（控制理论与控制工程专业论文）多用户柜式电能表的研制及恶性负载识别技术的研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 集中式多用户柜式电能表是一种新型的电能表，由于它计量户数一般在1 0 0 户以上， 特别适合公寓楼、集体宿舍、综合写字楼及居民小区等多个领域配备使用。它较普通用 电管理设备，具有智能i c 卡管理模式，l c d 汉字显示系统，防短路，防过载，防窃电等 多项功能，此外还具有体积小，安装维修方便等优点。除此之外，作者还在恶性负载识 别技术方面进行了初步的研究，提出了几种比较新颖的恶性负载识别技术，由于时间关 系，并没有进行进一步的深入研究，目的仅仅在于起到抛砖引玉的作用。本文的主要工 作是设计集中式多用户电能表的硬件及软件。主要内容如下： 首先，在简要分析电能表发展现状和组成原理的基础上，提出集中式多用户柜式电 能表的总体设计方案，在方案设计时，充分考虑了系统的可扩展性和性价比。设计中采 用了分时复用计量的方法，大大降低了系统的成本，简化了系统的硬件结构设计。 针对柜式表应具有的功能，详细绘制系统原理图及p c b 制板图，设计制作p c b 硬件 电路板，选定并购买各芯片及电子元器件。并焊接。 在前期所做的硬件的基础上，进行软件设计并编程调试，实现各项功能。结合柜式 电能表，进行恶性负载识别技术的研究。从软件和硬件两个方面进行系统的抗干扰设计， 增强系统的可靠性。 该系统的软硬件调试工作已经基本完成，实际运行表明：该系统方便实用，测量精 度高。 关键词：柜式电能表，m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，a t 9 0 s 8 5 1 5 ，分时复用 山东科技大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t m u l t i u s e rf l o o r - s t a n d i n gw a t t h o u rm e t e ri sas o r to f n e w - s t y l ew a t t h o u rm e t e r b e c a u s e i tc a nm e a s u r ee x c e e do n eh u n d r e d d o o r s ，i t i sf i tf o r a p a r t m e n tb l o c k ，c a m p u s d o r m i t o r y , a l l a r o u n do f f i c eb u i l d i n g a sw e l la sr e s i d e n t i a la r e ae s p e c i a l l y c o m p a r ew i t h c o m m o ne l e c t r i cm a n a g i n ge q u i p m e n t ，i th a si n t e l l i g e n t i z e di cc a r df u n c t i o n ，l c dc h i n e s e c h a r a c t e r sd i s p l a ys y s t e ma n di tc a na n t is h o r tc i r c u i t ，a n t io v e r l o a d i n g ，g u a r da g a i n s ts t e a l e l e c t r i c i t ya n ds oo n i th a sm a n ye x c e l l e n c e s ，s u c ha ss m a l lb o d y , a c c o u tf o rs m a l l e ra r e a ，a n d t h e a p p e a r a n c e i s b e a u t i f u l ，a n d i t i s v e r y c o n v e n i e n tf o ri n s t a l l a t i o n a n d m a i n t e n a n c e o t h e r w i s e ，a u t h o rm a k es o m er e s e a r c hi nt h ef i e l do fm a l i g n a n tl o a di d e n t i f y t h e e m p h a s i so ft h ed i s s e r t a t i o ni sp l a c e do nt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h em a i n c o n t e n t s1 i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fw a t t h o u rm e t e rd e v e l o p m e n t ，a n di t sc o m p o s i t i v e t h e o r y , t h e w h o l e d e s i g n s c h e m eo fm u l t i u s e r