嵌入式电能计量装置运行状态智能分析系统设计毕业论文.doc

淮阴师范学院毕业论文（设计）嵌入式电能计量装置运行状态智能分析系统设计毕业论文目录1 绪论41.1 电能计量装置概况及其发展41.2 嵌入式简介52 电能计量原理52.1 电能的基本计算62.2 有功功率的计算62.3 无功功率的计算72.4更正系数的计算82.5退补电量计算93 单相及三相电路接线分析113.1 单相及三相电路接线分析113.2 三相三线143.3 三相四线173.4 小结194 系统设计与分析194.1 系统设计目标204.2系统硬件分析204.3系统软件分析254.4 小结28结 论29参 考 文 献30致 谢3111 绪论1. 1 电能计量装置概况及其发展1.1.1 电能计量装置概念电能计量装置即电力系统中的发电厂、供电企业、用电户三者之间对电能进行计量及贸易结算的装置，主要有：计量用电流互感器、电压互感器、电能表、互感器与电能表之间的二次回路。其配套的附属部件包括试验接线盒、失压断流计时仪、铅封、电能计量箱 (柜)、电能量集抄设备1。电能计量装置是电力市场中作为电能量贸易结算依据，是发电厂用于计量厂用电量依据，供电公司用于测量每条线路的实际线损，工农业客户用于核算产品的电能成本，各单位用于计量下属部门的分电量2。目前对电能计量装置的检查，相关部门单位通常采用相序表、计量用的电流（压）表等获得相关电参量的信息，再通过相关人员的研究分析得出有关错误接线的结论，不但浪费大量时间，而且还容易产生不必要的问题。当前能进行接线错误判断的相关设备很少，这对于满足系统正常运行状态的检测来说是不足的。本系统统采用电能计量专用芯片ATT7022A（高精度三相电能专用计量芯片 ） 采集电参量，并通过SPI（同步串行外设接口 ）总线与ARM 嵌入式系统进行通信，通过高性能的嵌入式芯片对电参量进行分析工作，判断出故障的类型3。电能计量装置的核心在于怎样正确的测量互感器的接线，并且能够快速准确的识别互感器二次端子与电能表之间连接的正确性以及计算退补电量，现前电力部门首先通过相序表、电能表现场校验仪、电流（压）表、测量出必需的电参量，再由人工分析得出错误结果，这样不仅耗时费力，而且还容易出错4。针对电能计量装置故障检测困难的现象，本论文设计了以利用S3C2410A芯片(Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核 )为核心的电能计量装置，阐述了该系统的设计优点、功能优势。该系统不但可以实现对电能计量装置接线类型的正确识别，还可以进行更正系数进行计算以及退补电量的计算，并将信息联至互联网，并对信息进行网上综合管理。1.1.2 电能计量装置的发展 一、电能计量装置的发展-电能表的发展。1、感应式电能表的发展：我国电能计量装置的情况是在20世纪50-70年代都是在研究交流感应式的电能表，并随着时代的发展，电能表的上下轴承问题，有单宝石改为双宝石。再改为磁推轴承等措施来提高电能表的稳定性，从而提高电能表的负荷电流和过负荷能力，达到电能表的长寿命要求。2、电子式和机电一体式电能表的发展：80-90年代验研制半电子式电能表和全电子式电能表 半电子式电能表就是机电一体式电能表。现在我们基本是采用全电子表。3、智能电能表的发展：为深入贯彻落实国家电网公司“集团化运作、集约化发展、精细化管理、标准化建设”的管理要求，满足电能信息采集和智能电网建设的需要，提高电能表规范化、标准化管理水平，2007年左右提出了智能电能表的概念，原理还是电子表的原理。二、电能计量装置的发展-互感器的发展。1、电磁式电流互感器和电压互感器在电保护和电测量中占有主导地位，但是电磁式互感器不仅体积与质量增大、价格上升，而且防爆困难、安全系数下降：铁芯结构且频带很窄，在磁饱和时二次信号波形易发生畸变，导致继电器误动作和计量失准；2、电容式电压互感器：其以价格低、组装方便而广泛应用。但其对准确度测试条件的要求十分严格，目前国产电容式电压互感器只能作为供电量计量用，不宜作售电量计量用。