o g y ，e m b e d d e d c o n t r o ls y s t e m st e c h n o l o g y ，d a t ac o m m u n i c a ti o nt e c h n o l o g ie ss u c ha st h ed e v e l o p m e n t t r e n do fr e m o t ee l e c t r i c i t ym e t e rr e a d i n gs y s t e mt ob e c o m et h ep o w e rs e c t o r m a n a g e m e n t ，a n a l y s i s ，d a t ap r o c e s s i n gp o w e ro fa ni m p o r t a n tc h o i c em e a s u r e s i nt h i sp a p e r ，a sr e m o t ee l e c t r i c i t ym e t e rr e a d i n gs y s t e mi nas u b s e to ft h e m a i nd a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a lo nt h ep a r to ft h ed e v e l o p m e n to fs p e c i f i co nt h e o n g o i n gd e v e l o p m e n to fm u l t i f u n c t i o n a lm e t e r s ，d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fe l e c t r i c e n e r g ym e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，h a r d w a r ec o m p o n e n t sa n df u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s e s ，a n ds oo n ，t os h o wam o r ec o m p l e r ea c q u i s i t i o no f t h ee l e c t r i ce n e r g yc o n s u m p t i o no fe l e c t r i c i t yi nt h ee n t i r er e m o t em e t e rr e a d i n g s y s t e mi n t h er o l e i nt h eh a r d w a r e ，t h eb a l a n c e m e t e rs i t em e t e rr e a d i n ga n dr e m o t em e t e rr e a d i n g n e e d s ，w ec a na c h i e v ew i r e l e s sm e t e r r e a d i n gs c e n e ，b u ta l s ot oa c h i e v et h e c e n t r a l i z e dr e m o t em e t e rr e a d i n gm e t h o d s s p e c i f i cm e t h o di s ：u s eo fac o m m o np o w e r m e a s u r e m e n to nt h eb a s i so fc h i p sa d e 7 7 5 5 。u s i n gs c ma sap r o c e s s o r ，i n f r a r e d e m is s i o n ，r e c e i v i n gc i r c u i t ，a c h i e v i n gt h es c e n ew i r e l e s sm e t e rr e a d i n gf u n c t i o n s w i t hc a r r i e rp r i n t e dc i r c u i tb o a r d s ，c o m p l e t e dt h ed a t ac o l l e c t i o nu p l o a d ，a c h i e v j n g al o n g - d i s t a n c ed a t ac e n t r a l i z a t i o na n dr e p r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt oe n s u r e t h a tt h ew h o l es y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y ，a n di nm e t e rd e s i g nas e p a r a t e h a r d w a r ec l o c kc h i p8 5 6 3 ，t h em e t e rp r o v i d e sar e l i a b l eb e n c h m a r kc l o c ki nt h e c o l l e c t i o no fd a t as t o r a g e 。