多功能智能电表的设计

山 东 科 技 大 学

本科毕业设计（论文）开题报告

题 目 多功能智能电表设计

学 院 名 称 信息与电气工程学院 专业班级 电气工程及其自动化2009级4班 学生姓名 赵宗营 学 号 200901101238 指 导 教 师 白兴振

填表时间： 2013年 3月 23日

设计（论文） 题目 设计（论文） 类型（划“√”） 多功能智能电表设计 工程设计 应用研究 开发研究 基础研究 √ 其它 一、 本课题的研究目的和意义 伴随着我国工业化进程的前进步伐，工业及居民用电急剧增加，庞大的供 电网络给用电管理单位带来了巨大挑战，也给居民工厂带来了诸多不便。为此 我国在“十二五规划”中提出建设“智能电网”的解决方案，实现电网、计算 机网、电信网三网融合。传统的机械式电表及电子式电表无论是在计量精度还 是在信息传递方面都难以满足“智能电网”的需求，在这种情况下智能电表应运 而生。智能电表是指具有多功能、智能化、网络化等功能的新式电表，是智能电 网的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务。 国内智能电表即将大规模应用，据预计国家电网将在2015年前使智能电表覆盖率将超过80%，居民用户超过1.4 亿户，2020年全国智能电表的覆盖率将达到100%。由此可见对智能电表的研究有着巨大的现实意义和可观的市场前景。 首先，智能电表能够更精确、更快速的完成对电能的计量任务，并且在控制中心就可以完成每一户用电量的采集、处理，节省了管理单位的人力、物力资源。而且电表可以通过加密防止用户窃电，安全性更高。其次，课题研究的智能电表能够让居民可以方便的完成电量缴费，并及时提醒所剩电量。用户对用电量更加清晰明了。最后，课题研究的智能电表是国家智能电网建设的基础设备，其先进性为我国工业化、现代化的实现提供了技术支持，其便利性提高了我人民生活整体水平。 科学技术是第一生产力，它的发展必然导致新事物淘汰旧事物。每一位科技工作者都有义务钻研各种新技术、新原理，为推动社会进步贡献自己的力量。智能电表的研究目同样是为了给人们生活带来便捷，为科技文明增砖添瓦。 二、 本课题的主要研究内容 本课题主要对能精确测量电能并具有智能管理功能的电表的设计方法进行研究。研究的具体内容如下。 1、实现智能电表精确测量，达到1级精度要求的具体方法。此处涉及到电量计量芯片的选择、CPU的选择、软件算法的构架、PCB布局等影响测量精度因素的研究。 2、 实现电表智能化管理的具体方法。涉及到的研究内容有：数据存储的实现方法、键盘显示的实现、系统通过红外与其他设备通讯的实现方法。 3、 实现系统供电电源设计的具体方法。此处涉及到交流电源转直流稳压电源的研究。 三、 文献综述 1、智能电表的分类 目前，我国智能电表从结构上通常分为两大类，一是机电一体式智能电表，是在原机械式电度表上附加一定的部件，让电表完成所需功能。这种智能电表具有降低造价、易于安装，设计方案不破坏现行计量表原有物理结构、不改变其国家计量标准等优势。二是全电子式智能电表，主要是由电子元器件构成，是先通过对用户供电电压和电流的实时采样，再采用专用的电能表集成电路，对采样电压和电流信号进行处理，并转换成与电能成正比的脉冲输出，最后通过单片机进行处理、控制，把脉冲显示为用电量的电表。全电子式智能电表从计量到数据处理都是采用以集成电路为核心的电子器件，具有可靠性，计量精确，自身耗电量、防窃电能力强、自身损耗低等众多优点，是当前最先进的一类电度表。 2、智能电表的系统组成 新型智能电度表不再使用感应系测量机构，而是由乘法器完成对电功率的测量。它没有传统电度表上的旋转机构，因而又被称为静止式电度表或固态电度表。近几年来，各类型号各异，功能众多的新型智能电度表不断推出，但通常由下列部分系统组成：

