基于CAN总线的电能损失监测仪的设计说明书.docx
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基于CAN总线的电能损失监测仪的设计说明书
毕业设计
题目基于CAN总线的电能损失监测仪的设计
学生姓名
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答辩日期
摘要
社会的发展对于电能质量的要求越来越高，电能质量参数的实时、准确监控分析也日趋重要。
借助CAN数据通信突出的可靠性，实时性和灵活性的技术特点，设计一套基于CAN总线的电能质量监测通信系统，它可以监测到用户供电线路上的异常状态，发现非法用电行为，避免事故的发生和经济损失。
可以实现对供电线路的工作状态和用户电能表计量的实时监测，监测信息显示，发出报警，并且可以根据监控中心需要，上传监测到的信息。
关键词：
电能质量；报警；CAN总线
Abstract
Thedevelopmentofthesocietyisincreasinglyhighdemandforpowerquality，Powerqualityparametersinrealtime，accuratemonitoringandanalysisarebecomingincreasinglyimportant.WithoutstandingreliabilityoftheCANdatacommunication,thetechnicalcharacteristicsofreal-timeandflexibility,ThedesignofapowerqualitydetectioncommunicationsystemsbasedonCANbus,itcanmonitortheabnormalstatetotheuseronthepowerlines,illegalelectricityconsumptionbehavior,avoidingaccidentsandeconomicloss.Theworkingstatusofthesupplylineandreal-timemonitoringofuserMETERmonitoringinformationdisplay,alarm,anduploadmonitoringinformationtothemonitoringcenterneeds.
Keywords：
thequalityofelectricenergy；alarm；CANBus
第一章概述
1.1设计背景
电的发现和应用极大的节省了人类的体力劳动和脑力劳动，使人类的力量长上了翅膀，使人类的信息触角不断延伸。
电对人类生活的影响有两方面：
一是能量的获取转化和传输，二是电子信息技术的基础。
当今世界人类生活已经离不开电能，随着我国经济的发展，电网已经遍布城乡，电能已经成为人们生产生活中必不可少的重要能源。
电能量是供用电双方电贸易结算的依据，其计量的准确性直接影响到双方的贸易关系。
在电能计量过程中，使电能表不能正确反映用电量而出现错误电量的情况，称为非正常计量。
非正常计量问题不仅困扰电力企业的发展，也给国家造成了巨大的经济损失，年损失电量大于几十亿千瓦时。
在我国一些地区或单位，偷漏电量竞超过了总用电量的30％，其经济损失非常严重，据有关部门统计，我国每年因窃电而造成的电费损失超过50亿。
另外，一些用户为了偷电，私自改接线路，这些情况不能被及时地发现，给供电线路以及用户自身埋下了可怕的安全隐患。
而引起上述问题的根本原因在于线路和设备运行时实时数据缺乏，虽然目前一些系统有部分实时数据，如负荷管理的各种遥测量，但大多数管理系统中使用的还是非实时性数据，大多数情况下，都无法采取有效措施，及时避免设备和线路运行问题发生，阻止非法用电现象，为用户提供服务，从而直接或间接地影响了电力系统经济效益和社会效益的实现。
