【毕业学位论文】（Word原稿）电子式电能表系列以及集中抄表系统的设计开发-机械设计及理论

I 分类号 密级 硕 士 学 位 论 文 题 目 ： 电子式电能表系列以及集中抄表系统的设计开发 英文并列题目： of 究 生： 专业： 机械设计及理论 研 究 方 向： 机械电子 导 师： 周一届 学位授予日期： 答辩委员会主席： 江 南 大 学 地址：无锡市青山湾 二 五 年 一月 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 日期： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 录 目录 . 要 . V . 一章 绪论 . 1 1 1 课题来源 . 1 1 2 电能表系列市场现状 . 1 1 3 集中抄表系统概况 . 3 1 4 课题主要涉及的内容 . 4 第二章 电能计量 . 5 2 1 基本概念 . 5 2 2 计量原理 . 5 2 3 设计方案 . 7 2 4 非正弦电压和电流的计量 . 9 2 5 电压电流取样通道 . 10 2 6 高通滤波和失调影响分析 . 11 2 7 数字频率的转换 . 12 2 8 计量附加功能防窃电 . 13 2 9 信号采样以及计量误差调校 . 14 2 9 1 硬件校表 . 15 2 9 2 软件校表 . 15 2 10电能计量技术发 展趋向 . 16 2 10 1 电能计量技术发展思路 . 16 2 10 2 重点开发的实用计量新技术 . 17 2 10 3 研究计量前沿技术 . 17 2 11电能计量技术市场需求 . 18 第三章 电子式电能表 . 19 3 1 电子式电能表综述 . 19 3 2 多费率电能表 . 19 3. 2. 1 择 . 20 3. 2. 2 基于摩托罗拉芯片的设计开发 . 20 3 3 表 . 27 3. 3. 1 . 28 3. 3. 2 户 卡 . 29 3. 3. 3 电表 块 . 31 3. 3. 4 卡的认证过程 . 31 3. 3. 5 数据传输线路加密保护 . 33 3 4 多功能电能表 . 35 第四章 抄表系统 . 36 4 1 引言 . 36 4 2 电力载波技术 . 37 4 3 简单载波电路分析 . 38 4 4 载波调制解调技术 . 41 4 5 载波技术应用设计 . 42 6 电力线载波技术的若干发展方向 . 43 音压缩技术 . 44 带电力线载波 . 44 窄 带载波技术 . 44 频技术 . 44 4 7 设计综述 . 45 第五章 硬件电磁兼容设计 . 46 5 1 引言 . 46 5 2 电子电能表设计要求 . 47 5 3 线路板 电磁兼容设计 . 47 第六章 软件设计 . 51 6 1 引言 . 51 6 2 下位机程序 . 51 6 2 1 . 54 6 2 2 线协议 . 56 6 3 上位机程序 . 57 6 4 中转模块程序 . 58 6 5 综述 . 58 第七章 总结与展望 . 60 7 1 本文的主要工作和贡献 . 60 7 2 后续研究工作展望 . 61 参考文献 . 62 作者攻读硕士学位期间发表的论文 . 64 致谢 . 65 V 摘 要 电力计量用的电子式电能表，其本身具有一定的特性，并且作为一种计量用仪表，其设计与开发有着许多自身所独特的性质与功用，无论是硬件的设计电磁兼容设计抗干扰设计以及软件设计都是需要通过具体的实验测试来进行逐步的完善，才能够将设计付诸于生产实践，并且形成批量的生产产品，因此对电子式电能表的设计与开发进行较为详细的介绍。另外， 一直以来，摩托罗拉芯片以高端的产品为主，在航空 通讯 领域有着较为广泛的应用，低端产品的应用 领域却涉及较少；近来为了适应复费率电能表的研究领域的开发研究，专门推出了一款 片，以其作为电能表开发与设计的主导芯片，作为其独立的电能表实验室，在一系列实验的基础上，对硬件与软件设计方面的工作进行了细致的推敲，并且通过了电磁兼容测试，形成了复费率，智能卡表以及简单的多功能表的成数产品；通讯技术已经应用于各个领域，逐步形成了一系列模块化的产品，短程的串行通讯，红外通讯，远程的无线 及载波通讯，在诸多的领域有着广泛的应用，诸多的先进技术都付诸于实际的应用，通讯技术在电能表中也有 广泛的应用，体现在集中抄表系统方面，设计中着重于对载波通讯技术地开发，对其通讯技术进行分析并介绍其基本的通讯原理以及传输方式，对其硬件结构和软件进行设计测试的基础上提高通讯的效率以及准确率。 