家用电度计量系统.docx

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家用电度计量系统

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX学院

Collegeofscience＆technologyXXXUniversity

学生毕业论文（设计）

题目：

家用电度计量系统

指导教师:

学生姓名：

专业：

电气工程及其自动化

班级：

完成日期：

声明

郑重声明，此论文（设计）是本人在相关老师指导下完成，没有抄袭、剽窃他人成果，否则，由此造成的一切后果由本人负责。

本人签名：

XXXXXXX学院

学生毕业论文（设计）任务书

学生姓名学号

专业电气班级10-3

论文（设计）题目家用电度计量系统

论文（设计）来源

要求完成的内容

发题日期：

年月日完成日期：

年月日

指导教师签名

摘要

该智能电表系统主要由显示模块、键盘模块、时钟模块、存储模块、通讯模块、CPU模块、CS5460A电能表芯片模块和前端电路调理模块部分组成。

前端电路调理模块采用2mA/2mA的电流互感器和5A/2.5mA电流互感器和精密电阻实现对市电的转换,并釆用RC滤波网络滤波,然后釆用由美国CRYSTAL公司的新型电能计量芯片CS5460芯片实现对电流、电压和电能的测量与转换;时钟模块采用DS1302时钟芯片为系统提供时钟基准,存储模块采用AT24C16为系统提供数据存储;显示模块用OCMJ4X8CM液晶,通信模块采用Max232芯片,并利用AT89S52组成的CPU模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能,送往显示模块和存储模块进行实时显示和存储,并通过标准232接口送往PC上位机进行同步显示,并且本电能表还设有GPIB地址,以便于电能管理系统对电能的管理。

关键词:

CS5460A模块;AT89S52模块;232通爪模块

ABSTRACT

Thissystemmainlybythedisplaymodule,keyboardmodule,clockmodule,storagemodule,communicationmodule,theCPUmodule,CS5460Awatt-hourmeterchipmoduleandfront-endcircuitregulatemodulecomponents.Front-endcircuit2mA/2mArecuperatemoduleUSESthecurrenttransformerand5A/2.5mAcurrenttransformerandpreciseresistancetoachievetheconversion,andadoptscapturestheRCfilter,andthenusedbyInternetfilteringbettercompany'snewAmericanelectricpowermeasuretoachieveCS5460chipchipelectriccurrent,voltageandthemeasurementandtransformation;ClockmoduleUSESDS1302clockchipsforthesystemtoprovidetheclockbenchmark,storagemoduleUSESasystemtoprovidedataforAT24C16,storage;OCMJ4X8CMLCDdisplaymodule,communicationmodulewithMax232chip,andbyusingtheCPUmodulecontrolAT89S52compositionofallchipwork,measurement,calculationpower,senttodisplaymodulesandstoragemoduleforreal-timedisplayandstorage,andthroughthestandard232interfacetoPCPCsynchronouslydisplayed,andthiswatt-hourmeteralsohasaGPIBaddressinordertopowermanagementsystemofpowermanagement.

Keywords:

CS5460A;AT89S52;Max232

目录

摘要4

ABSTRACT4

绪论7

1电子式电能表8

1.1电子式电能表的发展史8

1.2电子式电能表的一般结构与原理9

1.3电子式电能表的功能与分类9

1.3.1电子式电能表的功能9

1.3.2电子式电能表的分类10

1.4各种电能表的比较11

2智能电表综述12

2.1智能电表的概念12

2.2智能电表在智能电网的定位13

2.3智能电表的功能应用13

2.4智能电表带来的收益15

3总体方案设计15

3.1设计功能要求15

3.2系统的基本方案15

3.3电能计量部分16

3.3.1电能计量概述16

3.3.2电能计量装置17

3.3.3计量电路部分18

3.4CS5460A概述18

3.4.1基本结构及功能18

3.4.2主要特性19

3.4.3操作时序19

3.5其他模块部分20

3.5.1电源电路部分20

3.5.2主控芯片20

3.5.3显示部分20

3.5.4时钟模块21

3.5.6存储部分21

4系统硬件设计与实现22

4.1直流稳压电源的设计22

4.2前端电路调理模块的设计23

4.2.1电压调理部分23

4.2.2电流调理部分23

4.3电能测量模块的设计24

4.4通讯模块的设计24

4.5液晶显示的设计26

4.6键盘的设计27

5系统软件设计27

5.1主流程图27

5.2系统初始化28

5.3系统子程序模块28

5.3.1系统参数自校正模块28

5.3.2电量测量功能模块30

5.3.3电能检定功能模块30

6系统调试30

6.1软硬件调试30

6.1.1硬件调试30

6.1.2软件调试31

6.1.3软硬联调31

6.2功能测试32

6.3误差的定性分析及改进措施32

结论34

致谢35

参考文献36

绪论

随着国民经济的飞跃发展,电力已然成为我们日常最重要的能源需求。

就民用电力,因为人们的物质生活的极大丰富,生活质量迅速提高,对电力的需求量越来越大。

然而,目前的居民用电的管理模式过于落后,居民用电管理多年来一直是采用先用电、后抄表、再付费的传统经营模式。

而部分居民用电小区实施总表计量分表收费的模式,即一些居民家庭（住宅或单位的住宅单位）使用总表,每户装一个分表,电力部门只按照抄收的总电表的电量收费,作为居民交付电费的基础。

居委会或物业管理部门也需要复抄电表读数,按比例收取电费。

这种电费管理模式给居民带来诸多不便,并且增加了管理的工作量,不能做到同网同价。

据统计,仅电力部门抄表人数数以万计,而且人力抄表弊端多,工作效率低,对人力资源的管理,物质资源管理,造成很大的浪费。

为了适应社会发展的需要,确保电力使用者的安全,电费计量的合理,使用方便,对传统的仪表和电力管理模式的进行改造更新是必要的。

长期以来,我国大部分地区采用的计量装置主要是机械电能表,几十年来一直采用人工抄读电表读数的原始方式。

H前大多数供电公司完成了电力企业计算机管理系统的JT-发与应用。

但电力管理中最重要的、也是最基本的用电数据仍采用落后的人工记录方法,不仅劳动强度大,效率低,而且也存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等一系列问题,窃电也无法及时发现。

在社会信息化,网络,电网大踏步迈向现代化的今天,人工抄表和高度自动化的无人管理形成了鲜明的对比,成为制约电力系统现代化管理的一大障碍。

就目前来看大部分电力企业已经完成了对设备的网络管理,从系统的完整性考虑,电力系统的发电,配电,传播到地区变电站已基本实现了网络无缝链接,但最终用户的不确定性使系统不那么完整,对系统潜力的发挥有一定的影响。

在上述的背景下,国家电网公司从整体考虑,在各个地区开始大力推广应用智能电网,智能计量装置也被推向前台,而智能电表成为最重要的计量设备。

正是在上述的各种背景下,应运而生了智能电度表。

所谓的智能屯表,是应用计算机相关技术,无线通讯技术,建立以智能芯片（如处理器）为核心,具有计量、计费、通讯等功能的电能表。

随着电力相关行业的发展,对电能表灵敏性和准确作提出了更高的要求,因此电能表的结构和性能都进行了升级。

电能表的发展主要经过了两个阶段:

感应式电能表和电子式电能表。

感应式电流表主要是利用电流线圈和电压线圈在铝盘上产生交变磁通和交变电流相互作用产生磁力的原理制成。

早期的电子式电能表仍采用感应式电能表的测量机构，由光电传感器完成电能脉冲转换,电子电路对脉冲进行计数,从而实现对电能的计量。

这种表是感应式测量机构加脉冲发生装置,因此被称之为感应脉冲电能表,也称电脉冲式电能表,这只是电子式电能表发展过程中的一种过渡产品。

纯电子式电能表采用电子电路的方案,其特点是釆用乘法器实现对功率的测量,目前我们市面上常见的各类电子式电能表的测量机构均采用这种电路模式。

电子式电能表按所使用的乘法器进行分类,可分为模拟乘法器型和数字乘法器型电子式电能表。

本设计通过大量原设计的电子式电能表,利用单片机技术,与电能表芯片CS5460A

构建一个单相电子式电能表。

简要介绍了设计电能表的主要功能以及系统的总体方案,

并详细介绍了单相电子式电能表的设计方案,并对所设计电表的硬件系统和软件系统进行了说明,对硬件电路的设计进行详细分析,其中包括各部分电路的走向,对芯片的合理选择,此方案的可操作性分析等。

