小區(qū)電量計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).pdf

武漢理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 小區(qū)電量計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓名：桑任仲 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：控制理論與控制工程 指導(dǎo)教師：譚思云 20090501 武漢理工大學(xué)碩士論文 摘要 目前我國的電量計(jì)量方式主要依靠抄表人員入戶抄收，不僅浪費(fèi)人力物力， 又不可避免存在人為因素造成的誤差，而且對(duì)用戶的日常生活造成不便。隨著城 市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，建設(shè)智能小區(qū)成為必然趨勢(shì)，原來的人工抄表已不能勝任 現(xiàn)在的工作，新的電量計(jì)量方式應(yīng)運(yùn)而生，隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得 智能化小區(qū)成為可能。近年來國家正在推廣戶外計(jì)量技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)方便查表，不 干擾住戶，使大量人工查表工作逐步過渡到數(shù)字化傳送。本文著重研究了如何實(shí) 現(xiàn)節(jié)約型小區(qū)的用電計(jì)量自動(dòng)化管理。 文中結(jié)合實(shí)際，對(duì)小區(qū)電力計(jì)量體系的自動(dòng)化管理設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的解決方 案，本文主要做的是：選擇適合的計(jì)量基表、構(gòu)建小區(qū)的電力計(jì)量體系模型，對(duì) 硬件系統(tǒng)寫入軟件指令程序，并完成配套的程序進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)管理。 計(jì)量方式選擇多用戶自動(dòng)遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)，它應(yīng)具有如下功能：數(shù)據(jù)采集、參 數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)控制功能、系統(tǒng)預(yù)付費(fèi)功能和保護(hù)功能。 本系統(tǒng)利用低成本、高性能的單片機(jī)作為主體進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，主要有基于 a d e 7 7 5 8 開發(fā)的電子式電表，它有功能更完善的電能計(jì)量校驗(yàn)儀還能實(shí)現(xiàn)無功 功率和有用功率的測(cè)量，有以a t 8 9 s 5 2 為核心的采集器的設(shè)計(jì)，它完成了電子式 電表和以p i c l 6 f 8 4 為主芯片的集中器之間的連接，使用了廣泛應(yīng)用的基于 r s 4 8 5 電氣接口的異步串行通訊技術(shù)作為通訊方式，滿足了電表與采集器的通 信和集中器與上位機(jī)的通信，文中分析了發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過程，并制定了相應(yīng)的通 訊協(xié)議。同時(shí)，利用s q ls e r v e r 技術(shù)和v i s u a lc 抖編程語言設(shè)計(jì)了電量計(jì)量系統(tǒng) 的上位機(jī)管理軟件。 另外，本文對(duì)系統(tǒng)的各種不可靠和干擾因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，在設(shè)計(jì)采取了 一系列有效的措施來提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。 關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表，電量計(jì)量，通信 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果 盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地7 矽卜，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過的研究成果，也不包含為獲得武；贓大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本人完全了解武；又j 瞅?qū)W有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱本人授權(quán) 武漢舡大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或其他復(fù)制手段保存或匯編本學(xué)位論文同時(shí)授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國家有關(guān) 機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會(huì)公眾提供信息服務(wù) ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) ：弛導(dǎo)師( 簽名) ：遴垮眺軋 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 電量計(jì)量的重要性 電能是國民經(jīng)濟(jì)和人民生活極為重要的能源，電氣化程度和管理現(xiàn)代化水平 是衡量一個(gè)國家發(fā)達(dá)與否的重要標(biāo)志。電力生產(chǎn)的特點(diǎn)是發(fā)電廠發(fā)電、供電部 門供電、用戶用電這三個(gè)部門連成一個(gè)系統(tǒng)，不問斷地同時(shí)完成。發(fā)、供、用 電三方如何銷售與購買電能、如何進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算，涉及許多技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題。 營(yíng)業(yè)性計(jì)費(fèi)的公正合理，涉及電業(yè)部門與用戶的經(jīng)濟(jì)利益。提高電能計(jì)量的正 確性，對(duì)發(fā)、供、用電三方都是十分需要的。 隨著我國電力系統(tǒng)的改革，對(duì)電能計(jì)量工作提出了更高的要求，特別是從傳 統(tǒng)的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變，電能測(cè)量技術(shù)更為重要，需要重視它的完整 性和準(zhǔn)確性。電能計(jì)量直接關(guān)系電力系統(tǒng)發(fā)電量、線損、煤耗、廠用電、供電 量、用電量等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計(jì)算。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，用電波動(dòng)十分 劇烈，峰谷差愈來愈大，計(jì)量系統(tǒng)在大幅度的工況變化中工作，使其計(jì)量誤差 增大，己成為電能計(jì)量不可忽視的悶題。利用經(jīng)濟(jì)杠桿，實(shí)施分時(shí)計(jì)度并分時(shí) 計(jì)價(jià)的電能計(jì)量方式，在一定程度上可以起到調(diào)控負(fù)荷、“削峰填谷的作用， 有利于電力系統(tǒng)的運(yùn)行和發(fā)、輸、配、用電設(shè)備的充分利用。 由于電力電子技術(shù)在各行各業(yè)用電設(shè)備中的采用，負(fù)荷向電力系統(tǒng)注入大 量的諧波，引起電壓、電流波形嚴(yán)重畸變。如何計(jì)算諧波電能，如何制定畸變 波形作用下的電量計(jì)量和計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，都是待于解決的問題。 1 2 電能計(jì)量方法的現(xiàn)狀 現(xiàn)行的電能計(jì)量方案是在發(fā)電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換關(guān)口處安裝電能計(jì)量裝置。電力 系統(tǒng)中關(guān)口是指廠網(wǎng)之間、區(qū)域性電網(wǎng)之間電力設(shè)備資產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理范圍的分 界處。關(guān)口電能計(jì)量裝置是衡量關(guān)口分界處電能量的流向及其大小的裝置，它 記錄的電能量作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、核算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是保證電力市場(chǎng)能否 武漢理 ：大學(xué)碩士學(xué)位論文 正常運(yùn)行的關(guān)鍵。 