（计算机系统结构专业论文）电子式多功能电能表功能板的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 电子式多功能电表功能板的设计实现 摘要 电能是现代社会中国民经济和人民生活的重要保障，随着社会经济的快速发展，电 能的供求之问产生矛盾。新型的电子式智能多功能电能表计量精确并且实现电量的分时 计量、对异常使用情况进行监控。提高电能利用的合理性、缓解电力供需矛盾、防止窃 电行为的发生，为用户提供公正、公平的用电环境。 文章详细阐述了电子式多功能电能表的设计和实现。系统硬件设计采用m c u ( 微 控制器) 结合a s i c ( 能量采集芯片) 的方式，在此硬件平台的基础上采用模块化软件 设讨方法实现了有功和无功能量分时计量、需量计量、异常检测及记录、双r s 4 8 5 通讯、 红外通讯、停电抄表、红外唤醒等功能。系统在设计时综合考虑功能、功耗、成本等因 素，选用a t m e l 公司高档8 位m c ua t m e g a l 2 8 l 实现对数据的处理；而计量芯片则 采用a d i 公司0 4 年新推出的三桐能量采集芯片a d e 7 7 5 8 。 系统设计过程中解决了系统扩充、数据安全、抗干扰、功耗等难题。软件设计时采 用模块化设计方法，采用结构体、列表的方式来组织数据，使系统ru | 以很方便地实现扩 充。数据安全方面，除使用e e p r o m 存储体外，引入了铁电存储器对系统参数和重要 数掘进行存储，使这部分重要数据保存有了保证。设计时不仅在硬件没计，在软件实现 时也考虑到抗干扰的情况，设置软件陷阱防止程序跑匕。系统设计了币常、休眠、唤醒、 唤醒节电四种运行方式，采用3 6 v 和6 v 两块电池实现对停电时不同状态的供电，解决 了电表停电时的功耗问题。 本设计实现了有功o 5 s ，无功2 0 的三相p q 线电子式多功能电能表。本系统实现时 考虑到设计通用性，仅修改少量代码即可实现系统的移植。另外，在设计过程巾解决数 据安全、抗干扰、功耗等方面难题的方法也值得在其他领域借鉴。 关键词：多功能电能表；计量芯片；复费率；最大需量 东北大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o ff u n c t i o nb o a r d o fe l e c t r o n i cm u l t i f u n c t i o nw a t t h o u rm e t e r a b s t r a c t e l e c t r i c a le n e r g yi st h es i g n i f i c a n tg u a r a n t e eo fn a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e sl i f e i n m o d e ms o c i e t y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , s u p p l i e sa n dm a k i n gu s eo f e l e c t r i c a l e n e r g yb r i n ga b o u tc o n t r a d i c t i o n s l a t e - m o d e lp o l a r i t y f o r m u l ai n t e l l i g e n c e m u l t i f u n c t i o nw a t t - h o u rm e t e r , w h i c hc a nm e a s u r e a c c u r a t e l y , r e a l i z et i m e - s h a r i n g m e a s u r e m e n t ，a n da l s oc a nb eu s e dt om o n i t o re x c e p t i o n a ls i t u a t i o n ，a n dw h i c hc a nr a i s e r a t i o n a l i t yo fu t i l i z a t i o no fe l e c t r i c a le n e r g ya n dr e l i e v ec o n t r a d i c t i o n so fe l e c t r i c a lp o w e r s u p p l ya n dd e m a n d ，p r e v e n t sh a p p e n i n go fu s i n ge l e c t r i c i t yi l l e g a l l y , a n dp r o v i d e sf a i ra n d i m p a r t i a le n v i r o n m e n to fu s i n ge l e c t r i c i t y t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee l e c t r o n i cm u l t i f u n