能源在线监测系统中电力信息采集器的设计与实现_欧莉.docx

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1、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获 得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示感谢。 作者签名： _ 日期： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解东华理工大学有关保留、使用学位论文的 规定：东华理工大学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，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可

2、以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： _ 导师签名： _ 日期： 年月日 论 文 答 辩 日 期 ： 年 月 日 毕业论文题目：能源在线监测系统中电力信息采集器的设计与实现 电子与通信工程 专业 2013级 硕士生姓名 : _ mm 指导教师（姓名、职称 ） ： _ 李跃忠（教授 ） 摘要 能源计量作为节能计划的基石，已成为当今世界的热门研宄对象。为了方便对 重点耗能单位实施能源计量数据的在线监测与管理，本文以 “ 江西省能源计量数据 在线采集监测平台 ” 为基础，针对传统设备通信

3、稳定性差、抗干扰能力弱的问题， 设计了一套能够实现电能数据快速、准确、实时采集与传输的智能化电力信息采集 设备。 本文主要研宄了电力信息采集器的硬件和软件实现，重点介绍了电力信息参数 的采集与远程传输方法。为了满足系统对通信性能的需求，选用了具有 5串口的 32 位 STM32F103ZET6增强型芯片作为系统的核心处理器，通过设计最小系统电路、 通信电路、人机交互电路、电源电路、存储电路完成了整个硬件平台的搭建。为了 适应不同环境的需求，系统采用了 RS-485、 电力载 波、 GPRS三种通信方式。通过 对电力信道的分析，利用 Matlab进行信道建模，提出了利用过零检测实现信息的最 佳分

4、时段发送以及中继转发等提高通信质量的措施。考虑到三相四线电压转换的稳 定性对于系统的重大影响，本文针对电源电路的 EMC电磁兼容性展开了详细的设 计。系统的软件设计通过对多任务的管理调度来实现，主要设计了数据自动采集与 存储、通信协议解析与封装、通信信道的建立、指令控制、人机交互等流程模块， 软件设计过程中采用数据加密、数据校验、看门狗定时器来提高信息传输的安全性 和系统的稳定性。 本文所设计的电力信息采集器已通过实验室的测试，并在江西省计量测试研宄 院和江中药业股份有限公司现场试运行。实际应用与测试结果表明，系统能够很好 地实现对智能电表日冻结数据、月冻结数据、重点用户数据、曲线数据、异常告

5、警 数据的采集和传输，能够实时接收管理中心的控制指令并执行相应的操作，通信准 确率和成功率也达到了系统预期的目标。 关键词：数据采集，低压电力载波， GPRS通信， EMC电磁兼容性 THESIS : Design and Implementation of Power Information Collector for Energy Online Monitoring System SPECIALIZATION: Electronics and Communication Engineering POSTGRADUATE: Ouli MENTOR: Liyuezhong Abstract A

6、s the foundation of energy savings plan, energy measurement has become a hot research object of the world today. In order to better supervise energy consumption data from key energy-consuming organization, this paper designs an intelligent equipment which can realize precise,fast,real-time electric

7、energy data acquisition and transmission based on energy data collection online monitoring platform of Jiangxi province. The existing electric energy data acquisition devices not only have problems with communication success rate, accuracy and instantaneity, but also have limitation in scope of its

8、application. This paper introduces a lot of optimized measures which aims to resolve the problems of corresponding stability, corresponding distance and signal anti-interference in traditional devices. This paper mainly researched on hardware and software implementation of power information collecto

9、r. In order to satisfy communication requirements, the system applies 32-bit STM32F103ZET6 as core processor which has 5 serial interfaces. It has completed the construction of whole hardware platform by designing the minimum system circuit, communication circuit, human-interactive circuit, power ci

10、rcuit and memory circuit The system applies three kinds of communication methods which including RS-485, power line carrier and GPRS to adapt different circumstances. It has provided many measures to improve communication quality by analyzing and modeling power line channel through Matlab. One of th

11、e methods is to send message at the best time by detecting zero cross signal, the other one is to send message by relaying. This paper has proposed a detailed design which focused on EMC of power circuit, considered the significant impact caused by voltage conversion of three-phase four-wire. The so