t h eu s eo fn o n v o l a t i1 ef e r r o e l e c t r i cm e m o r y ，t h ed a t a p r o v i d eas a f ea n ds e c u r es t o r a g eo fd a t ar e t e n t i o n ，f o rt h ee n t i r el o n g d i s t a n c e e l e c t r i c i t ym e t e rr e a d i n gs y s t e mp r o v i d e sar e l i a b l ed a t ab a s e 。i nt h ec o n n e c t i n g c a r r i e rb o a r d st r e a t m e n t t h eu s eo fat h r e e - w a ys ot h a tt h em e t e rc a n d on o tc h a n g e t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r eu n d e rt h ep r e m i s eo ft h em e r ep a s s a g eo f t h e r e p l a c e m e n tc a r r i e r sc a r r i e rb o a r d sd i f f e r e n tw a y s ，e o r r e s p o n d i 珏gt or e c e i v e u p d a t e s ，s e n dp r o c e d u r e s ，w i l lb ea b l et oa d a p tt od i f f e r e n tr e m o t ed a t ac e n t r a l i z e d ， s ot h a tt h em e t e rc a ne a s i l ye m b a r ko nt h er o a do fs e r i a li z a t i o n i nt h es o f t w a r e ，m a d ef u l1u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds c mm e t e rt r a n s m i t d a t ac o ll e c t i o nf e a t u r e s ，t h ed i r e c tu s eo fa s s e m b l yl a n g u a g e ，i na c c o r d a n c ew i t h g ba n ds o u t h e r np o w e rg r i da g r e e m e n t sr e l a t e dp r o g r a m m i n g f u l l yt a k e ni n t oa c c o u n t t h ea c t u a lu s eo fav a r i e t yo fu n u s u a la p p r o a c h ，t oe n s u r ea c c u r a t ea n dr e li a b l e m e t e rr u n ，i m p r o v e dm u l t i m e t e r si n f o r m a t i o no nt h el o n g r a n g er e s p o n s es p e e da n d a c c u r a c y 。 