智能抄表硬件设计方案(DOC)

智能电网课程设计报告智能抄表系统硬件设计方案1智能抄表技术概述随着自动化程度的提高和电能需求的不断增长，电费查询支出在生产成本中占的比例逐渐加大。供电单位对于电能精细化的要求也越来越高。传统的人力抄表和电话抄表工作量大，效率低，人为误差严重，漏抄，估抄，冒抄现象时有发生，因此必须按照切实可行的方法解决这些问题。而快速、准确、经济、实时的获取用电的各类数据，是做好费用自动结算，用量分析，计量表运行状况监测、负荷处理等应用管理工作的基础。为此采用计算机、无线通信和嵌入式等技术设计了分布式电能表远程智能抄表系统，提出了三级管理手段，将用户的用电信息准确和及时地回传到数据中心，便于电力企业计量、统计和收费等日益繁重的工作，大大提高了管理层次和自动化水平。智能抄表系统是坚强智能电网的基础，通过智能抄表系统可以实现电网公司同电力系统用户之间的有效可靠互动。能够实现对主站层、接入层、上行通信层以及终端层的有效协调与控制。主站层主要是用来实现信息数据的采集与管理。上行通信层则主要是用来负责实现各个站点的相互有效的链接的。智能抄表系统的构建对于完善智能电网和实现电力资源的合理配置具有重要意义。欧美在智能抄表系统的研究处于领先水平，以美国为例，美国的智能电网建设注重用户端，主要针对用户的具体用电要求及变化来实施智能化管理，其实现方式包括智能电表、智能化抄表与以家庭为单位的规划用电管理，主要建设了基于无线方式的智能抄表及通讯网络。ADI公司直接参与部分州的智能电网的建设，在智能电表及无线网络建设上取得了不俗的成绩。智能抄表系统主要结构包括三个部分：集中器、采集器和通信系统。1)数据采集根据不同业务对采集数据的要求,编制自动采集任务,包括任务名称、任务类型、采集群组、采集数据项、任务执行起止时间、采集周期、执行优先级、正常补采次数等信息,并管理各种采集任务的执行,检查任务执行情况。2)数据管理采用统一的数据存储管理技术,对采集的各类原始数据和应用数据进行分类存储和管理,为“SG186”一体化平台提供数据的汇总、存储、共享和分析利用。按照访问者受信度、数据频度、数据交换量的不同,对外提供统一的实时或准实时数据服务接口,为其它系统放有权限的数据共享服务。数据管理功能提供系统级和应用级完备的数据备份和恢复机制。3)控制功能用屯信息采集系统通过对终端设置负荷定值、电量定值、电费定值以及控制相关参数的配置和下达控制命令,实现系统功率定值控制、电量定值控制和电费定值控制功能,系统亦可直接向终端下达远程直接开关控制命令,实现遥控功能。系统具有点对点控制和点对面控制两种基本方式。2智能抄表集中器硬件设计方案集中器在整个远程无线抄表中起着承上启下的作用。是整个通信系统的桥梁。决定着系统的整体性能。集中器以单片机MCU控制单元为核心。主要由电源供给电路、蓝牙通信电路、有线或无线通信电路、键盘显示电路、数据存储电路、RS232计算机接口电路和能源控制电路等部分组成。其结构图如图2-1所示：图2-1集中器系统结构图单片机采用ATMEL公司的ATmega162，它有16KFLASH,1KRAM，35个I/O口，2个UART,1个SPI和3个外部中断源，可以很好的满足系统要求。1）蓝牙通信电路设计这里采用nRF903芯片，该芯片提供了由9个I/O组成的接口与微控制器连接，分别负责对nRF903进行配置。工作模式的选择。管脚TXEN、STBY和PWR_DWN分别负责nRF903接收模式、发射模式、掉电模式、和标准模式的切换。管脚CS、CFG_CLK和CFG_DATA组成的串行接口实现对频率、通道、输出功率和输出时钟频率的配置，它们均SPI接口。故可以与ATmega162的SPI口直接连接。nRF903的发射和接口共用一个管脚，不能同时发射和接收数据，只能进行半双工通信，故需加一个10K的电阻实现阻抗匹配和隔离。在通信时，当C_SENSE输出电压为“0”时，说明通信对方没有发送数据；当C_SENSE为“1”时，说明通信对方可能发送数据，单片机需要进行处理。