徐康勇开题报告.doc

中国矿业大学（北京）08届硕士研究生开题报告目 录1、课题的背景及研究意义11.1、课题研究背景11.2、课题研究意义22、国内外研究现状43、系统特点及所采取的技术路线54、研究内容75、技术创新点106、进度安排107、参考文献10基于9S08MZ60的微电网智能 电表的研究1、课题的背景及研究意义1.1、课题研究背景各国立即上马智能电网项目的理由是，由于人们对于能源，尤其是电力能源的需求是不断的增长的，尤其是在中国。就电力公司等能源供应商来说，他们希望能够对电力的输电和配电这两个环节进行优化，以减少拉闸限电现象的产生。 世界范围内的国家开始实现智能电网技术来提高能源效率和与可再生能源的合作，这也将减少我智能电网，就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用。 智能电网有别于常规电网的几个主要特征（如图一），已基本形成共识。 图一2008年美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)已经成为了全美第一个智能电网城市，每户家庭都安排了智能电表，人们可以很直观地了解当时的电价，从而把一些事情，比如洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时间段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源。同时，变电站可以收集到每家每户的用电情况。一旦有问题出现，可以重新配备电力。参数量测技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政策。更高级的功能有用户自行根据费率政策，编制时间表，自动控制用户内部电力使用的策略。对于电力公司来说，参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系（WAMS）、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。新的软件系统将收集、储存、分析和处理这些数据，为电力公司的其他业务所用。1.2、课题研究意义发展智能电网必须以通信技术为基础、量测技术为手段、设备技术为支撑、控制技术为方法、支持技术为导向,循序渐进的开展。智能化量测技术是实现智能电网的手段。参数量测技术是智能电网基本的组成部分,可以获得相关数据并将其转换成数据信息,提供给智能电网的各个系统使用。智能化量测技术可以评估电网设备的健康状况和电网的完整性,进行表计的读取,防止窃电、缓减电网阻塞等。基于微处理器的智能表计将有更多的功能,除了可以计量不同时段的电费外,还可储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率,并通知用户实施的费率政策,用户可以根据费率政策,自行编制时间表,自动控制电力的使用。 电表发展的第一个里程碑是机电式电表被固态电子式电表所代替。电子式电表利用高度集成的器件来计量电能。这些器件将瞬时电压和电流转成数字量，然后计算电压和电流的乘积，就能得到以瓦特为单位的瞬时功率 。对瞬时功率按时间进行积分就可以得出已消耗的电能值，它通常以千瓦时(kWh)为单位计量。消耗的电能数据显示在一个液晶显示屏(LCD)上。一旦电表数据可以以电子形式得到，在电表上增加通信功能就变得很有意义了，因为这样就允许电表通过通信链路使用自动抄表(AMR)功能远程发送电表数据。电表制造商已经开发出多种不同的远程抄表系统架构，大致可分为近距离无线抄表系统、车载无线抄表系统和联网抄表系统。图2显示了车载抄表系统。 图2 车载抄表系统在该案例中，电力公司派出一部装有无线数据收集器的汽车，该车只要经过居住区就可高效地收集电表数据。车载抄表系统使一个电力公司员工能够在一天内抄到的电表数量是近距离抄表系统的五倍，是人工抄表数量的十倍。在联网抄表系统中，电表数据被传输到一个固定的数据收集器，它通常位于某街道或居民区尽头的一根电线杆上。然后数据会通过宽带或无线蜂窝网络传输到电力公司。非接触式RFID 卡(又称射频卡)是国外近几年发展起来的新技术，它成功地将射频识别技术和IC 卡技术结合起来，解决了无源和免接触的难题，能防止插卡电能表静电干扰和端口插入破坏性物品。