关键词 ： 电能表 , 计量 , 载波 ,集中抄表 , , 软件，数据处理，电磁兼容 I s a of in No in or in it is a of of as to it in in of By we it in in as so in is By a in to of As of in on in it in of of is of in of in in of to of to of to of on of of 绪论 1 第一章 绪论 1 1 课题来源 2002 年，江苏省开始计划实施多费率计费电能的新举措，以缓解电力能源紧张的局面，并作为全国的试点省份对多费率电能表进行了大规模的推行 ,逐步的实现电力管理的自动化。以此为契机，与无锡电度表厂进行了多方面的接触，于 2002 年初成立技术开发部，负责电子式电能表的技术研发工作，并经过多方面的调研，所做的开发设计研究工作不仅可以在理论上作深度的研究，而且开发所形成的产品有很大的市场潜力，能够带来巨大 的经济利益，产品可以在生产运行各个环节中得到检验，能够逐步成熟工艺与技术；另外以企业作为依托，无需资金投入就可以解决研究开发中需要的 的 试验设备的问题，因此以此作为研究的课题，具有比较高的研究与实用价值。 1 2 电能表系列市场现状 电能表 ( 以前指 积算电能的机械式指示电表 ， 俗称电度表 ； 因一度电代表的电能为 1 千瓦时，故又称千瓦时表 1。电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。近几年国家连续出台多项与电能表行业发展相关的经济政策和房地产业的迅速发展，带动了电能表需求的 上升。 民用电表行业 (单相表 )的发展与国家关于民用电收费及装备政策密切相关。最重要的是 “一户一表 ”政策。国家电力公司关于全面推进 “一户一表 ”工程的主要内容包括：实现供电到户 ,抄表到户 ,收费到户 ,服务到户。 1998 年来 ,全国城乡总计进行了 5000 万户居民的 “一户一表 ”改造。由于 “九五 ”期间用于城乡电网改造的表计产品参差不齐 ,“减弱效应 ”不会非常迅速 ,预计 “十五 ”期间这种政策性需求仍相当于 “九五 ”期间的平均水平。 我国是电能表生产大国 ,据有关资料 ,我国电能表生产厂家已有 500 多家 ,年产电能表的生产能力达 2 亿只 。 正常情况下 ,我国的电能表市场年需求量大约只有 5000 万只左右 ,其中民用单相表约占总量的 90%95%2。民用单相表一般划分为机械表和电子表两大类 ,目前电子表的销售量约占民用表市场的 右 ,2002 年电子表的销售量为 900 万只左右。 电子表市场需求量远不及机械表的主要原因是电子表的产品寿命不如机械表 (在相同价格的条件下 )。但是随着微电子技术发展 ,电子表从技术上讲已经成熟。业内人士分析 ,随着电力部门对用电政策的调整 ,国家逐步推行分时电价政策 ,传统的机械式电度表己不能满足需要 ,机械表被电子表 替代是大势所趋。2 为主体向以电子表为主导转变 ,具体表现为从普通功能型电表向长寿命、分时段电子表、多功能高科技型电能表方向过渡。 目前电力部门所用的单相电子表 ,大多是功能简单的电子表 ,随着民用电能表行业开始追求技术创新 ,国内各种新型电子式电能表迅速推广应用。 电力公司从制造厂直接批量购表是电能表销售的主渠道。随着电力体制改革的逐步到位和一户一表 工 程的实施 ,通过这一主渠道销售的电能表将愈来愈多。随着农电体制改革和一户一表工程的逐步完成 ,国家要求供电企业必须直接售电 、抄表、收费到户 ,这就彻底改变了以前供电企业只管到农村综合变 站 以下由村电工自行管理 ,无人监督的情况 ,也就是说今后供电企业 要 一直管到居民住户。农村电能表的购置自然也就纳入电力系统招标采购的主渠道 。 电能表的销售还有另外几个渠道 :一个渠道是销售给城市中的房屋开发商 ,另一个渠道是销售给城市物业管理小区 ,再一个渠道是销售给一些大型厂矿企业、机关、学校、事业单位。未来民用电能表销售渠道在保持原有主渠道基本不变的情况下 ,正在发生一些 小 的变化。 民用表本属于民用产品 ,却一直是按照工业品集团方式采购。由于民用电能表计量是否准确 ,直接关系到老百姓和用电单位的切身利益 ,实际上一直和水表、煤气表同被国家技术监督部门列为强制检定计量器具。