t h em u l t 卜f u n c t i o nm e t e r s ，h a sc o m p l e t e di n i t i a ld e v e l o p m e n t ，t h eo n g o i n g e x p e r i m e n tr e l a t e dt ot h es c e n e ，t h r o u g hm o r et h a nh a l fay e a rs i n c et h ei n s t a l l a t i o n o ft e s to p e r a t i o n ，i t sr u n n i n gg o o d ，b a s i ct ot 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 ：m e t e rr e a d i n g ；m u l t i f u n c t i o n a l ：m e t e r ；a d e 7 7 5 5 ：c a r r i e r 。 i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人帮集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鏖i 痘导师签名：邀丝吐主霉期：耋q 坌辟轻旦 远程电力抄表系统一数据采集部分 第一章引言 1 1 课题来源 随着小城镇建设步伐的加快，以及农村电网改造、居民用电点的增多，远程电力抄表也 逐渐成为了现实的一种需求，在此背景下，全国电力行业都在探索、建设远程电力抄表系统， 贵州省在近，毛年也在进行相关的探索，但楚都是采焉别省的方案与技术，在此前提f ，南方 电网贵州省分公司白云供电局，开始了电力远程抄表系统的建设工作。本课题就来源于这次 系统建设慈：企监与贵州英特剥公司镌横岗合作，主要酶强的是开发一整套具有蠹主知识产 权的远程电力抄表系统。以合作建设为依托，可以解决研究开发中的实验设备等问题，具有 较离的研究与实用价值。本课题主要负责磷究电表电能数据采集至集中器部分的i 作。 1 2 远程电力抄表系统概况 采用传统抄表方式遴行人工抄取电能表数据，通常会出现以下阀题：不熊在威时间抄 取到各表的数据，抄表的周期长、耗费入上多而效率低、不利予电力公司计算分析线损值等 相芙数据。为了鳃决这些问题，多功能电予电能表的安装与远程抄表系统的使用，就将电 能计量数据定时采集保存、传输和处理连接成了一个宠整的自动抄表系统，节省了入下，提 高了效率，还为电力公司分析数据提供了前所未有的方便和快捷，克服了传统人_ t 抄表模式 的低效率和不确定性，推进了电能管理现代纯酶发展进程2 。 目前，国内远程电力抄表系统中采用的电量采集设备，如聚使用一体化的多功能电表， 通常都是在电缝表内，由逛子式计量芯片完成电表电熊憋采集，再以单片撬为基本数据处理 核心，配合相关的载波芯片或信号传输芯片米完成数据从采集到传输的t 作过程，数据传输 至n 集中设备以蕨，再将数据传送到远端的电力部门后愈，配合相关的后台处理软件，就可以 任意地进行数据的汇总和处理，从而实现了整个从抄表到集中到数据处理的整个自动化的过 程。通信系统是建设配电自动化系统的关键技术，通信系统的好坏从很大程度上说决定了自 动能系统的优劣，配电自动化要借助可靠的通信手段将控制中心的控制命令下发到各执彳亍 机构或远方终端同时将各远方监控单元( r t u ) 所采集的各种信息上传至控制中心。随着通 信手段酶冒薪嗣异，曩前酉供使焉、选择的通信方式有多静多样。按照传统酶分类方法，可 简单地分为：有线方式和无线方式，其中有线方式包括有：架空明线或电缆、配电线载波， 现场总线魏r s 4 8 5 、专线等；配电盘动他对遗信系统舱要求，取决丁l 配电阙麓栽模静浮；求实 现的具体希望水平。无线方式包括：传统无线电通信，无线扩频、卫星通信，无线导呼等”1 。 在整个远程电力抄袭系统中，分表数据传输到数攒集中设备的途径是各种抄表系统的主 要区别，通常采用的方法有：低压扩频载波、4 8 5 专线信号传输、工频过零调制传输簿方式。 从集中器再到数据处理胼台的传输，在抄表系统发展的早期，主要有电话线方式和专线方式 1 易小挖，付水庆。盂庆福。电力线载波通讯技术存远程自动抄表系统中的臌用 j 应用科技2 0 0 1 年第l 期，1 7 2 0 页 2 李龙撼，_ ；c q 度伟一个蠡动抄表系统的漤计与灾礁 。l 】。i l 算檄成 珏，2 0 0 1 ( 8 ) ；2 0 1 2 0 3 3 酃支，赵幸毫。电旋爨凑掺表技本殿襁荚露考【1 】清华大学电器l 系论文集 l 远程电力抄表系统一数据采集部分 两种。到了无线通讯发达酶今天，g s m 、g p r s 、e d 澈等无线传输方式戬其稳定、高效麓方式， 逐步成为了众多远程电力抄表系统进行远端传输的选择方案4 。 。3 当前电量采集设备麓发展现状 当前我国电力抄袭墓本上都是人工米完成，即内抄表人员接家挨户抄查电表。这种抄 表方式效率低一f ，数据抄录时间跨度大，线损均摊不会理。隧羲遥蔷和计算砉运技术豹发展， 我们可以给电表加上通信模块，实时读取用户电表的数据，自动从用户在银行中的帐户中扣 除消费金额。不但节约人力开支，还能监控各个灞户的消费情况，有剩于管理部f 1 及时发现 问题并采取捆虑的措施进行处理。