多功能單相電子式電能表1畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)作者：學(xué)號(hào)：系部：電力系專(zhuān)業(yè)：電網(wǎng)監(jiān)控題目：多功能單相電子式電能表指導(dǎo)者：（教授）評(píng)閱者：2004年6月多功能單相電子式電能表2電子式電能表摘要：電能是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、商業(yè)、等人民生活的重要二次能源，電能在現(xiàn)代社會(huì)中是普遍使用的，所以電能計(jì)量裝置在發(fā)、供、用電的地位是十分重要的。電能計(jì)量裝置就更顯得重要，電能表作為測(cè)量電能的專(zhuān)用儀表其性能直接影響著電能管理的效率，為使電能計(jì)量?jī)x器儀表適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化飛速發(fā)展的需求電子式電能表應(yīng)運(yùn)而生本次設(shè)計(jì)的多功能單相電子式電能表能采集計(jì)算電壓、電流、有功電能、無(wú)功電能，在電能表本體上有LCD顯示器，顯示采集和計(jì)算的各種所需數(shù)據(jù)；并具有RS485通訊接口關(guān)鍵詞：電能表電子式單相式RS485多功能Measuringapparatusofelectricenergy.Abstract：Electricenergyfornationaleconomy,industry,commerce,etc.peopleslivestheenergyimportant,electricenergybeusedgenerallyamongmodernsociety,soelectricenergymeasuringapparatustakeplace,support,usestatusofcableveryimportant.IfafterChinahasparticipatedinworldcommerce,themeasuringapparatusofelectricenergyseemsmoreimportantevenmore,becauseforeigncountriesrequirecollectelectricrateaccuratelyrationally,especiallythoseindividualproprietorshipfactoryorjointventurepaymoreattentiontoelectricenergymeasuringapparatus.多功能單相電子式電能表3前言在現(xiàn)代化社會(huì)中，電能已經(jīng)成為最重要的能源。電力工業(yè)的發(fā)展需要電能計(jì)量?jī)x表制造業(yè)的進(jìn)步與之相適應(yīng)，發(fā)電、輸電、配電與用電均需要準(zhǔn)確的計(jì)量電能。在世界資源匱乏的今天，電能的節(jié)約與有效利用均具有十分重要的意義。電能表作為測(cè)量電能的專(zhuān)用儀表，自誕生已有100多年的歷史。電能表在電能管理用儀器儀表中占有很大比例，其性能直接影響著電能管理的效率和科學(xué)文化水平。100多年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)、所有以電能為動(dòng)力的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及電能管理系統(tǒng)的不斷完善，電能表的結(jié)構(gòu)和性能也經(jīng)歷了不斷更新、優(yōu)化的發(fā)展過(guò)程。本設(shè)計(jì)的單相電子電能表具有用電計(jì)量、監(jiān)視、控制、管理四大功能，由于內(nèi)部無(wú)機(jī)械摩擦而準(zhǔn)確度高，靈敏度高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，用RS485可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方通信。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，承蒙母校提供良好的上機(jī)環(huán)境，始終受到電網(wǎng)監(jiān)控教研室主任韓念杭教授的關(guān)心和指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝，并致以崇高的敬意！由于本人水平有限，設(shè)計(jì)中還存在不妥和欠缺之處，敬請(qǐng)各位老師諒解，懇請(qǐng)批評(píng)指正。