f l o o r - s t a n d i n g w a t t h o u rm e t e rw a s p r e s e n t e d d u r i n gm yd e s i g n ，t a k et h ee x t e n s i o ni n t o f u l la c c o u n t 、t h ea p p l i c a t i o no ft d m s i m p l i f yt h es t r u c t u r eo f t h em e t e ra n dr e d u c et h ec o s t t ot h ef u n c t i o n st h a tt d u l t i u s e rf l o o r - s t a n d i n gw a t t h o u rm e t e rs h o u l dh a v e ，c h o o s ea n d p u r c h a s et h ec m o sc h i pa n de l e c t r o n i ce l e m e n t sn e e d e di nt h ed e s i g n l a y o u tt h ep c bp l o t a n df i n i s ht h ep c bb o a r d ， o nt h eb a s i so ff o r m e rw o r k ，d e b u gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e r e a l i z et h ef u n c t i o n s e x p e c t e d al a r g ea m o u n to fw o r kh a sb e e no nt h ea n a l y s eo f m a l i g n a n tl o a di d e n t i f y t h ed e b u gw o r ko fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sb e e nc o m p l e t e do nt h ew h o l e p r a c t i c eh a s p r o v e dt h a tt h es y s t e mi sr e a l i a b l ea n ds i m p l e k e y w o r d s ：f l o o r s t a n d i n gw a t t h o u rm e t e r , m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，a t 9 0 s 8 5 1 5 ，t d mt e c h n o l o g y 2 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文尚没有呈交于其 他任何学术机关鉴定。 研究生签名：撕f 歉日问 日 期：如- f ，。 a f f i r m a t i o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fm a s t e ro f p h i l o s o p h yi ns h a n d o n g u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i sw h o l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h ed o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o r q u a i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t it u t e s i g n a t u r e ：“叼肋町一峭 d a t e ：却o f f 一7 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1电能表的发展历程及其现状 作为测量电能的专用仪表电能表，自诞生至今已有1 0 0 多年的历史了。因为1 千瓦 时的电能被定义为一度电，所以按计量单位，电能表又俗称电度表。1 0 0 多年来，随着 电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表已经经历了感应式 电能表、电子式电能表、集中式多用户电能表三个阶段。 1 1 1 感应电能表 世界上最早的电能表，是一个叫爱迪生的德国人1 8 8 0 年利用电解原理制成的直流电 能表。交流电的出现和被利用，对电能计量仪表的功能提出了新的要求。1 8 8 8 年，意大 利物理学教授费拉里斯首先想到将旋转磁场理论用于交流电能测量。与费拉里斯几乎同 时，美国一位物理教师也根据旋转磁场的原理试制出了感应系电能表的雏形。1 8 8 9 年， 德国人布勒泰制作出了无单独电流铁心的感应系电能表。1 8 9 0 年带电流铁心的感应系电 能表出现了，不过其转动元件是一个铜环，制动力矩靠交流电磁铁产生0 直到1 9 世纪末， 才逐步改用永久磁铁产生制动力矩，以降低转动元件旋转速度并增加转矩；表的计数机 构也几经改进，铜制的圆转盘由铝圆盘所取代。