国家质量技术监督局每年都要对单相电能表进行抽样检查 ,随着电力体制改革深化 ,今后技术监督部门关于产品质量的认证是民用表销售的唯一通行证，不再有入网证的要求。 根据第五次全国人口普查数据 ,我国总人口为 居住在城镇的人口 45594万人 ,居住在乡村的人口 80739 万人 ,平均每个家庭户的人口为 ,31 个省、自治区、直辖市共有家庭户 34837 万户。静态地估计 ,国内民用电能表市场容量约 为 只。若按 20%的更换率计算则 5 年全部完成 ,每年的市场需求量约在 5000 万只左右 ,扣除三年城乡电网“一户一表 ”工程中改造完的 5000万只表 ,预计 “十五 ”期间 ,每年民用表需求量在 5000万只左右 ,即每年超过 50 亿元的市场需求。 由于价格和使用条件等约束因素 ,预计未来几年农网用户还将继续使用单相机械表 ,而城市电网用户将会全部替换为单相电子表。据此推断 ,民用表市场中 ,单相电子表使用量 “十五 ”末期将达到 15198 万只 ,占总量的 机械表使用量“十五 ”末期将达到 20184 万只的规模 ,占总量的 据 司预测 ,中国电子电能表市场需求从现在起的 5 年内 ,民用电能表年需求增长率预计为 33%。由于过去大量使用机械表 ,机械表的保有量比较大 ,因此总的增长率较低 ,但电子表的推广速度是比较快的 ,根据前面的分析 ,单相电子表年平均增长率计算为 65%左右 ,国内民用单相电子式电能表市场 2000 年的市场为 500 万只 ,则 2002 年达到 1000 万只 ,2005 年将上升为 5000 万只 。 此外 ,中国已经正式加入 际民用表市场成为现实选择。单相电能表在南美、 绪论 3 亚地区 (如 :巴基斯坦、印尼、泰国、斯里兰 卡、菲律宾、南美等国家 )每年需求量在数百万只以上 ,这些国家用的电能表大多数是进口的 3。由于电能表成本增加 ,发达国家的电能表生产企业已不再生产或转移到一些不发达的国家生产。这些都是电能表销售国际市场看好的因素。 这为课题研究提供了广阔的市场基础。 电能表用于对生产 、科研及家庭等消耗电能的测量 ，以作为控制电能消耗、实行经济核算和征收电费的依据。为此，电能表内设有各种调节及补偿装置，如轻载调节 、满载调节 、功率因数调节、防潜动（防止电能表无载自转）装置等，以保证电能表的准确度。随着工业的发展，要求生产一些 具有特殊用途的电能表，如预收电费电能表、最大需量电能表、分时计费电能表、测量非正弦波（波形畸变程度）的电能表等；因此本课题所能够做的研究面比较广 泛 。 1 3 集中抄表系统概况 采用传统抄表方式人工抄取电能表数据，不可避免地存在以下问题：抄读数据存在误差，操作难以规范化，数据采集不及时、耗费人工多、成本高、效率低。为解决上述问题，近年来出现了将电能计量数据自动采集、传输和处理的电能计量自动抄表系统。电能计量自动抄表系统 (将电能计量数据自动采集、传输和处 理的系统 ，它克服了传统人工抄表模式的低效率和不确定性，推进了电能管理现代化的发展进程 4。 传感器、自动化仪表以及集成电路技术的发展，使得无论是机电脉冲式还是电子式电能表已能够较好地满足当今电能计量自动抄表技术的需要。对于机电脉冲式电能表，需在表内安装光电转换模块和相应的端口，实现反映用电量的电信号输出。这类模块和接口成本低、小巧且易于拆装，因此适于目前仍在大量使用的感应式电能表的改装。电子式电能表可直接读取其脉冲输出，有的新型电子式电能表本身安装有多种接口，适用于模拟、数字等各种通信模式。预计今后相当一 段时间内，电能计量自动抄表系统的终端采集装置将以机电脉冲式电能表和电子式电能表两种仪表为主 ； 采集器和集中器是汇聚电能表电量数据的装置，由单片机、存储器和接口电路等构成 ； 通信子系统是电能计量自动抄表技术中的关键，也占据了一定比例的投资。数据通信方式的选取要综合考虑地理环境特点、用户用电行为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。很多情况下，某种方式最终被选用并不表示经济利益和技术要求的最大满足，而只是权衡了各方面条件后的折中 5。国内外对于不同通信方式各有侧重 ， 在西方发达国家，对于电能计量自动抄表技术的研究起 步较早，电力系统包括配电网络 的 规范、完备，所以低压电力线载波技术被广泛应用；在我国，4 条件所限，较多使用电话线通信。近来，随着对扩频技术研究的深入，低压电力线载波中干扰大的问题逐步得到解决，因此，低压电力线载波通信方式在电能计量自动抄表技术中的应用有逐步推广的趋势。 