智能电网大学课程设计报告-智能抄表硬件设计方案_毕业论文

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16K FLASH,1K RAM，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。 Z Z Z Z Z

Z 200K 200K 200K 200K 200K 1K UA

5.6nF

Z Z Z Z Z

Z 200K 200K 200K 200K 200K 1K 0.1uF UB

5.6nF