新型多用户电子式电能表的研究与设计
|
摘要
本课题针对目前居民楼和公寓等用电户集中场所的电能计量现状和存在的主要问题，研究设计了一种多用户电子式电能表。该电表可同时分别检测和记录多用户的有功电能，不仅具有结构紧凑、精度高、功耗低等优点，而且还可以分时段计量各用户的电能以提高电网利用率，达到避峰填谷的目的。基于这种电能表组成的远程自动抄表系统采用低压电力线载波进行底层数据的传输，通过通讯和计算机网络等技术自动读取和处理电能表数据。
本文首先综述了电能表的发展和自动抄表系统的现状，并介绍了电能测量的基本原理，重点对∑-△A／D转换原理进行了分析。然后，论文对多用户电能表硬件电路的设计进行了阐述，包括电源电路、电能测量电路、存储器、时钟电路、显示器和键盘电路、译码电路以及用于电力线载波通信的发送、接收和耦合电路等。载波通信接口电路中选用了适合我国电网现状的由青岛东软公司开发的SSC16系列扩频收发芯片。在软件上，主要介绍了主程序和多用户电能脉冲的采集、复费率计量、最大需量计量、数据显示和键盘扫描等子程序，并绘制了其工作流程图。重点介绍了多用户表的自动抄表通信程序和通讯协议的内容。最后，文中论述了系统的测量误差和误差补偿方法，并对系统的抗干扰性的进行了分析与设计。
该课题的研究为电能计量和数据管理提供了一种新的技术手段。这种基于新技术而研制的具有电力线载波抄表功能的多用户复费率电能表，将以其较高的性价比而值得推广使用。
In accordance with the present situation of the main electricity measurement problems existing in the field where many power user are living together, such as residential area or student's apartment, a kind of multi-user electronic energy meter has been designed in this article. This electronic energy meter can detect the active amount of electricity of many users. Besides its wide measuring range, high precision, and low power, it can measure different electricity for each user in different time section which will improve the running efficiency of the electric net by adjusting the unbalance station of power consumption. Based on this meter, the automatic meter reading system adopts the low voltage power line to carry data.
At first, this paper summarizes the developing history and the present state of energy meter and automatic meter reading system, and introduces the basic theory of energy measurement. As an important part, the principle of 2 - A analog-to-digital conversion has been analyzed. Then, the circuits of this energy meter's hardware are illustrated in this paper, such as DC power supply, energy measurement circuit, extended memory circuit, real-time clock, extended display and keyboard circuit, and decoder circuit, etc. The receiving, transmitting and coupling circuits for power line carrier communication interface are designed by using the spread spectrum communication 1C of SSC16 series which are developed for China's electric net. On the software, the realization of the main program and the subprograms such as energy pulse acquisition, multi-rate measurement, max-power demand measurement, data dynamic display, and keyboard scanning, are introduced with some flow charts. As an emphasis, the automatic metering program and the main content of communication protocol. Finally, system's measurement error and error compensation method are analyzed, and some measures of anti-interference are taken to improve system's reliability.
Generally, the study on this topic will improve the electric energy measurement and management to a high level, and it is worthy of generalization.
本文首先综述了电能表的发展和自动抄表系统的现状，并介绍了电能测量的基本原理，重点对∑-△A／D转换原理进行了分析。然后，论文对多用户电能表硬件电路的设计进行了阐述，包括电源电路、电能测量电路、存储器、时钟电路、显示器和键盘电路、译码电路以及用于电力线载波通信的发送、接收和耦合电路等。载波通信接口电路中选用了适合我国电网现状的由青岛东软公司开发的SSC16系列扩频收发芯片。在软件上，主要介绍了主程序和多用户电能脉冲的采集、复费率计量、最大需量计量、数据显示和键盘扫描等子程序，并绘制了其工作流程图。重点介绍了多用户表的自动抄表通信程序和通讯协议的内容。最后，文中论述了系统的测量误差和误差补偿方法，并对系统的抗干扰性的进行了分析与设计。
该课题的研究为电能计量和数据管理提供了一种新的技术手段。这种基于新技术而研制的具有电力线载波抄表功能的多用户复费率电能表，将以其较高的性价比而值得推广使用。
In accordance with the present situation of the main electricity measurement problems existing in the field where many power user are living together, such as residential area or student's apartment, a kind of multi-user electronic energy meter has been designed in this article. This electronic energy meter can detect the active amount of electricity of many users. Besides its wide measuring range, high precision, and low power, it can measure different electricity for each user in different time section which will improve the running efficiency of the electric net by adjusting the unbalance station of power consumption. Based on this meter, the automatic meter reading system adopts the low voltage power line to carry data.