1电子式电能表

1.1电子式电能表的发展史

爱迪生最早在1880年利用电解的原理发明直流电能表,交流电的出现和在现实生

活中的广泛应用,对电能计量装置提出了新的要求。

直流电能和交流电能的测量则分别

采用不同的测量机构,直流电能主要采用电动系测量机构,而交流电能主要采用感应系

测量机构。

电能的不断开发利用,社会对电力需求的增大,对电能管理和用电计量装置的性能

提出了更高的要求,由f感应式电能表的精度不够高,所以需要新的用电计量装置来适

应现代化的快速发展,于是出现了电子式电能表。

电子式电能表是新一代电能表,特别是在近几年得到了用户的普遍认可和接受,使

用逐渐广泛起来。

随着社会的不断进步,电力企业的相关技术标准和客户需求的不断改

进,电子式电能表得到了迅猛的发展,并因其计量准确性得到了大力推广,成为最重要

电能计量装置。

电子式电能表其测量部分完全由电子元件构成,而且内部时钟部分、电源部分、显

示部分等均由电子元器件构成。

电子式电能表由于其构成不同于机械电能表而得名,由

于内部没有可以转动部分也称为静止式电能表。

电子式电能表最早由欧洲公司在20世纪40年代制造,它的出现也是得益于电子技术

的发展。

电子式电能表在20世纪80年代以前应用的并不广泛,因为其成本高,性能和可靠性并没有提高很多,与机械表相比优势不明显。

因此它的应用也被定位于精度电能表、标准表和检验装置。

因为电子技术的飞速发展,所以电子式电能表在20世纪90年代也得到了广泛的应

用,各种型号的电子表,无论是高档、高精度三相表,还是低档、低精度单相表,都有

大量的、性能优越的电子式电能表产品。

电子式电能表不仅在技术上有所提高,而且计算方法也从模拟乘法器到数字乘法器,并且性能越来越稳定,价格与机械表相比也比较合理,已经可以大规模批量生产。

1.2电子式电能表的一般结构与原理

电子式电能表通常由以下几个部分组成:

电源部分、显示部分、测量部分、管理部分、外部设备。

下而简单的介绍以下各部分的功能:

（1）测置:

它接收交流电压、电流信号,将其运算后得到相乘的电功率信号,电子式电能表的精度和稳定性等主要性能就由此部件决定。

它足电子式屯能表的心脏,-般由模拟乘法器、数字乘法器或A/D模拟数转换加高速微处理器构成。

（2）电源:

将输入的交流电压整流、降压、滤波后得到直流5V、12V等电压等级的电压,供给其他电路。

动力部分是非常重要,它是电子式电能表的工作电源,一般由线性或关电路构成。

（3）显示:

显示电表的相关信息和计量的电能量。

主要采用液晶显示器LCD、数码管LED、以及机械计度器三种方式。

（4）管理:

接收测量部件输出的电功率信号,计算出各种所需的电量,并且管理显

示、时钟、通信接口、数据存储器等部件。

一般由单片机或嵌入式计算机构成其核心。

它是电子式电能表的大脑,指挥其他部分完成工作。

（5）外部设备:

主要包括接口部分和外壳。

现在电子式电能表的设计一般预留数字通信接口,可以与其他设备进行数据交换,对表计参数进行设定,也可以抄取电能表实时数据。

外部通信接口主要采用远红外数字通信接口、RS485通信接口和IC卡读写接口。

下面是电子式电能表的原理框图

电子式电能表的原理框图

1.3电子式电能表的功能与分类

1.3.1电子式电能表的功能

1计量

电子式电能表的计量功能具体的又分为累计和实时计量。

累计计量功能主要包括累计双向供电有功电能、无功电能、视在电能的消耗量、断电时间、断电次数等。

实时计量包含测量并显示工频电能的所有参数。

2监视

监视功能为最大需量和防窃电监视;其次是缺相指示、停电和复电的时间记录、预付费表的所购电能耗尽时的报警及电压异常报警。

3控制

主要的控制功能为时段和负荷控制。

前者用于多分时计费;后者指通过接口接收远程控制命令或令牌内部编程控制负荷。

4管理

电子式电能表的管理功能,包括按时间收费率,预付的提示,提供必要的资料读取数据,为抄表提供必要信息,可参与网络的电能管理系统。

5最大需量计量

需量的定义:

定长时间的平均功率;最大需量:

需量的最大值。

定长时间的时间间隔一般米用5、10、15、30、60min,也称定长时间为需量周期。

计算需量的时间间隔一般为1、3、5、15min,也称计算需量的时间间隔为滑差步进时间。

其计量方法为:

当每个时间间隔到时,计算截止到当前时刻的一个需量周期的平均功率,并且与最大值进行比较。

如需量周期为15min,时间间隔为5min,即每5min计算一次当前15min的平均功率,得出的数值与最大值进行比较,如果该数值比最大值大,则将其记录为最大需量,下图为最大需量计算说明。