12、ftware design of the system will be implemented through management of multi-mission scheduling. The design of software includes many process modules, which contains automatic data acquisition and storage, communication protocol parsing and encapsulation, establishment of communication channel, comma

13、nd control and human interactive. The system has adapted many techniques which include data encryption, data verification, watchdog to improve data security and system stability. By laboratorial testing, the system has been put into operation in JIMT and Jiangzhong pharmaceutical co. LTD at present

14、The results show that electric power information collector can realize acquisition and transmission of day data, month data, important user data, curve data and warning data. It can receive message from management center and take relevant action. The communication accuracy and success rate has also

15、achieved expected goal. Keywords: data acquisition, low power line carrier, GPRS communication, EMC IV . i ABSTRACT . Ill g录 . V 插图与附表清单 . VII 1绪论 . 1 1.1课题研宄背景及意义 . 1 1.2电力信息采集技术方法比较与现状分析 . 1 1.2.1电力信息采集技术方法概述 . 1 1.2.2国内外自动采集技术现状分析 . 2 1.3本文研宄内容与章节安排 . 5 2采集器整体方案设计与需求分析 . 7 2.1系统结构及工作原理 . 7 2.2采集器

16、功能需求分析 . 8 2.3采集器整体方案设计 . 10 2.3.1硬件整体方案设计 . 10 2.3.2软件整体方案设计 . 11 2.4载波通信信道建模及仿真 . 13 2.5本章小结 . 16 3采集器硬件设计与实现 . 17 3.1硬件总体结构设计 . 17 3.2控制器选型设计 . 17 3.3上行 GPRS通信电路设计 . 19 3.3.1 GPRS模块外围电路的设计 . 19 3.3.2 SIM卡接口电路的设计 . 21 3.4下行载波通信电路设计 . 21 3.4.1载波通信电路组成及工作原理 . 21 3.4.2载波芯片接口电路 . 22 3.4.3输出功率放大电路 . 23

17、 3.4.4耦合和接收滤波电路 . 23 3.4.5过零检测电路 . 24 3.5下行 RS-485通讯电路设计 . 25 3.6电源电路设计 . 26 3.6.1主电源电路设计 . 26 3.6.2备用电源电路设计 . 29 3.7存储电路设计 . 30 3.8人机交互电路设计 . 30 3.9本章小结 . 31 4采集器软件设计与实现 . 33 4.1通信主程序设计 . 33 4.2本地通信任务 . 34 4.2.1多任务状态米集程序设计 . 34 4.2.2.抄表子程序设计 . 36 4.3远程通 fg任务 . 38 4.3.1 GPRS模块初始化 . 38 4.3.2 GPRS通信任务

18、的实现 . 38 4.4通信协议 . 40 4.4.1下行通信协议解析 . 40 4.4.2上行通信协议解析 . 42 4.5人机交互任务的实现 . 43 4.5.1液晶驱云力程序设计 . 43 4.5.2多级菜单显示任务 . 44 4.6 FLASH存储任务的实现 . 46 4.7本章小结 . 48 5系统测试 . 49 5.1测试环境 . 49 5.2系统通信测试 . 50 5.3系统功能测试 . 50 5.4本章小结 . 52 6结论与展望 . 53 6.1总结 . 53 6.2 腦 . 53 賴 . 55 参考文献 . 57 附录 A电路实物图 . 61 附录 B八级菜单操作界面 .