3、霍尔式互感器：相关电路在加以霍尔元件后，使互感器具有小体积、高精度的优势，对于电流，电压的测量带来很大的便利。但该种类的互感器采用铁心结构，不可避免的带来磁饱和的问题。4、电子式互感器：由于近年来光电子技术的发展，研究人员又开发出一种结构简单、高性价比、宽输出范围的无铁芯式的电子式互感器。 1.2 嵌入式简介IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。 简单地讲，嵌入式系统是一种用于控制、检测或协助特定机器和设备正常运装的计算机。它通常由嵌入式处理器，硬件设备和系统软件。其中，前者是嵌入式系统的核心部件5678。嵌入式系统发展主要经历了四个阶段：无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统阶段和面向Internet阶段，其微处理器先后经历了从最初的4位到现如今的64位，性能得到很大的提高！嵌入式系统具有如下四个特性：（1）执行特定的功能；（2）以微处理器及外围设备为核心；（3）时序严格、稳定性要求高；（4）全自动操作。 2 电能计量原理本系统主要功能包括电压、电流互感器极性的检查、互感器断线的检测、单相接线方式的判别、三相三线（四线）连接组别检查、错误接线时的更正系数计算、退补电量计算、条码扫描、打印及辅助计算等。其中如何判断计量装置接线方式是本系统的主要功能。2.1 电能的基本计算电能的计量通常根据如下公式来实现，即： （2.1）其中，W(t)， p(t)，u(t)， i(t)分别为电能值，瞬时功率，瞬时电压，瞬时电流，通过上式，不难发现，电能的计算即为功率与时间值的成绩，因此，电能的计算可通过对功率的计算来得以实现。2.2 有功功率的计算对于有功功率，通常将有功功率有单相和三相之分，其中还分为制有功功率和制有功功率。1、 计算： （2.2） （2.3）式中，P为有功功率，U为电压的有效值，I为电流的有效值，为功率因素角，E代表电能。2、 制有功功率的计算： （2.4）当三相对称时，则有 （2.5)二表法向量图:图2.1三相三线制电路有功功率向量图3、 电路的有功功率的计算：三相四线电路可看成由三个单相电路组成，所以总的电能为各相电能之和。因为电能与功率仅差一个时间因子，所以为方便起见，以下用功率表示单位时间内的电能。 (2.6)当三相四线制电路完全对称时，三相功率为: (2.7)二表法向量图：图2.2三相四线制有功功率计算向量图2.3 无功功率的计算1、 单相交流电路无功功率的计算： （2.8）2、 三相四线制电路无功电能的计算： （2.9） 3、三相电路完全对称时无功功率的计算： （2.10）4、在三相四线制无功电能测量中，最常用的就是90无功电能表，利用90移相法进行电能测量，如图2.3所示：图2.3 90移相法无功电能测量原理图5、 设 经90移相后，加到有功测量单元上。如图，无功功率。这种方法，常用于电子式电能表和标准电能中。2.4更正系数的计算更正系数G的定义为：更正系数G是在同一功率因数下，电能表正确接线方式下的计量电能量W与错误接线方式下计量电能量的电能值W之比，即： （2.11）若正确计量功率记为，错误计量功率记为 ，错误接线时间记为t，则W=P_ Rightt，W=P_Wrongt。则更正系数 （2.12）即更正系数为接线正确情况下的功率与接线错误情况下的功率之比。式（2.12）中W为正确接线时的真实电能量（一个抄表期）；W是发生故障接线时的虚假电量，可由本月与上月抄见量之差得到，若电表的铝盘反转，W则为负。此时的G为真实电量与虚假电量的倍数之比。一般来讲，可由在故障接线的情况下，电压与电电流之间的向量图得出，从而求出G，即。若知道G的值就可以由此得出正确电量，即，该公式表明通过更正系数K，求出用户所用的真实电量W，还原事物的本来面目。