c t i o n w a t t h o u rm e t e r t h eh a r d w a r eu s em c ua n da s i c o nm a tf u n c t i o n w eu t i l i z e m o d u l a r i z a t i o nm e t h o dt or e a l i z ea c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e r , m a x i m u md e m a n d ，a n o m a l y d e t e c t i o n ，d o u b l er s 4 8 5c o n m m n i c a t i o n ，i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r i c i t yr e a d i n gm e t e r , i n f r a r e dr e m i n da n ds oo nc o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so ff u n c t i o n ，p o w e rc o n s u m p t i o na n dc o s t ， t h es y s t e mu s e sa d v a n c e de i g h t b i t em c ua t m e g a l 2 8 lt od e a lw i t ht h ed a t a ，w h i l e m e a s u r e m e n ti cu s e s3 - p h r a s ee n e r g ym e a s u r e m e n ti ca d e 7 7 5 8o f a d ic o m p a n yo f2 0 0 4 t h ep r o b l e m so fs y s t e me x p a n s i o n ，d a t as e c u r i t y , a n t i i n t e r f e r e n c e ，p o w e rc o n s u m p t i o n a r es o l v e di nt h e p r o c e s s o fd e s i g n i n gs y s t e m w h e n s y s t e m s o f t w a r ei s d e s i g n e d ， m o d u l a r i z e dd e s i g nm e t h o d sa r eu s e d t h ed a t ai so r g a n i z e di nt h ef o r mo fs t r u c t u r e sa n dl i s t s s ot h a tt h es y s t e mw i l lc o n v e n i e n t l yr e a l i z et h ee x p a n s i o n i nd a t as e c u r i t y , f e r r o e l e c t r i c m e m o r y , w h i c hc a ns t o r es y s t e mp a r a m e t e r sa n di m p o r t a n td a t a ，i si n t r o d u c e db e s i d e s e e p r o m ，a n dt h e ye n s u r ec o n s e r v a t i o no ft h e s ei m p o r t a n td a t a i nt h ec o u r s eo fd e s i g n a t i o n ， a n t i i n t e r f e r e n c ei sc o n s i d e r e dn o to n l yi nh a r d w a r eb u ti ns o f t w a r e ，a n ds o f t w a r et r a pi s d e s i g n e di no r d e rt op r e v e n tp r o g r a mr u u n i n go u to f t r a c k f o u ro p e r a t i o nm o d e sa r ed e s i g n e d i nt h es y s t e m ，n a m e l yn o r m a l ，s l e e p ，w a k e u p ，p o w e r - s a v i n gw a k e u p i tc a ns u p p l yp o w e rw i t h 3 6 va n d6 vw h e np o w e rf a i l u r eb e c o m e s ，a n ds o l v et h ep r o b l e mo f p o w e rc o n s u m p t i o n t h ed e s i g nh a sb r o u g h