1)智能远传表。远传表是具有脉冲输出的水表、电表、气表、热表等计量表的统称，远传表的计量方式与传统表基本相同，但远传表在原传统表上增加了脉冲输出功能，发出的每一个脉冲都能记录一定的计量值，然后使智能采集器远传表输出端口采集脉冲。

2)智能采集器。智能采集器主要功能是能同时采集水表、电表、气表、热表等输出的脉冲信息，同时将这些脉冲信息进行转换，成为认可的计量的物理量，然后将这些物理量存储在各采集器的存储器中，再通过管理计算机，对任意一户的耗能信息能进行查询，并且根据管理计算机的抄表等命令将用户信息上传。 3)智能转换器。智能转换器的主要功能是完成与采集器的数据通信工作，同时向采集器下达电量数据冻结命令，通常的转化器是定时循环接收采集器的电量数据，或者是依据设计原则接收某个电表以及某组电表的一些数据。达到完成与主站的通讯的目的。

4)智能系统管理软件。智能系统管理软件的基础是通讯，核心是数据库，智能系统管理软件具有提供数据处理、查询、统计、报表、备份等多种功能，智能系统管理软件可以采用面向对象，也可以模块化，能灵活支持不同客户要求，譬如特殊格式报表、权限控制等状况。同时智能系统管理软件具有网络通讯功能，可以与其它管理软件接口，对设置通讯参数;电表管理，设置电表的原始参数、地址、及其状态;费率管理等都可以可设置多种费率，以及管理用户的结算方式等功能。