正确计量方式下P_ Right是固定不变的，主要分为如下几种情况：（1）单相电能表计量（2）三相三线两元件电能表计量（3）三相四线三元件电能表计量当发生错误接线时，电能表所记录的功率P_ Wong可先按元件计算，每一个元件的功率为实际所接的电压、电流以及电压与电流夹角的余弦值的乘积，将所有元件功率相加即可得到总功率。用户用的真实电量始终为正，此外还有一下规律：(1) Gl，少计电量，表慢(2) G=1，计量正确，(3) 0G1，多计电量，表快(4) G0，表反转， (5) G为无穷大或者G为无穷小时就不能用来计算实际功率了，此时用 （2.13）2.5退补电量计算当电能计量装置接线有错误时，必然会出现多计、少计或不计电量的问题。所以，经接线检查发现错误后，除应改正接线外，还应该更正电量。所谓更正电量就是根据错误期间的抄见电量，求出用户的实际用电量，并进行将多计的电量退还给用户，少计的电量由用户补交回来，即电量的退补。1、 接线错误退补电量的计算。（1） 更正系数法。更正系数就是正确电量与错误电量之比，即 （2.14）W-电能表错误接线期间的抄见电量，kWh；W0-错误接线期间的正确电量，kWh；则实际电量为 （2.15） （2）相对误差法。利用误接线计量装置的总体相对误差来计算差错电量，即原来的电能表仍按错误接线运行，在此基础上再选择一只正标准的电能表进行正确接线，选择相同时间正常负荷进行测试，就可得到误接线的总体的相对误差 （2.16） W-试验期间，误接线所计量的电能量，kWh；W0-试验期间正确接线所计量的电能量，kWh；-误接线方式下，%当计量电量为W时，正确计量结果为 （2.17） 则退补电量为 （2.18） W-误接线所计量的电能量，kWh；W0-实际用电电能，kWh；W-退补电量应该说明的是，不仅包含了被试电能表的元件误差，还包括了接线引起的计量误差。(3) 估算法 窃电发生后，发生如下情况就不能通过计算法得出差错电量，只能由估算法得出。计量装置不转；在负荷功率因数不是定值的情况下，圆盘可正转，可反转；三相负荷极不对称；错误接线期间的抄见量不明。可通过设备容量，设备的利用率设备运行时间进行估算。若有的确定相关用户信息，可同期的用电量得出实际用电量，最后根据相关条例核算电量。二、倍率不符时退补电量的计算倍率不符通常是指互感器的变比（实际使用）与记录登记的变比不相符合。由于倍率不符，所以计量出的抄见电量将是错误电量，应更正计算。 （2.19）上式可看出互感器变比（实际运行）k1与互感器变比（登记在册）k2是影响计算的主要因素，若设正确电量为1，则两元件时错误电量为1/2*k1/k2，三元件时错误电量为1/3*k1/k2。所以对于两元件电能表时正确电量为 互感器错误时电量为 对于三元件电能表时正确电量为 互感器错误时电量为 “”由互感器的极性确定，极性正确时为正值，极性反时为负值。三、电能表超差退补电量的计算。供电营业规则规定：计费电能计量装置误差超出允许范围或记录不准，供电公司应按实际误差及起讫时间，退还或补交电费。电能表超差就是指电能表所测量的实际值超出电能表的准确度等级，所以应对超差表计测量出的数值予以更正。计算公式为：W-退补的电量，kWh；W-抄见的电量，kWh；-电能表误差，%退补的电量值由电能表的实际误差的正负极性即快慢来决定的。当实际误差值为正值时，表示电能表转得快，计算出的电量值为正值，需退给用户电量；当实际误差值为负值时，表示低昂能表转的慢，计算出的电量值为负值，需向用户追补电量。3 单相及三相电路接线分析电能计量装置的接线通常是将电能表、电压(电流)互感器遗迹所测线路之间的链接，它通常由所测对象（有功、无功电能）、被测电路（单相、三相三线、三相四线）、电能表、电能计量用的电压（电流）互感器等决定。电能计量装置的接线必须正确的按照计量的要求和规程的规定来进行，如果接线不正确，将会对测量的结果造成影响。按被测电路的不同可以将电能计量装置分为三类单相、三相三线和三相四线。在电能计量装置的接线过程中，可能会出现一些错误的接线。