至此，感应系电能表的制造理论就已经 基本形成。下图是感应式电能表结构原理图：【1 4 】 图1 1 感应式电能表结构原理图 a 一电流部件b 一电压部件a 1 a 2 一电流线圈 山东科技大学硕士学位论文 绪论 b 1 一电压线圈m 一制动磁铁d 圊盘 f i g 1 1t h ee l e m e n t a r yd i a g r a mo fr e a c t i o nt y p ee l e c t r i c a lm e t e r a - - t h ec o m p o n e n to fc u r r e n t b - - t h ec o m p o n e n to fv o l t a g e a 1 ，a 2 一e l e c t r i c a lc u r r e n t c o i l b 1 - - v o l t a g ec o i lm - - t r i gm a g n e to - - d i s c 感应式电能表是靠电压回路和电流回路各自产生磁场力的共同作用，使机械圆盘转 动，连接在转盘轴上的计数机构计数来计量电能的，转速的快慢反映功率大小，消耗电 能的多少与转盘旋转的时间( 转数) 成正比。它具有制造简便、可靠性好和价格便宜等 特点。经过近一百年的不断改进与完善，感应系电能表的制作技术已经成熟。通过双重 绝缘、加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，其结构和磁路的 稳定得以提高，电磁振动被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。因此，至 今包括我国在内的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应系电能表仍作为主要的 计量工频电能的仪表被广泛使用。 1 。i 。2 电子式电能表 电子式电度表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成，根据电能测量机构 的不同，又分为机电脉冲式电度表和全电子式电度表两大类。早期的电子式电能表仍采 用感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感器完成电能到脉冲的转换。然后 经电子电路对脉冲进行适当处理，从而实现对电能的测量。由于此种表的显著特点是感 应系测量机构配以脉冲发生裟置，因此被称为感应系脉冲电能表，也称机电脉冲式电能 表。机电脉冲式电能表在国外早已有成熟产品，并自2 0 世纪7 0 年代初期就已开始在一 些工业化国家逐步大面积被采用。这种表和机械耦合式多费率电能表是感应系电能表向 全电子式电能表过度发展过程中的电能计量表种，它们对分时电价、需量电价制度的实 施起了积极的推动作用。尽管到9 0 年代还有人在不断的改进脉冲式电能表的某些技术性 能，但以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电 能表的准确度低、适用频率范围窄等缺点。 为了替代由感应系测量机构测量交变电能，从7 0 年代起，人们开始研究并实验采用 电子电路的方案。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案 的第一步都是确定电功率。因而使用乘法器来实现测量电功率和电能的电子电路是测量 方案的共同特点，由于它没有传统电度表上的旋转机构。因而又被称为“静止式电度表” 或“固态电度表”。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 电子式电能表的一种分类方法是，按所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟 乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。 1 1 2 1 模拟电子式【“l 如图1 2 所示。电压通过电阻网络分压，电流由采样器取样，电压、电流信号通过 模拟集成电路按式( 1 - 1 ) 进行乘法积分后分频输出脉冲驱动字轮计量电能。脉冲的快慢 反映功率大小，脉冲数代表电路所耗电能。 e ：f p d t 山 图1 2模拟电子电表原理 f i g 1 2p r i n c i p l eo f s i m u l a t i v ee l e c t r i c a lm e t e r 目前，国内外生产使用的模拟乘法器型电子式电能表中采用的模拟乘法器，主要有 时分割乘法器、可变跨导型乘法器和霍尔效应乘法器。 1 1 2 2 智能数字式电能表【1 4 】 数字乘法器型电子式电能表则是以微处理器为核心，经p t 、c t 变换的被测电压和电 流由a d 转换器完成数字化处理，之后，微处理器对数字化的被测对象进行各种判断、 处理和运算，从而实现多种功能。如图1 3 所示： 堕 片 机 图i 3 智能数字电表原理 山东科技大学硕士学位论文 绪论 f i g 1 3p r i n c i p l eo f d i g i t a le l e c t r i c a lm e t e r 这种类型的电能表利用位数较多的a d 转换电路或自动量程转换电路，原理上可达 到很高的测量准确度，而且他在一定周期内对电压、电流信号进行采样处理的方法，保 证t n 量准确度可不受高次谐波的影响。