謝謝！作者2005年6月多功能單相電子式電能表4目錄前言3第一章電能計(jì)量基本概念1.1電能計(jì)量裝置第二章電子式電能表2.1電子式電能表的發(fā)展史2.2電子式電能表的一般結(jié)構(gòu)與原理2.3電子式電能表的功能與分類(lèi)2.4各種電能表的比較第三章多功能單相電子式電能表的硬件結(jié)構(gòu)3.1電子式電能表的硬件框圖3.2電源電路部分3.3計(jì)量部分3.4通訊部分3.5MCU及其它電路部分第四章多功能單相電子式電能表的軟件結(jié)構(gòu)4.1電能表的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖、4.2電能表的程序流程圖第五章電子式電能表的整體結(jié)構(gòu)5.1完整的電路原理圖和印制電路板5.2電能表的結(jié)構(gòu)圖附錄一參考文獻(xiàn)附錄二參考程序多功能單相電子式電能表5第一章電能計(jì)量基本概念電能是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、商業(yè)等人民生活的重要二次能源，電能可以方便地轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。電力的生產(chǎn)和其他產(chǎn)品的生產(chǎn)不同，其特點(diǎn)是發(fā)電廠發(fā)電、供電部門(mén)供電、用戶(hù)用電這三個(gè)部門(mén)是連成一個(gè)系統(tǒng)，不能間斷地同時(shí)完成，而且是互相緊密聯(lián)系缺一不可，它們互相如何銷(xiāo)售，如何經(jīng)濟(jì)計(jì)算，那就需要一個(gè)計(jì)量器具在三個(gè)部門(mén)之間進(jìn)行測(cè)量計(jì)算出電能的數(shù)量，這個(gè)裝置就是電能計(jì)量裝置。在電力市場(chǎng)的整體運(yùn)作中，電能計(jì)量裝置的讀數(shù)作為電力產(chǎn)品貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，已經(jīng)越來(lái)越受到貿(mào)易雙方的重視，是貿(mào)易雙方經(jīng)濟(jì)核算的重要指標(biāo)。隨著我國(guó)加入WTO、融入國(guó)際大市場(chǎng)的步伐，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度及勞動(dòng)生產(chǎn)率已大大提高，降低產(chǎn)品的電能成本已成為廣大電力用戶(hù)追求的目標(biāo)。必須加強(qiáng)電能計(jì)量的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)電能計(jì)量新技術(shù)的學(xué)習(xí)，使電能計(jì)量工作管理規(guī)范化，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)量準(zhǔn)確可靠。1.1電能計(jì)量裝置電能計(jì)量是由電能計(jì)量裝置來(lái)確定電能量值的一組操作，是為實(shí)現(xiàn)電能量單位及其量值準(zhǔn)確、可靠的一系列活動(dòng)。電能計(jì)量原理框圖如圖所示。高壓配電系統(tǒng)電壓信號(hào)傳輸線電流信號(hào)傳輸線用戶(hù)配電變壓器用戶(hù)供電線路分支是與高壓配電系統(tǒng)相連接的，要對(duì)這個(gè)高壓供電系統(tǒng)分支電壓信號(hào)源器件電流信號(hào)源器件電能量采樣測(cè)量計(jì)算顯示存儲(chǔ)器件多功能單相電子式電能表6的電能進(jìn)行計(jì)量，首先要通過(guò)電壓信號(hào)源器件將高電壓信號(hào)成正比地變?yōu)榈碗妷盒盘?hào)，通過(guò)電流信號(hào)源器件將大電流成正比地變?yōu)樾‰娏餍盘?hào)；然后通過(guò)傳輸線將這個(gè)低電壓、小電流信號(hào)傳輸給電能量采樣、測(cè)量、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)器件。電壓信號(hào)源器件一般選用電磁式電壓互感器，也有用電容分壓器或電阻分壓器的，高新技術(shù)選用光電壓互感器；電流信號(hào)源器件一般選用電磁式電流互感器，高新技術(shù)選用電子式電流互感器、光電流互感器；傳輸線一般選用電纜，高新技術(shù)選用光纜；電能量采樣、測(cè)量、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)一般由電能表來(lái)完成，高新技術(shù)直接用計(jì)算機(jī)來(lái)取代電能表。