目前對(duì)電能的高精度計(jì)量、監(jiān)測(cè)和分析的先進(jìn)技術(shù)主要掌握于歐美等發(fā)達(dá)國 家。在我國，隨著國內(nèi)電力部門對(duì)電能質(zhì)量的高度重視，國家對(duì)相關(guān)電力計(jì)量 監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的研發(fā)力度也在迅速加大，廣大科研工作者對(duì)相關(guān)的理論及應(yīng)用進(jìn)行 了較為深入的研究，也生產(chǎn)和投入使用了一大批電力計(jì)量監(jiān)測(cè)儀器儀表。 對(duì)于電能監(jiān)測(cè)計(jì)量裝置主要分為兩大類：手持式電能監(jiān)測(cè)儀和在線式電能監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)。 手持式電能監(jiān)測(cè)儀操作靈活方便，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)量電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)，但 是無法完成橫向比較以及統(tǒng)計(jì)性能指標(biāo)的分析，不能滿足高級(jí)別的測(cè)量要求。 在這方面的研究，美國f l u k e 公司有很多系列高性能的產(chǎn)品，它的便攜式電能 質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀f 1 6 5 0 1 6 6 3 具有4 個(gè)電壓通道，能夠測(cè)量三個(gè)相電壓和零一地電壓， 最高測(cè)量6 0 0 v 真有效值和1 0 0 0 v 峰值；5 個(gè)電流通道，除了監(jiān)測(cè)相線電流外， 還可監(jiān)測(cè)零線和地線電流；在每一監(jiān)測(cè)時(shí)段同時(shí)捕獲6 0 0 0 個(gè)電壓事件和電流：支 持單相、y 型、三角形、分相、l l i g h - l e g d e l t a 、o p e n 1 e g d e l t a 以及其他常見的配 電系統(tǒng)；功率選件增加瓦特、伏安、乏、功率因子趨勢(shì)和測(cè)量功能：諧波和閃變選 件可測(cè)量高達(dá)6 3 次的諧波；同時(shí)在所有通道上監(jiān)測(cè)每一周期的電能質(zhì)量事件，例 如驟降、驟升、斷電和瞬態(tài)電壓脈沖；具有以太網(wǎng)接口。此外的產(chǎn)品還有如施耐 德公司的c m 4 0 0 0 型電力線路監(jiān)控儀、羅克韋爾公司的p o w e r m o n i t o r l l 等。 在線式電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要基于系統(tǒng)側(cè)考慮，分布于各個(gè)變電站和關(guān)鍵用戶接 入點(diǎn)處的電能監(jiān)測(cè)計(jì)量單元通過通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心連成一個(gè)有機(jī)的整體，共 同完成整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合計(jì)量監(jiān)測(cè)分析。國外的此類產(chǎn)品如美國e i g 公 司的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀表n e x u s l 2 5 2 ，它能夠提供配電網(wǎng)絡(luò)中的任意測(cè)量點(diǎn)的 負(fù)荷及電能質(zhì)量的完整情況，能夠超高精度測(cè)量電力系統(tǒng)所有參變量、線損、 變壓器損耗及補(bǔ)償；能夠記錄事故前和事故后的波形、暫態(tài)過程：分析最高到2 5 5 次的諧波；大容量的存儲(chǔ)器可完成歷史數(shù)據(jù)記錄、越限記錄、事故觸發(fā)波形記錄、 c b e m a 記錄、繼電器輸出記錄、輸入狀態(tài)記錄、閃變記錄；人工智能分析事故 原因，評(píng)估事故嚴(yán)重程度，并提供解決方案，自動(dòng)形成事故分析報(bào)表；日志查 看器可以進(jìn)行全面的間諧波分析，間諧波是指介于工頻電壓和電流的各次諧波 之間的離散的分量；集成了業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的d n p 3 0 協(xié)議( d n p 3 0 l e v e l z + ) ，兼容 d n p l e v e l l 和l e v e l z 的要求；具有r s 2 3 2 4 8 5 、m o d e m 和以太網(wǎng)環(huán)球網(wǎng)通訊接 口；它的全w e b 解決方案可使用戶通過i n t e m e t 在任何時(shí)間和任意地點(diǎn)監(jiān)視 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 n e x u s l 2 5 2 。國內(nèi)的此類產(chǎn)品如上海寶鋼安大的p q l 0 6 1 1 1 電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀， 它安裝在變電站用以監(jiān)測(cè)用戶受電端電能質(zhì)量，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的p q l 0 6 通過r s 4 8 5 和m o d e m 通訊網(wǎng)與電能質(zhì)量監(jiān)督管理中心主機(jī)構(gòu)成電能質(zhì)量監(jiān)督管理網(wǎng)絡(luò)， 以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、管理與控制的要求；能夠監(jiān)測(cè)電壓偏差、三相電壓 不平衡度、頻率波動(dòng)、電壓波動(dòng)與閃變值( 長(zhǎng)期閃變值( p i t ) 、短期閃變值( p s t ) ) 等 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；能夠分析電壓2 5 0 次諧波的含有率、偶次諧波電壓畸變率、奇次 諧波電壓畸變率、總畸變率，同次諧波電壓( 電流) 相角，諧波測(cè)量精度符合 g b t 1 4 5 4 3 9 3 規(guī)定b 級(jí)測(cè)量精度；能夠測(cè)量電流真有效值、基波有效值，其中基 波電壓測(cè)量誤差三0 5 f s ，基波電流測(cè)量誤差三1 0 f s ；基波視在功率、基 波有功功率、基波無功功率、真功率因數(shù)。國內(nèi)的同類產(chǎn)品還有河南思達(dá)公司 的s t 4 2 0 網(wǎng)絡(luò)電力儀表、安徽振興電子公司的p s 系列電能質(zhì)量分析儀等。 但國內(nèi)同類產(chǎn)品的水平較之f l u k e 和e i g 等國外先進(jìn)公司的產(chǎn)品還有一定差 距，國內(nèi)的高端電力計(jì)量監(jiān)測(cè)分析儀表市場(chǎng)主要仍是被國外發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品所 占領(lǐng)。 1 3 本文研究的內(nèi)容 小區(qū)的配電自動(dòng)化涉及到的問題很多，在小區(qū)里投資建設(shè)自動(dòng)化的配電系 統(tǒng)是否值得，還有待探討，其可行性在此不再進(jìn)行探討。本課題認(rèn)為建設(shè)小區(qū) 電力計(jì)量自動(dòng)化體系是非常有必要的，也是可以實(shí)現(xiàn)的。 目前遠(yuǎn)傳抄表技術(shù)正在推廣之中，有些單位使用它實(shí)現(xiàn)了集中居住宿舍的 計(jì)量自動(dòng)化管理措施，比如像高校的學(xué)生宿舍和小區(qū)家屬宿舍。但由于小區(qū)布 局的具體復(fù)雜性，對(duì)于非宿舍性質(zhì)的樓寓，多數(shù)單位采取的是局部樓寓用戶的 集中計(jì)量，并沒有實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)管理，仍然保留著數(shù)量較大的計(jì)量抄 計(jì)人員和很多的手工計(jì)算流程。因此存在完善整體計(jì)量體系的必要性。 本課題在遠(yuǎn)程抄表技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)辦公室、居民公寓樓實(shí)現(xiàn)集中式多用戶 遠(yuǎn)傳電表計(jì)量，并采用相應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和管理，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的計(jì) 量體系。課題的完成對(duì)新建設(shè)小區(qū)的電力計(jì)量體系建設(shè)具有很好的應(yīng)用意義， 對(duì)小區(qū)水電暖管理體制改革的進(jìn)一步深化也具有積極意義。