载波通信对智能电能表计量误差影响研究（可编辑）

载波通信对智能电能计量误差影响研究（可编辑） 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 日期: 竺三: 二 作者签名:叠选蛆 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的 全部 或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学 位论文。 保密论文注释:本学位论文属于保密范围,在二年解密后适用本 授 权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权 书。 日期: 作者签名:盈盘姐 圣竺乜:曼三 导师签名:量塑 日期:学位论文数据集 . 中图分类号 学科分类号密 级 公开 论文编号 学位授予单位名称 北京化工大学 学位授予单位代码 作者姓名 邵海明 学 号 获学位专业名称 控制工程 获学位专业代码 课题来源 其他项目 研究方向 智能电网 论文题目 载波通信对智能电能表计量精度影响的研究 关键词 载波通信,智能电表,计量精度,隔离衰减 .. 论文答辩日期 ?论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位 学科专长 指导教师 王学伟 教授 北京化工大学 智能仪器仪表 评阅人 赵瑞莲 教授 北京化工大学 软件测试与可靠性 评阅人 谢晓明 副教授 北京化工大学 移动通信和宽带通信 评阅人 评阅人 评阅人 徽员会揣 赵众 教授 北京化工大学 工业控制系统 答辩委员 赵瑞莲 教授 北京化工大学 软件测试与可靠性 答辩委员 祝海江 副教授 北京化工大学 视觉信号处理与检测 答辩委员 张帆 副教授 北京化工大学 雷达和高性能计算 答辩委员 谢晓明 副教授 北京化工大学 移动通信和宽带通信 答辩委员 注:一.论文类型:.基础研究.应用研究.开发研究.其它 二.中图分类号在《中国图书资料分类法》查询。 三.学科分类号在中华人民共和国国家/ ?《学科分类与代码》中 查询。 四.论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。摘要 载波通信对智能电能表计量误差影响的研究 摘要 随着我国智能电网的不断发展,用户对智能电网的要求不断提高。智 能电网中远程抄表系统能够解放大量人力、节约成本,大大提高电网的智 能化和自动化水平。在各种远程抄表的实现方式中,低压电力线载波通信 技术表现出了独特的优势:它的传输介质是目前存在的电力线网络,将载 波信号叠加到电力线上来传输数据,这既让通信网络覆盖到每一个角落, 又充分利用了现有的低压配电网络,节约了信道铺设的费用,具有非常广 阔的应用前景。目前具有载波通信功能的智能电能表已经得到国家电刚公 司的大力推广,但是相关的技术标准中只是定性地规定了智能电能表在载 波通信状态下能够正确计量,并且不影响表内存储的数据,在电磁兼容性 方面作出了对电磁干扰的抗扰度和无线电干扰抑制的规定,都没有明确提 出载波通信对智能电能表计量误差影响的具体实验方法和合理的误差范 围。本文针对以上存在的问题,展开了理论和实验方法的研究。 本文首先介绍了选题的背景和意义、低压电力线载波通信技术和智能 电能表的发展现况,同时通过对相关标准和规范的分析,阐明了载波通信 对智能电能表误差的影响是亟需明确的问题。提出了本文的主要研究内容 和主要创新点。 其次,结合智能电能表的计量原理和载波信号的高频特性,理论上分 析了载波信号对智能电能表采样的影响。研发了电压电流回路载 波隔离衰北京化工大学硕士学位论文 减装置,研究工作主要包括装置总体结构的设计、主控电路板的软件硬件 设计、装置程控化设计和脉冲光电隔离设计,并通过验证实验证明装置 能够达到设计指标。 最后,在电压电流回路载波隔离衰减装置的基础上构建了载波通信对 智能电能表计量误差影响的检测系统,完成了载波通信对智能电能表计量 误差影响的实验。通过实验数据的分析,明确了载波通信造成的智能电能 表误差的范围,为提高智能电能表的整体性能提出了建议。 本文的研究明确了载波信号在智能电能表的计量过程中产生的误差, 并给出了试验方法,为改善低压电力线载波通信的整体性能和提高智能电 能表计量的精确性提供了技术支持,有助于载波通信技术在智能电网中的 运用和推广。 关键词:载波通信, 智能电能表,计量误差,隔离衰减, . , , . , .. . . ,, .. 