其中，一般包括如下几种情况：（1）电能表的电压回路和电流回路接线错误，（2）电流互感器和电压互感器极性反接及开路短路9。3.1 单相及三相电路接线分析 3.1.1单相一、 单相电能表直接接入式单相电能表直接接入式正确接线如3.1所示计量功率：式中单相交流电的相电压；单相交流点的相电流；功率因数角。单相电能表直接接入式正确接线如图3.1所示AO图3.1直接接入单相有功电能表的正确接线向量图如图3.2所示： UAO IAO图3.2直接接入单相有功电能表向量图二、经互感器接入单相有功电能的正确接线如图3.3所示：图3.3经互感器接入单相有功电能表的正确接线3.1.2 基本接线错误 常见的单相有功电能表的接线错误类型有很多，其中常出现的列举如下几种：单相有功电能表的火线和零线互换，单相有功电能表电流互感器二次开路，单相有功电能表电流互感器二次侧短路，单相有功电能表电压小钩断开等10。（1） 单相有功电能表的火线和零线互换NA图3.4 单相有功电能表的火线和零线互换图计量功率：结论：电能表正转，当负荷侧接地易漏计电量。 （2）单相有功电能表电压小钩断开图3.5单相有功电能表电压小钩断计量功率： 结论：电表不转。（3）单相有功电能表电流互感器二次开路图3.6单相有功电能表电流互感器二次开路计量功率：结论：电表不转（4）单相有功电能表电流互感器二次侧短路图3.7单相有功电能表电流互感器二次侧短路计量功率：结论：电表不转3.2 三相三线3.2.1三相三线高压电路有功电能的接线*图3.8 三相三线高压电路有功电能接线计量功率：UAUCIAIBICUABUCB向量图：图3.9 三相三线高压电路有功电能接线向量图3.2.2 基本的错误接线*(1)三相三线电能表电流互感器二次侧A相反接图3.10 三相三线电能表电流互感器二次侧A相反接计量功率：而正确计量功率为：（2）三相三线电能表电压进线AB相互接错*图3.11三相三线电能表电压进线AB相互接错计量功率：正确的功率为（3）三相三线电能表电压回路AB接错，A相电流互感器二次接反*图3.12 三相三线电能表电压回路AB接错，A相电流互感器二次接反计量功率：正确计量功率为：*3.3 三相四线3.3.1 三相四线电能表的接线分析一、直接接入式三相四线电能表的接线图3.13直接接入式三相四线电能表的接线计量功率：二、带电流互感器的三相四线电能表的接线（CT二次不能接地）*K2K2K2K1K1K1图3.14带电流互感器的三相四线电能表的接线计量功率：三、带电流互感器的三相四线电能表的接线（CT二次必须接地）*K2K1K2K1K2K1ABNC图3.15带电流互感器的三相四线电能表的接线（CT二次必须接地）计量功率：3.3.2 基本接线错误三相四线制是由三根火线和一根零线组成，其中，每两根根火线之间的电压是380V，每根火线与零线之间的电压是220V。通过这种供电方式，既可以让用电户使用到220V的相电压，如家用照明，小型电机等，也可用到三相电，如三相马达，高功率设备等。三根火线适用于三相电，单相电则使用火线、零线各一根。后者用电量较大时，可使用三路单相电的方式供电，使得电网所受负荷均匀、工作稳定。不同于三相三线计量装置，三相四线具有的计量装置有三个，根据其可能出现的接线方式，我们例举典型的几种故障接线方式。一、三相四线电能表电流回路三相开路*图3.16三相四线电能表电流回路三相开路计量功率：P=0，此时的电能表不转二、三相四线电能表电流回路二相短路*图3.17三相四线电能表电流回路二相短计量功率：上式可知，原本计量功率为，现计量结果少计了2/3的电量。三、三相四线电能表电压回路一相开路*图3.18三相四线电能表电压回路一相开路计量功率：同理，对比正确接线方式的计量功率，此故障接线将导致1/3的电量少计。3.4 小结本章对单相、三相三线，三相四线电能计量装置典型的故障接线进行了系统、层次的分析；总结了这三种情况下的故障接线产生的电能计量的影响；对常见的单相，三相三线，三相四线电能计量装置给出了正确的接线方式。