At first, this paper summarizes the developing history and the present state of energy meter and automatic meter reading system, and introduces the basic theory of energy measurement. As an important part, the principle of 2 - A analog-to-digital conversion has been analyzed. Then, the circuits of this energy meter's hardware are illustrated in this paper, such as DC power supply, energy measurement circuit, extended memory circuit, real-time clock, extended display and keyboard circuit, and decoder circuit, etc. The receiving, transmitting and coupling circuits for power line carrier communication interface are designed by using the spread spectrum communication 1C of SSC16 series which are developed for China's electric net. On the software, the realization of the main program and the subprograms such as energy pulse acquisition, multi-rate measurement, max-power demand measurement, data dynamic display, and keyboard scanning, are introduced with some flow charts. As an emphasis, the automatic metering program and the main content of communication protocol. Finally, system's measurement error and error compensation method are analyzed, and some measures of anti-interference are taken to improve system's reliability.
Generally, the study on this topic will improve the electric energy measurement and management to a high level, and it is worthy of generalization.
引文
[1] 赵伟，吕鸿莉，郭蕴蛟．电子式电能表及其在现代用电管理中的应用．北京：中国电力出版社，1999，1-67
[2] 富致超，费宇航，高作石等．多用户组合式全电子新型单相电能表．电测与仪表，1995，32(12)：3-5
[3] 赵伟，庞海波，刘灿涛．电能表技术的发展历程．电测与仪表，1999，36(6)：4-7
[4] 郭松林，林海军，张礼勇．电子式电能表专用芯片的分类及原理．电测与仪表，2002，39(10)：5-7
[5] 刘健，倪建立，邓永辉．配电自动化系统．北京：中国水利水电出版社，1999，96-110
[6] 赵兴勇，马小丹，张惠生等．远程自动抄表系统研究．电力学报，2000，15(1)：34-36
[7] 何海波，周拥华．低压电力线载波通信研究与应用现状．继电器，2001，29(7)：12-16
[8] 缪晓波，李燕等．低压电网数据通信技术研究现状与展望．电力系统通信，2001，(3)：15-18
[9] 仪表技术编辑部．电子电能表与电能测量技术讲座(第一讲)电能表的工作原理．仪表技术，2002，(3)：44-45
[10] 邹德臣．用于功率测量时分割乘法器的型式及功率因数误差补偿的探讨．电测与仪表，1998，35(7)：3-7
[11] 郭松林，张礼勇，林海军．∑-△A／D转换器的原理及分析．电测与仪表，2002，39(11)：20-24
[12] 洪志良，王晓悦，李天望等．过取样∑-△A／D转换器．微电子学，1998，28(8)：265-271
[13] Rex T. Bsird, Fiez Terri. Stability analysis of high order Delta-Sigma modulation for ADC's. IEEE Transactions on Circuits and System, 1994, 4(1): 897-901
[14] 刘益成，罗维炳．信号处理与过采样转换器．北京：电子工业出版社，1997，50-82
[15] 何振亚．数字信号处理的理论与应用．北京：人民邮电出版社，1983，51-83
[16] 郑君里．信号与系统．北京：高等教育出版社，1997，125-152
[17] 程佩青．数字信号处理教程．北京：清华大学出版社，2001，334-388
[18] 李常波．电子电度表电源设计．电源技术应用，2003，(3)：15-18
[19] 杜志平，杨淑华，王学水．DDY-24型多用户电能表的研制．电测与仪表，1996，33(5)：3-5
[20] Analog Devices Incorporation. Data Sheet ADE7755. http://www.analog.com, 2002-03-25
[21] Analog Devices Incorporation. Application Note-AN559. http:/www.analog.com, 2002-03-25
[22] ATMEL Incorporation. Data Sheet AT89C52. http://www.atmel.com, 1999-09-12
[23] 李华，孙晓民，李红青等．MCS-51系列单片机实用接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999，195-199
[24] Xicor Incorporation. Data Sheet X1288 (Preliminary Information). http://www.xicor.com, 2003-05-06
[25] 何立民．I~2C总线应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1995，52-199
[26] 陆坤，奚大顺，李之权等．电子设计技术．成都：电子科技大学出版社，1998，195-431