北京化工大学硕二学位论文 . .,, ’ . . ,? . .: , , ..?, ., , .,. ,? . . : , 北京化丁大学硕‘:学位论文 目录 目录 第一章绪论.选题的背景与意义??.. .低压电力线载波通信技术的发展历程和现今状况?.. .电能计量误差概述??.. .本文的主要研究内容?.. .本文的创新点?.. 第二章载波通信对智能电能表计量误差影响的理论分析? .电能计量原理?.. .载波信号影响电能表计量误差分析?.. .本章小结 第三章电压电流回路载波隔离衰减装置的硬件设计?.. .电压电流回路载波隔离衰减装置的总体设计 .电压电流回路载波隔离衰减装置的结构设计 ..装置的前面板设计?. ..装置的后面板设计?. .电压电流回路载波隔离衰减装置主控电路板硬件设计..中央处 理器设计??.. ..系统电源设计?.....看门狗电路设计??. ..脉冲整形电路设计?. ..液晶显示设计. ..阻抗输出控制电路设计??.. ..串口通信电平转换电路设计.. .装置的远程控制设计? 北京化工大学顾::学位论文 .脉冲信号的隔离传输设计??. .装置的检测验收 .本章小结 第四章电压电流回路载波隔离衰减装置的软件设计?.. .电压电流回路载波隔离衰减装置软件总体设计.系统初始化程 序设计? .串口接收程序设计.液晶显示程序设计.阻抗输出控制程序设计 .本章小结. 第五章载波通信对智能电能表计量误差影响检测系统? .检测系统构建? .检测实验及数据分析? ..载波通信调制方式分析??. ..实验数据及分析??. .本章小结 第六章结论与展望 .结论.. .展望参考文献致谢??. 研究成果及发表的学术论文??. 作者与导师简介??..?..?...?...??.?.?..?.?...? .... ...................... ..?......??.?.?...?.. . .... ?.? .??... . . ....??. . ... ..??.... .... .. ....?.....?.......??.....?.....??......?....??......?.. ..? .. ?.?..??..??....??..??.......?.?.... ..? ..??。... ..?... ??:??斗 ..?/ .一. . 】 .斗. ....??斗 .‘。 ... .?.....?.?..?.?.?...?.??.. ..?.??...... 北京化工大学硕士学位论文 铕一章绪论 第一章绪论 .选题的背景与意义 随着我国社会经济和科学技术的不断发剧?,用户对智能电网的要求不断提高。 国家电网公司也积极探索新技术在电网上的应用,并且积极转变发展方式,提出了建 设智能电网的理念【。目前,国家电网公司正在大力建设的电力用电信息采集系统就 是建设智能电网的具体实施工程。国家电网公司已经把低压电力线载波通信技术作为 电力用电信息采集系统建设的主要通信方式之一,在远程抄表系统中大力推广。 ,通信是利用现有的低压电力 低压电力线载波. 线/电力线作为传输媒介进行数据和语音信号交换的一种通信方式【’。低压 电力线载波通信技术是在智能电网中采用的一种本地通信方式,可以很好地实现系统 信息的采集、指令下发、实时监控、计量监测等各种功能,在集中器和智能电能表之 间的低压电力线形成的信道上,传输用户用电的各种信息。它利用现在已经铺设好的 电力线网络来传输信号,在进行数据传输时,首先将用户需要传输的数据调制到较高 的频率范围上,一般在至之间【,】,然后利用现有电力线进行传输。在 数据接收端先经过滤波后,获得相应频段的信号,再将高频信号解调出来,就能重构 出可以利用的原始信号。它是在现有电力线网络的基础上发展起来的,现有的电力线 网络是覆盖面最广的网络,几乎能覆盖到每家每户,能够节省大量的布线资源。低压 电力线网络的这些优点受到了广泛关注,未来在家用电器的自动化远程控制等领域的 应用前景十分广阔,能预计产生比较好的经济效益,甚至能够逐步改变人们的生活方 式,具有很大的推广价值。越来越多的研究者正在致力于低压电力线网络的应用研究, 研究中的一个重要问题就是如何在不影响原来用电器的基础上扩大低压电力线载波 通信的应用领域。 智能电能表已在世界主要国家广泛地应用,但是由于智能电能表还是一个比较新 的概念,有关于智能电能表的相关标准和规范还不是非常完善。 在国网公司用电信息 采集系统建设的过程中,智能电能表在实际安装和使用过程中都不同程度地出现了一 些问题。在低压电力线上附加载波信号后,会不会对智能电能表的计量产生影响,产 生影响的原因是什么,我们该怎么避免这种影响,这些问题在目前的相关技术标准中 都没有给出。