19、63 附录 C八级菜单操作界面 . 65 插图与附表清单 图 2.1能源计量数据在线采集监测系统整体示意图 . 7 图 2. 2系统需求分析 . 8 图 2. 3采集器硬件方案框图 . 11 图 2. 4系统软件总体架构框图 . 12 图 2. 5任务管理调度框图 . 12 图 2.6 4径信道频幅响应曲线 . 15 图 3. 1硬件结构整体设计框图 . 17 图 3.2 S頂 900A外围接口电路 . 20 图 3. 3 SM卡电路 . 21 图 3.4载波通信电路总体结构图 . 21 图 3. 5 SSC1650载波芯片接口电路 . 22 图 3. 6载波信号输出放大滤波电路 . 23 图

20、 3.7信号耦合和接收滤波电路 . 24 图 3. 8过零检测电路 . 25 图 3. 9 RS-485 接 口电路 . 26 图 3. 10电源框图 . 27 图 3. 11开关电源输入输出接口电路 . 27 图 3. 12主控芯片供电电路 . 28 图 3. 13 RS-485供电电路 . 28 图 3. 14后备电源充电与切换电路 . 29 图 3. 15 Flash扩展电路 . 30 图 3. 16 LCD接口电路 . 31 图 4. 1通信主程序流程图 . 33 图 4. 2多任务状态采集流程图 . 35 图 4. 3抄表任务流程图 . 36 图 4.4载波中继抄表流程图 . 37

21、图 4. 5 GPRS通信任务流程 . 39 图 4. 6 645协议帧格式 . 40 图 4. 7 645协议解析流程图 . 41 图 4. 8 376. 1协议帧 . 42 图 4.9 LCD初始化框图 . 44 图 4. 10三级菜单结构图 . 45 VII 图 4. 11菜单显示流程图 . 46 图 4. 12按键检测流程图 . 46 图 4. 13写 Flash程序流程图 . 47 图 5. 1测试环境搭建图 . 49 图 5. 2某一时刻各采集点电能数据统计 . 50 图 5.3采集设备管理界面 . 51 图 5. 4江西省计量院日冻结数据曲线 . 52 图 5. 5企业数据采集界

22、面 . 52 表 2. 1存储数据类型 . 10 表 2. 2信道模型参数 . 15 表 3. 1 STM32F103ZET6 参数表 . 18 表 4. 1接收数据项说明 . 42 表 4. 2 FSMC寄存器参数设置 . 44 表 5. 1通信成功率和准确率 . 50 表 5. 2采集器部分功能测试情况 . 51 VIII 1.1课题研究背景及意义 在经济快速发展的同时，面对日趋有限的资源，许多国家和地区都出现了能源 紧张的情况，为了实现能源的可持续发展，各地都在为降低能耗、提高能源利用率 出谋策划。我国 “ 十二五 ” 规划就提出了以 “ 节能 ” 为重点的发展战略，强调了公共机 构等重

23、点用能单位的能耗管理，随之相关部门也颁布了一系列文件 1_4。高等院校作 为重点用能单位和科学研宄中心，理应为国家节能计划做出相应的贡献，开辟出一 条切实可行的节能方案。受江西省计量测试研宄院的委托，我校决定建立一个能源 计量数据在线采集监测系统，系统以重点耗能机构为单位，对其消耗的能源数据（煤、 油、水、电、气）进行科学有效的采集。通过对采集的能耗数据进行汇总、分析和 预测，并将数据分析结果与省机关事务管理局的能耗统计系 统对接，为政府部门在 节能方面的决策提供有力的依据，从而更好的监测和督促全省重点用能单位节能计 划的执行。其中电能作为消耗最多、应用最广的能源之一，节能潜力巨大，建立一 个

24、用电信息采集监测平台可以明确了解工业企业和公共机构的用电需求及用电规 律，实时监控重点能耗单位的用电信息（正向 /反向有功、无功总电量，尖、峰、平、 谷电量等），对异常情况进行检测和排除，根据不同的用电情况做出调整从而提高 供电质量 4，为进一步改良供电方案提供有力的数据支持。综上所述，对用电信息 实施科学有效的管理及调度是促进电能节约、 引导电能有效利用的重要举措。 近年来国内外许多国家都在大力开展电力信息采集器的研发工作，其发展可谓 之迅速。在我国，实现电能数据采集及数据管理的方法有很多种，现行的采集方案 及管理模式都是在特定场景下诞生的阶段性产物，在实际运行过程中由于现场环境 的复杂和多