因此，现在急需能够对电能的使用状况和供电线路的工作状态进行有效实时监控的工具，以避免由于非法用电产生不必要的经济损失，发生安全事故。
1.2电能量监测系统发展方向
传统电能计量方式误差造成电力部门重大损失，难以满足电力市场计量的要求，今后发展方向应是智能化多功能电能表的分布式直接数字传送模式，数据传输逐步实现网络化。
综上所述，电能监测系统正步入成熟发展阶段，向高端延伸。
形成集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计量技术为一体的综合性实时信息采集与分析处理系统。
以公共的通信网络和多种通讯方式实现系统计算机主站和现场计量终端之间的数据通讯。
为电力市场提供更加快速、高效的服务，使电能得到合理的利用。
1.3设计的目的及意义
为了采集到线路和设备运行时的实时数据，以便于及时避免设备和线路运行问题发生，阻止非法用电现象，为用户提供服务。
本设计充分析了电能计量，传感器技术，单片机应用技术等技术问题，参考了大量的解决方案，进行总体方案的论证、功能单元电路的分析、设计、整定计算，元器件选型，提出了一整套完整的设计方案。
针对常见的一些偷电手段，设置了相应的监测和报警装置，一旦发现了异常状况，系统就会立即发出警报，工作人员从而可以迅速直观地看到故障信息，及时排除故障，制止偷电行为，实现了对供电线路的工作状态和用户电能表计量的实时监测。
1.4设计内容
采用微电子技术和单片机技术，通过接口电路将PT输出的电压计量信号和CT输出的电流计量信号进行采集处理，微处理器（MCU）对采集来的三相电压、电流计量信号进行各种运算处理，计算出相应三相交流电的有功功率、无功功率、功率因数以及各相的累加电量，这些数据存储在微处理器的存储单元中，可随时通过CAN总线数据包的形式将这些数据传送到远端的电量管理计算机，完成前端数据采集模块的功能。
同时微处理器还可以通过RS-232串行通信接口对计量电表的数据采集，两者进行比较，来确定是否有窃电行为发生，以及供电线路是否处于正常工作状态，有何故障等。
1、分析设计题目要求，根据系统功能要求，完成总体的设计方案；
2、熟悉电能计量原理，传感器技术，单片机应用技术等技术问题，掌握检测、控制、通讯等技术要求；
3、完成各个功能单元电路设计的系统进行硬件和软件设计（其中包括设计原理分析、方案比较、部分参数计算等）
4、设计并绘制系统的电器原理图及软件流程图；
1.5电能计量设备异常及分析
造成计量装置异常的原因主要包括:
计量装置故障、系统干扰（主要是谐波）、窃电。
其中，窃电是造成电能计量设备异常的最重要和最经常的原因。
（一）计量装置故障分析
如果计量装置的生产质量较差和配置不合理，或者长期在恶劣工况下运行，就可能造成计量装置的故障，它包括电能表故障、互感器故障和计量回路故障等。
计量装置故障最严重的后果就是造成装置本身完全无法工作，但是这种情况是比较少见的。
通常情况下计量装置的故障是逐渐形成的，因此它所造成的常见后果就是计量装置综合误差的增大，电能计量设备综合误差包括电能表误差、互感器误差、PT二次回路压降引起的误差等。
计量装置综合误差的大小取决于它的设计和制造水平，以及运行环境和运行时间等。
正常情况下，计量装置综合误差的值是一定的,它对于计量准确度的影响也是较小的。
但如果有计量装置故障发生的话，其综合误差就可能变得很大，从而严重影响计量的准确性。
（二）系统干扰分析
系统的干扰也可能造成计量装置的误差增大，进而对电能的正确计量产生不利影响。
这里所说的系统干扰主要是指电力系统谐波的干扰。
电力系统内的谐波主要来自于网内大量的电力电子设备和非线性负荷，它的存在给电力系统造成了污染，同时能够引起电能计量设备（主要是感应式电能表）的计量误差。
感应式电能表的设计是按基波情况考虑的，只能保证在工频附近很窄的频带范围内的工作性能，而当它在谐波状态下工作时，就会在谐波影响下产生较大误差。
理论表明，感应式电能表的频率响应是下降性的，即负荷频率增高时，计量误差为负.