这些问题的存在,严重影响了载波智能电能表在用户中的声誉,并且受 到越来越多用户的关注,因此载波通信对爷能电能表计量误差是否造成影响以及造成 的误差能否可以忽略不汁成为了亟待解决的问题。本课题可以明确载波信号在智能电 能表的计量过程中产生的洪差,用实验数据来证明载波通信对智能电能表的计量误差北京化工大学硕;:学位论文 有没有影响,从而可以弥补相关标准和规范的不足,推动载波通信技术的发展。 .低压电力线载波通信技术的发展历程和现今状况 国外在利用电力线进行通信方面的研究起步很早,在一百多年前就开始了研究, 早在 年埃德华戴维就在伦敦利物浦利用此项技术来检测无人区的电 压情况【。 上个世纪二十年代的时候,国外的一些著名公司和科研机构开始了对这项技术的深入 研究。西门子公司在年首先建立了用于低压配电网络和传输媒介的波纹载波系 统系统【。从上个世纪五十年代起,开始逐步应用到高压输电网络中,并逐 步从模拟模式发展到数字模式。年到年期间,美国的 和 发明了电力线载波通信的集成电路。德国的 公司在年初推出了 他们的电力线通讯上网、电力线通讯学校上网和智能家庭自动化等三项业务,并推出 了相应的产品【。目前,国外的各大公司和科研机构在载波通信领域的研究工作主要 包括:电力线载波通信原理的研究、电力线载波通信信道特性的研究和建模、电力线 载波通信技术的研究和改进、电力线载波通信技术的相关标准的建立、电力线载 。 波通信的应用推广等【 我们国内的电力线载波技术起步比国外晚很多,但是发展速度非常快,在 年,中国电力科学研究院展开了载波通信的研究【,国内的科研机构和各大高校的 实验室起初是通过引进国外的核,芯片进行功能的扩展研究和开发, 结合我国的实 际情况和电力线的信道特点逐渐展开了适合国内使用的芯片和设备的研发。近十几年 来取得了可喜的成果,由于电力线网络几乎能覆盖的每家每户,不用占用无线资源节 约成本,我国人:众多,应用市场比国外要大的多,在这些优势条件下,近年来我国 的低压电力线载波通信技术发展发展迅猛,目前在世界上已经处于领先地位,无论技 术设备的研发还是应用市场,我国目前都具有很大优势。 根据不同电力线上电压的高低,可以把电力线载波通信技术分为三个大类:电压 高于的叫做高压电力线载波通信、电压在至之间的叫做中压电力线 载波通信技术、电压在以下的叫做低压电力线载波通信】。与低压电力线载波 通信技术相比,高压和中压电力线载波通信技术速率比较低,传输成本较高,而且传 输容量相对较小,因此当前的研究都集中在低压电力线载波通信 技术上。 伴随着我国经济建设的快速增长,使用电能表的数目迅速膨胀,而且随着阶梯电 价的推行,抄表和计费的工作量大增,单纯地依靠以前的人工抄表计费已经变得非常 困难。利用低压电力线载波通信技术的自动抄表系统很好地解决了这一难题,利用原 来的乜/线网络,不需要铺没新的传输介质,在计算机的控制下,可以在短时问内完 成对海量数据的处理和计算,省去了大量的人工。同时,自动抄表系统能实现双工通 信,非常容易地做到.用户用电情况的监控和欠费断电的功能【】。自动抄表系统作为低压电力线载波通信在国内的主要应用领域之一,得到了国家电网公司的大力支持 和推广,现在已经作为国家电网电力用电信息采集系统的最主要的通信方式。 .电能计量误差概述 电能计量是关系到供电单位和电能用户之间经济利益的重要一环,计量结果是双 方结算的最基本依据。电能计量中最关键的是电能表,电能表的发展从十九世纪七十 年代末开始的,经过制造原理和计量技术的不断发展,经历了感 应式电能表、机电式 电能表、电子式电能表,一直发展到今天的智能电能表【】。感应式电能表是从二十世 纪三十年代开始应用到电能计量领域的,其特点是:价格便宜、制作简单,但是却存 在体积大、功能单一、计量误差较大的缺点。随着电子技术的发展和对需求的增长, 在二十世纪中期出现了机电式电能表,计量精度大幅度提高,并且具有与外界通信的 功能。机电式电能表的计量准确度一般为.级和.级,但是防窃电能力较差?引。 电子式电能表的出现,进一步提高了电能的计量精度,并且大大提高了电能表的防窃 电能力。在各式各样的电子式电能表中,根据不同的需求又具有不同的功能:电子式 无功电能表、电能表、电子式复费率电能表、无线通信电能表等。 在年,华东电网公司开启了我国建设智能电网的可行性研究项目,我国的 智能电网建设也正式开启【刚。从此,智能电能表不再是单纯的计量终端,而是向着智 能化、多元化和系统化的方向发展。