4 系统设计与分析本系统设计主要分为硬件和软件两本分，硬件部分主要是针对计量装置整体设计而言，并且给出相关的设计图，软件部分主要是针对系统内部功能各个模块的介绍，阐述整个计量装置实现的基本过程。4.1 系统设计目标随着计算机技术、自动化技术、信息化等高端科技的不断发展，电力市场信息化的改革呼声也越来越高，电能计量装置异常的问题已经越来越受到人们的重视，靠原有人工判断电能计量装置异常的方法已经不能适应形势的要求，因此，开发一种集电能计量装置错接线自动检查和自动退补电量计算一体的系统已经成为电能计量工作的当务之急。结合嵌入式系统的广泛应用，本课题设计的电能计量装置运行状态智能分析系统主要实现对现场计量装置包括电压互感器的自动检查，电流互感器的自动检查，电能表的运行状态、接线异常的自动检查，并能够自动分析计算异常接线下的更正系数、退补电量。4.2系统硬件分析硬件部分，它是提供整个系统可见的“实体”，而软件部分则是这个“实体”内部的功能逻辑，嵌入式系统的开发对于硬件的要求非常高，这与其他类型系统的开发上有所区别。一个目标硬件平台主要分为三部分处理器内核、芯片外围电路、板极外围电路。其体系框图如图4.1图4.1 硬件平台体系图 就处理器核心部分，嵌入式内核不仅可以设置正确的工作模式，也可以正确的选择相关的寄存器；而芯片内的外围电路的初始化流程必须正确依照处理器内核的初始化流程去执行；对于板极外围的初始化流程可通过有关的BSP来解决，并通过嵌入式操作系统来提供BSP的外设驱动。 本课题主要研究和分析智能化的电能计量系统。由于用户需求的不同，这个系统必须具备如下属性：（1）友好的界面：和PC一样不但具有处理数据能力、低功耗、轻便小巧等特性，还要求能够就行数据的实时传输，能够为分析数据提供方便；同时系统具有标准的扩展接口以支持系统的升级；除此之外，为了方便用户对本机进行数据的查询与处理，提供相应存储空间并通过配备触摸屏，为用户提供一个方便的操作界面。根据以上系统的要求属性，且S3C2410处理器低价格，低功耗，高性能的优点，加之其具有丰富的外设便于集成所需与目标系统的构建，故本课题选择S3C2410处理器（以ARM920T为内核的132位RISC处理器）进行系统开发研究。基于S3C2410的设计分析，将系统的硬件分为三个部分电参量采集电路、2410核心电路、2410接口通信电路。系统硬件总框架图如图4.2所示。图4.2 系统硬件硬件主要由S3C2410芯片， SDRAM存储器（32M）和的FLAS存储器（64MB），电源模块，复位模块，USB模块，JTAG接口模块，LCD显示控制模块，电参量采集模块等组成。其中，电参量采集电路(电压，电流采样电路如图4.9,图4.10)由电压、电流采集电路与电能计量芯片（ATT7022）构成。部分模块电路图如下。（1）电源转换电路如图4.3：图4.3 电源转换电路（2） 复位电路如图4.4：图4.4 复位电路（3）JTAG接口电路如图4.5：图4.5 JTAG接口电路（4） LCD控制电路如图4.6：图4.6 LCD控制电路（5） USB模块电路如图4.7：图4.7 USB模块电路（6） 晶振电路如图4.8：图4.8 晶振电路图4.9 电压采样电路（7）电压采样电路如图4.9：（8）电流采样电路如图4.10：图4.10 电流采样电路4.3系统软件分析系统主要由五大模块组成，分别是数据采集分析模块，互感器检查模块，接线方式判定模块，更正电量计算模块，辅助计算机功能模块，条码扫描功能模块，综合信息查询模块，打印报表模块，通讯模块，如下图4.11所示。图4.11系统功能4.3.1 系统各功能模块分析一、数据采集分析模块可实现如下功能:(1) 处理信息查询 1) 按人员(工作人员姓名)； 2) 按处理类别(退补电量)； 3) 按日期(故障发生日期)。(2) 电能表数据查询 常用电能表型号、参数、厂家、功能等查询。二、 互感器查询模块可实现如下功能： (1)电压互感器常用电压互感器型号、参数、厂家、功能等查询。 