国内只需要计量有功最大需量,并依此进行收费。

国外有计量视在最大需量的需求。

最大需量是统计一个月内的最大值,并且需要分时段进行计量,进入下月时要把最大值保留到上月,当月的最大值清零,计量重新开始。

最大需量要求计录多个月的最大需量。

1.3.2电子式电能表的分类

一.电能表按所测电能种类分,可分为有功电能表、无功电能表、直流电能表三种。

后者-般用于特殊行业,不用于电力贸计量。

有功电能表计量用户实际消耗的电能W有,这些电能已经不可逆转的变成了机械能、热能、光能、化学能、生物能等[5]。

无功电能表用于计量用户的无功电能W无。

无功不是用户消耗的电能而是用户曾经存储起来的电能,这部分电能会与电网进行能量交换。

计量无功的目的,是要核算一个抄表期内的平均功率因数λ,即平均力率,即

λ=COSΦ=

=

用户消耗的无功越多,平均功率因数就越低,配电网在为用户输送这些无功电能时,要增加的线损就越多,增加了供电成本。

因此在电费结算时要对功率因数进行考核。

二.电能表按相别和接线方式分,可分为单相和三相电表,而三相电表又可分为三

相三线和三相四线制二种。

三.按电压等级分可分为高压表（额定线电压为100V）和低压表（额定相电压统

一为220V）两种。

四.按电流的测量范围来分,可分为直通表和经电流互感器接入两种。

五.按准确度等级分,可分为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0级等等。

准确度等级的数字越小准确度等级越高。

六.按结构原理分,可分为感应式电能表、全电子式电能表、机电一体化电能表。

七.按测量功能分,可分为分时计费电能表、最大需量电能表、预付费电能表、集抄电能表、多功能计量电能表等。

1.4各种电能表的比较

感应式电能表已有100多年的历史,其工艺成熟,价格低廉,过载能力强,可靠性好,可视性好,但由于元件磨损、灰尘增多、电磁性能变差等因素的影响,准确度等级不高,不易实现自动化,可是目前国内乃至国外,尤其是在农村电网及三相低压中,感应式电能表还占有相当大的市场。

全电子式电能表因其内部没有可动部件,无机械摩擦而唯确度高,灵敏度高,使用寿命长,易与远程操作,可以实现计量自动化,也可以远程对电表数据进行遥测遥控,自动对收集的数据进行分析统计。

计量中可排除人为因素干扰,功能多,数据可存储,便于无纸化抄核收作业,更便于远方集中抄表。

目前单相表选用全电子式电能表已经很普遍。

机电一体化电能表又称为脉冲电能表,它综合了感应式及全电子式电能表的优点。

该表型的电能采样,仍然由感应式母表完成,这部分的结构与一般感应式电能表相同,用字轮显示电度数。

2智能电表综述

2.1智能电表的概念

20世纪90年代智能电表的概念才提出。

那时静止式电表价格非常昂贵,价格是普通机械电表的数十倍甚至几十倍,主要是应用于大客户,对普通客户来讲性价比不高。

随着计算机网络和远程通信技术的发展,对具有远程通信功能的电表需求开始增加,这就需要开发新的系统来实现远程通信功能,方便对数据进行管理。

但是在这样一个系统中,有些数据无法被有效的利用,而且像预付费式电能表的相关数据不能被釆集,很少用来进行能量管理或提供信息帮助制定节能措施。

随着生产工艺的成熟,静止式电能表可以批量化生产,生产成本进一步降低,而且数据处理和存储能力大大提高,从而得到了大量普及。

而同时电表智能化水平也有所提高。

各国对“智能表”的概念不统一,而且不同的国家对“智能表”的理解也不同,标准也不一样。

像欧洲和美国对“智能表”的概念理解就不同,而且叫法不同,但实质上又是一样的。

在不同的国际组织、企业根据提供的功能来定义“智能电表”。

国内定义的智能仪表是以微处理器为核心的,可存储测量信息并能对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。

它一般具有自动测量功能、强大的数据处理能力、进行自动调零和单位换算功能,能进行简单的故障提示,具有人机交互功能,配备有操作面板和显示器,具有一定的人工智能[20]。

通常将采用微处理器的电子式多功能电能表定义为智能电表,近几年还将通信功能（载波、GPRS、ZigBee等）、多用户计量、特定用户（如电力机车）计量等特征弓丨入到智能电表的概念中。

根据不同的理解和定义可以得出智能电表具有以下功能:

实现双向分时计量、远程控制、网络自愈、电能质量、窃电侦测、停电检测、双向

通信、多表计接入、嵌入式互联网信息服务；

在客户信息系统支持下实现客户用电服务、电价及费率自动调整、需方响应功能；

突出特点是具备双向实时通信,支持双向互动、客户分布式电源接入；

智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪表,具有自动计量/

测量、数据处理、通信和功能扩展能力,远程/本地通信、数据的实时互动、多电费结算、远程断供电、电力电能质量监测、水气热表抄读、和用户交动等功能。

智能电表的智能化计量系统,能够支持智能电网负荷管理、分布式电源接入、能源效率、电网调度、电力市场的交易以及减少排放等方面的要求。

2.2智能电表在智能电网的定位

智能电表在智能电网中具很重要的作用,"可以优化新能源的用电秩序，利用智能电表实现对太阳能，风能的优先利用，并根掘实测数据与收集数据对电网负荷进行优化；可以优化分布式能源配置,供电企业可以通过智能电表对整个配电系统进行实时监控,掌握分布式能源特性及其对电网运行的影响,优化能源结构,从而以最经济和安全的方式提供电能;可以提高负荷预测的准确性,根据客户的用电需求,通过智能电表进行传输,供电企业根据客户用电需求进行汇总,可以准确方便的预测负荷并自动调节,提高电能的利用率,增加经济效益;可以提供故障分析依据,通过智能电表对客户的用电信息进行实时监测,对用电异常信息进行在线分析,并进行跟踪和自动控制,当发生故障时,通过查看智能电表的异常用电信息,方便对故障的查询分析。

智能电表具有收集数据和对需求反应的能力,可以方便供电企业在客户用电高峰时期进行削峰平谷,加强系统的安全性和经济性。

通过智能终端和无线网络实现供电企业和和客户的双向计量和沟通,此外智能电表也是构成智能家庭的重要组成部分。

2.3智能电表的功能应用

1）结算和帐务

智能电表可以实现实时抄表,并实时进行结算,把过去通过账务系统处理的数据简洁化，提高数据处理的准确性。

客户和电力企业都可以得到很准确、及时的信息,对双方来说信息也更加公开透明。

2）配网状态估计

目前,配网侧的潮流分布信息主要是通过网络模型,估测的客户负荷及变电站的高压侧的测量信息进行综合处理得到理论值,因此信息通常不准确。

智能电表在客户侧装设,可以及时方便的得到准确的负荷和损失的电量,避免客户用电设备过负荷,提高电能质量。

通过对部分客户测量数据的汇总,可以方便的实现对未来负荷的预测。

3）电力需求侧响应

需求侧响应意味着通过对电网的实时运行数据,对用电设备的状态和能耗进行智能监测和控制,最终通过价格来实现对客户的负荷控制。

价格控制主要是根据电网的总体用电负荷情况,通过分时电价、峰谷电价、平价来进行控制,满足短期对电力的需求。

负荷控制是指调度人员通过无线网络发布远程指令对客户的用电负荷进行控制,包括对客户负荷的断开和连接。

4）负荷分析、建模和预测

智能电表采集客户消费数据可用于负荷预测和分析,对上述数据进行分析便可了解客户的能量总消耗量，客户的用电高峰和负荷特性,用电负荷随时间的变化等。

能够促进客户的合理用电,对供电企业优化电网规划和提高调度效率提供参考。

5）电能质量和供电可靠性监控

智能电表可以对电能质量进行监测,掌握电能的基本数据，对客户提出的问题可以及时的响应,提高服务质量，杜绝电能可能出现问题,从而实现供电的可靠性

6）预付费

智能电表可以采取与移动、联通、租信类似的充值方法,不需要到营业窗口便可通过电话、网络等进行缴费,降低客户的出行成本,提高效率。

7）节能

客户可以通过电表了解自己的实时用电情况,用电负荷,及时的调节自己的消费习惯,节省电力成本。

能够及时发现因为电气设备造成的用电异常情况,消除安全隐患。

8）用户能量管理

供电企业方便通过智能电表提供客户的用电信息,从而建立对客户的用电管理系统,从而根据客户的不同需求而进行能源管理,并提供良好的服务,通过合理的调整而充分利用电能,降低电能消耗,减少排放。

9）智能家庭

智能家庭是指家庭的不同用电设备通过无线网络连接,结合家庭的生活习惯,通过网络来对家庭的室内温度、照明、通风等一系列进行自动调节,以实现家庭的自动化。

智能电表起到很重要的作用,根据家庭的用电负荷情况及时调整,方便对家用电器的控

制。

10）负荷远程控制

智能电表通过远程操作可实现对单个客户的用电控制,也可以控制整个负荷的联接和断开,这样能够优化