由于电能管理现代化的必然发展趋势，需要访 问多种信息并要求决策与电价器具之间的双向通信，而数字乘法器型电子式电能表功能 的扩展十分方便，容易与配电自动化系统集成，因此数字乘法器型电子式电能表已成为 电子式电能表的主要发展方向。 进入9 0 年代，i c 卡技术在国外已广泛应用，智能型i c 卡预付费电能表应运而生。 这种表体现了先购电再用电的思想。使用这种电能表时，只需将记录有购、用电信息的 电子钥匙插入其中即可用电。当购电能即将用尽时，这种表便可自动提醒用户及时再购 电。这种表的使用不仅可以促进用电政策的推广，还可以在一定程度上对窃电有所防范， 使供电管理部门不再挨家挨户的花大量人工抄表，统计用电量，为电能计量的智能化管 理奠定了基础。由于电能表已发展到可对用户的用电参数进行分析计算然后实施控制处 理，即已具有一定的智能特点，故又有了智能电表之称。 当今，电子式电能表己发展到与电能的智能化计量管理密不可分的水平，它与电能 表收费管理软件、i c 卡收费管理软件、掌上电脑管理软件、i c 卡发卡机构以及i c 卡自 动查询子系统等共同组成了智能型复费率电能计量管理系统。该系统中电能表上设有i c 卡接1 ：3 ，可兼容接受预付费i c 卡和定费收费i c 卡；如果用户不用i c 卡，则供电管理部 门还可定期使用电脑，通过电能表上另设的手持式微机接1 3 获得用户用电信息。无论采 用上述那种获取信息的方式，系统所得到的用户用电信息都能通过联网微机准确无误的 显示出来。该系统以计算机信息处理技术为支撑，实现了从计费到收费全过程的科学化 管理，可在不同的用电时段内，分别将用电时间与用电量准确地记录下来，并对在低谷 期内的用电，自动按低于平均值的规定价格计算，而对那些用电量突发剧增即短时瞬间 超载的用电户自动按最高价格计算电费。因此，启用该系统能促使用电者有计划、有选 择的合理安排用电时间，有助于平抑负荷曲线目标的实现。f 3 l 】 1 1 。3 多用户电能表 多用户电能表是将多个全电子式电能表组合在一起的一种新技术电能表，它采用大 规模专用芯片与高性能单片机实时对多个用户用电量分别计量、集中控制与管理，主要 用于居民楼的集中用电计量、计费管理等。它将传统的每户均设一块机械式电能表的模 式改变为一个单元甚至一幢楼仅用一块表，加之可用专用抄表器，以及可与计算机联网 4 山东科技大学硕士学位论立 进行远程抄袭，使计费管理极为方便。p 埘 1 2 课题研究的目的和意义 现有的备种类型电能表中，感应式电能表制造简便、价格便宜，但存在机搬磨损， 对环境要求高，精度难以提高等缺点，而且自身无防盗电功能。电子式电能丧精度高， 对环境要求不高，防盗功好，永不磨损，有优良鲍运行特性以及具有电脑全自动纯抄 表、计费、校验等功能，但价格较贵功耗大，功能单一而且现有的电能表一般是一 户一袭，就算是集中式多用户全电子式电麓表一般也只能计量几户到几十户，如果用普 通集中式多用户表则每个楼层需要安装一台，给安装和使用带来极大的不方便。所以研 制一手串能计量百户敛上的柜式电能表是电能表发展的必然要求。柜式表计量户数一般在 一百户以上，一座公寓楼的房间数一般也在一百户左右，因此一座公寓楼仅配备一台桓 式表即可，可以把电能衷放在传达室或配电室，便于管理，电能表也可通过r s 2 3 2 4 8 5 转换器直接和系统管理徽机棚联结。必要时可拥信号中继器组成公寓安全用电管理系统， 便于集中管理。本系统适用于高校学生公寓，集体宿舍，综合写字楼以及居民小区等多 个锈域的用电管理。它较普通用电管理设各，具有智能 c 卡管理模式，l c d 汉字显示 系统，防短路，防过载，防窃电，识别普通用电设备等多项功能，本系统还具有体积小 安装维修方便等优点。】 目前，学生寝室、集体宿舍、教室、办公室等一些公共场所，由于非法使用大功率 电热设备，比如电炉子、热得快、电暖风、电暖嚣、电水壶等危险电热设备，经常园线 路过载过热以及设备自身过热而导致引发火灾等严重后果! 耐仪表性负载如计算机、电 视机、电子日光灯等则需要正常使用，因此，对学生公寓用电负载以及混合负载的类型 进行识剐，对杜绝学生违章用电及防止火灾有重大意义。 在我国目前使用的电能表中，由于产品价格等因素，机械式电能表们占大部分。据 山东省技术监督局2 0 0 0 年底对该省辊槭式电缝表进行抽查的结果中看，使用了两年的机 械式电能表几乎都达不到计量精度要求，相当比例的电能表计量误差较大。而且机械式 电毖表功耗较多、体积较大、功能简单，需要人工抄表。这是由机械表的结构原理所决 定的。 硎 近年来，我国学生公寓- 综合写字楼，居民小区住宅建设发展迅速，随之而来的楼 近年来，我国学生公寓- 综合写字楼，居民小区住宅建设发展迅速，随之而来的楼 s 山东科技大学硕士学位论文 绪论 房所用电能表的数量也日益增多，用什么样的电能表才更有利于电能计量的管理呢? 研 究表明，从我国的实际出发，开发和应用集多表于一体的柜式电能表，具有重要意义。 