工科大学本科方案设计书.docx

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工科大学本科方案设计书

三相多功能电表设计

摘要

本方案主要由检测电路、专用电能计量芯片ATT7022、STC12单片机、128×64液晶显示、按键、RS485通信、红外通信以及电源部分组成。

电路中的电流（电压）信号经过电流（电压）互感器，强电信号转换为安全的弱电信号，通过ATT7022把计量数据传给单片机，由单片机控制128×64液晶显示,另设按键可选择显示测量数据,并扩展RS485和红外线通信功能。

因为ATT7022具有极高的精度，能够达到1级测量精度要求，由于互感器铁芯趋于饱和，当电力线路出现过电压或过电流时，其输出不会成正比的增加，能保护测量仪表设备。

关键词:

STC12单片机ATT7022计量芯片三相电参数测试RS485通信红外通信

Abstract

ThisschememainlyconsistsofDetectioncircuit,SpecialenergymeteringATT7022chips，STC12，128*64LCDdisplay，key，RS485communication，Infraredcommunicationandpower..Thecurrentinthecircuitbycurrentsignal（voltagetransformer,highvoltage（voltage）signalsareconvertedtoelectricitysignal,thesafetyATT7022throughthemeasurementdatatoSCMbysingle-chipmicrocomputercontrol,128*64LCDdisplay,andbuttonscanchoosetodisplaymeasureddata,andexpandRS485andinfraredcommunicationfunction.Becauseofthehighprecision,ATT7022canreach1levelmeasurementaccuracyrequirement,andbecauseoftransformercoretendtosaturation,whenpowerlinevoltageorcurrentappeared,theoutputwillincrease,theproportionaltothemeasuringequipmenttoprotect.

Keyword:

STC12MCUATT7022measurementchipThree-phaseelectrical--parametertestRS485SerialCommunicationInfraredcommunicationinfraredcommunication

2.2总体方案...............................................14

第一章绪论

1.1本课题的研究目的和意义

电能表是电力系统中重要的组成部分,是衡量电能消费数量的计量仪器,其技术性要求很高,既要求精确计量,更要求稳定工作,并能保证长期高度的可靠性,对于电力事业的发展有十分重要的意义。

本设计所研制的三相多功能电能表以STC12C5410单片机为核心,集计量、显示、控制、保护和通信于一体。

系统采用ATT7022取代了采样硬件电路。

ATT7022是一款精度高且功能强的多功能基波谐波三相电能专用计量芯片,该芯片适用于三相三线和三相四线的应用,它还集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路,能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波有功功率,无功功率,视在功率,有功能量以及无功能量,同时还能测量频率,各相电流以及电压有效值,功率因数,相角等参数,提供两种视在电能,充分满足三相多功能电能表以及基波谐波电能表制作要求。

相比传统的设计方法来说,这不仅大大化简了外围电路,降低了成本,而且提高了设备的精度和可靠性。

此外,采取RS-485通信方式,系统能够方便地与上位机进行数据交换,更有利于电力系统的自动化。

1.2本课题的主要研究内容

该三相多功能电表对电网电压，电流信号进行调理，电压经过分压电阻或者互感器，电流经过高精度电流互感器，把大信号转换成小信号经过计量芯片ATT7022计算出电压、电流有效值，有功、无功功率等并通过液晶进行显示。

多功能电能表是一个微处理系统,微处理器是多功能

电能表的核心,所有的计算、数据交换、控制、显示、通信等功能都是基于单片微处理器来完成的。

综合考虑性能、资源及应用情况,设计选用了89C51系列单片机。

计量芯片选用大规模集成电路ATT7022,该芯片内部由计量电路、CPU、存储器、LCD显示驱动电路、外围逻辑电路等几部分组成，其中计量电路含有基准电压源和有功功率与有功电能,无功功率,电压有效值,电流有效值及频率所需要的全部数字信号处理功能的电路。

ATT7022支持IEC687/1036标准的精度要求,在动态范围1000:

1内误差小于0.1%。

该电能表提供RS-485通信接口方式，通信设备的三根通信线A、B、通信地线与电能表通信接口RS-485的A、B、通信地线对应联接进行数据通信。

1.3国内外的研究情况及其发展

2003年以来，也就是中国的城市和农村电网进行大规模改造、建设之后，电力系统对三相多功能表的需求量迅速增长，2004年产量估计约70万台，以不足全国电能表总产量1%的份额，创造11%的电能表总产值。

由此，国际、国内电表企业纷纷看好商机，抓紧新技术开发，不断推出三相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求。