（三）窃电分析
所谓窃电，是指不法分子通过各种手段人为地造成电能计量设备的异常，导致计量装置对其用电量少计或不计，从而获取经济利益的行为。
随着我国经济的快速发展和近几年来电费的提高，窃电犯罪不断增多，已经成为造成电能计量设备异常的最主要原因。
窃电具有多种方式和手段,从原理上分析,主要包括欠压法窃电、欠流法窃电、移相法窃电、扩差法窃电、机械法窃电、无表法窃电等。
窃电的手法很多，最常见的是从电能计量的基本原理。
电能计量主要决定于电压、电流、功率因数三要素。
因此，改变其中的任何一个或者改变电表本身的结构性能都可以使电表慢转、停转、甚至反转。
单片机作为一个实时比较系统，在故障分析上占有很大比重。
（1）失压
1）前端无电压，后端无，不进行处理；
2）前端有电压，后端无，故障报警“失压”。
以A相为例：
前端电压Ua=0,后端电压Ua=0,不进行处理（也应报警，线路故障也记录）
前端电压Ua≠0,后端电压Ua≤60V,故障报警“A相失压”
（2）欠压
以A相为例：
前端电压Ua≤60V,（也应报警，线路故障也记录）
60V<前端电压Ua≤85V,故障报警“A相欠压”
（3）电流异常
如果前端电流与后端电流之差大于前端电流的（1%），作为故障，故障报警为“电流异常”。
以A相为例：
（前端电流Ia－后端电流Ia）/前端电流Ia小于1%前端电流Ia,作为故障，故障报警“A相电流异常”
（4）错接线
以A相为例：
如果60°（前端A相无功/前端A相有功）<330°
则作为故障，故障报警“A相错接线”。
（5）表计异常
如果前端的总有功电度与用户电表的电度之差，大于前端总有功电度的10%，作为故障，故障报警“电表异常”。
例如：
（前端的总有功电度－用户电表的电度）/前端的总有功电度≥10%，
作为故障，故障报警“电表异常”。
在本系统中，关于计量回路异常情况判断的参数，均为系统默认值，可根据用户的实际情况，进行灵活设定，设定值直接输入，精确到1%。
第二章方案论证
2.1设计任务要求的分析
本设计的题目是“基于CAN总线的电能量损失监测仪的设计”。
从任务书的设计背景、设计依据等内容可以看出，本设计的主要目的是要对电贸易结算中的非正常计量问题提出切实可行的解决方案。
主要涉及到的设计内容是电能量计量。
要想对计量的损失做出监测、计算和评估，首先监测仪本身要能正确测量，将这个“监测值”与计量电能表的“计量值”作比较，这样才能达到监测的目的。
因此，本设计的主体应该为一个具备比较、判断、统计、报警及传递数据等功能的电能计量装置。
根据毕业设计任务书的要求，本设计要求实现以下主要功能：
1、线路电压、电流的幅值、相位的自动采集、转换、存储；
2、读取电度表的实时计量值；
3、比较计量结果，分析判断出失压、欠压、计量电流短路、开路或分流、错接线等故障；
4、可当地显示线路电压值、线路电流值、计量故障信息；
5、根据监控中心需要，定时上传线路电压值、线路电流值、计量故障信息；
6、具有故障信息报警与越限报警功能；
7、按照CAN总线协议，生成标准通信数据包。
并且要达到如下的技术指标：
1、额定工作电压：
AC220V±10%（50Hz）；
2、额定功耗：
≤1W；
3、工作环境条件：
温度-20℃～+55℃；湿度：
＜95%；
4、精度：
1%。
2.1.1功能要求分析
对各项功能要求作如下简单分析：
1、线路电压、电流的幅值、相位的自动采集、转换、存储；
要能采集0.38KV线路上的电压、电流幅值和相位的信息，首先要将电网上的大电压，大电流转换成幅值较小的电压，电流信号，这样既可以方便测量，又可以降低对测量设备在绝缘，保护等方面的要求，并且可以给以后的安装、维护等工作都带来很大的方便。
要对这些采集、转换好的信息进行存储，则一般由电能表来完成，高新技术直接由计算机来取代电能表。
2、读取电度表的实时计量值；
要读取电能表的实际计量值，就必然要求电能表的计量值也是可以存储，并且可以被读出。