本选题从一个崭新的角度出发，将微电子技术、计算机技术和通信技术的最新成果 运用于实践，把目前分散计量的电能表数据通过单片机进行集中采集处理，研究设计了 一种适合我国城镇居民，学生公寓用电计量的多用户柜式电子电能表，它由电能专用芯 片来测量各用户的电能，采用单片机作为数据处理中心，基本型的多用户电能表可同时 实现对1 2 8 - 5 1 2 个用户进行电能集中计量与管理，其功能有：电能计量、电参数监测、数 据显示与查询、数据存储、监视与控制和数据传输等。这种电能表大大优化了多用户电 能计量系统的结构，在确保电子电能表的测量精度和各项功能齐全的前提下，缩小了整 机体积，使每户分摊的成本大大降低。在电子式电能表日益成为市场主流的今天，它将 有很好的推广应用前景。 1 3 课题的任务与要求 本文结合以往实验室研究成果，参阅了众多国内外文献，主要介绍了电能表技术发 展和应用的现状，对比分析了各种电能表的测量原理和功能特点。在总结现阶段各种电 子电能表优缺点的基础上，结合我国的国情研究设计了一种多用户电子式电能表。跟踪 当今先进的微电予技术、信号处理技术和通信技术，分析了a 仍转换器的原理，并采 用基于这种原理的电能专用芯片c s 5 4 6 0 a 进行电能计量：分析提出了一种柜式电能集中 计量的技术：本课题主要任务和内容如下： 1 、设计电能采集计量单元：电能采集计量单元是极为重要的部分，电能计量的准确直 接影响到电能表的性能好坏。为节省成本，该单元的设计采用分时复用计量的方法，一 个电能计量芯片采集1 6 户电能； 2 、设计主控单片机系统：主控单片机系统的设计以m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心，它是一个智能 数据采集处理和控制单元。它的任务是接收并存储各用户电量，经处理后显示在液晶显示 器上，可以通过键盘查询各户用( 或剩余) 电量，打印用户信息清单，控制对外通信，完成 抄表或远控等工作： 3 、上位机电能管理系统：上位机主要由用电管理系统组成，通过上位机可以读取各房间 的用电信息，控制单户的通断电状态，还可以对用户售电。 山东科技大学硕士学位论文 柜式电能表理论分析 2 柜式电能表理论分析 2 1c s 5 4 6 0 a - - 一片上电表 基于第一章的分析，我们知道以电能计量芯片为核心的电子式电能表将会成为电能 表未来发展的主流。因此本文设计了一种基于电能计量芯片c s 5 4 6 0 a 的单相柜式电能 表。单相双向功率侑量芯片c s 5 4 6 0 a 是美国c i r r u sl o g i c 公司研制生产的片上电表芯片， 是一种单相带有串行接口的双向功率电能集成电路芯片，极易与微处理器连接。利用该 芯片作为测量原始信号的核心器件将提高数据测量的准确性，同时也简化了测量仪器硬 件电路，这样将方便测量仪器在现场的使用。 下面就对这种单相双向功率电能i c 的特性、功能和原理作以下介绍。 1 8 , 1 9 , 2 4 2 1 1 综述 c s 5 4 6 0 a 是一块高度集成的a , e 模数转换器( a d c ) 。c s 5 4 6 0 a 把2 个a e a d 、高速 功率计算功能和串行接口组合在一块芯片上。通过外接低成本的分流器或电流互感器、 电阻分压器或电压互感器，可用来精确测量电能、瞬时功率、电流有效值和电压有效值 等。c s 5 4 6 0 a 的主要特性有： 符合i e c l 0 3 6 规范 在片计算和处理功能 电能数据精度：在3 0 0 ：1 的动态范围之上，1 秒钟读数的o 1 系统级校准 片上2 5 v 基准( 6 0 p p m 。c ) 简单的三线串行接口s p i 和m i c r o w i r e 兼容：串行时钟史密特触发：设有看门 狗定时器 单电源+ 5 v 或双向2 5 v 1 0 电源 电源监测 功耗 1 0 m w 2 1 2 基本结构 2 1 2 1 基本结构 山东科技大学硕士学位论文柜式电能表理论分析 c s 5 4 6 0 a 内部集成有a e a d 转换器、高、低通数字滤波器单元、串行接口、数 字频率转换器、寄存器、看门狗定时器等模拟、数字信号处理单元。结构框图如图2 1 所示。 图2 1c s 5 4 6 0 a 内部结构框图 f i g 2 1t h ei n t e m a ls t r u c t u r em a po f c s 5 4 6 0 a 2 1 2 2 引脚排列及功能 c s 5 4 6 0 a 的引脚排列如图2 2 所示： 图2 2c s 5 4 6 0 a 管脚图 c s s d i s d o s c l k i n t e d i r e o u t f i g 2 , 2t h ep i nc h a r to f c s 5 4 6 0 a 2 1 3 硬件构成及工作原理 2 1 3 1 功能简述 c s 5 4 6 0 a 可以用于各种功率测量装置，计算过程中的数据流如图2 - 3 所示。 舌|一一皿m一一一肿叶卅卅 暑詈苗似曝案劳曝器蒋 山东科技大学硕士学位论文柜式电能表理论分析 电 压 电 字 幽2 3 数据流程 f i g 2 3 d a t af l o w c h a r t 为了和输入电压的不同量级匹配，电流通道集成一个可编程增益放大器( p g a ) 和 两路高速数字滤波器。其中，电压通道的高速滤波器作为一个固定的s i n 2 滤波器工具。 电流输入通道包括一个s i n e 4 滤波器，并有一个短f i r 滤波器补偿。 2 1 3 2 接口及软件设计原理 c s 厂 s c “ 门厂 几几几n 1 厂1 门几几厂 。