远程自动抄表技术作为一种先进科学的管理摸式，9 0 年 代以来，国内有不少企业开展了这方面的研究，但市场推广并不顺利5 。目前，只是在部分 地蹶进行了实验性的麻蜊。究其原因，方_ 匾是信号传输方式不同，备有利弊，尚没有统一 的标准。更主要的是在于构建一个完整的系统规模庞人，费用相当高。因此，研制一种高性 能低成本的远程抄表方式成为推广运耀自动抄表技术的关毽8 。 远程电力抄表系统，最底层的就是电能的计量设锛，以前指积算电能的机械式电能表， 俗称电度表；按电能的计量单位，又称千瓦辩表；随簧瞧子技术的发展，机械式电能表逐步 已经被大量的电子式电能表所取代，近儿年随着经济与房地产业的迅速发展，也极人的带动 了电能表需求及种类的不断更新釉发展。 就电能表本身而言，是只有积算电鼙的功能，而没有将数据进行采集传输功能的，因此 面对远程电力抄表的需璎，就需要进行电量采集设备的开发与生产。目前，市场上所采用的 电餐采集设备，主要有：电子式电能表的脉冲采集盒，适用于辩嗣表进行改装的场合；对予 新建和换装的情况，则可以直接采用具有采集传输数据功能的多功能电子电能表来完成数据 豹采集。就我匿譬蓠鹣状况来说，由电力部fj 和政府李 精麓形式换装新表，或者楚在房蓬开 发阶段直接安装多功能电表，正在成为各地进行远稃电力抄表改造的首选方案7 。 我国电能表的生产，原来一蛊是班辊撼表为主，翅子表市场需求量远不及视撇表的主要 原闵是电子表的产品寿命不如机械表。但是随着微电子技术的发展，电子寝从枝术上讲已经 成熟，业内人士分析，随着电力部f 】对用电政策的调熬，国家逐步推行分时电价政策，传统 的机械式电发表己不能满足需要，机械表被电子表替代是大势所趋国内民用电表的市场需 求止在俏悄地从以机械袭为主体向以电子衷为主导转变，具体表现为从酱通功能裂电表向长 寿命、分时段电子表、多功能智能型电能表方向过渡。 民用电表行业( 单相表) 的发展与国家关- 丁民用电收费及鼗备政策密切相关。最重要的 是“一产一表”政策。匿家电力公霹关于全藤推进“一户一表”工程的主要内容包扩：实现 供电到户、抄农到户、收费到户、服务到户，1 9 9 8 年至2 0 0 5 年，全国城乡总计进行了5 0 0 0 4 常飞。赵伟不断发腱的自动抄袭技术 j 电测与仪表，2 0 0 4 年第j 期3 - 6 页 5 文, l t t 赵钦f 茂。冯伏尔。李少壤 自动化热望中国配网【j 】电力系统装备2 0 0 3 ( 1 2 ) 6 州游。岛新华。隧内j l 静电能衷奠动抄泉系统之跑较 。 】广秀：i 毪力2 0 0 2 年麓2 翔i j 一5 8 夏 莽建，笑太瑰。电力线逶g ( p l c ) 圭乏本静笈艇翻垂动 艺与仅器佼表2 0 0 3 ( 5 ) 2 远稷电力抄表系统一数据采集部分 万户居民麓“一户一表”改造。隧着多功憝电子表、远程抄表技术的不断成熟与完善，可臣 预计：多功能电子电能袭以及远程电力抄表系统的安装、使用，一定会成为电力系统、电力 用户共民麓选择。擐据第五次全潮入西普查数据，找谶总人蜀为1 2 9 7 3 3 亿久，詹经在城镇 的人口4 5 5 9 7 万人，居住在乡村的人口8 0 7 3 9 万人，平均每个家庭户的人口为3 4 4 人，3 1 个省，自治区，壹辖审焚有家庭户3 4 8 3 7 万户。静态地估计，国内民用电熊表市场容量约为 3 4 亿只。若全部更换为多功能电能表，则有3 4 亿只左右的市场，即使按年份逐渐替换完 毕，每年5 的替换率，也有1 7 0 0 万只左右的市场8 。从动态的角度上来说：隧着房地产业的 快速开发、入弱婚育高峰的出现，国内家庭户还在不断地增加。这些都是多功能电子电能表 研究、开发、生产的热力所在，也为本课题的研究提供了广阔的市场基础。 1 4 课题主要涉及的内容及论文安排 本课题趋作为一个整体项目进行研究和推进的，包括了远程抄表系统从数据采集到集 中器、麸集孛器剑后台、数据在意台的处瑾平台慝个大靛部分。露我在这个谍题中主要涉及 的研究内容属于最底层的数据采集剑集中器部分，主要是多功能电子电能表的硬件研究和软 件编写。具体地说，就跫负责完成累计电麓、定时采集存储电鼙、接收集中器的下发命令磐 予以响应、上传相关数据给集中器等工作。我将在论文中详细介绍所研制的多功能电能表的 基本原理，说明其基本的硬件缓成结构及各部分的功熊，介缁在程序设计中，针对硬件特点 及工作要求所采用的编程思路及基本流程。具体论文安排如下： 第二章电能计量原理 主要介绍了电能计疆的基本原理及计鬟芯片a d e 7 7 5 5 。 第三章多功能电能表硬件设计 主要介绍本课题电能表靛基本要求拳l 总体没诗方寨。 分部分详细介绍了设计的多功能电能袭中各硬件部分的功能和特点。 第醒章多功能电能表软件设计 叙述了在程序编写过程中的基本思路与处理办法，给出了基本流程结构。 第夏章总结与展望 总结了本课题的设计思路，对以后的研究发展方向进行了思考。 3 金琵簿，秘恚簸等。