电能计量自动抄表技术的发展较快，开发、生产的厂家很多，在选用有关厂家的 技术产品时，需 要 认真调查、研究，选用较为成熟的产品，避免重复投资，从而使电能计量自动抄表技术更好地为电力系统服务 ；对于集中抄表系列的技术开发与研究，具有一定的理论深度与实践意 义。 1 4 课题主要涉及的内容 一， 电能计量技术以及其算法的研究与测试工作，防止电能计量中出现启动，潜动以及漂移地情况。 二， 电磁兼容以及抗干扰方面的完整设计，避免电量计量当中干扰成分影响到正常的运转和计量，合理布线以及综合实验是关键所在，避免高次谐波叠加到实际信号中。 三， 相关的程序以及算法，侧重于稳定性与效率两个方面，并对程序以及算法进行综合优化。 四， 集中抄表系统，包括通信协议，通讯方式以及通信信道的选取，并对信号传输中抗干扰的处理。 五， 实用的上位机数据库软件系统，实现比较好的人机通讯。 六， 上下位机的红外和 485 通讯接口 模块的设计。 综上所述，依据涉及的内容以及注意事宜，要完成一系列成熟产品的设计开发与测试，并形成一套完善的系统，最终的推向市场。系统结构如图 (1 图 1 1 电能表 通讯中转 上位程通讯如 波 电能计量 5 第二章 电能计量 2 1 基本概念 电能 W 是有功功率 P 随时间的积累，即 W （ T 是积累时间）。另外我们还知道P=U I，因此电能计量可以通过对电压电流的测量然后经过积分等一系列的运算得到，因此，在电能表中采用了积分算法机构，通常，测量直流电能的电能表多采用电动系电表的测量机构，而测量交流电能的 电能表则采用感应系电表的测量机构 6。在具体的介绍电能计量的原理之前，首先阐述在电能计量中的一些概念： 电能测量误差：百分比误差（测量值真值） 真值 100 电源抑制：电源抑制能力（ 百分比读数误差表示电源电压变化引起的测量误差。交流电源抑制（ 义为：先在标称电源电压（如 5v）的情况下，读取一个测量值，然后在电源电压上叠加一个固定的频率（如 100有效值固定（如 200信号，在相同的输入信号电平下读取第二个测量值，按测量误差公式计算得到百分比误差即为交流电源抑制比。 直流电源抑制（ 义为：先在标称电压电源（如 5v）的情况下，读取一个测量值，然后使电源电压变化 5，在相同的输入信号电平下读取第二个测量值，按照测量误差公式计算得到百分比误差即为直流电源抑制比。 调误差： 调误差用模拟输入的直流失调电压表示，指模拟输入 地 后，输出折合到 拟输入端的电压值，与增益有关。 增益误差：在无失调误差的条件下，当增益等于 1 时，实际输出频率与理想输出频率的差，用相对理想输出频率的百分比表示。 增益匹配误差：在无失调误差条件下，当通道增益从基倍切换到 2， 8 或者 16 倍时，产生的增益误差。由增益误差引起的输出频率误差，用相对于增益为 1 时输出频率的百分数表示 7。 2 2 计量原理 对于电能的计量，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，有功功率的计量是各相的有功功率是通过对去直流分量后的电流，电压信号进行乘法，加法，数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。如果前端 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 21 次的谐波信息，所以依据公式： 6 (2计算得到的无功功率也至少包含 21 次谐波信息。无功功率计量算法与有功类似，只是电压信号采用移相 90 度之后的。测量带宽主要受到数字移相滤波器的带宽限制，所以无功功率的测量也可以高达 21 次谐波；而视在功率，功率因数，相角得测量可以基于上述测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；有效值的测量是通过对电流，电压采样值进行平方，开方以及数字滤波等一系列运算得到；能量的计算是将功率 信号对时间进行积分就可以得到能量。其测量的原理主要用到下列几组公式 8： 电压有效值： Tr m s 2 )(1 (2电流有效值： s )(102 (2功率因数： )( )()( Sa b s Pa b ig (2单相有功平均功率： T )()(1(2三相三线合相功率： 3 (2 90903 (223233 (2三相四线合相功率： 4 (2 9090904 (224244 (2有功能量： ( (2无功能量： ( (2电子式电能表计量有功就是用 A D 采样数值计算的方法。