5【，。一 s 乱x 1 厂 几几n 几几厂 n 几几厂 鲫画o o c ：) 二) ) ( 1 甭磊i 菇：j 叶 s i ) 0 里o o c x x ( 崎1 丽面五五f 读周期 图2 4 命令和数据字读写时序 f i g 2 4t i m es e q u e n c eo f i n s t r u c t i o na n dd a t a 山东科技大学硕士学位论文柜式电能表理论分析 c s 5 4 6 0 a 串口包括四条控制线：串行时钟( s c l k ) 、串行数据输入( s d i ) 、串行数 据输出( s d o ) 和己i 片选，其读写时序如图2 4 所示。c s 5 4 6 0 a 的串行接口部分集成了 一个带有发送接收缓冲器的状态机，状态机在s c l k 的上升沿解释8 位命令字。根据对 命令的解码，状态机将执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备。读 操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓存区，写操作在数据传输前要等2 4 个s c l k 周期。内部寄存器用于控制a d c 的功能。所有寄存器都是2 4 位宽。 上电后，串口初始化或复位后，串口状态机初始化为命令模式，等待接收有效的命 令( 输入串口的前8 位数据) 。在完成对有效命令的接收和解码后，状态机将指示转换器 执行系统操作或从内部寄存器输入或输出数据。 2 1 3 3 内部寄存器分配 c s 5 4 6 0 a 内部集成了包括偏置寄存器、增益寄存器、脉冲速率寄存器和参数寄存器 等1 6 个寄存器，还集成了串行口发送寄存器、串行口接收寄存器和一个命令解释状态机， 这些寄存器用来完成对c s 5 4 6 0 a 的设置、采集数据的存储和串行输入输出的控制，图 2 5 描述了用户可用的寄存器。 电流 通道 交流偏移寄存器直流偏移寄存器 直流偏移寄存器 增益寄存器 增益寄存嚣电压i 交流 i ；移寄存器 通道o 一 厅曛丽酹i 再虿 控制寄存器 脉冲速率寄存器h 周期计数寄存器 出 时基寄存器 配置寄存器 状态寄存器 屏蔽寄存嚣 串行接口 输出缓冲器 夸字状态机 图2 5c s 5 4 6 0 a 内部寄存器分配图 f i g u r e2 5t h ei n s i d er e g i s t e ra s s i g n i n go fc s 5 4 6 0 a 2 2 柜式电能表的方案设计 s d i c s s d 9 s c l e 研 柜式电能表与一般的电子式电能表不同，一般的单相电能表只能计量单户，多用户 电能表则能计量十几户，而柜式表要计量1 2 8 、2 5 6 甚至5 1 2 户电能，计量的用户多是它 墼垂磊 些查型苎查兰堡主兰丝丝苎 塑茎皇堕重里垒坌塑 的最大的特点，因此柜式表的设计方案与一般的电能表的设计方案也不同。 2 2 1 总体方案设计 整个系统分三大部分，电量采集板。主控板，上位机电能管理系统。系统采用三级 控制管理结构，系统结构框图如下图所示，最高一级为电能管理系统，通过r s 2 3 2 和r s 4 8 5 与主控模块连接：系统主控模块为系统的第二级，系统主控模块通过r s 4 8 5 通讯接口与 第三级电能采集模块连接通讯。第二级，第三级单元模块内部均采用微处理机技术，负 责监测各部件的运行参数和工作状态，执行从上级监控发出的控制命令，是整个监控系 统的基础。硬件结构采用模块式集散结构，各单元功能相对独立，单元故障不会在系统 中扩散，因而系统具有极高的可靠性。 图2 6 柜式电能表结构框图 f i g 2 6t h es k e t c hm a po f f l o o r - s t a n d i n gw a l t - h o u rm e t e r 上位机为电能管理系统，其功能有： 可以通过计算机读取电表每户的剩余电量以及各用电信息，对电表进行整体售电或 单户售电。通过上位机可以方便的对各房间进行通电或断电操作并可以读取每户电表的 通断状态。 主控板功能有： 1 、数据收集整理功能：该模块通过r s 4 8 5 通讯接口收集各采集板采集的信息，进行数 据处理并保存。 2 、人机接口功能：系统主控板配有l c d 显示屏、键盘、微型打印机；通过l c d 显示屏 显示系统工作信息；通过薄膜键盘配合l c d 显示可以方便快捷的完成系统的配置和 l l 山东科技大学硕士学位论文 柜式电能表理论分析 参数的修改；系统根据设置参数自动处理控制用户电能的通断。 电能采集板的功能有： 负责采集用户的电流，电压，由电能计量芯片c s 5 4 6 0 算出功率，再由处理器通过 r s 4 8 5 将所采集到的数据传给主控板c p u ，并将采集的各参数存储在采集板上的存储芯片 2 4 c 1 6 中。 2 2 2 主控板c p u 的选择 主控板一方面要与上位机通信，另一方面还要与采集板通信，因此需要找一款合适 的双串口c p u 。近十几年来，国内外各家公司已经推出了多种双串口c p u 芯片，目前 比较常用的大致有以下几种： m s p 4 3 0 f 1 4 9 ：该芯片为1 8 3 6 供电，超低功耗，两个u a r t ，多达6 0 k bf l a s hr o m 和2 k br a m ，支持串行在系统编程。