零j 嚣控翻繁审抄裘系统【j j 徽计冀骞t 络愆( 嵌入式s f f c ) ，2 0 0 5 譬第2 1 卷l i - 2 期，2 0 2 2 茭 3 远程电力抄表系统一数据采集部分 第二章电能计量原理 2 1 电能计量原理 电能w 是有功功率p 随时间的积累，即w - - i p 魂，“是积累时间) 。另外我们还知道 订 p = u xi ，因此电能计量可以通过对电压电流的测量然瑟经过积分等一系列的运算 ! 譬剿，因此， 在电能表中采用了积分算法机构，通常，测遛直流电能的电能表多采用电动系电表的侧量机 构，而侧量交流电能的电能表则采用感虑系电表的测援机构9 。 对于电能的计蕈，依据前面所阐述的公式，需要对电路的电压、电流等基本的参数进 行测量，有功功率的计算是各相的有功功率通过对去赢流分量后的电流、电压信号进行乘法， 热法，数字滤波等一系列数字信号处理后褥到的。如果翦端a d c 采用过采样技术，就可充分 保证电流、电压采样速率，根据采样定理可知电流、电压采样数据中会包含高达2 1 次的谐 波信息，所以依据公式： p = 寺u ( 七) m ) ( 2 - 1 ) v k = o 计算得到的无功功率也至少包含2 1 次谐波信息。无功功率计量算法与有功类似，只是 电压信号采蹦移相9 0 度之后的。测量带宽主要受剑数字移相滤波器的带熊限制。所以无功 功率的测量也可以高达2 1 次谐波；而视在功率，功率冈数，相角的测量可以基于上述溯量 的有功功率和无功功率，通过开方，除法等运算就可以得到这些参数；有效值的测鬣是通过 对电流、电蕊采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系舞运算得到；能鬣的计算憋将功率 信号对时间进行积分就可以得到能量。其测蹙的原理士要用到+ 卜列儿组公式“： 电压有效值：，= 电流有效值：i 。，一 辱心触 厢丽 功率贼弦一s i g n ( q ) 器 单相有功平均功率： p = 土t 囊( ) f 。) 盛 有功能量： 印= l p ( t ) d t 无功能量： f q = i q ( t ) d t ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 电子式电能表计量有功就是耀矗o 采样数值计算的方法，将一个凌糍t 等分为n 份， 根据积分的数值计算方法，可将功率表达为： 9 郭捡棒。林海军，张娃蝣。电子武电能表专瑙芯玲分类及溅避【j 】电测号仪表2 0 0 2 ，3 9 ( 甚4 4 2 ) ：5 - 9 。藩秀颓，5 莠闲。电缝秘+ 藿基鹚雕】巾i 窭i t 豢懑舨疆2 0 0 2 4 远橼电力抄表系统一数据采集部分 p 币“) f ( t 1 ) + + 地) f ( 小蛾顶删吾= 去喜蚓地) 沦8 ) 令a t = 颤一一l ，裂一个簿麟内戆电麓量鬻： 矽= 【材( ，1 ) i ( t k ) a t ( 2 9 ) 当，一0 时，式( 2 - 1 5 ) 则变为： 驴= 【u ( t ) i ( t ) d t 2 1 0 ) 对式( 2 - 5 ) 采取采样数值的计算，表达式为： p = 参f p ( ，) 旃= ；f 甜( 彬( ，= 喜砜厶c o s m 。= 喜只( 2 - 1 1 ) 形= f 掰( f ) ( ) 盛= f 毫 ( 2 一1 2 ) 式( 2 - 9 ) 是电子式电能表计攮有功电能的采样数值计算方法。当采样时间间隔船一0 时，形式上电能计量式( 2 - 1 0 ) 与在谐波情况下有功电能理论表示式( 2 1 1 ) 相同；在数值计算 时出于电子电能表的c p u 能够将含有多个不同频率、按上e 弦规律变化的电压和电流的瞬时值 分蹦采样并作运算，因此有效地记录了负载的瞬时功率、亦即记泶瞬间消耗的所有有功能量。 从原理上证实全电子式电能表实现记录负载消耗基波和谐波总平均功率及电能量是可行的。 当然，也不是说全电子式电麓表就不会产生计量误差，全电子式电能表产生误差的原因是多 方顽的，如温度、电压电流、基波频率等外界条件；电压电流变换线路组什的分散性，电能 量计算昀方法等。当毫网存在高次潼渡时，瓣电能计鬃熬准确性会有影响，谐波含麓惫高电 能计量误差愈大；当谐波含量满足国标规定时，误差影晌微小，溺谐波含鼙超过国标规定时， 误燕影响比较大。一般的电能计肇参数的标准，都是针对正弦谐波所定的标准。 在实际设计多功能电表时，通常使用利用上述原理所设计定型，并通过人量实际使用， 具有国家标准认可的电能计量芯片，在本设计中，就使用了美国a d i 公司生产的高精度有功 电能测量的单相双向数字电能芯片a d e 7 7 5 5 。 2 2 脉冲输出的电畿计量集成电路a d e 7 7 5 5 a d e 7 7 5 5 楚一种高难确度电能测量集成电路，其技术指标超过了i e c l 0 3 6 规定的准确度 要求。