单片机可以从CLK_OUT知道nRF903是否工作正常。2）RS232接口电路由于抄表工作人员会随时到现场进行对集中器的数据读取和参数设置，而手持终端设备一般是PC机，故在集中器设计RS232接口电路是必要的。本系统中采用MAX3111E串行异步收发器来实现。其接口电路如下图2-2所示：图2-2接口电路图ATmega162的MOSI与DIN连接作用发送数据线，MOSI与DOUT连接作为收数据线。MAX3111E的TX与T1IN连接，RX与R1OUT连接，从而利用其片内转换器实现UART到RS232电平的转换。MAX311E的中断信号（IRQ）与ATmega162的外部中断IN1相连，以便当PC机有数据向系统传输时，直接给MCU一个中断信号并执行相应的程序。3）Modem/NMC35i接口电路在与上位机进行呼叫连接和数据交换时，首选的方式是PSIN电话网，其次是GSM/GPRS无线通信网。一般嵌入式工业Modem采用串行RS-232接口与MCU连接，内含2路接受、4路发送而MC35i也是通过RS-232接口与自已得无线应用系统相连，内含3路接收、5路发送。故可以选用一个接口电路实现单片机与它们连接的问题，这里选用MAX3238可以实现此功能。电路如下图2-3所示：图2-3Modem/NMC35i接口电路电路中RXD、TXD直接连ATmega162的RXD0\TXD0，可以独立进行串行通信而与其他通信链路互不干扰。RING连ATmega162的外部中断INT0，当通信模块有振铃信号时通知MCU执行相应的中断程序。3采集器硬件方案设计1）电压通道采集电路位于电源板上的交釆模块分主要分为三部分:电压釆集电路、电流釆集电路和电能量釆集电路。三项多功能电能计量芯片ADE7758的电压通道输入釆用单端电压输入,标准运行时最大信号电为土0.5V(相对于VN端),这里我们采用5个200K电阻与1个1K电阻串联分压的形式进行釆样[27],在输入额定电压为220V的情况下,经分压采样获得的采样电压约为-220mV~220mV，电压通道模拟量采集电路。ZZZZZZ200K200K200K200K200K1KUA5.6nFZZZZZZ200K200K200K200K200K1K0.1uFUB5.6nFZZZZZZ200K200K200K200K200K1K0.1uFUC5.6nF图3-1电压通道采集电路2）电流通道采集电路ADE7758的电流通道采用全差分电压输入,最大的差分输入信号为±0.5V。在设计电流通道模拟量采集电路时,采用变频比为300:1的电流互感器以及两个阻值为7.5Ω的采样电阻,在输入最大电流为300mA的情况下,采样电压约为300mV，电流通道模拟量采集电路。ZZZZIA1IAP7.510nF10nF1K7.5LA2LANZZZZIB1IBP7.510nF10nF1K7.5LB2LBNZZZZIC1ICP7.510nF10nF1K7.5LC2LCN图3-2电流通道采集电路3）电能量采集量为了设计方便,这里我们采用三项多功能电能计量芯片ADE7758作为电能量的计量芯片。ADE7758是一款高准确度的三相电能计量芯片,带有两路脉冲输出功能和一个串行接口。ADE7758集成了二阶∑—D模数转换器,数字积分器,基准电路,温度传感器,以及所有进行有功,无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。ADE7758适用于计量各种三相配置条件下的有功,无功和视在电能,如WYE和DELTA系统,包括三线和四线制。4通信系统方案设计方案一远程智能抄表系统的通信系统方案包括集中器与采集器的底层通信方案和管理中心与集中器的上层通信方案。底层数据采集一般采用总线型通信方式的方案。这种方式以一条串行总线连接各分散的采集器，实现各节点的互连。在这种方式下，信道上节点较多，传输速率不是很高，传输距离短。常用的模式有红外线通信、RS-485总线、仪表总线和低压电力载波通信等。