[27] 李红．利用89C51设计双口通讯转换系统．仪器仪表与分析监测，2003，(1)：19-20，25
[28] 周航慈．单片机应用程序设计技术．北京：北京航空航天大学出版社，2002，1-85
[29] 张丽丽．多用户复费率电表及其远程抄表系统的设计：[山东科技大学硕士学位论文]，济南：山东科技大学，2002，50-51
[30] 刘君华．智能传感器系统．西安：西安电子科技大学出版社，1999，105-118
[31] Leeb G.A.User Interface for Home-net. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1994, 40(4): 897-902
[32] V.Taylor, M.Faulkner. Line Monitoring and Fault Location Using Spread Spectrum on Power Line Carrier. IEEE Transmission and Distribution, 1996, 143(3): 427-434
[33] 高锋，董亚波．低压电力线载波通信中信号传输特性分析．电力系统自动化，2000，(10)：36-40
[34] J.W.Hohn, J.A.Zipp, E.A.Baumgartner, et al. Power Line Carrier Practices and Experiences. IEEE Transactions on Power Delivery, 1995, 10(2): 639-646
[35] 孙辛茹，吴云峰，齐淑清．电力线通信(PLC)接入技术及各种接入方式的比较．电力系统通信，2002，(6)：14-17
[36] 查光明，熊贤祚．扩频通信．西安：西安电子科技大学出版社，1990，1-131
[37] P.K.Vander, Gracht, R.W.Donaldson. Communication Using Pseudo noise Nodulation on Electric Power Distribution Circuits. IEEE Trans. Commun., 1985,
9(33): 964-974
[38] Jia-Chin Lin. Differentially Coherent PN Code Acquisition With Full-Period Correlation in Chip-synchronous DS/SS Receivers. IEEE Trans. Commun., 2002, 50(5): 698-702
[39] M.H.Shwehdi, A.Z.Khan. A Power Line Data Communication Interface Using Spread Spectrum Technology in Home Automation. IEEE Transactions on Power Dilivery, 1996, 11(3): 1232-1237
[40] J.E.Newbury, K.J.Morris. Power Line Carrier System for Industrial Control Applications. IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(4): 1191-1196
[41] 青岛东软技术有限公司．PLCI36电力线载波扩频通信芯片．http://www.plcamr.com, 2003-02-14
[42] 王艳，刘素英，李玉忠．低压电力载波抄表系统．电力系统通信，2002，(5)：14-16
[43] Tian Yew Lim, Tat-Wai Chan. Experimenting Remote Kilowatthour Meter Reading Through Low-Voltage Power Lines at Dense Housing Estates. IEEE Trans. Power Delivery, 2002, 17(4): 708-711
[44] J.Newbury, W.Miller. Multiprotocol Routing for Automatic Remote Meter Reading Using Power Line Carrier System. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001, 16(1): 1-5
[45] 滕召胜，罗隆福，童调生．智能检测系统与数据融合．北京：机械工业出版社，2000，150-167
[46] 李名兆．计量仪表的抗干扰设计．计量技术，2001，(4)：34-35
[47] 徐瑞荣．印制板电路抗干扰设计．舰船电子对抗，2001，(4)：33-35
[48] 赵伟．以国际化视角制定电磁测量技术及仪器研发战略．电测与仪表，2003，40(1)：5-10，18
[49] 李治，黄璐，赵伟．利用其他领域成果推动自动抄表进步．电测与仪表，2001，38(11)：5-9，37
[2] 富致超，费宇航，高作石等．多用户组合式全电子新型单相电能表．电测与仪表，1995，32(12)：3-5
[3] 赵伟，庞海波，刘灿涛．电能表技术的发展历程．电测与仪表，1999，36(6)：4-7
[4] 郭松林，林海军，张礼勇．电子式电能表专用芯片的分类及原理．电测与仪表，2002，39(10)：5-7
[5] 刘健，倪建立，邓永辉．配电自动化系统．北京：中国水利水电出版社，1999，96-110
[6] 赵兴勇，马小丹，张惠生等．远程自动抄表系统研究．电力学报，2000，15(1)：34-36
[7] 何海波，周拥华．低压电力线载波通信研究与应用现状．继电器，2001，29(7)：12-16
[8] 缪晓波，李燕等．低压电网数据通信技术研究现状与展望．电力系统通信，2001，(3)：15-18
[9] 仪表技术编辑部．电子电能表与电能测量技术讲座(第一讲)电能表的工作原理．仪表技术，2002，(3)：44-45
[10] 邹德臣．用于功率测量时分割乘法器的型式及功率因数误差补偿的探讨．电测与仪表，1998，35(7)：3-7
[11] 郭松林，张礼勇，林海军．∑-△A／D转换器的原理及分析．电测与仪表，2002，39(11)：20-24
[12] 洪志良，王晓悦，李天望等．过取样∑-△A／D转换器．微电子学，1998，28(8)：265-271
[13] Rex T. Bsird, Fiez Terri. Stability analysis of high order Delta-Sigma modulation for ADC's. IEEE Transactions on Circuits and System, 1994, 4(1): 897-901
[14] 刘益成，罗维炳．信号处理与过采样转换器．北京：电子工业出版社，1997，50-82