a d e 7 7 5 5 只在a d c 和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理( 如相乘和滤波) 都 使用数字电潞，这使a d e 7 7 5 5 在恶劣镌环境条佟f 仍能绦诗掇离麓准确度秘汝期稳定性。 图2 - i 为a d e 7 7 5 5 的功能框嘲，a d e 7 7 5 5 引脚f 1 和f 2 以较低频率形式输出有功功率平 均值，能壹接驱动机电式计度器或与徽控毒器( m c u ) 接酲。弓| 脚e f 以较熹频率形式输逡有功 功率瞬时值，梢丁校验戚与m c u 接口。a d e 7 7 5 5 内部包含一个对a v 帅电源引脚的监控电路。 h 袁辫，赵宁。l 慕蕊邀力线载渡翻动集串抄袭羝绕【j 】器j | | 激力援零1 9 9 3 年第3 期3 5 - 3 9 夏 5 远程电力抄表系统一数据聚集部分 在a 上舞刭4 ￥之翁，a d e 7 7 5 5 一直僳持在复德状态。当勰糯降至l4 ￥以下，a d e 7 7 5 5 也破 复能，此时f l ，f 2 和c f 都没有输出。 内部裰饿匹配电路傻电夏和电流通道躲相位始终是珏配酶，无论通遴内的悫遴滤波器 ( h p f ) 是接通的还是断开的。内部的空载阀值特性保证a d e 7 7 5 5 在空载时没有潜动1 2 。 g o 翻a v d oa g n da 蹶d v d od g n d v 1 p v l n v 2 p v 2 n 蠢鞭涨 r e f i n o t r r c l k i nc l k o l r ts c fs os r e v pc ff 1f 2 图2 - 1a d e 7 7 5 5 功能框图 图2 - 2 示出了通道l 的典型接线图，本例选择电流互感器( c t ) 作为电流传感器。应当 注意，这里通道l 的共模电压是觚n d ，它是通过负载电阻的中闻抽头接刘a g 翘上的，对v 1 p 和v i n 上的模拟电压起到互补作用。c t 的变比和负载电阻r b 的大小根据著动峰值电压而定， 帮在最大受载条件f ，通道l 的蓑动峰值嚷羝应爻- 4 - 4 7 0 m v g 。 i p l | ： l l a g n o 栩线中线 圈2 - 2 通道l 典型接线图 图2 - 3 通道2 典熬接线图 2 纛痰瑟，肇菱投泽。辣| | 赣痿豹邀稚诗鼍集成电路a d e 7 7 5 5 6 远程电力抄表系统一数据采集部分 图2 - 3 示密了遥道2 蘸种典獯接线方法。第一种方法是使用一个电器互感器( 疆) ，它 能使h d e 7 7 5 5 与主电网究全隔离。第二种方法是以电网的中线( 零线) 为基准，用一个电阻 分骶器提供与线路电压成正比酶邀匿信号，谖整r & 腩和￥r 的魄值能缀方便地完成仪表的 增赫校验。 a d e 7 7 5 5 通过计算通道1 和通道2 殛个输入电压的乘积，然层对乘积进行低通滤波，获 取有功功率信息。再将这个有功功率信息进一步转换成频率，以低电平有效的脉冲信号从引 脚f l 和f 2 输出。这个脉冲信号的频率是相当低的，例如，在s 0 = s i = 0 ，交流输入的情况下， 最高频率仅0 3 4 h z 。这意味着，这个频率楚对有功功率信号经避相当长时间累计后产生的， 因此这个输出频率与平均有功功率成正比，有功功率的平均过程是隐含在数字一频率转换中 完成的。输出频率与输入电压大小有关，巍下式确定： f = ( 8 0 6 v 1 v 2 g 曩一4 ) 晦 式中： f _ 引脚f l ，f 2 输出的脉冲频率( f l z ) ￥l 避道l 差动输入电嚣套效值( ￥) v 2 通道2 差动输入电压有效值( v ) 卜l ，2 ，8 ，1 6 ，取决于p g a 的增益，由g o 釉g l 的逻辑输入确定 v 耐一基准电压( 2 5 v 8 ) ( v ) f ；广哟主时钟c l k i n 分频获得，分频系数由s o 和s l 确定。见表2 - 1 表2 - 1f l 。的频率选择( c l k i n = 3 5 7 9 m h z ) s 1s o f 1 q 甜z ) 分频系数 o01 72 2 1 0圭3 哇2 l 蕊 lo6 82 1 9 主l王3 6 2 1 8 c f 端输出的脉冲频率可高达f l 和f 2 的输出脉冲频率的2 0 4 8 倍。f 1 - 4 频率选得越低， c f 的倍率越尚( 高频方式除外) 。表2 - 2 给出了两者之间的关系，它们取决丁i 逻辑输入s o ， s 1 和s c f 的状态。因为c f 输出的频率比较离，因此它与瞬时有功功率成正比。如同f l 和 f 2 一样，c f 输出频率也楚在相乘焉经低遥滤波器获得的。然而，因为输出频率较蒜，有功 功率累计的时间非常短，因此在数字一频率转换过程中完成的平均作用较小。由于对有功功 率信号酶平均作翊较小，所臣e f 的输篷黠功率波动的嚷瘟篦较敏感。 