25、变，通信成功率、准确率、实时性都得不到可靠的保障，适用范围也有 一定的限制。因此实现方便、高效、智能、实时、稳定的电力信息采集器具有积极 的意义 6。本文设计的电力信息采集器在很大程度上解决了通信稳定性和线路干扰 问题，通过集成多种通信方式使得系统的适 用范围得到了很大的扩展，本文所设计 的电力信息采集器具有很明显的市场应用价值。 1.2电力信息采集技术方法比较与现状分析 1.2. 1电力信息采集技术方法概述 目前用于电能数据采集的方式主要有三种：人工现场抄录、 1C卡抄录以及自动 抄录 7。近些年随着我国经济的快速发展，除了偏远山区还在使用人工进行抄录， 大部分地区都是使用 1C卡或是智能化

26、自动采集装置。 人工抄录需要专人去现场对每一个电表的数据进行记录，虽然解决了偏远山区 用电信息采集的问题且比较容易实现，但还是存在许多未解决的难题。一方面，人 工采集需要消耗比较长的时间，工作效率低，浪费大量的劳动力，而且难以对电表 进行实时监控，不便于数据的信息化处理；另一方面，人工记录的数据难免会出现 失误，存在很严重的漏抄、错抄现象，这也给整个工作带来了许多不必要的经营成 本。人工抄录的方式不但浪费时间和精力，而且数据的可靠性和实时性也得不到有 力的保障，这样管理中心就不能及时获得详细准确的用电数据，也不能实时监测和 分析重点用能单位的用电情况。一般情况下，人工对电能表数据进行抄录都是

27、以月 为周期，这对于统计普通用户每月的用电信息来说是可行的，但是对于能源计量数 据在线采集监测平台来说，这些少量的数据既不够全面，也不够及时，对进行更深 层次的趋势分析、需求分析以及管理的决策是远远不够的 8。从上可以看出，人工 抄录的方式已经远远落后了，其必然会被更加先进的方式所取代。 1C卡式抄录是将耗能单位的用电信息记录到卡中，需要耗能单位定期到管理中 心处进行登记。该抄录方式最初受到了人们广泛的使用，有着不可替代的作用。到 目前为止，1C卡在国内仍然被一定的用户群体所使用，但是它的局限性决定了它必 然是特定历史时期下的过渡产品 9。与人工抄录方式相比，数据直准确性得到了很 大的提升，也

28、不需要派专人进行信息采集，节约了大量的人力物力。但 1C卡式抄 录同样不能及时监控用户用电使用情况，实时性差，所以对于管理中心对用户用电 量实时分析这一需求也同样无能为力。除此之外， 1C卡费用较高，且比较容易损坏， 不易在经济相对贫困的地区使用起来，所以 1C卡抄录方式在还没能全面普及的时 候就已经慢慢的退出了电力信息采集应用市场。 自动抄录 （ AMR， Automation meter reading)利用现有的高科技电子技术，以 一定的通信方式将智能电表和管理中心相连，实现对电能表各项数据的自动、实时、 可靠采集，并将采集到的各项数据进行分类存储，以便数据的统计和分析。自动抄 录方式既

29、节约了各项资源，也提高了数据传输的实时性和准确性，而且非常方便实 现对各项用电数据的统计分析与管理 1 。 1.2. 2国内外自动采集技术现状分析 自动采集技术的发展首先得益于电子式电能表的快速发展，为数据自动采集技 术的市场需求提供了良好的条件。 20世纪 80年代初，美国弗吉尼亚电力公司发明 了第一台手持式微机设备，从此开始了信息采集的自动化时代。电力数据抄录人员 通过手持式微机设备就能够方便的将用户所消耗的电能数据存入计算机，后期再通 过计算机完成数据的分类汇总和具体分析 11。 20世纪 90年代初，埃及开罗配电公 司开发出的双模式住宅电能监测系统使自动抄表进入到了一个全新的时代。很长一 段时间内，美国在自动采集技术行业里都处于绝对领先的地位，这对于自动采集技 术的推广起到了很大的示范作用。其中最成功的推广案例应属美国科罗拉多州丹佛 市 77万台电表和 67万台气表的自动采集技术的应用。据调查显示 ， 90年代初期北 美地区应用自动采集技术的电表已经超过