上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，形成1对N的连接形式。在这种方式下，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。根据信道介质不同可分为电话线、光纤、无线和城域网等多种模式。本设计的通信系统框图如下所示，在集中器和管理中心之间的通信上采用了蜂窝移动无线网(GSM/GPRS)，在集中器与采集器之间的通信上采用了低压电力载波通信。图4-1通信系统框图管理中心与集中器之间是通过GSM/GPRS网络进行的，需要在数据采集模块和管理中心中加装GSM模块。由于这种模块(其实是无键盘、无显示屏的手机)结构简单，控制容易，所以利用它的RS-232标准的接口很容易和单片机连接在一起，构造出AT贺氏指令，来驱动数据采集模块。在通信形式上是主从方式，每次通信都由管理中心发起，集中器在接到通信命令后，进行相应的应答处理。集中器与采集器之间是利用低压电力线进行通信。由于电力网络相当于一个共享媒体，因此一个集中器和它所负责的所有采集器组成了一个相当于以太网形式的网络。集中器和所有的采集器相当于网络上的一个节点，每个节点都有唯一的网络地址。每个节点只对目的地址和本节点地址相同的数据进行响应。在通信形式上也是主从方式，每次通信都由集中器发起，采集器在接到通信命令后，进行相应的应答处理。4.1电力载波模块设计电力载波模块基于SSCP300进行设计。Intellon公司的SSCP300符合EIA-600CEBus通信协议，其扩频信号覆盖了从100KHz～400KHz所有带宽，若某些频率的信号因受到干扰而无法到达接收机，剩下部分的信号仍能成功到达，采取适当的纠错编码可恢复正确的数据。设计总体方案如下图所示。图4-2电力载波模块总体方案设计由单片机AT89c51单元MCU和芯片IntellonP300组成一个网络接口控制中心，负责处理来自经过输入滤波电路处理的电力载波信号，通过输出电路向电力线发送载波数据。并控制命令线CON和串行通信线TXD、RXD与上级应用单元进行通信。MCU作为控制核心，完成分组的发送和接收、发送字节到符号的转换、接收符号到字节的转换以及循环校验码的产生和校验等。即将要发送的数据先由MCU转换成符合EIA-600CEBus的符号，组成分组传送到P300，由其进一步处理后发送出去。而由P300处理后得到的分组传送到MCU，由其转换成原始数据，并判别是何指令，从而指示用户用表完成相应的操作，如接通、断开等。P300与主处理器的接口是通过一个5线的串行外围接口(SPI)及复位信号RST来完成的，SPI的数据输入(SDI)和数据输出(SDO)线允许数据由P300传出或传至P300时对其进行计时。P300还提供了SPI数据时钟(SCLK)来对数据传输提供时序信号。而P300的服务请求是由低电平有效的中断信号(INT)来完成的。P300低电平有效的片选信号（CS）可将SPI接口置为有效或是无效。要发送的分组首先传到P300的数据链路层(DLL)的微处理器，它再将之传送给其数字信号处理模块。数字信号处理模块使用一个300点的片内ROM查询表来产生扩频载波(SSC)的高层状态和低层状态，此表可驱动片内8位DAC产生线性扫频的模拟波形。当三态信号TS被置高时，此波形经缓冲后从SO管脚输出。以上即为调制过程，解调过程是相反的过程，模拟通信信号首先从其SI管脚进入P300，然后由缓冲放大器放大，放大后的信号通过一个一位的模拟/数字转换器（A/D），转化为数字信号，以便于对信号进行数字信号处理（DSP），对输入信号的数字信号处理使用一个匹配相关滤波器以检测扩频载波波形。然后载波监测信息和媒介状态信息从DSP部分传输到DLL的微处理器，以便于将分组解码，协议功能和最终的分组传输到主处理器。P300与电力线的接口由输出滤波、放大电路和输入滤波、放大电路及电力线耦合电路构成。模拟信号是通过信号入（SI）和信号出（SO）管脚在P300与交流电力线之