3、新型智能电表的优势

新型智能电表是采用电子集成电路的设计，同时具有远传通信、与电脑联网并采用软件进行控制的功能，因此，新型智能电表与传统与感应式电表比较，具有以下优势：

1)功耗非常低。一块电子元件设计方式的新型智能电表功耗仅有0.6～0.7W

左右，如果是多用户集中式的智能电表，平均到每户的功率则几乎可以忽略不计。而一块传统的感应式电表的功耗达到1.7W之多。 2 )精度非常高。新型智能电度的精度非常高，据有关数据监测：2.0级电子式智能电能表在5%～400%标定电流范围内测量的误差为±2%，而传统的感应式电表的误差范围则却高达+0.86%～-5.7%。 3)过载能力强、工频范围宽。新型智能电表有较宽的量程，过载倍数通常可以能达到6～8倍。其工作频率也相对较宽，可以达到在40～1000Hz的范围。而传统的感应式电表的过载倍数通常是4倍，工作频率范围仅是45～55Hz的范围。 4)功能强大。采用了电子表技术新型智能电表能够通过相关的通信协议与计算机进行联网，可以通过编程软件实现对硬件的控制管理。同时具有远传控制、复费率、识别恶性负载、反窃电、预付费用电等多种功能，而且还能对控制软件中不同参数进行修改来满足对控制功能的多种要求。 4、国内研究应用情况 随着数字化技术在电能表中的应用，电能表的功能逐步得到扩充，一批多功能的电能表相继诞生。比如预付费电能表就是应用比较广泛的电能表之一。它通过预付费卡为电能表充值，然后按照当地的单位电价和用电量从预存费用中扣除，预存费被扣除为零时，电表将不为用户提供电能除非你再次充值。这种通过IC卡预付费的电能表也有称为“智能IC卡预付费电能表”的，但它还不是真正意义上的智能电表。除此之外，为了提高效率，减少上门抄表吃闭门羹的的尴尬，也开始有了一些具有红外抄表和异地抄表功能的电能表和防止窃电等扩充功能的多功能电能表问世。但这些多功能的电能表也还是电能表智能化的起步，与真正意义上的智能电表还有很大的差别。 在2007年12月初，国家发改委发布了《多功能电能表》和《多功能电能表通信协议》两个行业标准，标准编号分别为“DL/T 614-2007”和“DL/T645-2007”。此外还有国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布的《多功能电能表特殊要求》（GB/T 17215.301-2007）等国家标准。到2009年10月，国家电网公司公布了智能电表新标准，新标准对电表在计量、费控、通信、功耗、电子线路布线等技术指标要求均有了大幅提高，以前对于微控制器MCU（Micro Contr -oller Unit）附加功能由可选变成了必选项，要求有更高的计算能力DMIPS (Dhrystone Million Instructions Per Second)以满足智能电表的高性能要求;要求有更大的存储容量以满足复杂的数据处理需求；更多的输入输出I/O方式以应对与日益增多的外部设备的对接。 国内智能电表大规模应用即将启动，国家电网公司计划在2010年智能电网第一阶段的项目中大约有91 亿元用于智能电表、电表采集终端及后台系统建设。智能电表标准于近期已经下发，2009年11月国家电网公司已经启动了第一批智能电表招标，本次招标包含二 级单相远程费控智能电能表680 多万只，一级三相费控智能电能表26 万只，招标金额大约13 亿元。预计国网公司2015 年前将全面建成用电信息采集系统，居民用户信息采集得到大规模应用，智能电表覆盖率超过80%，用户超过1.4 亿户，2020 年智能电表的覆盖率将达到100%。 四、 拟解决的关键问题 1、实现三相电参量的测量 1)电压信号的精确采集； 2)电流信号的精确采集。 2、实现仪器的智能管理 1)电参量数据的存储及掉电保护； 2)人机交互界面的设计，包括键盘和显示； 3)智能电表与上位机及其他设备通信的设计通信； 3、系统所需直流电源的设计 五、 研究思路和方法 根据设计题目要求，可知该系统具体设计分两部分：第一部分是三相电参数的测量；第二部分是智能管理部分。第一部分是本系统成功设计的基础和关键，要求该部分电路工作可靠，计量精度高，且能够完成三相电能的测量。第二部分是三相智能电度表“多功能化”的重要组成部分，通过这部分电路把第一部分测试的三相电参数进行存储、显示和远传；完成人机交互，方便用户或操作人员查询数据；还可以扩展三相智能电度表的其它功能要求，使其达到智能化。对第一部分电路设计的基本要求是可靠、简单，对第二部分电路设计的基本要求是智能化程度高，易于功能扩展。 六、 本课题的进度安排 1、2013年3月3日 毕业实习与毕业设计动员会； 2、2013年3月4日~3月17日 根据毕业设计题目，实际调研，收集资料，完成设计方案 3、2013年3月18日~3月28日 书写设计开题报告、英文翻译并提交； 4、2013年3月29日~5月20日 针对设计题目完成硬件设计、软件设计，实验调试； 5、2013年5月21日~6月5日 完成毕业论文文稿撰写及图纸绘制； 6、2013年6月6日~6月12日 完成论文审稿及修改； 7、2013年6月13日~6月17日 参加毕业论文答辩，评定成绩。 七、 参考文献 [1] Hitrendtech． ATT7030A User Manual．2009，8：1~16 [2] Maxim．Serially Interfaced, 8-Digit LED Display Drivers．1996．9：1~16 [3] 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术．北京：航空航天大学出版社，1988，8，12~45 [4] 公茂法．电子式智能多用户电能表，电子产品维修与制作．机械电子工业出版社，北京，1998，6, 23~32 [5] 周铁峰 杨建新．Visual Basic 6.0实用编程技术．北京：中国水利水电出版社1999, 3,34~56 [6] 蒋伟光 郝磊．X5045电路及其应用．国外电子元器件，2002，5（5）：48~55 [7] 李保伟．智能电表简介．新技术新产品，2010,3（3）：70~73 [8] 李刚 林凌．8位串口LED显示器 MAX7219．仪表仪器与检测．1997，3（3）：25~29 指导教师意见 指导教师（签名）： 年 月 日 所在系（所）意见 负责人（签章）： 年 月 日