[15] 何振亚．数字信号处理的理论与应用．北京：人民邮电出版社，1983，51-83
[16] 郑君里．信号与系统．北京：高等教育出版社，1997，125-152
[17] 程佩青．数字信号处理教程．北京：清华大学出版社，2001，334-388
[18] 李常波．电子电度表电源设计．电源技术应用，2003，(3)：15-18
[19] 杜志平，杨淑华，王学水．DDY-24型多用户电能表的研制．电测与仪表，1996，33(5)：3-5
[20] Analog Devices Incorporation. Data Sheet ADE7755. http://www.analog.com, 2002-03-25
[21] Analog Devices Incorporation. Application Note-AN559. http:/www.analog.com, 2002-03-25
[22] ATMEL Incorporation. Data Sheet AT89C52. http://www.atmel.com, 1999-09-12
[23] 李华，孙晓民，李红青等．MCS-51系列单片机实用接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999，195-199
[24] Xicor Incorporation. Data Sheet X1288 (Preliminary Information). http://www.xicor.com, 2003-05-06
[25] 何立民．I~2C总线应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1995，52-199
[26] 陆坤，奚大顺，李之权等．电子设计技术．成都：电子科技大学出版社，1998，195-431
[27] 李红．利用89C51设计双口通讯转换系统．仪器仪表与分析监测，2003，(1)：19-20，25
[28] 周航慈．单片机应用程序设计技术．北京：北京航空航天大学出版社，2002，1-85
[29] 张丽丽．多用户复费率电表及其远程抄表系统的设计：[山东科技大学硕士学位论文]，济南：山东科技大学，2002，50-51
[30] 刘君华．智能传感器系统．西安：西安电子科技大学出版社，1999，105-118
[31] Leeb G.A.User Interface for Home-net. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1994, 40(4): 897-902
[32] V.Taylor, M.Faulkner. Line Monitoring and Fault Location Using Spread Spectrum on Power Line Carrier. IEEE Transmission and Distribution, 1996, 143(3): 427-434
[33] 高锋，董亚波．低压电力线载波通信中信号传输特性分析．电力系统自动化，2000，(10)：36-40
[34] J.W.Hohn, J.A.Zipp, E.A.Baumgartner, et al. Power Line Carrier Practices and Experiences. IEEE Transactions on Power Delivery, 1995, 10(2): 639-646
[35] 孙辛茹，吴云峰，齐淑清．电力线通信(PLC)接入技术及各种接入方式的比较．电力系统通信，2002，(6)：14-17
[36] 查光明，熊贤祚．扩频通信．西安：西安电子科技大学出版社，1990，1-131
[37] P.K.Vander, Gracht, R.W.Donaldson. Communication Using Pseudo noise Nodulation on Electric Power Distribution Circuits. IEEE Trans. Commun., 1985,
9(33): 964-974
[38] Jia-Chin Lin. Differentially Coherent PN Code Acquisition With Full-Period Correlation in Chip-synchronous DS/SS Receivers. IEEE Trans. Commun., 2002, 50(5): 698-702
[39] M.H.Shwehdi, A.Z.Khan. A Power Line Data Communication Interface Using Spread Spectrum Technology in Home Automation. IEEE Transactions on Power Dilivery, 1996, 11(3): 1232-1237
[40] J.E.Newbury, K.J.Morris. Power Line Carrier System for Industrial Control Applications. IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(4): 1191-1196
[41] 青岛东软技术有限公司．PLCI36电力线载波扩频通信芯片．http://www.plcamr.com, 2003-02-14
[42] 王艳，刘素英，李玉忠．低压电力载波抄表系统．电力系统通信，2002，(5)：14-16
[43] Tian Yew Lim, Tat-Wai Chan. Experimenting Remote Kilowatthour Meter Reading Through Low-Voltage Power Lines at Dense Housing Estates. IEEE Trans. Power Delivery, 2002, 17(4): 708-711
[44] J.Newbury, W.Miller. Multiprotocol Routing for Automatic Remote Meter Reading Using Power Line Carrier System. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001, 16(1): 1-5
[45] 滕召胜，罗隆福，童调生．智能检测系统与数据融合．北京：机械工业出版社，2000，150-167
[46] 李名兆．计量仪表的抗干扰设计．计量技术，2001，(4)：34-35
[47] 徐瑞荣．印制板电路抗干扰设计．舰船电子对抗，2001，(4)：33-35
[48] 赵伟．以国际化视角制定电磁测量技术及仪器研发战略．电测与仪表，2003，40(1)：5-10，18
[49] 李治，黄璐，赵伟．利用其他领域成果推动自动抄表进步．电测与仪表，2001，38(11)：5-9，37