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

Z Z Z Z Z

Z 200K 200K 200K 200K 200K 1K 0.1uF UC

5.6nF

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。

Z Z Z Z IA1IAP 7.510nF

10nF 1K

7.5LA2LAN Z Z Z Z IB1IBP

7.510nF

10nF

1K 7.5LB2LBN Z Z

Z Z IC1ICP

7.510nF

10nF

1K

7.5LC2LCN 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SSC P300进行设计。Intellon公司的SSC P300符合EIA-600 CEBus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Intellon P300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与交流电力线之间进行传输的。

在发送模式下，扩频载波“chirps”从P300的SO管脚传输到输出滤波器，然后输入到输出放大器，此放大器由P300的三态信号(TS)来决定其是否工作。一旦信号被放大，则输出信号通过媒介耦合电路传输到媒介中去。在接收模式下，模拟通讯信号通过外部媒介耦合电路传输到输入滤波器，此带通滤波器可通过频率为100KHz到400KHz的信号，经放大后传输到P300的SI管脚。

4.1.1电力线耦合电路

此电路主要是将信号由电力线接进来。由于电力输送工作在50Hz，相对于载波频率来说是低频率，故先将在信号进来之前进行高通滤波处理，然后通过12:12的线圈将信号耦合进来。为防止瞬间过载对设备造成损害，在线圈的电力线一侧增加防高压元件，而在设备一侧增加稳压电路。

图4-3电力线耦合电路

变压器T1为100KHz～400KHz的扩频载波信号提供了一个线性的传输功能；电容C1限制了变压器电流以免变压器铁心的饱和；电阻R1在设备与电力线断接

以后可对C1进行放电，因而减轻了C1中存储的高压而带来的对设备的损坏和破坏；稳压二级管W1和W2可用来钳制加在SSC P300模拟支持电路上的电压；而金属氧化压敏电阻M1则可以在电力线瞬间高压下提供保护。

4.1.2输入滤波电路

输入滤波电路是一前置带通滤波器，主要是把载波信号从耦合电路进来的较宽的信号中，按特定的带宽范围提取出来，送往后级电路处理。

图4-4输入滤波电路

4.1.3输入缓存和瞬间高压保护电路

经过滤波后的输入信号要经由下图中Q1、R4～R7组成的晶体管放大器进行缓存。此放大器的信号增益为20dB，之所以定位这个值是因为它可以提供峰—峰值为1mV的灵敏电压。而其它的增益值尽管可以提高接收的灵敏度，但同时降低了抗噪声干扰的能力。图中R3，R4两个电阻为放大器设置了直流工作点，将SSC P300的SI管脚输入的直流电压设置为电源电压的一半。二极管D3用来做温度补偿以稳定放大器的直流工作点。而二极管D1、D2将加在SSC P300 SI管脚的信号钳制在电源提供的电压范围内，这也为SSC P300提供了额外的瞬间高压保护。

图4-5输入缓存和瞬间高压保护电路

4.1.4 输出电路

这部分电路主要是把要发送的信号进行功率放大，并在三态开关打开期间，通过高压耦合电路耦合到电力线上。在发送模式下，P300 内部产生的“chirps”波形的信号输出到 SO 管脚，在进行功率放大之前先对信号进行预滤波。

图4-6输出电路

4.1.5 SSC P111 功率放大电路

成功发送的距离取决于功率放大器的驱动能力、电力线特性和接收机的灵敏度。由于电力线特性无法控制，而要提高接收机的灵敏度代价又很高，因此通常都是靠提高发送功率来完成的。故我们采用了Intellon公司的P111专用芯片把要发送到电力线上的SSC信号进行放大。P111电力线媒介接口芯片为电力线的收发器提供了输出功率放大器和输出三态开关的功能。其中，输出功率放大器满足EIA-600 CEBus标准中关于输出到普通阻抗和低阻抗电力线时所指定的电压值，而且它还提供了过温保护装置以提高系统的可靠性。

图 4-7 SSC P111 功率放大电路

4.1.6 SSC P300 其它接口电路

（1）时钟接口

SSC P300 的晶振输出管脚(XOUT)和晶振输入管脚(XIN)将片上振荡器与外部 12MHz 的晶振相连。另外，还需要一个1M欧姆的电阻(R17)与晶振并联，以及晶振两端与地之间各一个30pF的电容。

图4-8时钟接口电路

（2）电源

整个电路需要两个外部电源。一个+5V直流电源，其标准电流为30mA，用于SSC P300；另外一个+10V直流电源VAA，其标准电流为250mA，用于外部放大器。虽然外部放大器的电压需要直流11V，但是一般使用9V或10V直流电源。SSC P300的数字(VDDD)和(VDDA)电源必须进行隔离，使得信号从芯片的数字部分传输到模拟部分时，将噪声的漏值降到最小。上图中由R19、C19组成的滤波器可将SSC P300的模拟电源(+5VA)隔离，由 R18、C17组成的滤波器可将SSC P300的数字电源(+5VD)隔离。而晶体管缓存电路Q1为了使SSC P300信号输入脚的噪声耦合降到最小，也由+5V提供电源。

