多功能智能电表的设计与研究

摘要

随着技术水平的不断发展,电力市场化改革不断深化,电力网络系统与电网用户之间的关系越来越紧密,用户对电能质量水平的要求越来越高,分布式发电资源不断增加,可再生能源的数量已经越来越多,现有的电力网络已无法满足如此多的发展要求。智能电网(smart grid)的概念应运而生。智能电网是未来电网的发展趋势,即以电力系统为对象,通过数字信息技术和自动控制技术,从发电、配电、输电、储能,用电所有环节形成信息的双向交流,系统地优化了电力的生产、输送和使用。
　　在智能电网的构建中,智能电表是一个十分重要的环节,是数据采集的基本设备之一,是智能电网的数据采集终端,智能电表不但能采集原始数据,还能实时显示用电量与电价,使供电部门与用户进行双向信息交互。
　　本文主要对将在智能电网下运行的多功能智能电表进行设计,主要工作包括以下几点:1、总体方案的设计针对智能电网下用户对智能电表的要求,分析智能电表的特点,大致确定智能电表总体的结构设计方案。2、智能电表硬件与软件设计根据总体方案,详细设计了智能电表的硬件与软件部分。根据实时性和效率性等要求,采用了双CPU的结构方案即DSP+MCU的方案。由DSP进行数据的运算,MCU进行数据的管理,即实现保存,显示,发送等功能。软件部分主要针对电能计量的软件设计。主要通过FFT实现电能计量,由于DSP都自带各自的FFT算法程序,所以大大节省了工作量。3、实验结果误差分析首先简述了误差的分类,误差的产生,分析了实验仪器的理论精度。其次根据实验结果,分析误差产生的原因。由于FFT是离散采样的方式,会产生频谱泄漏和栅栏效应,针对这2点对FFT算法进行改进,采用加窗插值的方法对结果进行补偿。最后经检验,结果满足设计要求。4、无线抄表系统的设计简单介绍了无线抄表系统的结构,数据的传送方式,以及硬件结构设计与软件流程。本文的研究结果表明,加窗插值的方法能很好的减小栅栏效应对谐波电量测量结果的影响,各项指标都能满足设计要求,DSP+MCU的结构将被广泛应用于实时测量仪表中去。

目录

摘要

Abstract

目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.1.1 智能电网的发展

1.2 智能电表研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 课题研究意义

1.4 课题的主要工作

第2章 总体设计方案

2.1 设计思想

2.2 总体设计框图

2.3 本章小结

第3章 电能表谐波电能计量的理论基础

3.1 傅立叶变换原理

3.2 离散傅立叶变换(DFT)

3.3 快速傅立叶变换(FFT)

3.4 谐波功率计算

3.5 本章小结

第4章 系统的硬件设计

4.1 硬件系统总体方案设计

4.2 前置电路

4.3 采样部分

4.3.1 A/D转换器的选取

4.3.2 A/D转换芯片

4.4 数据处理单元(DSP)

4.5 数据管理单元

4.5.1 MCU的选择

4.5.2 MCU与DSP的数据通信

4.5.3 复位电路设计

4.5.4 存储器部分

4.6 按键显示接口

4.7 本章小结

第5章 软件设计

5.1 系统软件的总体设计

5.1.1 DSP与MCU接口的软件设计

5.2 DSP计量单元的软件设计

5.2.1 主程序的设计

5.2.2 数据采集程序设计

5.2.3 FFT算法流程

5.2.4 功率电能计算软件设计

5.3 MCU管理部分的软件设计

5.3.1 主程序流程

5.3.2 上电初始化流程

5.3.3 电量累加处理部分

5.4 软件抗干扰设计

5.5 本章小结

第6章 仿真试验误差分析

6.1 误差定义与精度等级划分

6.1.1 测量误差的分类

6.1.2 误差的定义

6.1.3 系统误差评估

6.2 实验装置的理论精度

6.3 仿真实验方法及结果

6.4 FFT算法问题与解决办法

6.5 本章小结

第7章 集抄系统的设计

7.1 集抄系统的作用

7.2 集抄系统的构成

7.3 AMR的基本传输方式

7.3.1 PLC-电力线载波(Power line Communication)

7.3.2 GPRS-通用无线分组业务(General Packet Radio Service)

7.3.3 HFC-Hybrid Fiber-Coaxial

7.4 采集终端通讯系统硬件设计

7.5 采集终端的软件设计

7.5.1 《多功能电能表通信规约》(DL/T645-1997)

7.5.2 采集终端软件流程及工作过程

7.6 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 工作总结

8.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录A

附录B