射频卡无需专门的供电电源；它与读写器间无机械接触，避免了接触故障；它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电攻击及弯曲损坏等问题。非接触式IC 卡具有可靠性高，使用方便，操作速度快等特点。未来用电就像炒股一样，随时掌握即时电价，便宜时买进，贵的时候等待或卖出。智能电网要第一步就是安装智能电表，比如欧盟的一个指令就是希望在2020年的时候，所有的欧洲的国家都实现了电表的智能化，而且在那个时使欧洲的电力消耗下降20%，又使欧洲电力生产当中可再生能源发的电的比例上升到20%。中国政府的计划是要在未来五年，在全国范围内安装2.4亿个智能电表。而新的智能电表标准已经出台。这也就意着在2012年到2015年之间的三年内，每年中国所新安装的智能电表都将达到8000万个。从长远来说，考虑到中国的13亿人，中国安装智能电表的总量应该是5亿个，这是一个非常巨大的数字，也意味着中国智能电网的渗透率能达到发达国家的水平。2、国内外研究现状随着电子式电能表技术的不断进步，有更多的用户关注电表的量程、轻载准确度、低功率因数准确度、起动灵敏度、防潜动可靠性，以及谐波下计量的准确性等特性。他们要求：宽量程：8-10倍率成为越来越多用户的选择，甚至要求20倍率；高精度：精度和起动电流的实际要求达到该等级50%或更高的水平；影响量要求更高：影响量的要求更加苛刻，特别是各种干扰的影响量，如外磁场；电压、电流、功率、功率因数等实时参数要有更高的精度要求；非线性下计量准确：不仅是有功，还包括无功。智能电表根据预付费方式可以分为以下几种：。(1) 插卡式预付费电能表(2) 射频卡预付费电能表(3) 红外遥控预付费电能表(4) 集中电子式预付费电能表(5) GPS预付费电能表国内现有的射频卡预付费智能电表主要有以下功能：1、预付费功能：预收电费，剩余电量为零时自动拉闸断电。2、合闸拉闸方式：内附开关和外附控电开关两种规格。3、记忆功能：断电情况下表内数据可保存10年。4、显示功能：双显示，计度器显示累计用电量，LED显示器显示剩余电量及其它信息。而中国国网新标准为单相电表设计所提出的设计要求主要包括以下几点：1）基本计量功能增强，需要计量正反向有功电量，并测量线路电压、相线电流、零线电流、有功功率，甚至功率因数等；2）费控功能复杂，需要支持IC卡本地费控或载波远程费控，支持时段电价或阶梯电价，并需增加ESAM芯片以保证费控部分的数据安全性；3）需要支持多种抄表通讯模式，如红外、RS-485和电力线载波；4）外壳模具统一，液晶屏、LED指示灯、按键、红外抄表和嵌入式载波通讯模块安装位置均完全固定，极大限制了电子线路布局布线的灵活性；5）功能庞杂，除电量计量外还增加了大量的管理功能。显然现有的射频卡预付费智能电表功能无法满足新标准技术规范要求，所以本论文旨在原有的射频卡预付费智能电表的基础上，针对要求增加的新功能对智能电表进行研究和改进。 3、系统特点及所采取的技术路线3.1、智能电表系统结构框图3.2基于RFID的预付费电能表管理系统通信流程图如下： 基于RFID的预付费电能表管理系统属于由上位机(预付费电能表管理系统)和下位机(基于RFID的单相电能表)构成的主从式结构。管理系统采用微机对上传的数据进行显示、分析和管理，电能表采用单片机系统对现场数据进行采集、计量和对用户负载进行监控，用射频卡作为二者之间进行信息交换的载体。基于RFID的预付费售电系统主要由三个部分构成：基于RFID的单相电能表、智能读卡器、预付费电能表管理系统。3.3、技术路线（1）首先要进行现场调研，了解现有的产品有哪些缺点，听取现场工人的意见，根据他们的要求确定我们产品的功能以及技术要求；（2）进行总体结构的理论设计，集思广益，讨论方案的可行性；（3）当总体思路确定之后，首先进行计量模块和计算控制模块的的选择，使得即能满足新标准的要求，又能做到造价便宜。（4）对本产品中涉及到的主要器件例如PLC，MCU，液晶以及继电器等进行设备的选型。 （5）硬件设计完之后，进行软件的编写，实现各模块之间的控制；（6）以上完成之后，就可以进行硬件和软件的联调，直至达到要求的目标。 4、研究内容4.1技术参数电压线路：在参比电压、参比温度和参比频率下，电能表电压线路的有功功率和视在功率消耗在非通信状态下不应大于1.5W、10VA；在通信状态下不应大于3W、12VA。