4.2 GSM模块

GSM无线调制解调模块是传统调制解调器与GSM无线移动通信系统相结合的一种终端设备。GSM模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范。GSM07.07中定义的AT Command接口提供了一种移动台(MS)与数据终端设备(DTE)之间的通用接口。GSM07.05对短消息作了详细的规定。在模块接收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示信息，同时数据终端设备也可以向模块发送

各种命令。在这里选用西门子的TC35无线调制解调模块，其结构如下图所示。

图4-9 TC35模块功能结构框图

从功能上看主要由四部分组成：GSM基带处理器、GSM射频部分、电源ASIC(Application specific integrated circuit)和Flash ROM。GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个C166CPU和一个DSP处理器内核组成，控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分是个单片收发器，它由一个外差式接收器、一个上变频调制环路发送器、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器这四个功能块组成，共同完成对射频信号的接收和发送等处理。GSM模块电流变化非常大，空闲时电流小于3mA，而在通话期间电流最大可达2A，这就对供电电路提出了较高的要求。模块电源ASIC部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用，此外它还输出一个2.9V/70mA的电源供模块外的其他电路使用。GSM射频部分的功率放大器对电源要求不高，所以可直接使用外部的输入电压。Flash ROM 用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息。

TC35接口电路如下图所示，构成了一个基本的应用电路。只需利用数据接口的TXD和RXD管脚对TC35进行控制，就可完成短消息方式的数据传输。

图4-10 TC35接口电路

由于TC35模块输入输出信号的TTL正逻辑电平最高是+2.9V，而不是+5V，这与MCU的CMOS标准电平不兼容，必须进行电平转换。转换电路如下图所示，采用7417集电极开路缓冲器，结合上拉电阻实现电平转换。

图4-11 TC35 数据输出电平转换电路 TC35 数据输入电平转换电路TC35默认的串行通信方式是8位数据位、1位停止位、无校验位，波特率在1.2kbit/s到115kbit/s之间自动可调。值得注意的是TXD和RXD信号与单片机的连接为：TXD—TXD、RXD—RXD，因为TC35管脚定义是针对外部连线，对于TC35来说TXD是信号输入脚，RXD是信号输出脚。

5通信系统设计方案二

5.3.1 通信系统方案设计

根据 ZigBee2007 的协议栈，ZigBee 支持 5 级的深度，也就是 6 个层级，协调器为第一级，下一级可以是路由器或者终端，再下一级也可以是路由器或者终端，但是只有协调器或者路由器可以有子节点，终端没有子节点，路由器还有父节点。从图中我们可以看到，上位机负责数据的处理，通过 COM 口和通信模

块进行通信，通信模块位于 ZigBee的网络中，是 ZigBee 的协调器，控制着网络中的重要数据，包括密钥等等，它负责启动和组建网络。通信模块下面可以有6 个具有路由功能的 ZigBee 设备子设备，或者说是 20 个 ZigBee 设备（包括14 个终端设备和 6 个路由设备）。在第二层级的每个路由模块（测量节点）下面也可以连接 6 个路由设备（测量节点）或者 14个终端设备（测量节点）。后面的第三层级、第四层级、第五层级、第六层级的设备都可以是路由模块或者终端设备。这些设备是否具有测量功率的功能，需要根据实际情况来安装。这些设备如果用于测量用户的用电数据的同时，还需要进行中继功能的，我们需要在此用户的家中安装具有路由功能的测量节点，如果安装在用户家中单纯用于测量用电数据的，那么我们只需要安装一个终端测量节点。由于 ZigBee 工作在 2.4GHz 的频段，波长比较短，传输距离和穿透能力都比较弱，所以在某些节点距离比较远的时候需要加入一些只有路由功能的 ZigBee 模块。整个网络开始运行后是一个树行结构。ZigBee 网络中的每个设备会在运行后根据网络的运行情况，一定的路由算法，在将用电数据传输回通信模块的时候会自动选择最佳的路径。也就是在某一时刻 A 设备将用户的用电数据传回通信模块，需要经过具有路由功能的 B、C、D 才传回通信模块，但是假如网络中有些数据发生了改变，A 设备的数据传回通信模块可能只经过了 B、C、F。ZigBee 数据交换的时候通过 ZigBee 信道双向传输。测量节点就是由 ZigBee 芯片 CC2530 和 STPM01 功率测量模块组成。通信模块和只具有路由模块的 ZigBee 设备主要是 CC2530 芯片。而我们只需要在应用端口的设定时，对相应的端口赋予不同的定义，则可以实现通信功能和路由功能的变换。