除了具有传统的电能计量功能外,还具有了对电 能的实时监控、电能信息的存储和处理以及远程通信等功能。随着国家相关标准和规 范的出台,对智能电能表的技术指标、电气特性以及可靠性和抗干扰能力都做出了详 细的要求。 影响电能表计量精度的因素主要有以下几个:互感器误差、二次降压引起的误差 和电能表选型不当引起的误差。电能流经互感器时,要损耗一部分电能进行励磁,使 互感器工作在最佳状态时,可以减小这部分误差。电压互感器的二次回路中一部分元 器件造成电压损耗,减小了电压互感器的输出电压值,造成了电能计量的误差。电能 表的量程选择过大或者过小都可以引起电能表计量的误差。目前关于电能表误差的研 究也都是针对这几个方面来展开的。 载波智能电能表评价的实验方法都是根据标准制定的,包括:基本误差、气 候、运输、影响量和几个大项【?,每个大项的都规定了具体的实验方法和能否 达到合格的指标。但是这几个大项中,都没有提及载波通信对载波智能电能表计量误 差影响的实验方法和具体指标,因此就存在着载波通信能不能影响智能电能表的计量 误差的问题。而且目前没有专门用于载波通信对智能电能表汁量误差影响检测的实验 设备,在硬件条件上限制了这方面的研究。 目前在电能表检定方面常用的国际和国内标准、国家标准和检定规程中,在北京化工大学硕士学位论文 电磁兼容性方面做出了相关规定,也包含了一些关于谐波条件下的检定和实验方法, 但是还没有给出载波通信对计量误差影响的检定实验方法。国家电网公司《级三相 费控智能电能表载波技术规范》和《单相智能电能表技术规范》中对利用载波完 成自动抄表的规定描述为“使电能表处于连续通信状态,电能表能下确计量,且表内 存储的计量数据和参数不应受到影响和改变”,但是没有提出明确的实验考核方法。 相关电磁兼容方面的实验也没有针对载波通信信号的特点设置专门的测试项卧】。依 据/?进行电能数据抄读总差错率实验中,对智能电能表数据抄读差错率 进行考核时仅是比对主站数据与电能表数据是否一致,对于电能 表的计量误差受载波 通信的影响没有给出明确的标准,在目前的设备条件下,也没有专门来完成智能电能 表的载波通信计量误差影响检测的实验。 .本文的主要研究内容 针对智能电能表的载波通信能否对计量误差产生影响的问题,本课题的研究内容 如下: 研究了智能电能表的工作原理和载波信号的特性,当载波频率和计量芯片采 样率满足一定数学关系时高频载波信号被低频采样率进行采样后频率会降低,讨论了 对电能表计量误差产生影响的情况。 研制了电压电流回路载波隔离衰减装置,在标准功率源和被测智能电能表之 间实现对载波信号的有效隔离。研究工作主要包括:装置的结构设计、主控电路板的 硬件和软件设计、装置的控制方式设计。 构建智能电能表的载波通信计量误差影响检测系统。系统由电压电流回路载 波隔离衰减装置、电压电流源和标准表、脉冲隔离模块以及载波模拟模块组成,实现 载波通信对计量误差影响的检测。 利用计量误差检测系统,完成智能电能表的载波通信计量误差影响检测的实 验,通过对典型智能电能表的检测,收集了大量误差数据。 .本文的创新点 通过对已经发表的相关文献、专利和科研成果的对比分析后,总结出本文的主要 创新点如下: 研发了电压电流回路载波隔离衰减装置,能够有效地实现对高频信号的隔离衰 减作用,并且能够输出不同频率下的不同阻抗,能够通过本地控制方式和远程控制方 第一章绪论 式实现对装置的控制。装置通过冀北电科院计量中心的验收,各项指标达到设计要求。 构建了智能电能表的载波通信计量误差影响检测系统,系统包括电压电流源、 标准表、电压电流回路载波隔离衰减装置、脉冲隔离模块,完成了载波通信对智能电 能表计量误差影响的检测实验。北京化人学颂,:学位论文 第一二章载波通信对智能电能表计量误差影响的理论分析 第二章载波通信对智能电能表计量误差影响的理论分析 .电能计量原理 通过已有的电路理论知识可知,功率的计算公式为: “砸 其中“为电压信号,砸为电流信号。 在实际应用中,智能电能表首先通过计量芯片的转换通道,将模 拟信号转换 成数字信号, 一般情况下转换器的采样频率远大于工频信号的 频率。采样后的 电压信号和电流信号为: “气。? 讹,。女一缈 其中。为采样时刻,,?,在玖时刻的瞬时功率为: ? 女 假设在一个工频周期内的采样点数为玎,则功率的平均值为: 二““?“靠气?“。。 协, 将纯 在一个工频周期内消耗的电能为平均功率与时间的乘积,假设转 换器的采样 间隔为?女,则工频周期与采样间隔间的关系为:。所以,一个周 期内的电能计算公式为: 摅?‖瓴卜?。讹。垃 由电能的离散计算方法式可以看出,只要将智能能表采样获得的压 电流的瞬时值相乘,再乘以采样的时问间隔,求出累积和,就能得到在一段时间内消 耗的电量。