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章電量計(jì)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本課題就小區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的不同電力負(fù)荷結(jié)構(gòu)，提出了不同的電力計(jì)量方 式，充分利用當(dāng)前已有的變電站綜合自動(dòng)化的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)( 簡(jiǎn)稱 s c a d a ) ，以及遠(yuǎn)程自動(dòng)化抄表等計(jì)量技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)硬件測(cè)控的基礎(chǔ)上，著重進(jìn) 行了軟件編寫和軟件管理方面的研究。并構(gòu)建完成了一個(gè)簡(jiǎn)單的小區(qū)電力計(jì)量 體系建設(shè)的供電需方管理實(shí)例模型。 在此，首先對(duì)小區(qū)的電力計(jì)量體系進(jìn)行總體上的設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行 概述，并提出設(shè)計(jì)方案。在整個(gè)體系中，關(guān)鍵問題是合理選擇電量計(jì)量系統(tǒng)的 硬件，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)各項(xiàng)系統(tǒng)軟件。 2 1 系統(tǒng)總體概述 本課題主要是針對(duì)小區(qū)園類的單位，規(guī)劃電力系統(tǒng)計(jì)量體系的管理。根據(jù) 小區(qū)電力一般性結(jié)構(gòu)，進(jìn)行實(shí)際體系的規(guī)劃和建設(shè)。分別形成高壓、低壓兩級(jí) 計(jì)量硬件和軟件體系，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸形成區(qū)域性的計(jì)算機(jī)后臺(tái)管理；還可以進(jìn) 行數(shù)據(jù)比對(duì)和分析，形成用于收費(fèi)和分析的各類報(bào)表，可以獲得全校電力結(jié)構(gòu) 的負(fù)荷分布情況，進(jìn)行定期的用電損耗分析，為開展節(jié)電工作提供可靠的數(shù)據(jù) 基礎(chǔ)。 目前電量計(jì)量技術(shù)的核心本質(zhì)就是數(shù)據(jù)的采集和傳輸。因此電量計(jì)量系統(tǒng) 就是一個(gè)整合了各種品牌的電度表的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。新型的智能電表數(shù)據(jù)采集 器，能夠抄讀多種國產(chǎn)和進(jìn)口電度表的數(shù)據(jù)，即：具備部標(biāo)、威勝、a b b 、d l m s 等多種抄表協(xié)議。電量計(jì)量系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2 1 所示。 從圖中可以看出，電量計(jì)量系統(tǒng)一般由電度表、數(shù)據(jù)采集器、集中器、數(shù) 據(jù)管理中心機(jī)組成。系統(tǒng)的通訊信道是指電表數(shù)據(jù)采集器與管理中心計(jì)算機(jī)之 間的遠(yuǎn)程通信線路，主要有：公用電話網(wǎng)、e t h e m e t 、無線g p r s 或g s m 通訊 網(wǎng)；計(jì)量通道是指數(shù)據(jù)采集器與電度表之間的通信線路，本系統(tǒng)采用的是： r s 4 8 5 總線。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 1 電量計(jì)量系統(tǒng)的框架圖 2 1 1 高壓供電計(jì)量方案 對(duì)于高壓部分，采用在配電自動(dòng)化中先進(jìn)的綜合自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變 電站配電自動(dòng)化管理，同時(shí)測(cè)取1 0 k v 以上各高壓供電線路的運(yùn)行參數(shù)，獲得計(jì) 量體系在高壓供電層面上需要的電力能耗數(shù)據(jù)。為便于理解高壓能耗數(shù)據(jù)的獲 得，以下簡(jiǎn)要介紹變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展情況。 6 0 年代后期，基于計(jì)算機(jī)的變電站監(jiān)控裝置逐步完善成為電網(wǎng)的s c a a d 監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。7 0 年代，先后出現(xiàn)綜合式數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)的幾個(gè)原型：s d s c 系統(tǒng)、s p s c 系統(tǒng)、s c a z o o 系統(tǒng)。進(jìn)入8 0 年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 綜合數(shù)字化變電站控制和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)入了實(shí)用階段，并且國外一些發(fā)達(dá)國家已 經(jīng)在各種電壓等級(jí)的變電站實(shí)現(xiàn)了無人值守，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 近幾年來電力需求空前高漲，為了滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行管理現(xiàn)代化的迫切要 求，變電站的綜合自動(dòng)化管理得以在電力系統(tǒng)中迅速推廣和應(yīng)用。高壓綜合自 動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)主要是通過組態(tài)網(wǎng)軟件來實(shí)現(xiàn)，可以通過r s 4 8 5 或l o n 網(wǎng)實(shí)現(xiàn) 通信，實(shí)現(xiàn)變電站的全微機(jī)監(jiān)控。綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)的各個(gè)測(cè)控單元可以獨(dú) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 立測(cè)試并顯示所監(jiān)控的設(shè)備、線路的全部運(yùn)行參數(shù)。本課題主要是利用此系統(tǒng)， 獲取高壓供電出線線路的運(yùn)行參數(shù)，即電壓、電流、有功功率、無功功率、功 率因數(shù)的具體數(shù)值等。因此，利用變電站綜合自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)完全可以很好地 獲得電力計(jì)量體系在高壓層面所需要的數(shù)據(jù)。以上只對(duì)高壓作此簡(jiǎn)單的介紹。 2 1 2 多用戶計(jì)量方案 小區(qū)內(nèi)的公寓和住房，屬于多用戶集中用電，因此電量計(jì)量采用多用戶遠(yuǎn) 程自動(dòng)抄表系統(tǒng)是最合適的。采用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)( a u t o m a t i c m e t e r r e a d i n g ， 簡(jiǎn)稱a m p , ) ，利用公共電話網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷控制通道或低壓配電線載波等通信聯(lián)系， 將電能表的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)缴衔坏挠?jì)算機(jī)管理中心進(jìn)行處理。 多用戶遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)等于就是一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，可以通過上位微機(jī)直接 發(fā)命令，自動(dòng)進(jìn)行各種遠(yuǎn)傳基表( 指樓寓中使用具有信號(hào)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能的計(jì)量 表) 的能耗、參數(shù)的抄取和設(shè)定，工作人員也可以通過專用的紅外抄表器( 的進(jìn) 行抄取和設(shè)定等工作，系統(tǒng)還具有在市電停電時(shí)，后備電源能連續(xù)工作4 8 小時(shí) 的特性。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，簡(jiǎn)稱m a r s ) 主要 由上位微機(jī)、管理軟件、數(shù)據(jù)集中器、數(shù)據(jù)采集器以及遠(yuǎn)傳電表等組成，是一 種不需要人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)就能完成抄讀用戶各種能耗信息的智能化多用戶遠(yuǎn)程集 中抄表裝置。 