ta b o u te l e c t r o n i cm u l t i - f u n c t i o nw a t t - h o u rm e t e ro f3 - p h a s ew i t h 4 - w i r e w h i c ha c t i v ep o w e ra c c u r a c yc l a s s0 5 sa n dr e a c t i v ep o w e ra c c u r a c yc l a s s2 0 t h i s 东北大学硕士学位论文 s y s t e mi sd e s i g n e di n v i e wo fi t sc o m m o n a l i t y p r o v i d i n go n l yl i t t l ec o d e sa r em o d i f i e d ， s y s t e mp o r t i n gw i l lb r i n gi n t oe f f e c t i na d d i t i o n ，t h em e t h o d s ，w h i c ha r eu s e dt os o l v e d i f f i c u l tp r o b l e m so fd a t as e c u r i t y 、a n t i i n t e r f e r e n c e 、p o w e rc o n s u m p t i o na n ds oo ni nt h e p r o c e s so fd e s i g n a t i o n ，a r ew o r t hd r a w i n gl e s s o n sf r o mi no t h e rf i e l d s k e yw o r d s ：m u l t i - f u n c t i o nw a t t - - h o u rm e t e r ；e n e r g ym e a s u r e m e n ti c ；m u l t i - r a t e ；m a x i m u m d e m a n d i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论义是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名 洱霪 r期：o a , , - 0 6 i 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的舰定：即学校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。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师不同意网卜交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：0 蓼箍 签字日期：文一6 、i ，6 铷签名：舔歧 签字日期： 0 6 1 、 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 电能表简介 电能是社会生产、人民生活所必须的最重要的能源之一。在电力市场的整体运作中， 电能计量装置的读数作为电力产品贸易结算的依据，已越米越受到贸易双方的重视，是 贸易双方经济核算的重要指标f 1 “。随着我国计入w t o 、融入国际大市场的步伐，工农 业生产的自动化程度及劳动生产率已大大提高，降低j “：品的电能成本已成为广大电力用 、追求的日标，人们比过去更加重视电能计量的准确性。电力行业现已厂网分家，今后 还i u 能输、配、售分开核算，独立经营，电力生产企业之间的电能计量装置，其性质由 内部核算变为贸易核算，是质的变化 4 。电力市场中的发电公司、电网公司、供电公司、 用电客户，分属于电力系统中的上、下游企业，相互之间均有对电能量的计量及贸易结 算业务，相瓦间的经济关系靠“电能计量装置”这杆“秤”来裁定，力之城乡广大居民 客户推行一户一表，工商客户推行分时电价，集中用户推行集中抄表，大电力客户实行 远程抄表及远程控制，特定用户推行预付费电能表，大用户推行安装无功电能表、最大 需量表，整个电力市场中电能计量装置的数量、类型，在近几年问急骤增多，新技术含 量大幅度提高，电能计量在电力市场中的地位显著提高【5 。”。 随着我国经济的迅猛增长和人民牛活水平的显著提高，电力能源区域不平衡以及供 求之间的矛盾日渐凸现。目前，我国年发电总量已超过2 万亿k w h ，但还是无法缓解供 需之间的矛盾。据权威部门统计，我国能源消费已居世界第_ 位悼j 。电力市场供0 i 应求 的紧张形势催生了电价上涨，因此，无论是企事业单位还是普通居民都更加关注作为交 易结算的能源计量产品的质量。电能的公f 和准确计量已经引起供电、用电双方的高度 重视。作为贸易结算中使用的计量器具，电能表的计量准确度关系到千家万户，只有通 过准确的计量器具，才能维护供电、用电双方的公甲交易。 除此之外，也相应j “生了用来协调用电时段不平衡的各种政策法规，最突出的就是 对不同时段采用不同费率的分时计量和对用电高峰采用功率限制的错峰计量。