典型的智能电能表的信号采集测量方法过程如图一所示【。北京化.丁人学硕二学位论文 立辛孽泉删值 塑望鎏鲨卜呻滴丫 值 图智能电能表计量原理图 .? 在智能电能表计量芯片的信号采集中,电压电流信号在采样芯片前会经过一个 低通滤波器,经过采样后的信号在芯片内会经过滤波器、高通滤波器、偏 置调整和增益调整,消除噪声干扰和直流分量后,再将电压和电流的采样值进行相乘, 计算出瞬时功率值,再经过积分后计算出电能值。智能电能表计量芯片的信号采集电 路如图.所示【。 图智能电能表信号采集电路图.第二章载波通信对智能电能表计 量误差影响的理论分析 智能电能表的信号采集分为电压信号采集和电流信号采集两部分,电压信号采集 是使用电阻分压的原理,将高电压进行降压,得到需要的电压信号再进行采样,在图 .中计量芯片的和完成电压信号采集。电流信号采集又分为火线电流信 号采集和零线电流信号采集,火线电流信号采集利用锰铜分流电阻进行,将电流信号 转换成电压信号再进行采集,图.中计量芯片的和完成火线电流信号采 集。零线电流信号采集是利用电流互感器进行的,目的是提高智能电能表的防窃电功 能,图.中计量芯片的和来完成零线电流信号采集。 .载波信号影响电能表计量误差分析 当工频信号上叠加载波信号时,载波信号也会被计量芯片采样,一般情况下载波 信号频率远大于采样频率,就相当于用一个低频的采样率对高频信号进行采样,所以 要对载波信号的采样进行分析。假设载波信号的电压电流分别为【】: “。。 ,。。。,一缈 ? 其中五为载波信号的频率,一般情况下载波频率远大于采样频率,载波频率和采样频 率的关系写成: 六×正,.× 其中,为采样的频率,为整数,一.?,.?.,所以采样的时间间隔为『缓,那 么在一个周期内的采样时刻就是坳七、,、?,则电压的采样表达式为: . “。心、。。。× 将载波频率和采样频率的关系式.带入式.得: 。。。×『 文,。【叫×六竹堋×砉】 圳一撇碱×妻 ? 因为和都是整数,根据三角函数关系,式 化为: 吆以圳。。碱×参北京化人学硕:学位论文 这是载波信号经过采样后形成的信号表达式。在式.中,坝是表示采样 点的时刻,表示时间的值,那么绣就表示采样后形成的信号的频率值。 同理,载波的电流信号经过采样后形成的信号为: 厶 。气『。×?一妒 由式.可以看出,电流经过采样后的频率也是绣。 下面根据的值来讨论载波信号被采样后形成信号的波形。当,.?.时,高 频载波信号被采样成频率为须的信号的过程用图.表示。当一.?,.时,高频 载波信号被采样成频率为旗的信号的过程用图.表示。 载波信号 采样后 图载波信号的第一种采样过程 ..? ...。 \ \ \ , \ \ / \ 载波信号???? 采样后 图载波信号的第二种采样过程 ..? 在图.中,高频的载波信号被转换芯片采样,图中列出了三个采样点为例, 一般载波信号?的频率远高丁采样频牢,后一‘个采样点在载波周期中的相对相位偏大一 点,以此类推,被采样后的点就会形成一个较低频率的信号。在图?中,形成新信 号的过程与图.中类似,只是后个采样点在载波周期中相对相位偏小一点,形成 ’ 一.一?? 第三至垫鲨望笪翌塑堡堕查.:至.堡茎墅堕堕型堡坌塑 信号的过程类似。以载波频率,电能表采样频率.为例进行分析。此时 六,丘.,写成式?的形式:六六 此时,采样后的信号频率应为机,将采样后的信号与工频信号的对比仿真如 图.所示。 图.载波信号仿真图 . 由图.可以看出,采样后的载波信号频率为工频信号的十倍,采样后的信号出 现了微小的畸变,不是规则的正弦信号。当载波频率被采样后的信号频率为时, 利用相同的算法可以推出在.采样率下,此时的载波频率应为.。利用 ..,厂.进行的仿真如图所示,可以看出,此时载波信号被 采样后的信号与工频信号的频率相同,而且采样后的信号是标准正弦信号,没有发生 畸变。从这两个仿真可知,式.和式.中,的值在附近的时候,采样 形成的信号频率是正弦信号,当采样后形成的信号频率过大时,信号就会出现畸变, ,.的值越大,畸变越严重。北京化二人学硕.:学位论文 硒瓦?一一?????一一一?焉瑟;;夏羹戛蓟 ~ 。。 。蔷 ;:』。,;矗?莶;;送茹:。?汹;。;日;; ‘ 图载波信号.仿真图 . . 载波信号的频率在.之间,而智能电能表采样前的滤波器截止 频率一般在左右【。。所以载波的电压和电流信号在经过智能电能表采样前的 滤波器后,会被大幅度削弱,但还是会有被消弱后的载波信号进入采样过程。 当载波信号频率为采样频率的整数倍即时,载波信号被采样成一个直流量, 叠加在工频信号上,由图.