1) 按电压等级分； 2) 按精度分； 3) 按原理结构分； （2）电流互感器信息查询常用电流互感器型号、参数、厂家、功能等查询。 1) 按电压等级分； 2) 按精度分； 3) 按原理结构分；接线方式查询模块可实现如下功能：1)单相接线判断；2)三相三线制判断；3)三相四线制判断。四、更正电量的计算模块可实现如下功能：更正电量的计算是本系统的核心，其中，更正系数G与退补电量可由输入的信息自动计算出，同时输出相关理论计算参数。其相关计算步骤如图4.12、图4.13所示。更正电量计算基本信息输入，如图4.12所示：图4.12更正电量计算基本信息输入追补电量计算处理流程，如图4.13所示：图4.13追补电量计算处理流程(1) 相关信息输入相关信息输入如下： 1) 用户名：客户姓名； 2) 用户号：客户编号； 3) 地址：计量装置安放点； 4) 故障检测员：XXX； 5) 检测员单位；XXX； 6) 计量器具及其型号：计量器具型号； 7) 规格：、变比值； 8) 投运日期：XXX； 9) 运行时间：XXX； (2)故障情况描述 1) 互感器异常主要包括如下形式。 .：； .：； .：； .：； 2) 电能计量表接线异常 计量表异常接线通常为单相、三相接线异常。 3) 倍率差错。 (3) 故障处理其它已知条件 1)故障发生日期： 年 月 日 时 分； 2)故障更正日期：年 月 日 时 分； 3)近期日平均负荷( )：(前一月、二月、季度、半年)； 4)近期(正常)平均功率因数：(前一月、二月、季度、半年)；4、 辅助计算机功能模块实现如下功能：可实现如下的计算，输入计算已知条件，通过自动计算得出结果。 (1) 有关倍率计算； (2) 分时表分时电量计算； (3) 功率因数计算； (4) 互感器变比计算(已知容量或实用负荷)； (5) 校验装置（电能表）测量不确定度计算； (6) 校验装置（互感器）测量不确定度计算；5、 条码扫描功能模块可实现如下功能：通过事先录入的信息，读取条码所对应的各个信息6、 综合信息查询模块，打印报表模块，通讯模块这两个个模块主要实现相关电能计量信息的查询，相关规定、办法的查询，并通过打印模块实现在线打印。7、 通讯模块实现本装置与外界的通讯，实行数据的交换4.3.2 系统业务流程图经仔细分析，设计系统业务流程图，如图4.14所示：图4.14系统业务流程图4.3.3 系统操作系统移植早期的硬件设备很简单，软件的编程和调试工具也很原始，与硬件系统配套的软件都必须从头编写。程序大都采用汇编语言，调试是一件很麻烦的事情。随着系统发展的越来越复杂，操作系统就显的很必要了。操作系统能够有效管理越来越复杂的系统资源。操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来。操作系统能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序11。本文采用了具有实时性特点操作系统是专门为消费类电子产品设计的操作系统，它是微软公司在嵌入式操作系统领域内的一个非常重要的产品，不但具有的32位、多线程、多任务的操作系统的特色，还具有较好的模块性、多媒体功能和人机交互界面11。同时该操作系统还支持ARM、MIPS等多个系列处理器的体系结构，并具有非常完善的系统库。Windows CE为嵌入式市场重新设计，为快速建立下一代智能移动和小内存占用的设备提供了一个健壮的实时操作系统。Windows CE.net具备完整的操作系统特性集和端对端开发环境。4.4 小结本章对电能计量装置异常处理系统进行了整体设计，对系统体系结构、软、硬件设计、业务流程、及功能模块做了详细说明和设计，其中硬件部分重点给出电流信号采样以及电压信号的采样电路图。结 论电能计量装置运行状态智能分析系统针对电能计量装置异常问题，分析造成这些问题的原因及其解决方法，通过对单相、三相三线、三相四线点恩呢该计量装置的分析，对常见的接线进行归类，同时总结了对应错误接线方式下的向量图，总结出该错误接线