多用戶遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的軟件程序包括采集器和集中器的內(nèi)部軟件和上 位微機(jī)的管理軟件。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的管理軟件主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)低壓供電計(jì)量 系統(tǒng)各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，并對(duì)整個(gè)低壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理 和記錄。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)大大提高了抄表準(zhǔn)確性和及時(shí)性，杜絕了抄表不到 位、估抄、誤抄、漏抄電表等問題。 2 1 3 上位機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件 上位機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件的程序設(shè)計(jì)主要是為了對(duì)所獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使能 耗量的對(duì)比可以按地理區(qū)域或電氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行。上位微機(jī)管理程序是整個(gè)計(jì)量體 系管理的最上層。對(duì)從高壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)所得到數(shù)據(jù)，可 按照電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，形成各類綜合分析報(bào)表，描述 全區(qū)電力結(jié)構(gòu)的負(fù)荷分布情況和各電壓等級(jí)用電損耗情況，從而為形成節(jié)約型 武漢理工大學(xué)碩七學(xué)位論文 小區(qū)供電體系提供必要的計(jì)量數(shù)據(jù)。 2 2 多用戶的用電集中計(jì)量系統(tǒng)的組成 按照電力計(jì)量的基本原理，實(shí)現(xiàn)低壓數(shù)據(jù)的采樣，從而完成有效的電力計(jì) 量。對(duì)高壓計(jì)量，如概述中所講用變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；對(duì)低壓部分則設(shè)計(jì) 完成多用戶遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。 2 2 1 系統(tǒng)的基本硬件 多用戶遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由電能表、通訊機(jī)、管理中心計(jì)算機(jī)和系統(tǒng) 軟件等部分組成。管理中心計(jì)算機(jī)通過4 8 5 總線采集各集中式電能表的數(shù)據(jù)信 息并進(jìn)行計(jì)算、查詢、統(tǒng)計(jì)和打印，參數(shù)設(shè)定及斷送電控制功能。從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 集中用電戶的電費(fèi)計(jì)量、預(yù)售電管理及安全用電控制等功能。本系統(tǒng)主要采用 4 8 5 總線方式進(jìn)行通訊，其基本通訊距離1 2 0 0 米，不超過2 4 0 0 米。大于1 2 0 0 米時(shí)，需要加裝中繼器。如圖2 1 ，是多用戶低壓計(jì)量系統(tǒng)硬件連接示意圖。 2 2 2 遠(yuǎn)傳基表能耗計(jì)量方法 對(duì)能耗計(jì)量的本質(zhì)就是對(duì)用戶各種遠(yuǎn)傳能耗基表送出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的問 題。采集脈沖的方法有多種，一般有：利用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)和 軟件查詢計(jì)脈沖法等等。 采集器的核心模塊是5 1 系列的單片機(jī)。它具有如下特點(diǎn)： 程序代碼可以存放在芯片內(nèi)部。這就使每秒百萬次的取指令動(dòng)作限定在一 個(gè)芯片之內(nèi)，指令的傳送距離只有l(wèi) m m 左右。我認(rèn)為這一點(diǎn)可以提高電量采集 設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。5 1 系列單片機(jī)內(nèi)部的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是分離的。這就 杜絕了把程序代碼當(dāng)成運(yùn)算數(shù)據(jù)，或把數(shù)據(jù)當(dāng)成程序去執(zhí)行。當(dāng)我們把程序代 碼區(qū)的未用空間做適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)處理之后，也能大大提高程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。5 1 系列單片機(jī)的開發(fā)技術(shù)很流行，便于學(xué)習(xí)和掌握。 基于以上考慮，微控制器采用w i n b o n d 公司的w 7 8 e 5 8 單片機(jī)。它是c m o s 工藝技術(shù)制造的高性能8 位單片機(jī)，內(nèi)置8 位中央處理單元、2 5 6 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 存儲(chǔ)器r a m 、3 2 k 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器( e p r o m ) 3 2 個(gè)雙向輸a , 輸出( i o ) 口、3 個(gè)1 6 位定時(shí)計(jì)數(shù)器和8 個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電 路。 2 2 3 遠(yuǎn)傳抄表通信標(biāo)準(zhǔn) 由于通信距離要求不少于2 0 0 0 米，要根據(jù)系統(tǒng)的通信距離來選擇合適的通 信標(biāo)準(zhǔn)。在通信方式中，大多數(shù)采用串行通信方式。這里不妨先對(duì)常見的串行 總線標(biāo)準(zhǔn)作一比較。常用總線標(biāo)準(zhǔn)有r s 2 3 2 、r s 一4 2 2 和r s 0 4 8 5 等。我們知道， r s 2 3 2 與r s 4 2 2 有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即r s 2 3 2 接口與r s 一4 2 2 接口通常只用于點(diǎn) 對(duì)點(diǎn)通信的系統(tǒng)中，若系統(tǒng)中需要相互通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)超過兩個(gè)時(shí)，則它們都不 能直接滿足要求。為此，e i a 制定了新的接口標(biāo)準(zhǔn)r s 4 8 5 ，它支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 的通信，r s 4 8 5 的電氣標(biāo)準(zhǔn)與r s 一4 2 2 完全一樣，只是r s 4 8 5 工作于半雙工方 式。 r s 4 8 5 標(biāo)準(zhǔn)總線是一種平衡傳輸方式的串行口接口標(biāo)準(zhǔn)，它允許在電路中 有多個(gè)發(fā)送器，且允許一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是被動(dòng)發(fā) 送器、接收器或收發(fā)器的組合單元。r s 一4 8 5 的共線電路結(jié)構(gòu)是一對(duì)平衡傳輸?shù)?兩端都配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器、組合收發(fā)器可以掛在平衡傳輸線上 任何位置，在數(shù)據(jù)傳輸中實(shí)現(xiàn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器與接收器共用同一條傳輸線的多點(diǎn)應(yīng) 用。r s 4 8 5 通信接口的信號(hào)傳輸是用兩根線之間的電壓差來表示邏輯“l(fā) 或“0 “ 的，因?yàn)榘l(fā)送端需兩根傳送線，而接收端也只需要兩根傳送線，這樣，r s 4 8 5 接收與發(fā)送端僅需兩根線就能完成信號(hào)的傳輸。r s 一4 8 5 標(biāo)準(zhǔn)總線的特點(diǎn)是：抗干 擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳送距離遠(yuǎn)，在采用雙絞線，不用m o d e m 的情況下， 在1 0 0 k b p s 的傳輸速率時(shí)可傳送1 2 0 0 米，若速率為9 6 0 0 b p s 時(shí)，可以傳送1 5 0 0 米、甚至更遠(yuǎn)一些。 