可知在后续的去直流滤波器中会被滤除掉,对智能电能 表的计量不会产生影响。当矿的值远大于工频值时,采样后的载 波信号在经过低通 滤波器后会被大大削弱,对智能电能表的计量也不会产生明显影响。但是,当采样后 的载波信号频率矿的值接近工频信号的频率时,就不会被后面的低通滤波器和去直 流滤波器滤除,这样就会对智能电能表的计量造成明显影响,此时智能电能表计量的 电能是将被滤波后的载波信号也计算在内的,影响电能表的计量误差。所以,经过采 样后的高频载波信号所形成的新信号频率在附近时,对智能电能表的计量误差 造成最大的影响。但值得注意的一点是,载波信号被采样前会经过低通滤波器,本身 幅度已经被大大削弱。所以在后续的采样和计量过程中,载波信号产生的影响具体有 多大,是否会使智能电能表计量误差超过标准要求范围,都得经过后续的检测系统实 验后给出结果。第二章载波通信对智能电能表计量误差影响的理论分析 .本章小结 本章首先分析了智能电能表对电能的计量过程,然后分析了高频载波信号被较低 采样率采样的过程,从数学分析上发现当载波频率和采样频率满足~定关系的时候, 高频载波信号被较低采样率采样后会形成较低频率的信号。当形成信号的频率在工频 附近时,与电能信号叠加在一起,在智能电能表计量过程中的滤波处理中不会 被滤除掉,就可能会对智能电能表的计量误差产生影响。但是在计量芯片采样前,信 号会先经过低通滤波器的处理,经过处理后信号中的高频载波信号会大幅削弱。 所以,载波信号是否会使计量误差超过标准范围还需要通过检测实验来进一步验证。北京化工火学硕::学位论义北京化。人学颂.:学逝论文 在电压电流的隔离方案中,核心部分是高频阻波器,高频阻波器是由绕有线圈的 铁芯制作而成,每个铁芯的两侧分别绕有线圈。高频阻波器的特性是在低频时阻抗很 小,在高频时阻抗很大,接近断路状态。电压电流的输入端和输出端分别如图.所 示的接法。阻波器起到隔离高频载波信号的作用,每电流的火线和零线各自通过 铁心两侧的线圈。左侧加入工频电流源,在工频条件下,电流能正 常通过线圈。 高频载波信号都在以上,在这个频率下的信号会大幅衰减,以此来实现载波 信号的隔离。 电压电流回路载波隔离衰减装置,其基本结构包括高频阻波器、载波负荷阻抗输 出模块、电压电流输入输出接口、抄控器接口和脉冲隔离模块组成,具体链接方式如 图.所示。 在装置的设计中,如图.所示每个线圈左侧的两端分别接在三相的电压电流源 上,工频电压和电流能够通过线圈,到达右侧的电压和电流输出端,再接到被测表上。 载波信号从抄控器接口接到电压输出端,高频的载波信号被阻波器大幅衰减,被隔离 在被测表一侧。在这种情况下,通过比较被测表和标准表的测量值计算出被测表的计 量误差,对:入载波前后被测表误差的变化,得出载波通信对智能电能表计量误差 影响的确定量。 高频载波信号的流向如图.中箭头所示,以相为例子,其他两相与相完 全相同。载波回路从电压相火线开始,到阻波器后被隔离,转向电流相火线, 在经过电流回路后被阻波器隔离,然后经过装置中阻抗输出模块的相输出,回到电 压回路的零线。形成一个完整的载波回路,这个回路由于阻波器的隔离只在被测表一 侧,不会影响标准表。装置中的阻抗输出模块能够控制输出不同频率下的不同阻抗值, 用来给载波回路设置不同的负载值,模块中由单片机作为中央处理器,通过装置 上的按键或者串口命令来控制输出不同频率下的阻抗值,并在液晶显示屏上显示当前 输出的频率和阻抗值。 .电压电流回路载波隔离衰减装置的结构设计 根据载波隔离衰减装置的功能设计要求,需要对装置外壳的前后面板面膜进行设 计和制作;根据装置内部需要固定的部件,需要设计外壳底板打孔位置。利用 软件画出设计图纸,然后对前后面板、前后面膜和底板进行了加工。 ..装置的前面板设计 根据装置功能要求,前面板需要制作出液晶显示屏的固定位置、 按键排线过.、 脉冲指示灯过孔和开关过孔。设计如图.所示,图中左侧为液晶显示屏的位置,有第三章电压电流回路载波隔离衰减装置的硬件设计 四个固定孔柬固定液晶显示屏。中间有按键排线的过孔,用于将按键的信号排线接入 装置内部。右侧分别是脉冲指示灯和开关的过孔。在前面板上需要覆盖一层带按键的 面膜,前面板设计完成后的效果如图.所示。 蝽埤指示 电源 。。 。。灞麓鍪圈? 开?关 电压电流回路载波隔离褒减装置 图外壳前面膜设计图 . 在图.中,液晶显示屏下方是装置的名称:电压电流回路载波隔离衰减 装置。按键分为两组,频率选择按键和阻抗选择按键,在前面膜的按键位置内嵌电路, 当按下按键的时候,信号通过排线送出,装置内部通过排线信号来识别按下的按键, 内嵌的按键识别电路如图.