7 远稷电力抄表系统一数据采集部分 表2 屹贸薛最高输出频率( 交流信号) s c fs 1s o f l q ( h z ) c f 的最高输出频率( a z ) 圭o0圭7 1 2 8 f 圭，f 2 = 哇麓5 2 ooo 1 76 4 f i f 2 = 2 1 7 6 王o羔3 。唾6 莲f l 。f 2 = 哇3 。5 2 0 ol3 43 2 f 1 f 2 = 2 1 7 6 l王o6 83 2 f i 。f 2 ：4 3 5 2 o 王06 8王6 f 盖f 2 = 2 王7 6 lll1 3 61 6 f 1 ，f 2 = 4 3 5 2 0王ll3 62 0 4 8 f 1 。f 2 = 5 5 7 0 图2 - 4 豕出了各频率输出信号的时序。f 1 和f 2 输出频率较低，能直接驱动步进电机或 飙琏羔式脉冲诗度器。f l 秘f 2 提供的是两个交替的低逛平脉冲信号，脉冲宽度( 专1 ) 为2 7 5 m s ， f 1 和f 2 下降沿间隔时间( t 3 ) 约为f 1 周期( t 2 ) 的一半。然而，当f 1 和f 2 的脉冲周期小于 5 5 0 m s ( 1 8 1 h z ) 时，f l 和f 2 脉宽变为脉冲周期的一半。 高频率输出c f 主要用于通信和仪表校验。c f 产生脉宽( t 4 ) 为9 0 m s ，高电平有效的脉 冲信号，其频率正比予瞬时有功功率。与f l 和f 2 情况一样，当c f 的周期( t 5 ) 小于1 8 0 m s 时，c f 的脉宽变为脉冲周麓的一半。铡如，当c f 的颇率为2 0 h z 时，e f 的脉宽是2 5 m s 。应 当注意，当c p 选择为高频方式( 即s c f = o ，s i ：s o ：i ) 时，c f 的脉宽同定为1 8ps ，因此不 管c f 的输密颁率多高，总是1 8ps 。 f ， 叫t 4 卜卜t 5 叫 嚣 n nn几nn 瑟2 - 4 频率输出漪序圈 在a d e 7 7 5 5 与m c u 的接口上，可以采用c f 端连接到m c u 的信号输入端口，此时m c u 在 内部定时器致定的积分时闯肉对娌输出的脉冲计数，平均功率正比予平均频率，巍下式确 定： 平均功率= 平均频率= 脉冲个数积分时间 在一个积分周期肉消耗的电能为： 电能= 平均功率积分时间= ( 脉冲个数积分时间) 积分时间= 脉冲个数 8 远程电力抄表系统一数据采集部分 计算黍l 照示功率信息慧会有一些波动，这取决予m c u 测定平均功率所耀的积分周麓戳 及负载的大小。例如，在轻载情况下，输出频率为l o h z ，积分周期为2 秒，那么在一个积 分周期内只计剿约2 个脉冲。霹为a d e 7 7 5 5 输出频率秘m c u 定时器不是藏步上终的，因此 丢失一个脉冲的可能性总是存在的，这就会导致二十分之一( 5 9 6 ) 的测颦误差”。 除了使用c f 与淞u 接日以外，还可以使用f l 或咒做为淞u 的信号输入，闵必f l 和 f 2 的信号频率是相当低的，有功功率的平均过程是隐含在数字一频率转换中完成的，而且f 1 和f 2 直接用于驱动机电式计度器( 每1 0 0 个脉冲指示l 千瓦时) ，这样处理，直接对f l 或 f 2 进行计数，也可以完成用电量数据的采集下作。本课题采用的正是这种连接方式。 1 3 扇罐义鲢滨寿。低莲逛力翻户涎程交葫抄袭系统【弱电力爨动纯浚萋1 9 9 9 年第2 期2 一哇5 贞 9 远程电力抄表系统一数据浆集部分 第三章多功能电麓表硬件设计 3 1 总体设计方案 本课题中，设计的多功能电能表，是佟为远程电力抄表系统的一个重要环节来要求的， 这就需要结合艇个系统的要求来考虑整个设计要求。在整个远程电力抄表系统中，对数据的 要求主要是：诗藿准确、存储稳定、传输正确。因此需要在设计多功能电能表的过程中，认 真地考虑实现以上要求的止确办法。 计量准确的要求，嚣要在用电餐检测转换过程中尽鼙遗精准。选择一种符合国标，甚至 优于国标的电最检测方式或手段就成为了重点。在本课题中，使用了脉冲输出的电能计量集 成电路芯片a d e 7 7 5 5 ，将朋电量转换为脉冲信号输出，由m c u 来对脉冲进彳亍计数，从丽实现 用电信息的采集。该芯片技术指标超过了i e c l 0 3 6 规定的准确度要求h ，且只在a d c 和基准 源中使用模拟电路，所有其它信号处理都使用数字电路，使得a d e 7 7 5 5 在恶劣的环境条件下 仍能保持极高的准确度和长期稳定性。在检测计量与m c u 的接翻上，采用了a d e 7 7 5 5 的低频 率输出脉冲f 1 连接m c u 端口，同时，f 1 还是直接驱动电表上机电式计度器的脉冲信号，因 此，可以保证m c u 煞计数结果与计皮器示数值的一致性。