电流线路：在基本电流、参比温度和参比频率下，电能表电流线路的视在功率消耗不应大于1VA。电压在规定工作范围内变化时引起的允许误差改变量极限应满足GB/T 17215.3012007的相关要求。电压在0.8Un0.9Un和1.1Un1.15Un范围内改变时引起的允许误差改变量，应不超过其规定工作范围内允许误差改变量极限值的3倍；当电压低于80额定电压时，电能表的误差可在+10-100的范围内变化。电压线路施加380V交流电压1小时，电能表应无损坏，试验后电能表应能正常工作。电能表经受30Imax（允差为+0-10）的短时过电流试验后，电能表应无损坏，正常工作，且误差改变量不超过1.5（I=Ib, cosj=1.0）；施加时间为额定频率的半个周期。4.2工作原理：电子式电能表测量的有功电能是有功功率与时间的乘积，与感应式电能表完全一样。即W=Pt=UICOSt。1、 基本结构：电压、电流变换器，乘法器、电压/频率转换器、分频器、计数器、工作电源等组成。由于科学技术的发展，目前单相电子式电能表均采用专用大规模集成电路。如：BL0931、ADE7755、ADE7755E等：电压信号 乘 法 V/F变换 计数电路 驱动电路 电流信号 器 单相电子表专用集成电路内部方框图2、全电子式电能表的工作原理及方框图：u 电压变换器 UO fo 输入级 乘法器 电压/频率转换器(U/f) 分频器、计数器i 电流变换器 送至微处理器处理工作原理：被测的高电压u、大电流I经电压变换器和电流变换转换后送至乘法器M，乘法器M完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压UO，然后利用U/f转换器，UO被转换成相应的脉冲频率fo，即得到fo正比于平均功率，将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，显示出相应的电能。3、电子式电能表按其功能分为以下几类。 （1）、电子式单相电能表。（2）、电子式三相有功电能表。（3）、电子式分时计费电能表。（4）电子式最大需量电能表。（5）电子式有功、无功带脉冲的电能表。（6）、电子式多功能电能表。（7）、电子式断压、断流计量电量和时间的计量装置。（8）、IC卡电能表。4.3 程序设计（1）单片机的程序包括： RFID卡读/写/密码验证/擦除操作程序，与PC 机通信中断处理程序，显示程序及存储器读写程序等(2) 读/写卡程序设计读写卡过程是一个复杂的程序执行过程，要执行一系列的操作指令，调用多个C51 函数。包括装载密码、询卡、防冲突、选卡、验证密码、读写卡及停卡。这一系列的操作必须按固定的顺序进行。在没有RFID 卡进入射频天线有效范围时，在低5 位显示当前时钟，当有RFID 卡进入到射频天线的有效围，读卡程序验证卡及密码成功后，将卡号和读卡时间及相关数据作为一条记录存入E2PROM 存储器中，并在显示器上显示卡号。程序设计采用单片机汇编语言和KeilC51 混合编程。看门狗定时器中断服务程序采用汇编语言编写，其他程序采用C 语言编写。4.4 显示功能a）电能表至少应能显示以下信息：1）当月和上月月度累计用电量；2）当前剩余金额；3）当前阶梯电价；4）各费率累计电能量示值和总累计电能量示值；5）当前时间；6）报警代码或提示；7）插卡及通信状态提示；8）电能表的表号。b）电量显示单位为千瓦时（kWh），显示位数为8位，含2位小数。c）剩余金额显示单位为元，显示位数为8位，含2位小数。d）LCD背光唤醒方式，包括按键唤醒、红外唤醒（任意红外设备均可唤醒）、插卡唤醒等方式；费控卡片从卡槽中拔出后，背光应熄灭；在正常使用情况下，LCD寿命不小于10年。e）停电时可通过按键唤醒显示（背光灯可不点亮）；唤醒后如无操作，LCD在自动显示一个循环后应自动关闭；按键显示操作结束30秒后自动关闭显示5、技术创新点1，具有正向有功电能、反向有功电能和功率因数的计量功能。 2， 编写合理高效的费控管理程序。6、进度安排2009.10-2010.01：搜集资料，撰写开题报告；2010.02-2010.05： 理论研究与原理设计；2010.05-2010.08：系统的硬件设计和软件设计以及调试；2010