4 8 个i o 端口，资源丰富，无需8 2 5 5 等外围扩展 电路，提供j t a g 调试接口，调试方便。 w i n b o n d 公司的w 7 7 e 5 8 ：该芯片是台湾华邦公司生产的，内含2 个增强型u a r t 和 3 2 k b 大容量f l a s h 存储器指令集与5 l 系列单片机完全兼容。目前报价是5 6 元一片。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 ：该芯片内集成了两个多通道a d c 子系统( 每个子系统包括一个可编程增益 放大器和一个模拟多路选择器) 、两个电压输出d a c 、两个电压比较器、电压基准、 s m b u s f l 2 c 总线接口、两个u a r t 、s p i 总线接口、5 个通用的1 6 位定时器、一个具有 5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列( p c a ) 、内部振荡器、8 个8 位通用数字 i o 端口、6 4 k bf l a s h 程序存储器和4 3 5 2 b 数据r a m ，同时还具有片内电源监测、片内 看门狗定时器时钟源，资源非常丰富，能满足复杂系统的设计要求。但目前该单片机的 报价比较高，1 2 0 元一片，而且还要购买该公司价值8 0 0 多元的j t a g 开发调试器。 从综合性能看，t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 可以作为优选品种。w 7 7 e 5 8 虽然价格便宜， 具有双串口，但资源相对较少，使柜式表的可扩展性不强；c 8 0 5 1 f 0 2 0 虽然功能强大， 速度更快，但昂贵的价格，很难让人接受。 2 2 3 电能采集终端设计方案 方案一、一个电能计量芯片采集一户。 设计中，若采集1 2 8 户电能，则主控板要采集1 2 8 个采集板上的电能，但r s 4 8 5 最 多可以驱动3 2 个c p u ，因此这种方法最多只能采集3 2 户电能，而且采集一户需要一个 电能计量芯片和一片c p u ，成本也太昂贵，所以是行不通的。 方案二、采用分时复用计量模式。 1 2 山东科技大学硕士学位论文柜式电能衰理论分析 一个采集板用一片电能计量芯片加一个单片机，运用t d m 技术采集和计算1 6 户电 能。采用这种方法，若要计量1 2 8 户电能，只需要8 个采集板即可。因为r s 4 8 5 最多可 以挂3 2 个采集板，所以最多可以计量达5 1 2 户电能。而且成本低，结构紧凑，因此作者 采用这种方案。 2 3 柜式表分时复用计量原理 2 3 1 有功功率和有功电能的测量 对一个一端口网络，内部不含独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件，它吸 收的瞬时功率p 等于电压“和电流，的乘积： p 2 u i 由电路一书中可知，在正弦稳态情况下，设 “2 2 u c o s ( t 十f 0 ( 2 1 ) i 2 2 1 c o s ( u t + ，) ( 2 2 ) p = 互u c o s ( 。t + f 0 a 2 e o s ( t + 扩) = u l c o s ( 矿u 矿，) + u c o s ( 2 。t + 。+ ) ( 2 - 3 ) 令。= 矾一扩，a 为电压和电流之间的相位差，有 p = u i c o s 。+ u 1 c o s ( 2g o f + 扩。+ 矿，) ( 2 4 ) 从上式可以看出：瞬时功率有两个分量，第一个为恒定量，第二个为正弦量，其频 率是电压或电流的两倍。 平均有功功率为： p 2 7 1t pa ，= ；pr c 。s 。啡。t + 仲 = u c o s o ( 2 - 5 ) 将平均功率( 即有功功率) 对时间积分就得到时间t 内的有功电能。即： e 2 j 肋 ( 2 6 ) 通过以上分析，我们得出只要测出用户的电压有效值、电流有效值、功率因数，便可算 山东科技大学硕士学位论文 柜式电能表理论分析 出用户的有功功率，进而对有功功率进行积分，便可算出用户所用的电能。 由前面对c s 5 4 6 0 a 的介绍，可知该电能计量芯片内部具有能量计算引擎，可以测量 瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、能量、电流有效值、电压有效值。因此我们在用c s 5 4 6 0 a 时，不必再关心怎样对电压、电流每个周波采样，怎样计算瞬时功率、电流有效值、电 压有效值了，这些工作都已经由c s 5 4 6 0 a 完成了，我们只需从c s 5 4 6 0 a 的相应的寄存 器里读出数值就可以了。比如要测量消耗的电能，只需在芯片计算周期结束后，从电能 寄存器中读出最新计算周期总的电能值e ，然后逐项累加起来即可得到总的电能值e ： e 2 e ( 2 7 ) 2 3 2 分时复用计量原理 现代通信网中广泛采用多路复用方式传送信号，以提高传输媒体的利用率，降低通 信成本。出于同样的目的，为提高c s 5 4 6 0 a 的利用率，降低电表的成本，本文在设计电 量采集终端单元时，也采用了多路时分复用的方式来采集电量。 