据有关专 家分析论证：全国在不新增装机容量的情况下，只要采取分时讣费的方法加强用电管理， 合理用电，就能开发出6 0 的电力余量 9 】。实施分时电价政策的前提是使用具有复费率 功能的新式多功能电能表。而且使用新式网络电能表还可以有效地解决老式感应式电表 存在的精度差、功耗人及线性度不好等问题，减少国家在用电汁费上由于电能表的问题 而带来的损失，从而改变我国电能测量的落后状况。 东北大学硕士学位论文第一章引言 目前，我困已经成为田际上电能表的生产大国，电能表质量已处于良性发展期。我 困电能表幽产化程度最高，不仅我围白用，还出口到东南亚及欧盟等国家和地区。国外 对我幽电能表感兴趣，主要是质量稳定、价格便宜。 1 1 1 电能表的作用 电能表除了在电力市场中做贸易结算依据外，发电厂还用它计量厂用电量；供电公 一j 用它测量每条线路的实际线损；工农业用户用它计量单位产品耗电量，进行电能成本 核算；电力系统从发电厂直至电力用j 、每个企业与下属车间、分公一j 、各部门之间用它 计量分电量，以便内部经济承包核算隅1 。 1 1 2 电能表发展概况 电能表作为测量电能的专用仪表，至今已有1 1 0 多年的历史。世界卜- 最早的电能表 是爱迪生用电解原理制成的直流电能表；其后1 8 8 9 年，匈牙利岗兹公司的布勒泰制成 了第一台交流感应式电能表。在2 0 世纪的很k 时间里，电能表的发展方向主要放在如 何缩小体积和改善t 作性能的研究上【1 0 - 1 2 1 。 电子式电能表是新一代电能表，随着电子技术的发展和用户对用电管理水平要求的 不断提高，电子式电能表得到了迅猛的发展，成为电能计量产品系列中不可缺少的重要 组成部分。电子式电能表诞生在2 0 世纪4 0 年代，由欧洲公司制造。但是在2 0 世纪8 0 年代之前，电子式电能表并没有显现m 它的巨大的牛命力，它的应用局限于高精度电能 表、标准表和校验装置，其成本比较高，而性能和u j 靠性比机械表并不优越很多 1 ”。 在2 0 世纪9 0 年代，电子技术发展迅速，电子式电能表也取得了飞跃的发展，无论 是高档、高精度三相表，还是低档、低精度单相表都有大量的性能优越的电子式电能表 产品8 。 1 1 3 电能表分类简述 电能表按所测电能种类分，可分为有功电能表、无功电能表、自流电能表三种，后 者般用于特殊行、i k ，不用于电力贸易计量。有功电能表计量用户实际消耗的电能，这 些电能已经不可逆转地变成了机械能、热能、光能、化学能等。无功电能表用于计量用 户的无功电能，无功电能是用户的感性无功电能和容性无功电能的绝对值之和。无功电 能不是用户消耗的电能，而是用户曾经存储起米的电能，这部分电能会与电网进行能量 交换。用户消耗的无功电能越多，平均功率因素就越低，配电网在为用户输送这些无功 电能时，要增加的线损就越多，增加了供电成本。因此电费结算是要对功率因素进行考 东北大学硕士学位论又第一章引言 日前，我国已经成为国际上电能表的生产大国，电能表质量已处于良性发展划。我 国电能表固产化程度最高，不仪我国n 用，还m 口到东南亚及欧盟等国家和地区。国外 对我嘲电能表感兴趣，牛要足质量稳定、价格便宜。 1 1 1 电能表的作用 电能表除了在电力市场中做贸易结算依据外，发电厂还用它计量厂用电量i 供屯公 一j 用它洲量每条线路的实际线损；工农业用户用它计量单位产品耗电量，进行电能成本 核算；r b 力系统从发_ 乜_ 厂直至屯力用户每个企、【k 与下属车间、分公司、各部门之间用它 计量分电量，以便内部经济承包核算【r 1 。 1 1 2 电能表发展概况 电能表作为测量屯能的专用仪表，至今已有11 0 多年的历史。世界上最早的电能表 是爱迪生用电解原理制成的直流电能表；其厉18 8 9 年，匈牙利岗兹公司的布勒泰制成 了第一台交流感应式电能表。在2 0 卅纪的很长时司罩，电能表的发展方向主要放在如 何缩小体积和改善工作性能的研究上【t o - 1 2 1 。 电子式电能表是新一代电能表，随着电子技术的发展和用户对用电管理水平要求的 小断提高，电子式电能表得到了迅猛的发展，成为电能计量产品系列中小可缺少的重要 组成部分。电子式电能表诞生在2 0 世纪4 0 年代，由欧洲公司制造。但是在2 0l 生纪8 0 年代之前，电子式电能表并没有显现出它的臣大的生命力，它的血用局限于高精度电能 表、标准表和校验装蚩，其成小比较高，而性能和可靠性比机械表并不优越很多3 i 。 在2 0 世纪9 0 年代，电子技术发展迅速，电子式电能表也取得了飞跃的发展，无论 是高梢、高精度一相表，还是低档、低精度单相表都有大量的性能优越的电子式电能表 产品口l 。 1 1 3 电能表分类简述 电能表按所测电能种类分，可分为有功电能表、无功电能表、直流电能表三种，后 者般用于特殊行、k ，不用于电力贸易计量。有功电能表计量用户实际消耗的电能，这 些 u 能已绛不可逆转地变成了机械能、热能、咒能、化学能等。无功i u 能表用于计量用 户的无功电能，无功电能足用户的感性无功电能和释性无功电能的绝对值之和。无功电 能不是用户消耗的电能，而是用户曾经存储起来的电能，这部分电能会与电网进行能量 变换。用户消耗的无功电能越多，平均功率因素就越低，配电网在为用户输送这些无功 电能r 、j ，要增加的线损就越多，增加了供电成小。