　　与传统的机械表相比，采用电子计量原理的三相多功能表，具有高精度、多参数测量、谐波功率电能计量等优势。

从总体评价，三相多功能表还是稳态电力负荷计量产品，由于其应用领域扩大，电力系统对电表不断提出新的技术要求。

现有的三相多功能表性能和品质，都不能完全适应电力系统的需求。

因此，如何正确把握产品技术发展趋势，改进产品设计，将三相多功能表技术水准推向一个新的高度，无疑是电表行业和电力系统共同关注的课题。

　　一、引进的三相多功能电能表新技术

　　引进的三相多功能表新技术，代表目前国际上电能表技术的最高水平：

　　1、高精度、长寿命计量

　　·准确度为0.1%的有功电能计量，超过IEC在线计量的最高准确度要求，其误差曲线的带宽为+/-0.05%；

　　·0.2S级三相基波表，具有分相的2—50次谐波有功功率计量；

　　·0.2S级长寿命的电网关口表，具有电能质量计量模块。

　　2、高速率、实时测量

　　·交流采样速率为256点/周波，记录周期最短为10毫秒；

　　·电能质量计量：

63次谐波、电压闪变、故障录波78微秒的瞬变，供电可靠性指标的记录为99.9999999%。

　　3、开放式、高速率通信技术应用

　　·开放式通信协议IEC62056-61/62/53/46/42，抄表、费率、负荷控制数据交换；

　　·互联网通信，自动发送E-mail报警信号、系统运行状态刷新、数据记录，通过以太网连接到某些国际知名的电量计费系统的关口表，Web服务器可直接读取电表各种实际数据、电能质量参数，无需任何专用软件。

　　4、三相电能计量专用芯片

　　·采用低频滤波法计量谐波无功功率的三相计量芯片，高位∑-△A/D，负荷动态范围1000：

1，线性度0.1%，具有温度测量功能，片上接口可直接与微分电流互感器连接；

　　·精度优于0.1%的三相SOC单芯片，21位2阶∑-△A/D，32位可编程的电能量计算引擎，负荷动态范围2000：

1，片内集成：

高速8051单片机、硬实时钟、LCD驱动电路、看门狗电路、定时器、多种存储器、多种通信接口等。

　　　　二、国产三相多功能电能表新技术

　　国产电子式三相多功能表技术开发起步较晚，近几年，注重吸收国际计量技术与管理经验，强化自主开发，取得了许多新的技术成果：

　　1、三相多功能表

　　·0.2S级有功功率计量，16位∑-△A/D，160MIPS的DSP，交流采样速率256点/周波，运行和备用两套费率时段，负荷曲线记录和容量为4M字节的存储器，宽电源电压范围，互感器合成误差补偿，变压器铜损、铁损计算；

　　·0.5S级三相基波有功表；

　　·采用三相SOC单芯片或三相有功、无功计量芯片的低端三相多功能表设计，从技术上适应电表量大、面广的市场需求；

　　·高压电能表，采用电子式传感器，悬浮式电源设计，有功电能计量准确度为0.5级，用于10千伏中压电网直接计量电能量。

　　2、谐波功率、电能计量

　　·三相谐波表，有功功率计量0.2S级，无功功率计量0.5S级，高准确度的基波和谐波有功电能计量，采用实时积分法计算总有功电能，通过FFT算法，提供基波、谐波电能量和谐波功率方向；

　　·冲击负荷电能计量理论与算法，应用广义功率理论，定义任意波形的单相电路和三相电路的功率，应用正弦电路功率理论、传统非正弦电路功率理论和广义功率理论进行冲击负荷的有功、无功、视在、畸变、三相不对称功率电能的计算；

　　·基于IIR型Hilbert数字滤波法的谐波无功功率的测量，Hilbert数字滤波器具有优越的频率响应特性，数值计算简单，经计算的谐波无功功率，与仿真实验结果只差0.02%；

　　·谐波有功功率潮流分析方法，经研究指出：

FFT理论具有局限性，实际的电力负荷，除基波和整数倍频成份外，尚有间谐波存在，需要开发电能表新的算法。

3、三相电能计量专用芯片

　　·具有基波/谐波电能计量的三相多功能计量芯片，16位∑-△A/D、24位DSP，负荷动态范围1000:

1，线性度0.1%，测量带宽21次谐波，集成温度传感器；

　　·采用Hilbert数字滤波器计量谐波无功功率的三相计量芯片；

　　·采用数字并行算法和降低晶振频率技术的低功耗三相有功功率计量芯片。

　　4、基于GPRS通信网的用电需求侧管理系统及其终端

　　·该系统具有远程抄表、用电异常信息报警、电能质量检测、线损分析、无功电压管理和电力负荷控制管理等功能，系统指标为：

并发数据量不小5万采集点，一次采通率不小于95%，二次采通率不小于99.5%，遥测合格率大于98%，对时精度小于100毫秒。

　　5、关口表远程校准系统

　　该系统由多路关口表的测量、校准回路和计算机通信网络构成，就是将高精度三相标准表置于变电站内环境条件符合要求的场所，被测电流的变换是通过计量电流互感器的二次回路接入0.02级、5/0.5A的中间互感器，标准表和关口表的三相接线方式和有功、无功计量方式是通过工控机指令切换，关口表的实时误差通过专用信道送至系统主站，整个系统误差为0.1%。

　　综上所述，经过十几年的发展，中国的三相多功能表门类比较齐全，中、低端电表技术开发水平较高，特别是冲击负荷电能计量理论与算法、谐波无功功率计量、具有谐波功率计量的三相专用芯片、高压电能表、GPRS通信技术应用、电能远程校准等技术项目具有创新意义。

但是也应该看到，高端电表技术没有完全过关，电网关口计量仍以进口电表为主导产品，这是一个值得深思的问题。

　　三、未来三相多功能电能表技术的走向

　　正视现状，展望未来，需要超前预测电表应用领域和技术要求的不断变化，才能正确把握今后产品技术的走向。

　　1、应用领域的拓展：

近几年，中国的社会用电量迅速增长，全国联网，特高压电网建设，百万千瓦级发电机并网，家居网络化进程，电网经营管理