样信号 图2 7 分时复用计量硬件原理图 f i g 2 7p r i n c i p a ld i a g r a mo ft d mt e c h n o l o g y 在本设计中，作者采用了两片多路开关c d 4 0 5 1 ，构成了一简单的复用器。上图表示 了系统构成的原理框图。上图中用单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 的p c 口控制c d 4 0 5 1 的a 、b 、c 端 口，p c 口的值与1 6 路电流通道的对应关系如下表： 1 4 山东科技大学硕士学位论文柜式电能表堡塑析 表2 1p c 口与电流通道的对应关系表 t a b l e2 1t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e np cp o r ta n dc u r r e n tc h u n n e l p c 口0 f o ho f 2 h0 f 4 h0 f 6 h0 f 8 h0 f a h0 f c h0 f e h 通道号 l2345678 p c 口0 f h2 f h4 f h6 f h8 f ho a f h0 c f h0 e f h 通道号 91 01 11 21 31 41 51 6 当三位计数器不停的循环计数时，c d 4 0 5 1 的公共输出端就会循环输出8 路复用信号。 两片c d 4 0 5 1 就可以选择1 6 路信号。 本系统可以测量用户的电能e 、瞬时电压u 、瞬时电流i 、瞬时功率p 、电流有效值 ，卅，、电压有效值 。还可以计算出用户的功率因数p f 。其中，“和i ，p 的意义分别 如公式( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 所示。假设要计量的用户负载的视在功率为s 。，系统测得电 压有效值为u 。，电流有效值为i 。，则： = ：k ( 2 - 8 ) 即视在功率等于电压有效值乘以电流有效值。只要算出有功功率r ，就可以由公式( 2 9 ) 得出功率因数p f pf：拿(2-9) s 。 要计算有功功率显然不能通过公式( 2 - 5 ) 来计算。从前面的分析可以知道，c s 5 4 6 0 a 在一个计算周期r 内所计算的能量值最为一个计算周期内总的有功电能值，因此有功功 率可以通过有功电能来计算，由公式( 2 1 0 ) 可得： p 。= e t( 2 - 1 0 ) 综合上面的公式，可以碍到计算功率因数的公式( 2 1 1 ) ： p f i 毫! u 。l 。j ( 2 1 1 ) 假设循环采集1 6 户所用的时间即复用周期为丁，因为要分时计量1 6 个用户，这样 个周期被分为1 6 个对隙f 。在时隙1 开始时，c d 4 0 5 1 选择通道1 ，c s 5 4 6 0 a 的i i n + 坐查型垫查兰堡主兰垡丝苎 塑茎皂壁墨矍望坌塑 引脚上出现的是通道1 的电流，单片机等待c s 5 4 6 0 转换结束后；读取c s 5 4 6 0 内部电能 寄存器的数值日，然后乘以比例系数( 这个比例系数是根据具体的硬件参数来确定的，详 细计算方法见第四章) ，算出该通道用户的实际消耗的电能e 。 计算通道1 消耗的总的电能有两种方法，第一种方法为： e = e + e ， ( 2 - 1 2 ) 即每转换完一次，就读取c s 5 4 6 0 a 内部寄存器的能量值日，然后算出真实值置，累加 起来就得到总的电能值，这种方法在计量一户的时候可以，但是要分时复用计量1 6 户， 这种方法显然就力不从心了。 第二种方法是通过功率来计算电能，具体方法为： e = e + a e ( 2 - 1 3 ) 其中，e 为从本次采集通道l 到下一次采集通道1 这段时间丁，即一个复用周期 内通道l 的用户所消耗的电能，其计算公式如下： f e = r r = “- - - t ( 2 1 4 ) t 丁的值不是固定的，它的值需要用定时器来测量，本设计中用定时器乃来测量r 的 大小。具体方法为，先定义一个变量c o t m t e r 0 ，初值为0 ，设置定时器的定时时间为5 0 m s ， 程序开始时，启动定时器，定时器每溢出一次，变量c o u n t e r o 加一，第1 6 户采集完后， 停止定时器定时，读出c o u n t e r 0 内的值n ，及寄存器t h 0 、t l 0 内的值，再清空变量c o u n t e r 0 并启动定时器乃，利用公式( 2 1 5 ) 算出复用周期乃 t ；5 0 n + dt( 2 1 5 ) 。 根据寄存器t h 0 、t l 0 内的值计算。其实，根据经验，可以采用一种简便方法，完 全可以不用计算a ，方法如下： 令 t = 5 0 n( 2 1 6 ) 余下的。t 累加到下一个复用周期中去，这样做既简化了计算，又使系统计量的误差更小， 实践证明这种方法是可行的。 采集和计量其他1 5 路电能的方法与通道1 类似。 多路分时复用计量的原理就是这样的，关于硬件电路的设计将在第三章作具体分析。 1 6 山东科技大学硕士学位论文柜式电能表理论分析 有关实验结果的分析详见第六章。本文介绍的这种多路时分复用的方法在实践中证 明是可行的。而且一片电能计量芯片c s 5 4 6 0 a 循环采集1 6 户电能，大大降低了电能表 的成本。 2 4 本章小结 本章为