因此电费结算足要对功率凼素进行考 电能时，要增加的线损就越多，增加了供电成本。因此电费结算是要对功率凼素进行考 东北大学硕士学位论吏 第一章引言 核，功率冈素高的用户，供电公司埘其在电费中要进行奖励，反之功率因素低则要给予 适当的处罚，用经济杠杆来鼓励用户提高本单位的功率因素| 1 “。 电能表按相别及接线方式分，可分为单相、三相三线制和三相四线制三种。 电能表按准确度等级分，可分为0 0 1 、o 0 2 、00 5 、0 1 、0 2 、o 5 、1 0 、2 0 、3 0 级等。准确度等级的数字越小，准确度等级越高。o 0 1 - 0 1 级一般作为计量室标准使用， 其他等级在现场使用。所计量的电能量越多、计量性质越重要，所选用的表记精确度等 级要求越高。 电能表按所计量多少和重要程度分，i j j 分为五类【】4 。 i 类电能计量装置：肝均用电量5 0 0 万k w h 及以上或变压器容量为1 万k w a 及 以上的高压计费用户，2 0 0 m w 及以- 发电机、发电企业l 网电量、电网经营企业之间 的电量交换点、省级电网经营企业与其供电企业的供电关l | 计量点的电能计量装置。 i i 类电能计量装置：月平均用电量1 0 0 万k w h 及以上或变压器容量为2 0 0 0k v a 及 以上的高压计费用户，1 0 0 m w 以上发电机、供电企业之间的电量交换点的电能计量装 置。 i i i 类电能计量装置：月平均用电量1 0 万k w h 及以上或变压器容量为3 1 5k v a 及以 上的计费用户，1 0 0 m w 以下发电机、发电企业厂( 站) 用电量、供电企业内部用于承 包考核的计量点，考核有功电量平衡的1 1 0k v 及以上的送电线路电能计量装置。 类电能计量装置：负荷容量为3 1 5k v a 以下的计费用户、发供电企业内部经济技 术指标分析考核用的电能计量装置。 v 类电能计量装置：单相供电的电力用户计费用电能计量装置。 从v 类到i 类，随着贸易电量的增多及计量对象重要性的递增，所配置的电能表、 一：感器设备的准确度等级也随之递增，并应符合表1 1 所列值。 表1 1 五类电能计量装置所配设备的准确度等级 t a b l e1 1 f i v ea c c u r a c yg r a d eo f e n e r g ym e a s u r e m e n t to 2 s 、o 5 s 中的s 表示这种电能表或互感器要求在极低负荷r 的准确度比一般同等级的表计要 高。如非s 绒电能表在5 1 1 0 以r 没有误差要求，l 州荇s 级的电能表在1 1 o 是就有误差要求。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 电能表按结构和工作与原理分，电能表可分为感应式( 机械式) 、静止式( 电子式) 和机电一体式( 混合式) 。 电能表按测量功能分，可分为分时计费( 复费率) 电能表、最大需量电能表、预付 费电能表、集抄电能表、多功能电能表等7 1 。 1 1 4 电能表的发展方向 电能计量技术随着微电子技术、计算机技术、通信技术的发展，新的构思、新的理 念日新月异，以下是几种电能表发展的方向。 ( 1 ) 网络化电能表 网络化电能表实际上是指电能表计量信息网络，它是电能计量装置与自动抄表系统 的集成，其中电能表本身带有上刚接口并具备通信能力。设计网络的硬件编码、技术指 标与功能、通信规约、软件平台与统一的数据格式，要做到与原有各系统接口统一与兼 容，实现实时计量、实时抄表、实时分析、实时管理。 ( 2 ) 多用户静止式单相复费率电能表 城镇居民住宅公寓化，相对集r ir ，开发适应电能计量管理自动化需要的多用户静止 式单相复费率电能表适合我国国情。其中一种具体设计思路是将多个单用户计量单元和 数掘处理单元有机组合在一起。采用大规模专用芯片与高性能微控制器实时对多个用户 的用电量分别计量、集中控制和管理，主要1 = j 于居民楼的集中用电计量、远程抄表、计 费与用电的自动化管理【”。 ( 3 ) 智能化住宅区的智能式电能表 智能化住宅区的智能化管理系统土要功能有：住户信息管理、安防( 包括防盗、防 入侵系统、电视监控、门禁系统) 和通信( 包括闭路电视、电话程控交换机、无线基站) 等功能模块。基于智能化住宅区如此完善的硬件环境，发展自动抄表技术不但可行而且 投资不高，基本思想是：住宅区中各住户均加装电子式智能电能表、数字化水表、数字 化燃气表记数字化热量表，每个单元所有住户的数据汇总于单元的集中器和个无线发 射终端，将所有住户的数据通过蜂窝移动无线网( g s m ) 以短信息( s m s ) 的模式卜传 到g s m 网的s m s 中心，s m s 中心将接收到的电能计量数据通过专线传递给供电公司 用电管理部门的数据处理服务器。现在g s m 网的覆盖面几乎已经遍及全困，所以构建 这种智能化住宅区的电能计量自动抄表系统，可利片j 现成的g s m 无线网络而不需要投 资建直更多的基站【1 9 - 2 0 。 ( 4 ) 虚拟电能表 有些科技文献上还提出了“虚拟电能表”的概念。