3、比较计量结果，分析判断出失压、欠压、计量电流短路、开路或分流、错接线等故障；
能够将监测仪的“监测值”与电能表的“计量值”作出比较，并且根据比较结果判断出各种故障，这要求监测仪具有逻辑判断功能。
4、可当地显示线路电压值、线路电流值、计量故障信息；
可以显示各种信息，应该具备必要的显示设备和必要的显示管理，从而正确显示功能要求现实的信息。
5、根据监控中心需要，定时上传线路电压值、线路电流值、计量故障信息；
此功能显然要求监测仪应具备一定的与PC通信的功能，同时也隐含对数据存储的要求。
6、具有故障信息报警与越限报警功能；
报警功能要根据判断出的故障信息正确报警，应该具备逻辑判断的功能。
7、按照CAN总线协议，生成标准通信数据包。
此项功能要求监测仪要具有CAN总线通信模块。
2.1.2性能指标分析
对各项性能指标作如下简单分析：
1、额定工作电压：
AC220V±10%（50Hz）；
需要电源供电的器件，要选用额定工作电压为AC220V的型号，或做一个稳压电源。
对于必须使用的器件，如果其额定电压不是将AC220V，要将交流220V降压变成合适的电压或者整流成小幅值直流电源。
2、额定功耗：
≤1W；
在选用各个器件时，应进行必要的比较，尽量选用功耗小的器件。
3、工作环境条件：
温度-20℃～+55℃；湿度：
＜95%；
在选用各个器件时，要选择工作环境温度和湿度负荷该项要求的器件。
4、精度：
1%；
在测量和计算环节要考虑该项指标的要求，保证各个环节的精度，以使得设计出的整个系统满足精度要求。
2.1.3系统结构框图
CAN总线
图2—1系统结构框图
基于设计要求，系统主要由三个单元组成：
电能量采集单元，计量分析单元和通讯网络单元。
其中电能量采集单元又由两部分组成,电网线路电能量采集和电能表电量采集。
通过串口电路的连接，实现电能量采集。
按照以上系统图的设计思路，信号采集电路将采集来的幅值信号、相位信号送至到单片机，同时通过RS—232将电能表的数据采集来送至单片机，由单片机对电压电流计量信号进行运算处理，计算出相应三相交流电的实际电能量再与从电能表中获取的电量值相比较，判断电能损失的原因，并将这些数据存储再微处理器的存储单元中，按照要求随时进行网络传输。
2.2电网信号采集单元
2.2.1方案的提出
经过对文献资料的查阅参考，本单元拟定了如下的设计方案：
方案一：
=100V的电压互感器，
=5A的电流互感器；
方案二：
输出为小幅值交流信号或直流信号的电流互感器/传感器。
2.2.2方案论证
方案一：
采用传统的计量用电压互感器和电流互感器。
按照工程经验，对于0.38KV输电线路测量用互感器，一般选择二次侧电压为100V的电压互感器，二次侧电流为5A的电流互感器。
然后使用分压网络或其它传感装置对100V和5A信号再次进行采样，取得更小的信号，再进行进一步的变换，使信号大小适合进入到后面的芯片、设备中。
此方案的技术比较成熟，一般在互感器后接电压表、电流表、功率表等仪表做测量元件。
但是，电压、电流互感器的选择、接线，以及其保护装置，二次侧导线截面积，长度都有要求，在计算选型，安装，运行维护等方面都比较繁琐，前期和后期的工作量都较大，需要投入的人力物力也较大。
更为关键的是其输出电压、电流仍然较大，一般还需要经过二次变换，这样做会使系统更复杂，出现故障的几率增加。
方案二：
使用新型的电压、电流互感器。
现在市场上有很多这样的互感器产品，产品的标称就是“电度表专用互感器”，它可以将交流电网上的电压、电流信号直接转换成小幅值的交流信号，甚至是小幅值的直流信号，对这样的小信号处理起来显然更为方便，方法也可以更为灵活。
不难想象，实际经验也证明，这样的产品比起传统的电压、电流互感器，在选择、安装、调试等方面要方便和容易许多，还可以省去传统互感器对电网信号两次变换的繁琐，对测量精度提高有帮助，而且省去了许多复杂的保护设备，在经济性上也更胜一筹。