所示。 在图.中,按键的信号排线共有九根,其中一根是八个按键的公共 线,在装置 内部接地,其他八根线分别从八个按键的另外一端引出。当有按键按下时,使该按键 的信号线与公共地线接通,装置内部通过扫描信号线是否接地来识别按下的按键。 图按键电路图. ?北京化丁人学硕:学位论文 ..装置的后面板设计 根据装置的功能要求,需要在装置后面板上设置接线端子、乜能表脉冲的输入输 出端口、串行通信接口和电源接口。后面板与前面板的设计基本类似,但是后面板上 没有按键,因此不需要内嵌按键电路。后面板的设计分为面板和面膜两部分,在面板 上打孔,然后根据各个孔的功能,设计制作面膜贴在面板上,标明各个接口和端子的 功能。后面板设计效果如图?所示。 口 电源图.后面膜没计图 . 在后面板的设计中,左侧上方为串口固定端,固定的串口用于装置的串口通信功 能,下方为电源接口固定端,输入电源为工频电源。中间为脉冲输入输出端口 和载波输入端口。右侧为电压电流回路的输入输出端,每个回路的输入输出端都有 三相。制作完成后将面膜贴在面板上,组成完整的后面板。 .电压电流回路载波隔离衰减装置主控电路板硬件设计 电压电流回路载波隔离衰减装置中主控电路板系统包括扫描按键、液晶显示、串 口通信、看门狗、脉冲整形、电源和三相阻抗输出电路。主控电路板的功能是根据扫 描按键传来的按键信号或者串口通信命令,选择控制输出不同频率下的阻抗值,同时 将当前输出的阻抗值和频率值显示在液晶显示屏,看门狗电路负责保障系统的稳定 运行。主控电路板的系统框图如图.所示。图.主控电路板框图 . 按键电路原理在上节中已经给出详细介绍,当按下某一个按键时,使此按键的信 号线接地,同时使产生中断,进入中断后根据信号线是否被置零来识别按下的 按键并产生相应的指令,然后根据指令来切换三相阻抗的输出值。系统中还有设置了 串口通信模块,可以通过串口命令来控制输出。 系统带有看门狗电路,保证系统在运行过程中出现跑飞现象时能够自动复位。系 统运行中,定时产生一个喂狗信号送到看门狗芯片的输入端,当主程序因为干扰 产生跑飞时,看门狗芯片就会产生一个使复位的信号来使系统重启【。脉冲整 形电路主要是将智能电能表输出的脉冲信号变得更加规则后再输出。 ..中央处理器设计 本装置应用在载波通信对智能电能表计量误差影响检测系统中,对高频载波信号 产生隔离衰减作用,因此在设计时必须考虑高频载波信号产生的干扰。为了避免这种 干扰,必须选用抗干扰能力强的中央处理芯片。本设计中采用的中央处理器为单片机 ,具有较好的抗干扰稳定性。它是公司推出的 系列单片机中的一款,是具有外设引脚选择功能的引脚位通用闪存单片机【】。 使用改进的哈佛架构,性能大幅度提高,最高运行速度可达到。具有灵活寻 址摸式的优化的编羊器指令集架构,线性程序存储器的寻址范围 最大,线性 数据存储器的寻址范围最大】。允许在运行时对多个外设进行独立的映 射。系统卜中央处理器的设汁如图所示。北京化丁人学颂学位论: 图中央处理器设计 . 系列单片机除了具有单片机普遍的功能外,公司为它设计的一 些特殊功能正好符合本系统设计的需求:具有较宽的工作电压范围:.至., 可以实现与系统中其他模块的兼容。在软件控制下可进行自行再编程,单片机的数字 引脚可承受.输入电压,数字引脚上可配置漏极开路输出。可选功耗管理模 式有:可快速唤醒的空闲、休眠和打盹模式【?。单片机还具有片内稳压器,能 够在线串行编程和在线调试,还具有欠压复位的功能。 ..系统电源设计 本系统中需要的电源有.、和。系统采用的是工频电源供电, 选择了一个/电源模块,可以将输入的交流电源转换成并电源。 根据输出电压、输出电流和额定功率的要求,选择的电源模块型号是 ..,这是一款双路输出和的电源,输出总功率为,输 入电压范?为~/,内置滤波器,带有输出隔离。电源模块的电路设汁 如图?所示。 第三章乜骶流口路载波隔离衰减装置的硬件设计.蚱 ’ ? . 卜 牛, ? 珏.嘲 图电源模块电路图 .在图.所示的电路图中,从插针处引入/电源,经过一个起到抑制 共模干扰作用的变压器后接入模块的输入端。接入模块前,火线上串联一个热敏 电阻,零线与火线之间有一个压敏电阻。热敏电阻是防止电流过大,当火线电流过大 时,热敏电阻阻值会迅速升高,直至断路。压敏电阻是防止电压过大,当火线与零线 之间电压过大时,压敏电阻阻值迅速减小,直至短路。这两个电阻的设计是为了保护 电源模块,防止电压电流过大引起烧毁模块。在实际的电磁兼容试验中,这种对电源 模块的保护设计,能够有效地使设备通过电磁兼容实验,达到相关指标的要求。