将一个周期 T 等分为 n 份，根据积分的数值计算方法 ，可将 功率表达 为： )()(11)()()()()()(121 (2令 t 则一个周期内的电能量 W： k )()(1（ 2 当 t0 时，式 (2 15)则变为： nn )()(电能计量 7 T ()(2对式 (2 5)采取采样数值的计算，表达式为： nk nk 0 10 c o s)()(1)(1 (2 T nk 1)()( (2式（ 2电子式电能表计量有功电能的采样数值计算方法。当采样时间间隔 t0 时，形式上电能计量式（ 2在谐波情况下有功电能理论表示式（ 2同；在数值计算时由于电子电能表的 够将含有多个不同频率、按正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样并作运算，因此有效地记录了负载的瞬时功率、亦即记录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 ,全电子式电能表产生误差的原因是多方面的，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件的分散性，电能量计算的方法等。当电网存在高次谐波时，对电能计量的准确性 会 有影响，谐波含量愈高电能计量误差愈大；当谐波含量满足国标规定时，误差影响微小，当谐波含量超过国标规定时，误差影响 比 较大。 一般的电能计量参数的标准，都是针对正弦谐波所定的标准。 在电网中，无论谐波流向如何，负载本身 并 不产生电能量。当谐波从负载流向电网时实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后形成的谐波电流反送回电网，这 其实 是一种 电能污染。电子式电能表将负载（谐波源）消耗的基波有功电能和谐波源（负载）向电网返送的谐波有功电能（被污染的电能）进行了代数相加，使得记录的能量比负载消耗的基波有功电能量还要小，这是电子式电能表 在 计量原理上的 某些 不足 ，为此将在设计方案中进行阐述，以弥补其不足。 2 3 设计方案 如果要进行电量的计量，可以首先对基本参数进行测量，然后通过一些运算算法得到功率和能量数值信息，在设计当中，有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来的，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的，为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬 时功率信号进行低通滤波就行了。 设计中采用 乘积频率转换器 (,将 2 个输入模拟信号 (电压或电流 )相乘并转换成与其成正比的输出频率 ,将电压与电流分别作为它的2个模拟输入信号 ,并保证 其输出的频率信号反映功率的大小 。 下图 (28 功功率，这个方案能够正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率，所有的信号处理都是由数字电路 (由模拟输入电路、模数转换电路 信号处理电路组成 。 )完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。 图 2中，两个 来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，这两个 是16 位 模数转换器，过采样速率可以达到 900模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口（可以与传感器直接链接），也简化了抗混叠滤波器的设计，电流通道中的 一步简化了传感器接口，电流通道中的 滤掉电流信号的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有功功率计算上的误差。 出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出的频率正比于平均有功功率，当这个 平均有功功率信息进一步被累加，因此 输出频率正比于瞬时有功功率，依据此就能获得电能计量信息， 出的频率较高，累加时间较短，这对于在稳定负载条件下进行系统校验室很有用的。下图示出了相移功率因数（