这种“电能表”在变电站出线问 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章引言 隔处或用户配电屏上的硬件没备很少，不出现电能表这个没备实体，仅有对t v 、t a ， 通过互感器采集用户的电流电压等用电信息，再通过电光转换器将用户的用电信息转换 位光信号，然后通过光纤将信号直接传送到供电公司的数据中心、电费结算q 1 心的大型 计算机中进行运算，得出电费信息。 1 2 课题研究的主要内容 本文主要研究的足有功0 5 s 无功2 0 级三相四线多功能电了式电能表。主要使用对 象为类、类刖户。此电能表采用卜卜两板的方式实现：下板也是底板，核心是能量 采集芯片，主要实现能量的采集和整个系统的供电；l 板电是功能板，核心是8 位的 m c u ，主要实现对下板采集束的数据进行分析整理、存储显示以及和外界进行通讯。 本文主要介绍的是功能板软件实现。功能板主要有以下这些模块组成：能量计量模 块、异常检测模块、事件检测模块、按键和显示模块、通讯模块等。根据国家规约和各 省的规约的不涮所需要计量的内容、检测记录的异常和事件以及显示形式和通讯格式都 有所不同。本文所研究的多功能电能表主要依据国家标准d l t 6 4 5 规约。 1 3 文章的组织结构 文章详细阐述了电子式多功能电能表的设计和实现，在分析电子式多功能电能表实 现功能和组成的基础上，重点介绍了电子式多功能电能表功能板软件的设计实现。 第一章对电能表的作用、发展、分类作了简单的介绍，在此基础上提出课题研究的 主要内容。 第二章概述了电子式多功能电能表应实现功能，以及一般多功能电能表的组成。对 电能计量过程中用到的专业术语作了简单的介绍。 第三章介绍了电子式多功能电能表的硬件实现。包括实现各部分功能和选用芯片以 及对m c u 端口的分配。 第四章是本文的重点部分，详细叙述了电子式多功能电能表的软件实现。软件设计 采用模块化设计方法，实现了有功和无功能量分时计量、需量计量、错峰计量、异常检 测及记录、r s 4 8 5 通讯、红外通讯、停电抄表、红外唤醒等功能。 第五章讲述了电子式多功能电能表的功能测试。 第六章是笔者对本设计的一个总结，以及对今后工作的展望。 东北大学硕士学位论炙 第二章多功能电能表概述 第二章多功能电能表概述 2 1 电子式电能表的测量原理 研究电子式多功能电能表，首先看一下电子式电能表的工作原理。 2 1 1 电子式电能表的工作原理 电能的基本表达式如式( 2 。1 ) 旧所示，即 ( f ) = 伽) d f = 砸) d f 2 _ 1 式中，“( 力，l ( f ) ，p ( o 分别是瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率值，所以测量电能的基 本方法是将电压、电流相乘，然后在时叫卜- 再累加( 即积分) 起米。电子式电能表中实 现积分的方法，是将功率转换为脉冲频率输出，该脉冲称为电能计量标准脉冲甬，其频 率正比于负荷功率p 1 。 2 1 2 电子式电能表的组成 为了能将被测电压、电流变为代表被测功率的标准脉冲，并显示所计电能值，电子 式电能表一般由输入级、乘法器、计数显示控制电路、直流电源等儿部分组成，如图2 1 所示。 由能计量单元 h l 幽21 电子式屯能表的基本组成 f i g 2 1b a s i ca r c h i t e c t u r eo fe l e c t r o n i cw a t t h o u rm e t e r 输入级的作用，是将被测得高电压和大电流转换成电子电路能处理的低电压和小电 流输入到乘法器中，并使乘法器和电网隔离，减少干扰。这部分工作丰要有电压互感器 东北大学硕士学位论文 第二章多功能电能表概述 和电流互感器完成。 乘法器是实现被测电压、电流相乘，输出为功率的器件，它是电能表的关键电路。 常用的乘法器分为模拟乘法器和数字乘法器。 模拟乘法器分为时分割乘法器和霍尔乘法器。乘法器输m 的模拟量转化为数宁脉 冲，经过累计脉冲即得到有功电能量。 数字乘法器首先将模拟量进行采样，经过a d 转换器将其转换为数宁量，再进行数 字量相乘，得到数字量的功率值乘以采样间隔出，电能量即等j 二乘积的累加。 为适应电子式电能表的需要，现在凶内外许多公司都研制了多种电能计量专用集成 电路，这种专用电能计量模块不仅集成了乘法器、尸垆变换电路，而且还包含有其他电 路，如相位调整电路、电源检测电路、接口电路等，采用这些模块只需配以少量的外围 电路就能实现满足不同需要的电子式电能表【2 “。 数字式电能计量芯片的线性度相当优越，采用这种芯片的电子式电能表在调试、校 验时，只需要单点校准，即在某一负载下校准后，在整个负载范阳内能保证准确度要求， 在抗十扰方面也具有很强的优越性，能使电能表很容易通过电磁干扰、传导干扰和静电 f 扰的测试。 2 2 多功能电能表功能概述 多功能电能表是功能齐全、价格较高的全电子式电能表，l 可计量正、反向有功电能、 p g 象限无功电能、最大需量，具有分时计费、失压记录、失流记录、缺相记录、数据存 储、远方通信等多种功能。多功能电能表使用在各电网交汇处、枢纽变电站、关r 变电 所、人型发电机组网点等重要电量贸易结算点。多功能电能表实现如下功能： ( 1 ) 电能计量功能 作为电能表，最为重要的就是电能计量功能，多功能电能表具有输入、输出有功计 量，输入、输山无功计量，p q 象限无功计量，视在电能计量等，还根据用户要求可以计 量组合无功( 如感性无功为i 象限和i i i 象限无功绝对值相加；容性无功为i i 象限和l v 象 限无功绝埘值相加) 。 