随着电子计量技术的成熟，电子式电能表早已被广泛应用，方案二其实也已经非常常用，又因为它在选型、安装、调试、维护以及经济性等方面几乎全面优于方案一，因此选用方案二。
方案二又可以有两种选择：
1、分开采集信号的幅值信息和相位信息
2、同时采集信号的幅值信息和相位信息
下面来进行进一步分析：
1、分开采集幅值信息和相位信息
由于新型的电压、电流互（传）感器能输出直流和交流两种信号。
对于幅值测量来说，直流信号更方便测量，因为互（传）感器输出的0~5V信号可以直接进入A/D转换器。
因此使用可以输出直流信号的传感器来做信号的幅值检测，其输出直接进入A/D转换器。
使用交流输出的互感器来做信号的相位检测，其输出直接进入后面的相位检测环节。
这样做能使得信号在被测量之前经过尽量少的环节，保证测量的准确性，也避免了在纵向上系统的进一步复杂化。
不足也是显而易见的，如果使用单相的互（传）感器的话，每相就要用到4个互（传）感器，三相就需要12个，在经济上的花费较大。
2、同时采集幅值信息和相位信息
就是在互感器输出的信号上对相位和幅值信息一次采集完，对相位信息来说，只能从交流信号上获得，因此，若要同时采集，就只能用交流输出的互感器。
交流信号尽管就其幅值大小来说，可以直接进入单片机，但A/D转换器只能对单极性信号进行转换，因此，若使用交流信号输出的互感器，也还要再对信号进行必要的调理，才能用A/D转换器对其进行幅值的测量。
信号的调理可以用加法器对交流信号进行电位抬升，给其加上一个直流信号，使其输出幅值从-
~+
变为0~2
。
这时如果2
超出了AD芯片的输入电压范围，可以比例缩小到合适的电压范围内。
同样假设使用单相互（传）感器，这样做的好处是可以省掉六个互（传）感器，至多只需多添加六组电位抬升电路和放大电路，在花销上会带来节省。
它的不足之处正如使用传统的电压、电流互感器一样，系统在纵向上变得复杂，不稳定因素增加，且精度容易受到影响。
为了提高系统的稳定性和测量精度，选用分开采集相位和幅值信息的方案。
2.3总体方案的比较、论证与选择
设计的主体是具有一系列附加功能的电能计量装置，那么电能计量的设计方案自然应该成为本设计整个方案的核心，电能计量方案决定着其它的诸如电量采集、数据存储、数据通信、数据比较、信息显示、报警等功能的方案。
目前常用的电能计量装置有两种，一是基于感应-机械式测量原理的，一种是基于感应-电子式测量原理的。
下面对这两种电能表方案做出比较，论证。
2.3.1方案一--感应-电子式测量
首先要通过电压信号源器件将高压信号成正比的变为低压电信号，通过电流信号源器件将大电流信号成正比地变成小电流信号；然后通过传输线将这个低电压、小电流信号传输给AD转换器转换为数字量，再由计算机完成数据计算，存储，送显示器显示等功能，并可以完成通信的功能，是一种数字式测量方法。
2.3.2方案二--感应-机械式测量
该方案使用铝盘来对电功率进行采样。
它的电压、电流铁芯线圈分别位于铝盘的上下两侧，将铝盘夹在中间，线圈上产生的电压、电流交变磁通穿过铝盘时会在铝盘上产生感应电流，磁通和感应电流相互作用，使铝盘转动起来。
铝盘的转速与电功率P成正比，实现了对电功率的采样，电功率大，转一圈的时间就少，电功率小，转一圈用的时间就多，每转一圈代表的电能量是一样大的，用计度器的机械传动机构将铝盘所转圈数记录下来，所以计度器所记录的铝盘转的总圈数正比于电能量W。
电能量采样、测量、计算、显示、存储一般由电能表来完成，是一种模拟式测量方法。
2.3.3方案的论证与确定
对于功能要求，两种方案都可以满足要求，但对于其它的涉及逻辑判断或通信的功能，方案二实现起来会很困难。
并且在功耗和精度的控制方面，方案二也不如方案一容易容易。
因此选择方案一。
2.4其他部分设计方案
2.4.1电能表电量采集