由于r s 4 8 5 具有上述優(yōu)點(diǎn)，能夠支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，便于組網(wǎng)，通信 距離也能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；且多用戶遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高， 能耗的抄取也是不常發(fā)生的，一般情況下一個(gè)月僅需抄表一次。所以本系統(tǒng)選 擇了半雙工的r s 4 8 5 通信標(biāo)準(zhǔn)。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 4 多用戶遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)方案 多用戶遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)既要充分考慮到r s 4 8 5 通信標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳輸距離和波特 率的限制，又要兼顧到系統(tǒng)的帶載能力。為了增加整個(gè)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的可靠性，在 各種基表與上位管理微機(jī)之間，本文采用了采集器、集中器兩級(jí)結(jié)構(gòu)形式，上 位微機(jī)與集中器之間可通過r 一$ 4 8 5 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集器通過屏蔽雙絞線 采集用戶各種遠(yuǎn)傳能耗基表的脈沖信息，并進(jìn)行換算和存儲(chǔ)：采集器對(duì)電量的采 集可以直接通過電能表上的r s 4 8 5 接口接收用戶的電量信息。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章多用戶遠(yuǎn)程電量計(jì)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 為了更好地理解多用戶遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，在論述具體硬件結(jié)構(gòu)之前，首先了 解電表的計(jì)量原理和電表類型，再分別說明該系統(tǒng)的采集器和集中器的硬件結(jié) 構(gòu)。 3 1 電能表類型及其工作原理 3 1 1 電量計(jì)量原理 電能在物理上可以看成是從電源流向負(fù)載的能量流，用戶在單位時(shí)間內(nèi)消 耗電能的快慢程度用功率來表述。功率可以分為在一段時(shí)間內(nèi)的平均功率和某 一時(shí)刻的瞬時(shí)功率。對(duì)于在一段時(shí)間內(nèi)大小和方向都不發(fā)生改變的直流電壓、 電流來講，平均功率值與其瞬時(shí)功率值是相等的。而對(duì)于交變的電壓，電流來 講，瞬時(shí)功率是時(shí)刻都在變化的，平均功率與瞬時(shí)功率是不相等的。要計(jì)算用 電設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)消耗的總的有功功率應(yīng)該在這段積分時(shí)間內(nèi)，對(duì)瞬時(shí)功率 進(jìn)行累加。 設(shè)電壓為u ( t ) ，電流為i ( t ) ，則瞬時(shí)功率為p ( t ) = u ( d 宰i ( t ) ，也是隨著時(shí)間變化 的函數(shù)，它在某個(gè)周期內(nèi)的平均值應(yīng)等于該函數(shù)對(duì)時(shí)間積分后，再除以時(shí)間間 隔，所以平均功率應(yīng)為： 辱均= e a t = i = p ( t ) d t a t = i = 1 “( f ) 奉i ( t ) d t a t ( 3 1 ) 對(duì)于電壓電流均為正弦信號(hào)的交流電，也有相對(duì)應(yīng)的公式，式( 3 1 ) 等價(jià)為 啤均= e a t = l = 1 “( f ) 幸i ( t ) c o s o d t a t ( 3 2 ) 其中u ，1 分別為交流信號(hào)有效值。必是電壓信號(hào)超前于電流信號(hào)的相位差 值，c o s0 必稱為功率因數(shù)，它表征了電網(wǎng)中實(shí)際消耗電能的平均功率( 有功功率) 與u ，i 的乘積( 視在功率) 的比值。在實(shí)際電網(wǎng)中，電壓電流信號(hào)基本上都不是 只包含5 0 h z 頻率分量的正弦信號(hào)，而是含有很多諸如1 0 0 h z ，1 5 0 h z ，2 0 0 h z 等諧波的信號(hào)。此外，電網(wǎng)負(fù)載尤其是開關(guān)電源還會(huì)引入各種各樣的噪聲，引 起電壓的諧波和波形畸變。事實(shí)上我們可以發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)功率信號(hào)p ( t ) = u ( t ) 球( t ) 本身 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 是一個(gè)含有直流分量和高頻分量的信號(hào)，而任何頻率不為0 的頻率分量從長(zhǎng)期 來看對(duì)于時(shí)間積分都沒有貢獻(xiàn)，因此電能計(jì)量數(shù)學(xué)上就相當(dāng)于計(jì)算瞬時(shí)功率p 的直流分量在時(shí)間上的積分。這正是a d e 7 7 5 5 進(jìn)行有功電能計(jì)量的基本原理。 不論采用哪種方式進(jìn)行電力計(jì)量，其計(jì)量原理是一樣的，對(duì)通過數(shù)據(jù)采集 獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，就可得到電表的能耗值： f 一 其有效值 強(qiáng)拮炒出 ( 3 _ 3 ) 離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的 斤1 r 一 電壓函數(shù)值是【，、f ?！比沂街校簍 m 為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔，“m 為第 m 1 個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值n 為1 個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。若相鄰兩采樣的 廠了1 廣 時(shí)間間隔相等, 目p a t m 為常數(shù)t 考慮到職t a t ) + i , 則有u 2 丙三善， 這是根據(jù)一個(gè)周期各采樣瞬時(shí)值及每個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)的有效值的 公式。 同理，電流有效值計(jì)算公式如下： 卜丟糞藝 計(jì)算有功功率的有效值公式：p = 亍1j c r 礎(chǔ) 離散化后為p 2 畝l _ 萎 w - - t p ，式中i m 、u m 為同一時(shí)刻采樣的電流、電壓值。 312 由能轟的婁犁和原理 ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 當(dāng)把電能表接入被測(cè)電路時(shí)，電流線圈和電壓線圈中就有交變電流流過， 這兩個(gè)交變電流分別在它們的鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通；交變磁通穿過鋁盤，在 鋁盤中感應(yīng)出渦流；渦流又在磁場(chǎng)中受到力的作用，從而使鋁盤得到轉(zhuǎn)矩( 主 動(dòng)力矩) 而轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載消耗的功率越大，通過電流線圈的電流越大，鋁盤中感 應(yīng)出的渦流也越大，使鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩就越大。即轉(zhuǎn)矩的大小跟負(fù)載消耗的功 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 率成正比。功率越大，轉(zhuǎn)矩也越大，鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)也就越快。鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，又受到 永久磁鐵產(chǎn)生的制動(dòng)力矩的作用，制動(dòng)力矩與主動(dòng)力矩方向相反；制動(dòng)力矩的 大小與鋁盤的轉(zhuǎn)速成正比，鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)得越快，制動(dòng)力矩也越大。當(dāng)主動(dòng)力矩與 制動(dòng)力矩達(dá)到暫時(shí)平衡時(shí)，鋁盤將勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載所消耗的電能與鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù) 成正比。鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)計(jì)數(shù)器，把所消耗的電能指示出來。這就是電能表 工作的簡(jiǎn)單過程。 使用電能表時(shí)要注意，在低電壓( 不超過5 0 0 伏) 和小電流( 幾十安) 的情 況下，電能表可直接接入電路進(jìn)行測(cè)量。在高電壓或大電流的情況下，電能表 不能直接接入線路，需配合電壓互感器或電流互感器使用。對(duì)于直接接入線路 的電能表，要根據(jù)負(fù)載電壓和電流選擇合適規(guī)格的，使電能表的額定電壓和額 定電流，等于或稍大于負(fù)載的電壓或電流。另外，負(fù)載的用電量要在電能表額 定值的1 0 以上，否則計(jì)量不準(zhǔn)。甚至有時(shí)根本帶不動(dòng)鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)。所以電能表 不能選得太大。若選得太小也容易燒壞電能表。 為滿足不同的電能測(cè)量需要，有多種類型的電能表，其類別可按不同情況劃 分如下： ( 1 ) 第一種類型是c l 卡電表，多采用單片機(jī)為主機(jī)進(jìn)行控制，在原普通電表 加裝一對(duì)紅外發(fā)射接受管，對(duì)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，主機(jī)完成對(duì)用戶用電量的記 錄、累加、顯示和控制功能，配上一塊c i 卡，完成從供電管理部f - j n 用戶之間 的幣度轉(zhuǎn)換和電度數(shù)量的信息傳遞。 ( 2 ) 第二種類型是光感應(yīng)遠(yuǎn)傳耗能表，一般是在保證計(jì)量可靠性及準(zhǔn)確性的 前提下，在普通耗能表的基礎(chǔ)上，通過加裝各種光感應(yīng)探頭組建來實(shí)現(xiàn)的。機(jī) 械耗能表轉(zhuǎn)盤每旋轉(zhuǎn)一圈，該感應(yīng)探頭便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。將該信號(hào)脈沖記 錄并累計(jì)下來，將圈數(shù)通過一定的換算，就可以轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的能耗數(shù)據(jù)。 ( 3 ) 第三種類型是單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)傳耗能表，通過單片機(jī)以軟件脈沖方式實(shí) 現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣，來完成電度的高精度計(jì)量，并通過單片機(jī)串口和網(wǎng)絡(luò) 連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表和監(jiān)控功能。 在本章中，對(duì)電表采集脈沖這個(gè)功能是通過電子式電能表來完成的，系統(tǒng)直 接通過電表r s 4 8 5 通信口讀取用戶的電能耗數(shù)據(jù)。電子式電能表主要包括電量 采集、計(jì)量存貯、顯示、校驗(yàn)控制、通信接口以及該電表的電源等。電量采集 原理是經(jīng)電流、電壓取樣后通過模擬或數(shù)字乘法器后，再轉(zhuǎn)換成與電能成線性 的低頻脈沖輸出。電子式電能表選擇8 9 c 5 2 作為其c p u ，對(duì)1 6 戶的電量脈沖信 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 息均通過p 0 口送入c p u ，顯然，一次全部采樣要分2 次。在這里，它通過7 4 h c l 3 8 譯碼器對(duì)2 個(gè)7 4 h c 2 4 4 輸入緩沖器產(chǎn)生不同的地址來實(shí)現(xiàn)，對(duì)用戶電量的存貯 選用了有數(shù)據(jù)保護(hù)功能的串行e 2 p r o m ，用a d e 7 7 5 5 來作為電子式電能表的 電量計(jì)量芯片，在整個(gè)電路中發(fā)揮重要的作用。重要完成對(duì)電能量的計(jì)量，將 模擬電能信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以讀取并且操作的數(shù)字電能信號(hào)。如圖3 1 所示 a v o d a g n d c d c d v l ) d i ) 6 1 岫 圖3 1a d e 7 7 5 5 的功能框圖 3 2 采集器的硬件結(jié)構(gòu) 采集器在自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要擔(dān)負(fù)著用戶基表能耗脈沖的采集、把采集來的 各種能耗脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的能耗值，對(duì)轉(zhuǎn)換后的能耗進(jìn)行存儲(chǔ)，根據(jù)需要與上 一級(jí)站點(diǎn)的集中器進(jìn)行通信，通過r s 4 8 5 通信口與電子式電表通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交 換。根據(jù)這些功能，這里需要進(jìn)行采集器的c p u 選擇，脈沖數(shù)據(jù)的采集電路設(shè) 計(jì)，能耗信息的存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)，通信電路的設(shè)計(jì)，顯示電路的設(shè)計(jì)，采集器5 v 的主電源電路設(shè)計(jì)，看門狗電路設(shè)計(jì)以及采集器地址的確定等任務(wù)。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 1 采集器的c p u 采用單片機(jī)對(duì)能耗脈沖進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理，并且完成通信等功能。本系 統(tǒng)使用c m o s 8 為微控制器一a t 8 9 s 5 2 。 該c p u 具有的典型特性有：與m c s 5 1 系列的產(chǎn)品兼容、8 k 字節(jié)可編程閃 速程序存儲(chǔ)器壽命：1 0 0 0 次寫擦循環(huán)，全靜止工作：0 - - - 3 3 m h z ，工作電壓4 0 5 5 v ，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，2 5 6 * 8 位內(nèi)部r m a ，3 2 條可編程工i o 口，三個(gè) 1 6 位定時(shí)器計(jì)數(shù)器，8 個(gè)中斷源，全雙工可編程串行u a t r 通道，低功耗的閑 置和掉電模式并可以從掉電模式中斷恢復(fù)。 a t 8 9 s 5 2 除了具有上述的標(biāo)準(zhǔn)特征之外，它將多功能8 位和閃速存儲(chǔ)器組 合在單個(gè)芯片、且內(nèi)部r a m 容量大，它還設(shè)有靜態(tài)邏輯、可以在低到零頻率的 條件下工作，支持閑置和掉電兩種節(jié)點(diǎn)方式，這些優(yōu)良的性能為大多數(shù)嵌入式 控制系統(tǒng)提供了一種靈活性很高的且價(jià)格低廉的技術(shù)方案，所以本系統(tǒng)選擇 a t 8 9 s 5 2 作為數(shù)據(jù)采集器的c p u 。 3 2 2 脈沖數(shù)據(jù)的采集電路 本系統(tǒng)的應(yīng)用中只有單向取脈沖信息，在本系統(tǒng)中用7 4 h c 2 4 4 作為數(shù)據(jù)輸 入緩沖期。7 4 h c 2 4 4 的8 個(gè)三態(tài)線驅(qū)動(dòng)器分成兩組，分別由1 g # 和2 g # 控制驅(qū)動(dòng) 器有效或高阻態(tài)，把它們組合在一起使用，把1 g # 和2 g # 聯(lián)在一起合為g 。當(dāng)g 為“低“ 時(shí)數(shù)據(jù)可輸入，當(dāng)g 為“高“ 時(shí)，為高阻狀態(tài)、數(shù)據(jù)不能進(jìn)入。這樣 就可以通過控制g 端來分時(shí)地提取不同的8 路脈沖信息了。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 2 產(chǎn)生7 4 h c 2 4 4 片選信號(hào)的原理圖 系統(tǒng)需要對(duì)7 4 h c 2 4 4 進(jìn)行地址編碼，采用2 個(gè)7 4 h c l 3 8 來構(gòu)造1 個(gè)4 1 6 譯碼 器。 具體電路如上圖3 - 2 所示。圖中7 4 h c l 3 8 ( 1 ) 的y 0 y 7 了和7 4 h c l 3 8 ( 2 ) 的個(gè) 7 h 4 c 2 4 4 的片選g 端。7 4 h c l 3 8 ( 2 ) 的y 6 為產(chǎn)生本采集器的身份地址的7 4 h c 2 4 4 所用。 