一般电能计量是累计电量，为用表以来的用电量的总和，多功能电能表还要求记录 多月电量，也就是历史电量。 输入有功一般也叫做正向有功，指电流从输入端了到输出端了的方向；而输出有功 电叫做反向有功，电流方向与正向相反。 输入无功指电流滞后于电胍时，线路所具有的无功；而输出无功指电流超前于 电压 时所具有的无功。 东北大学硕士学位论文 第二章多功能电能表概述 ( 2 ) 分时计量功能 将一天分成若干时间段，给每段时间规定其费率特征：尖、峰、甲、谷。按照费率 特征分别累计电量，即得到电能的分时计量。规定4 i 同的费率就实现r 调节用电量，从 而达到削峰添谷、平衡负荷的作用，使发电机及供电网发挥最大的功效。电能表的分时 计量需要表计内部自带实时时钟，并且将时段参数设置剑表计中，电能表白动进行时段 的切换。 复杂的时段表有节假日表、周体日表、季节表等，以满足不同需要。 为准确进行分时计费，要求表计内部时钟精度较高：日计时误差小t - 0 5s ，而时段 切换误差小于5s 。 ( 3 ) 最大需量计量 由于生产的特点，用户负载( 功率尸) 是随时间变化的，将一天2 4h 分为若干段， 每一段时间为l 在每一丁内的平均功率，称为用户需量，丁称为需量周期。在一定结 算期内( 如一个月) ，所有用户需量巾的最人值，即为该用户的当月最人需量2 ”。 大工业_ 【 户( 配变容量大于等于3 2 0 k v a 的大型：l 矿企业) 中请接线h 、j ，必须申报 其变压器装机容量及最大需量，供电门根据容量或最大需量设计、铺设新线路及配电供 电设备。若中请需量大，实际负荷小，则供电容量占空，投资浪费；糟申请需量小，实 际负载大，则设备线路过负荷，影响供电质量，甚至使设备损坏造成事故。 多功能电能表采用滑差式方法测量最人需量。 需量周期一般为5 、1 0 、1 5 、3 0 、6 0r a i n 。 计算需量的间隔称为滑差步进时问也称为滑差时间，一般为1 、3 、5 、1 5r a i n 。 最大需量的计量方法是：每个滑差步进时n d 到时，计算截止到当前时刻的个需量 周期的平均功率，并且与最大值进行比较。若人于最人值，则将其记录为最大值。 ( 4 ) 监控功能 电子式多功能电能表可以实现一些监控功能，有以下几种： 功率监控：设定功率j z l 5 r ，当电能表计量的功率超过上限时报警，如果连续超限将 跳闸。 断相监测：当电能表检测到某相电压小于给定电压下限时，表明发生故障，电能表 将给出断相报警，并 d 录发牛时间、发生累计次数、发生累计时间。 过流监测：当电能表监测到电流人于给定上限时，电能表给山过流报警，并记录发 生时刻、发生次数、发生累计时间。 失流监测：当电流发牛不平衡时，电能表判断为失流，将记录累计时间以及发生时 刻，为故障分析作参考。 8 一 东北大学硕士学位论文 第二章多功能电能表概述 f 5 1 监测功能 电子式电能表可以测量备相瞬时电压、电流、有功功率、无功功率、各相功率凶素、 视在功率等，高档表还可以分析谐波含量和相角等，这些功能可以用于用电监测与判断， 用电管理系统以及综合分析系统提供数据。 ( 6 ) 事件记录功能 电子式多功能电能表可以记录多种事件的发生时刚及当时的状态，以便进行故障分 析和判断。这些事件有：电能表上电、清零、设置参数、最大需量清零、断相、失压、 过流、失流、功率超限、自检m 错等。存多功能电能表中事件记录数据非常重要。 f 7 ) 自检功能 电子式多功能电能表功能较多，构成比较复杂，由于承担着电能量计费的重要功能， 使用可靠性要求高。电能表中各个部分都有可能会损坏，在损坏后，电能表会及时发出 信号( 显示报警或声光报警) 以提示用户尽快处理。 一般白检如下部件：电能表| ! j 部的时钟芯片、存储器( 包含数据存储器和程序存储 器) 、显示器等，电能表外部接线情况：逆向序、电流反向，线路故障：断相、电流不 平衡、电压过压、超功率等。 f 8 ) 负荷曲线记录 为了满足用电监测、关口表竞价上网等功能，电能表需要带时标( 记录时刻) 记录 多种电量，一般记录间隔可以设定为一分钟或几十分钟，记录的电量数据有：有功电能、 无功电能、电压、电流、有功功率、无功功率等。要求记录时间为儿天、几个月甚至一 年。通过手持装置或其他方式从屯表内将这些数据读出，可以嘶出不同记录电量的时间 曲线。电能表内部一般设计有大容量数据存储器用于保存负荷曲线记录数据瞄“。 2 3 多功能电能表的组成 电子式多功能电能表由测量单元和数据处理单元等组成。测量单元一般由专用的数 据采集芯片完成，而数据处理单元般由微控制器担任。由于微控制器功能强大，外扩 少许电路或用软件编程，很容易实现多功能要求。三相多功能电表组成框图如图2 2 所 7 k 。 东北大学硕士学位论文 第二章多功能电能表概述 图2 2 三相r 子式多功能电能表组成框幽 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo f3 - p h a s ee l e c t r o n i cm u l t i - f u n c t i o nw a t t h o u rm e t e r 多功能电表各组成部分的作用和功能如下： ( 1 ) 分压器、电流互感器 电压输入电路采用电阻分压器。