对于m c u 熬选择，考虑訇电能表 期上作的特点，必须选择经过长期实用，稳定可靠的处理器，在这里，我们选用了p h i l i p 公霹的p 8 9 l p c 9 3 6 佟必电能表酶m c u ，为整个采集数攥镌处理、对系统鑫令的艇读、执行等， 提供可靠的处理核心。 存储稳定的要求，需要在数据存储方式上来解决。为了保证在突发枣件，比如停电等 情况发生时，数据保存的稳定可靠，需要使用稳定性极高的存储器来进行数据的存放。在系 统中，使用了型号为f m 2 4 c 1 6 a 的_ = # 易久性铁电存储器，该存储器为高速串行传输方式1 2 c 的1 6 kb i t 存储器，可反擦写l o 亿次以上，无写等待时阀，存储数据稳定保存可达l o 年。 保证了电能表的各种数据正确存储以后，可以得到可禳的保存而不会丢失。 待输正确的要求，主要是裱据抄表方式来决定酌。该多功能电能表，考虑剑可能出现 的远程故障问题，兼顾了现场抄表与远程抄表的需求，既能够实现现场的红外无线抄表方式， 义能实现远稷於集中抄袭方式。该多功能电熊表设计了红外发射、接收电路，实觋了现场无 线抄表功能。即在单片机的串口造接了红外发射、接收器的收发信号线，另外将发射调制控 制端连接剑单片枕的p o 1 ，让擎片视在进行红外发射( 串口输壅) 时，扶p o 。1 输溺3 8 k h z 的调制脉冲，以达到实现红外通信的目的。这样的处理，对单片机而言，完全可以将红外收 发当做酱通昀串行通信来看待，简化了程序上的处理过程。另一方面，该多功能电表还要实 现远程的抄表，这就需鬻配合载波电路板，宪成采集数据的上传，实现远程数据的集中与抄 录。我们使用了一种不同于一般t 频信号过零载波的过零载波技术：普通的t 频过零载波， 是剃阁王频电压正弦波过零点时刻，在路线上附加信号，使电骶值在零点辩近产生畸交，季| j 4 剜意巾，萼家椽等。挚舞罄 控剿远箨移袁系绫秘】徽电子学岛裁- 羹磐k2 0 0 2 年第5 期，5 4 一弱菱 1 0 远程电力抄表系统一数据采集部分 用连续两个过零点上谁加信号，谁不加信号来调制o 或1 ，对方根据畸变的位置来进行解调 临。这种调制和解调的过程需要相邻信号的比较，实现起来不是很容易。我们使用的过零载 波技术，则是在工频信号过零点时刻，直接在线路上加上一个瞬时电压，根据用户的选择， 可以用此信号代表0 ( 调制0 ) 或1 ( 调制i ) ，这样一来，调制和解调t 作就变得相对简单 很多，只要看在过零时刻有没有该电压存在，就可以知道当前的信号是0 还是l 了。该载波 电路板目前还处于应用测试阶段，但经过大半年的测试，信号的传递是可靠和准确的。该载 波板的使用，就使该多功能电能表具有了远程抄表的功能。 为了保证电能表能按时配合整个远程电力抄表系统工作，需要有精确的时间卜配合， 在该电能表中，采用了硬时钟芯片p c f 8 5 6 3 t ，该芯片能够在设定时间后，自动走时，并能 提供年、月、日、星期、小时、分钟、秒的数据，还能自由地设置报警( 中断) 发生的时长， 在使用大电容供电的情况下，可以保证停电7 2 小时该时钟芯片走时准确，可以准确地为电 能表的各种操作提供可靠的时钟基准。另外，为了实现远程对用电户通断电的管理方便，还 使用了双向驱动继电器电路b h 3 0 2 3 a 和磁自保持继电器b s t 9 0 2 a 来实现了该功能。 总之，该多功能电能表的总体设计方案，是在考虑了系统中的各种因素以后，本着满 足各种系统需求，且兼顾性能价格比较高的原! i l | j 来确定的，总的系统框图如图3 - 1 所示： 通 通 图3 - 1 电能表系统功能框图 5 臭斌，赵学增等。一种能跨变压器台区的电力远程抄表系统 j 电子技术心h j ，2 0 0 2 年第l1 期，4 2 4 4 页 1 1 远程电力抄表系统一数据采集部分 3 2 处理器麓e u 本课题的多功能电能表的处理核心，采用了p h i l i p 公司的p 8 9 l p c 9 3 6 单片封装的微控 制器( m c u ) ，该芯片采耀了高性麓的处理器绣构，集成了许多系统缀的功麓，可戬大大减少 元件的数目、电路板面积以及系统的成本1 6 。该控制器从几个与设计有关的部分来看，分别 有以下豹特点： 数据存储区：p 8 9 l p c 9 3 6 在内部集成了2 5 6 字节的基本数据区，前1 2 8 为d a t a 区，即 可进行直接寻址，也可进章亍间接寻址；后1 2 8 为i d a 强区，只能进行间接寻址；郝可用除 m o v c 和m o v x 之外的指令进行操作。在内部还集成有5 1 2 字：1 了的外部数据存储器，通过 对特殊功能寄存器中三个字符的操作来完成读写操作，保证了在外扩r a m 的时候，该区域不 与外部地址产生冲突。在设计中，因为电麓袭处理数据的分时性，考虑到基本数据不会超过 2 5 6 字节的处理范同，所以没有进行外部数据存储器的扩展。 程序存储区：p 8 9 l p c 9 3 6 片内集戎有1 6 k