监测仪要能“读取电度表的实时计量值”，这是设计任务的要求，只有这样才能真正达到监测的目的。
要读取电度表的实时计量值，一方面要求计量电能表具有数据存储功能，另一方面需要监测仪能和计量电能表之间进行数据传输，及能够实现通信。
目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，许多电子式电能表上就带有RS-232接口，本设计单元就以读取带由RS-232接口的电能表的计量值为目标进行设计。
2.4.2显示单元选择
为了达到“当地显示线路电压值、电路电流值、计量故障信息”的设计要求，设计了本单元的显示电路。
电压、电流值为数字，在目前的电子产品设计中一般有两种备选方案，一种是七段LED数码管显示，另一种是LCD液晶显示。
七段LED数码管显示方案在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。
强光下仍具有较好的可视效果。
在低温条件下，比LCD的工作更稳定。
它的缺点是，只能显示数字，一个数码管只能显示一位数字，多位显示需要的数码管数量较多，造成电路接线比较繁琐。
对应地，LCD既可以显示数字，还可以显示字母、汉字、图形等信息，可以根据要显示信息的多少，灵活的选择液晶屏幕的大小。
另外，它的电路接线不会随着显示信息的复杂而变得复杂。
不足的是，可视角度较小，强光下显示效果差，低温条件下工作易出现不稳定的情况。
结合本设计的显示要求及性能指标，综合考虑以上因素，决定使用LCD液晶显示屏作为显示设备。
第三章系统的硬件设计
基于设计要求，系统主要由几个单元组成：
电能量采集单元，计量分析单元，通讯网络单元，报警电路单元，显示电路单元和键盘电路单元。
其中电能量采集单元又由两部分组成,电网线路电能量采集和电能表电量采集。
通过串口电路的连接，实现电能量采集。
信号采集电路将采集来的幅值信号、相位信号送至到单片机，同时通过RS—232将电能表的数据采集来送至单片机，由单片机对电压电流计量信号进行运算处理，计算出相应三相交流电的实际电能量再与从电能表中获取的电量值相比较，判断电能损失的原因，并将这些数据存储再微处理器的存储单元中，按照要求随时进行网络传输。
3.1单片机外围电路设计
系统的核心部分是单片机，它起到启动A/D转换，测算电压、电流相位差，计算电压、电流幅值、功率因数、有功功率，并保存这些数据，定时上传数据至监控中心，发出警报等功能，是整个系统的核心。
3.1.1单片机的选择
稳定的性能是对一个系统的最基本的要求。
本设计中，单片机作为系统核心，它能否稳定工作，直接影响整个系统，所以单片机必须能长时间稳定工作。
又由于本设计中单片机要承担大量的计算任务，需要消耗一定时间，同时又要保持对电能量信息采集的实时性，因此快速性也是重要指标之一。
基于以上考虑，本设计中选择SiliconLab公司的C8051F040单片机。
3.1.2简介
C8051F040是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64个数字I/O引脚，片内集成了一个CAN2.0B控制器。
·高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）
·控制器局域网（CAN2.0B）控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有其自己的标识
·全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
·真正12位、100ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关
·允许高电压差分放大器输入到12/10位ADC（60V
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