电阻分压器具有非常好的线性度，可最大限度地减 小在人动态范围内的相移，从而减小电压输入电路所产牛的误差。电阻分压器将电压输 入按比例减小到适合电能计量模块输入的范围。 电流输入电路采用高精度绕阳电流互感器。电流互感器按比例减小线路电流，以适 合电能计量模块。 ( 2 ) 电能计量模块 电能计量模块采用专用电能计量芯片，该芯片内置模数转换器( a d ) 和数字信号 处理器( d s p ) 。电能计量芯片按一定的速率对电压、电流进行采样，并将其转换为数 字量。采样速率决定电能表的准确度，速率越高，准确度也越高。d s p 对电压、电流进 行乘积和其他各种运算。 电能计量模块具有三相电压、三相电流输入端和标准总线接门，电阻分压器输出的 各相电压分别送入其对j 她电压的输入端；电流互感器输出的各相电流分别送入其对应电 流输入端，电能计量模块可测量分相的有功功率、分相的无功功率、各相频率以及各项 0 一 东北大学硕士学位论文第二章多功能电能表概述 电压，并且提供逆向序等状态信息2 州。 所有数据均存放在对应的寄存单几中，通过标准总线的访，一次可访问一个寄存 单元或将所有数据全部读回。电能计量模块和微控制器不停的互相通信，以处理电压、 电流的输入信号，并把测得| e 匀有功、无功数据通过标准总线接u 送给微控制器进行数据 处理，最后存储显示。 f 3 ) 微控制器 微控制器是整个系统的核心。微控制器定时从电能计量模块中取出数据，数据经过 修正运算以后送入电量累加单元，同时根据修正后| e | 勺数据计算出功率、电压、电流、功 率因素等参数，并计算出统计量，如断相欠压累计时间、累汁次数、电能表累计工作时 间等，并将这些数据存入非易失存储器中，以供显示和查询。同时，微控制器检测电源 电压报警信号，如发现电压低至门槛以卜，立即进行现场保护，将运行数据存入 e e p r o m 。 ( 4 ) 非易失存储器 非易失存储器4 般采用e e p r o m ，用于保存所有与电能计量、需量运算以及分时 计量等相关的参数和关键数据。 ( 5 ) 通讯 电表运行中的参数，计量数据都应该可以通过4 8 5 接口或者红外通讯读取和没置。 电能表计量得到的各种值也应该可以通过这两种通讯接口读出。 这里通讯所使用的通讯规约根据各个省使用规约的不同有所不同。 ( 6 ) 校验脉冲输出 校验脉冲输出主要用于电能表设计完成进行校验时与标准表进行连接。 ( 7 ) 液晶显示 实时显示电能表运行状态，各种电量的计量值。 ( 8 ) 实时时钟 由于多功能电能表实现多费率计量以及要求计量最大需量及错峰，对时钟要求比较 严格，所以需要精确的实时时钟。 ( 9 ) 电源 电源即直流稳压电源，由三相变压器降压、全波整流、电容滤波、二端集成稳压器 组成，经二极管隔离分作两组分别供给微控制器的计量模块及其他电路。 东北大学硕士学位论文 第三章电子式多功能电能表的硬件买现 第三章电子式多功能电能表的硬件实现 3 1 电子式多功能电能表设计概述 由于多功能电能表要求实现的功能非常多，m c u 外围芯片电路设计较为复杂，敝 采用_ l 二下板的没计方案：下板以电量采集芯片为巾心，实现数据采集以及为整个系统提 供电源；上板以微控制器为中心，实现对采集得到的数据进行计量、存储、显示、实现 异常检测等功能。 3 2 硬件组成 多功能电能表的硬件组成框图如图3 1 所示。 m c u 及相关部| | 计量电r s 4 8 5 通讯i r s 4 8 5 n i 乳j。红外通讯j 分电源电路j j 源电路电源电路f 电源电路部分f f i 篓型害篆 ll l 检测 5 拾取电路10 7 、 i 。( 量a d )ei77电57。一一 涿线- | a m t m c e “z 部a 1 分2 8 l 一l 开盖检测j 拾取电路i f 电地欠胜池欠压 ，l_ _ jji、 指示灯 l c d - 驱动芯片 存储器 存储器 实寸时钏：温度补偿 fpr ：f 8 5 7 6 n 1 e e p r o m 铁咀 上 2 4 c 5 12 f m 2 4 c 16 r 8 0 2 5t c n 7 5 l c d 最示 屏 3 1 多功能电能表硬件组成框图 f i g 3 1h a r d w a r eb l o c kd i a g r a m o f m u l t i f u n c t i o n w a t t - h o u r m e t e r 此多功能电能表的硬件设计是以a t m e g a l 2 8 l 为中心，配合其他各种外围芯片，实 现特定功能。 东北大学硕士学位论文 第三章电子式多功能电能表的硬件实现 3 _ 2 1 计量芯片电路部分 从外部电路接入的大电流、大电压并不能直接接入到电能表当中，必须经过变换电 路转换为小电流、小电压。电流转换通过电流互感器来实现，电流互感器的精度会影响 计量的精确性。电压的转换可以通过电压瓦感器，也可以通过大电阻分压。使用电压互 感器电压变换精度高，f 1 会影响测量电压的相角，使进入到a d e 7 7 5 8 中的电流与电压 相角与被拾取的电路中电压和电流的相角有轻微偏移，导致测量数据不十分准确，这罩 采用电阻