另外, 在输入端加了电容,起到滤波作用。设计中选用的这款电源的特点还包括:低输出纹 波;宽输入电压范围;高效率、高密度;运行温度范围宽;符合、、 等安全规格;符合、电磁兼容标准等。 系统中的.电源是利用电源经过电压转换芯片来得到的,本设计中采用 的芯片是,电路原理如图.所示。从脚输入,脚输出.电压。 芯片的输入和输出都接了电容做滤波处理,能够提高输出电压的稳定性减小纹波【。 图电压转换电路 . 北京化工人学硕:学位论文 ..看门狗电路设计 系统中采用芯片作为外部看门狗监控电路的芯片,能够监控单 片机的工作状态。单片机在正常工作情况下定时对看门狗进行喂狗操作,如果单片机 的运行发生意外,累积一定时间不进行喂狗操作后,看门狗就会对单片机进行复位操 作,使系统能够重新启动正常工作。系统中看门狗电路设计如图所示。 图看门狗电路 .在看门狗电路的设计中,芯片脚通过一个不关接地,当需要手动复位的时 候按下。用.电源给芯片供电,脚电源输入端还通过一个电容接地,能起到 增强稳定性的作用。脚接到中央处理器的喂狗端,脚接到中央处理器的复位端, 低电平复位。的各引脚功能如表.所示。 表 主要引脚列表 .名称 功能 人工复位端 电源输入 地线 电源掉落电压检测输入端 电源掉落信号输出 看、狗输入 复侮信号输看、狗输山第三章【压流【口路载波隔离衰减装置的硬件设计 ..脉冲整形电路设计 本装置需要将被测电能表产生的脉冲信号进行整形后输出,系统中采用 芯片,用其中的两个比较器模块设计了两个电压反相器,设计原理如图.所示。 脉冲信号从端输入,与阻值一样, 经过分压后电压值的一半 作为阈值,在脚端产生跟相反的信号,再经过第二个反相器后产生跟原来 信号同相的脉冲信号,从端输出。两个反相器的设计原理相同。 图脉冲整形电路 . 本设计中用到的芯片,内部集成了四个独立的电压比较器模块,芯片内 四个电压比较器的引脚的分布如图.所示,脚为端,脚为端。该 芯片在主要优点包括:较小的失调电压、范围较宽的电源电压、对信号源的内阻限制 很小、很大的共模范围、差动输入电压范围可以达到电源电压、输出端的电位能根据 需要灵活选用等【。 图. 引脚图 .? 北京化人学硕学位沦义 ..液晶显示设计 在本装置中,需要显示的部分包括两部分:阻抗值和频率值。从操作简单和节约 成本的角度考虑,选用了液晶显示器。系统中使用的液晶为电压驱动, 带有背光,屏幕上可以显示两行,每行个字符,『好可以满足本装 置设计的显示 需求。液晶内置含个字符的字符集字库,只有并行接口,无串行接 ,由于中央处理器有足够的引脚完成对液晶的并行操作【】。对于需要显示的字 符,自带的字库中没有,需要通过对其内部寄存器的操作来实现。装置中是通过 排线将显示器连接在主控电路板上的,排线引脚的设计如图.所示。 。二 卜?一 牛难图液晶显不屏插座.? 在本设计中,用于调节对比度的脚通过一个可调电阻接地,来调节液晶显示的 对比度,脚是数据命令选择端,脚是读写选择端,根据功能的需要,只用到了写 命令,而没有用到读命令,因此脚也可以直接接地。脚是使能信号端,~脚是 数据接口,脚和脚是背光的电源。液晶的接口引脚说明如表.所示。 表 接口引脚说明瓤三章电流八路载波隔离衰减装置的硬件设计 ..阻抗输出控制电路设计 本装置能够提供不同频率下的不同阻抗,阻抗的输出是装置根据 按键信号或者串 口命令来切换不同的电阻电容组合,通过对多个继电器组合切换,实现输出不同频率 下的各个阻抗值。阻抗输出控制电路的设计如图.所示。图.用来说明阻抗输 出控制的原理,只是画出了其中两路电路的原理,系统中总共有路与此相同的设 计。 图.阻抗输出控制电路 . 从单片机发出的信号线和经过反向驱动器的反向作用,然后经 过达林顿型光耦合器的光电隔离作用,再经过的反向后控制继电器的切换, 达到输出不同频率下不同阻抗值的效果。使用反向驱动器是为了提高电路的 驱动能力,达林顿型光耦合器是为了实现电路的光电隔离【 。输出的阻抗加到电力线 上,电压较高,为了防止发生意外情况,保护系统其它部分,设计了光电隔离的电路, 可以很好地起到对单片机一侧的电路的保护作用。 ..串口通信电平转换电路设计 在现代化的仪器设备中,自动化控制是一项很重要的功能,大多 数设备都能实现 远程自动化控制。本装置为了实现远程控制,设计‘了串口通信功能,需要实现 电平与电平的相互转换。 本设计中采用的串口通信电平转换芯片为。是的 改进芯片,功耗更低,可靠性更强【郴】。电路设计如图.所示。芯片的脚和 脚接到中央处理器上,经过电平转换后,串口通信的接口固定在装置的后面板上。通 过编写串口通信程序,接收上位机发送的指令。