3 2 3 采集器存儲(chǔ)電路 為了保證斷電后用戶各種基表能耗數(shù)據(jù)不丟失，本文采用了串行e 2 p r o m 來存儲(chǔ)用存儲(chǔ)用戶能耗數(shù)據(jù)和各種基表參數(shù)和戶號(hào)信息等，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十 分簡(jiǎn)單，并減少了該部分的故障率；同時(shí)，由于在采集器正常運(yùn)行過程中，需 要經(jīng)常改寫用戶各種基表能耗數(shù)據(jù)，因此要采用擦寫次數(shù)較高、儲(chǔ)存容量大的 e 2 p r o m 。在這里對(duì)采集器的存儲(chǔ)器本系統(tǒng)使用的是m i c o r c h i p 公司的2 4 l c l 6 b ( 容量為k 2 字節(jié)可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器) 。 v s s ：地 d s a ：串行地址數(shù)據(jù)輸入輸出端 s c l ：串行時(shí)鐘端 、p ：寫保護(hù)輸入端 v c c ：+ 2 5 + 5 s v 電源供電 a 0 、a 1 、a 2 ：與內(nèi)部無聯(lián)系，外部地址 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a 2a 1a 0 圖3 32 4 h l l 6 b 管腳分布圖 f r 存儲(chǔ)器2 4 l c l 6 b 的管腳分布如右圖3 2 所示。在采集器這個(gè)子系統(tǒng)中，只 需用一個(gè)k 2 字節(jié)的存儲(chǔ)器2 4 l c l 6 b 所以將a 0 、a i 、a 2 直接接地即可。當(dāng)寫 保護(hù)端w p 接于高電壓時(shí)，2 4 l c l 6 b 能用作串行的存儲(chǔ)器，編程將被禁止，整 個(gè)存儲(chǔ)器被寫保護(hù)；寫保護(hù)端不使能時(shí)，要接地。當(dāng)將2 4 l c l 6 b 用作串行的存儲(chǔ) 器時(shí)，只要將s a d 和c s k 分別與采集器c p u 對(duì)應(yīng)的i o 口( 即p i 2 和p i 3 ) 相連 即可。 2 4 l c l 6 b 與c p u 之間的數(shù)據(jù)傳輸符合1 2 c 總線規(guī)程，遵守雙向兩線制總線和數(shù) 據(jù)傳輸協(xié)議，c p u 產(chǎn)生控制總線收發(fā)的串行時(shí)鐘s c k ，并且產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送的起 始和終止條件。在數(shù)據(jù)傳送過程中，當(dāng)s c k 為高時(shí)，數(shù)據(jù)必須是穩(wěn)定的；當(dāng)s c k 為高時(shí)，數(shù)據(jù)線上的跳變被認(rèn)為是起始或終止條件。 根據(jù)采集器的存儲(chǔ)容量來選擇不同擦寫次數(shù)的e 2 p r o m 芯片，如果用戶的 能耗用量較大或?qū)碓O(shè)計(jì)制造容量更大的采集器，不能完全依靠e 2 p r o m 的擦 寫壽命，在軟件上使用分塊輪流擦寫( 雙地址法、多地址法、浮動(dòng)地址法等) 的 設(shè)計(jì)可以解決這個(gè)問題，并使得系統(tǒng)得到較好的性能價(jià)格比。 3 2 4 采集器通信的電路 采集器要分時(shí)與集中器和電子式多用戶電能表進(jìn)行通信，因此需對(duì)采集器 進(jìn)行通信電路的設(shè)計(jì)。通信中的信號(hào)要用光電藕合器來進(jìn)行隔離，光耦的主要 作用對(duì)通信線路電壓的突變起保護(hù)作用和防止外界干擾串入本采集器。系統(tǒng)選 用符合r s 4 8 5 通信標(biāo)準(zhǔn)的芯片s n 7 5 l b c18 4 來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，在本系統(tǒng)選用了 t l p 5 2 1 作為光電耦合器。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s n 7 l 5 b c l 8 4 管腳分布如圖3 4 所示。s n 7 5 l b c l 8 4 收發(fā)器可直接與傳輸線 相連接而不需要額外的增加保護(hù)元件，還具有適合于在電噪聲環(huán)境中應(yīng)用合用 數(shù)據(jù)總線的許多特點(diǎn)。差分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成限斜率的，即有意降低發(fā)送信號(hào)上升 沿和下降沿的斜率。實(shí)驗(yàn)證明，這種設(shè)計(jì)的通信數(shù)據(jù)速率仍可達(dá)到2 5 0 k p b s ， 并使電磁干擾減到最小，同時(shí)能減少傳輸線終端不匹配引起的反射，因此可降 低傳輸線匹配的要求。接收器的獨(dú)特設(shè)計(jì)是當(dāng)輸入端開路時(shí)，其輸出為高電平， 這一特性可以保證接收器輸入端電纜即使有開路故障時(shí)，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正 常工作；接收器的另一個(gè)特點(diǎn)是輸入阻抗為r s 一4 8 5 標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2 倍( 2 4 k ) ，故在總線上6 4 個(gè)接收器。s n 7 5 l b c l 8 4 的工作溫度為。0 到7 0 。 它具有以下的特點(diǎn)： ( 1 ) 具有瞬變電壓抑制功能，能防雷電和抗靜電放電沖擊 ( 2 ) 限斜率驅(qū)動(dòng)器使電磁干擾減到最小，并能減少傳輸線終端不匹配引起的反 射 ( 3 ) 總線上可掛6 4 個(gè)收發(fā)器 ( 4 ) 接收器輸入端開路故障保護(hù) ( 5 ) 具有熱關(guān)斷保護(hù)，低禁止電源電流：3 0 0 u a ( 最大) ( 6 ) 滿足或超過e i ar s 4 8 5 和i s o e i c 8 4 5 2 ：19 9 3 ( e ) 標(biāo)準(zhǔn) r 0 為“接收器輸出端”。如果a 比b 高2 0 0 m v 時(shí)，“r 0 將為高電平：a 比b 低2 0 0 m v 時(shí)，“r 0 將為低電平口d l 為“發(fā)送器輸入端“ 。在“d l 一上 的低電平迫使輸出“a “ 為低電平，輸出“b “ 為高電平。同樣在“d j “ 上的高 電平，迫使輸出“a “ 為高電平，輸出“b ”為低電平。r e 為“接收器輸出使能， d e 為“發(fā)送器輸出使能端“ 。當(dāng)置“d e “ 為高電平時(shí)，發(fā)送器輸出“a ”和“b 使能：當(dāng)置“d e “ 為低電平時(shí)，它們?yōu)楦咦钁B(tài)。如果發(fā)送器輸出使能，器件功 能為發(fā)送器；而當(dāng)它們?yōu)楦咦钁B(tài)時(shí)，如果“r e “ 為低電平，則器件功能為接收 器。a 端：為不變化的接收器輸入和不變化的發(fā)送器輸出。b 端：為隨之翻轉(zhuǎn)的 接收器輸入和發(fā)送器輸出。s n 7 5 l b c l 8 4 收發(fā)器的發(fā)送功能和接收功能如表3 1 和表3 2 串行通信口用于采集器和集中器進(jìn)行通信。由于通信標(biāo)準(zhǔn)是半雙工的，通 信轉(zhuǎn)換芯片s n 7 5 l b c l8 4 有2 個(gè)使能端，但可將2 個(gè)使能端并聯(lián)使用，這里利 用采集器c p u 的1 個(gè)i o 口產(chǎn)生控制s n 7 5 l b c l 8 4 的2 個(gè)使能端信號(hào)，從而實(shí) 現(xiàn)來集器與集中器進(jìn)行通信。具體的通信電路原理圖如圖3 5 ，其中二極管對(duì)通 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 信線路電平進(jìn)行限幅鉗位。 表3 - 1s n 7 5 l b c l 8 4 發(fā)送功能表 表3 - 2s n 7 5 l b c l 8 4 接收功能表 備注：h 表示高電平；l 表示低電平；z 表示高阻狀態(tài)；x 表示任意電平； ? 表示狀態(tài)不穩(wěn)定：v i d 表示a 和b 兩線之間的電壓差a b 。 主三 j 圖3 5 采集器通信電路圖 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 3集中器硬件設(shè)計(jì) 集中器的主要作用是通信，是上位機(jī)和采集器進(jìn)行信息交換的橋梁和紐帶。 主要工作是進(jìn)行通信電路的設(shè)計(jì)。集中器與采集器和上位機(jī)的通信方式都是采 用r s 4 8 5 通信，采用s n 7 5 l b c l8 4 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其電路設(shè)計(jì)與采集器通信電 路類似。但是，集中器要考慮施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的需要，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試一般用到安裝 了專用測(cè)試軟件的便攜機(jī)，便攜機(jī)接口協(xié)議大多為r s 2 3 2 ，因此集中器電路設(shè) 計(jì)中需預(yù)留一個(gè)r s 2 3 2 接口，采用m a x 2 3 2 芯片。 根據(jù)系統(tǒng)需求，主單片機(jī)采用m i e r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 4 芯片，與采集器 主單片機(jī)相同，同時(shí)，集中器所要實(shí)現(xiàn)的主要是通訊功能，與上位管理計(jì)算機(jī) 和下掛的采集器進(jìn)行通訊，采用r s 一4 8 5 通訊協(xié)議，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)r s 2 3 2 接口。 集中器電路設(shè)計(jì)見圖3 6 和3 7 。 芎 圖3 - 6 集中器電路設(shè)計(jì)的m a x 2 3 2 由于4 8 5 總線通信距離較長(zhǎng)，阻抗的不匹配，也會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)產(chǎn)生反射 而失真，所以必須對(duì)傳輸線進(jìn)行電阻的匹配，避免產(chǎn)生反射信號(hào)。r s 4 8 5 總線 通常采用的是特征阻抗為1 2 0q 的雙絞線，所以本設(shè)計(jì)在總線兩終端分別串聯(lián) 1 2 0q 電阻。 武漢理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 v t c cr ? 船 l m 1 6 4 1 7 r a l1 8 r a 2l r a 32 3 1 3 艘 c 1 7 1 0 4 0 s c l ( l 聞時(shí) m ar 、巾p r a 0 a r a l ，舢、n r 2 惱n z r 心| 心氈n 謦騷 r a 4 徽 r b 7 a s c 2 吼約o ir r r b 伽n t r b l r b 2 r b 3 r b 4 r b 5 r b 6 圖3 7 集中器電路設(shè)計(jì)的p i c 八b 與總線之間各串接一只3 0 0q 的p t c 電阻同時(shí)與地之間各跨接7 v 和 1 2 v 的t v s 極管以防止浪涌干擾。為防止雷擊短路使某一節(jié)點(diǎn)的r s 一4 8 5 芯片壞 死而導(dǎo)致其它節(jié)點(diǎn)受到影響，在4 8 5 輸出兩端分別串連一個(gè)2 0 q 電阻。 r s 4 8 5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器門限為2 0 0 m v ，這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲 抑制能力，但同時(shí)也帶來了一個(gè)問題，當(dāng)總線電壓在2 0 0 m y 中間時(shí)，接收器 輸出狀態(tài)不確定。由于u a r t 以一個(gè)前導(dǎo)o 觸發(fā)一次接收動(dòng)作，所以接收器的 不定態(tài)可能會(huì)使u a r t 錯(cuò)誤地接收一些數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作，措施避免當(dāng)總線 空閑開路或短路時(shí)都有可能出現(xiàn)兩線電壓差低于2 0 0 m v 的情況，必須采取一定 接收器處于不定態(tài)。可以采用給總線加偏置電阻的方式。當(dāng)總線空閑或開路時(shí) 利用偏置電阻將總線偏置在一個(gè)確定的狀態(tài)差分電壓2 0 0 m v 。為控制偏置電壓 大于2 0 0 m v ，本設(shè)計(jì)中在r s 一4 8 5 兩線上分別接了6 0 0q 的上拉電阻和下拉電阻。 b一一一一一8一一一一一一一 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第4 章電量計(jì)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在微機(jī)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件同樣重要。系統(tǒng)的硬件電 路一旦確定以后，系統(tǒng)的主要功能還需要通過軟件來實(shí)現(xiàn)。如果說硬件是軀體， 那么軟件則是靈魂；如果說硬件決定了產(chǎn)品的造價(jià)，那么在硬件設(shè)計(jì)合理的前 提下，軟件在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。 因此，智能儀表的設(shè)計(jì)很大程度上可以說是軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用的方便 性與靈活性主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)上。對(duì)高可靠性要求的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)就更是如此。由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三層組成，所以其軟件的設(shè)計(jì)主要包括 采集器的軟件設(shè)計(jì)、集中器的軟件設(shè)計(jì)、上位微機(jī)p c 的系統(tǒng)管理程序設(shè)計(jì)以及 系統(tǒng)通信等四大部分。系統(tǒng)管理程序在第五章有詳細(xì)設(shè)計(jì)，本章主要進(jìn)行采集 器和集中器的軟件設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)通訊的研究。 4 1 軟件設(shè)計(jì)的基本原則 為了滿足遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)以下基本原則進(jìn)行軟件的編制： ( 1 ) 易理解性和易維護(hù)性。這通常是指軟件系統(tǒng)容易被發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容 易修改和補(bǔ)充。由于生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度越來越高，測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù) 雜，設(shè)計(jì)人員很難在短時(shí)間內(nèi)就能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)理解得準(zhǔn)確無誤，軟件的設(shè)計(jì)與 調(diào)試也不可能一揮而就，有些問題是在運(yùn)行過程中逐步暴露出來的，這就要求 編制的軟件既要容易理解，在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)又要便于修改和完善。在軟件的設(shè)計(jì) 方法中，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)方法之一，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到 局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)；先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)， 然后把這個(gè)目標(biāo)逐步分解成一個(gè)個(gè)任務(wù)，任務(wù)又可以進(jìn)一步分解成若干個(gè)子任 務(wù)，這樣逐層細(xì)分、逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。在此過程中可能會(huì)有一些問題逐步暴露，這就 要求軟件易被修改，那么，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)方法。 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)就是采用上述模塊化設(shè)計(jì)方法。這樣，不但使得 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)計(jì)目標(biāo)明確、思路清晰，而且在檢錯(cuò)和系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)也較為方便。如果每 個(gè)子程序都能單獨(dú)運(yùn)行正確，那么像搭積木一樣，把它們聯(lián)合起來的時(shí)候，只 要安排恰當(dāng)，一般來說不會(huì)有太大的問題。即使有問題也可以根據(jù)問題的種類 和現(xiàn)象來進(jìn)一步判斷是那一部分出了問題，很容易找出故障之所在和故障的原 因【l5 1 。同時(shí)，采用模塊化結(jié)構(gòu)程序的設(shè)計(jì)方法，也為系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和移植提 供了很大的方便。 ( 2 ) 可測(cè)試性。系統(tǒng)軟件的可測(cè)試性有兩方面含義：其一是較容易制定出測(cè) 試準(zhǔn)則，并據(jù)此對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試；其二是軟件設(shè)計(jì)工作完成后，首先在模擬環(huán) 境下運(yùn)行，經(jīng)過