目前廣泛使用的電能計(jì)量裝置包括：計(jì)量用電流電壓互感器、電能表、互感器與電能表之間的二次回路、電能計(jì)量箱、電能計(jì)量集抄設(shè)備等。第二章電子式電能表2.1電子式電能表的發(fā)展史世界上最早的電能表是愛(ài)迪生于1880年利用電解原理發(fā)明的直流電能表，交流電的出現(xiàn)和被利用，對(duì)電能計(jì)量?jī)x表提出了新的要求。測(cè)量直流電能的電能表多采用電動(dòng)系測(cè)量機(jī)構(gòu)，而用于測(cè)量交流電能的電能表則采用感應(yīng)系測(cè)量機(jī)構(gòu)。電能開(kāi)發(fā)及利用的加快，對(duì)電能管理和電能表性能提出了更高的要求，感應(yīng)系電能表準(zhǔn)確度等級(jí)不夠高，為使電能計(jì)量?jī)x器儀表適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化迅速發(fā)展的需要，電子式電能表應(yīng)運(yùn)而生。電子式電能表是新一代電能表，在近幾年得到了用戶(hù)的普遍認(rèn)可和接受，使用逐漸廣泛起來(lái)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和用戶(hù)用電管理水平要求的不斷提高，電子式電能表得到了迅猛的發(fā)展，成為電能計(jì)量不可缺少的重要組成部分。電子式電能表其測(cè)量部分完全由電子元件構(gòu)成，而且內(nèi)部時(shí)鐘部分、電源部分、顯示部分等均由電子元器件構(gòu)成。電子式電能表由于其構(gòu)成不同于機(jī)械電能表而得名。由于內(nèi)部沒(méi)有可以轉(zhuǎn)動(dòng)部分也成為靜止式電能表。電子式電能表誕生在20世紀(jì)40年代，由歐洲的公司制造。它的誕生也是得益于電子技術(shù)的發(fā)展。在20世紀(jì)80年代之前，電子式電能表并沒(méi)有顯示出它巨多功能單相電子式電能表7大的生命力和活力，它的應(yīng)用局限于高精度電能表、標(biāo)準(zhǔn)表和檢驗(yàn)裝置，其成本較高，性能和可靠性比機(jī)械表并不優(yōu)越很多。在20世紀(jì)90年代，電子技術(shù)發(fā)展迅速，電子式電能表也取得了飛躍的發(fā)展，無(wú)論是高檔、高精度三相表，還是低檔、低精度單相表都有大量的、性能優(yōu)越的電子式電能表產(chǎn)品。電子式電能表在技術(shù)上從模擬乘法器到數(shù)字乘法器，性能越來(lái)越好，而價(jià)格越來(lái)越低，大規(guī)模批量生產(chǎn)工藝也非常成熟，已形成了一個(gè)非常有活力、欣欣向榮的產(chǎn)業(yè)。2.2電子式電能表的一般結(jié)構(gòu)與原理電子式電能表通常由以下幾個(gè)部分組成：電源部分、顯示部分、測(cè)量部分、管理部分、外部設(shè)備。下面簡(jiǎn)單的介紹以下各部分的功能：（1）測(cè)量部分：它接收交流電壓、電流信號(hào)，將其運(yùn)算后得到相乘的電功率信號(hào)，電子式電能表的精度和穩(wěn)定性等主要性能就由此部件決定。它是電子式電能表的心臟，一般由模擬乘法器、數(shù)字乘法器或A/D模擬數(shù)轉(zhuǎn)換加高速微處理器構(gòu)成。（2）電源部分：將輸入的交流電壓整流、降壓、濾波后得到直流5V、12V等電壓等級(jí)的電壓，供給其他電路。電源部分非常重要，它是電子式電能表工作的動(dòng)力源，一般由線性或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路構(gòu)成。（3）顯示部分：將電能量及其他信息顯示出來(lái)。一般有數(shù)碼管LED、液晶顯示器LCD以及機(jī)械計(jì)度器三種方式。（4）管理部分：接收測(cè)量部件輸出的電功率信號(hào)，計(jì)算出各種所需的電量，并且管理顯示、時(shí)鐘、通信接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等部件。一般由單片機(jī)或嵌入式計(jì)算機(jī)構(gòu)成其核心。它是電子式電能表的大腦，指揮其他部分完成工作。（5）外部設(shè)備：包括接口部分、外殼等。一般有數(shù)字通信接口，用于與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、抄表、設(shè)置表計(jì)參數(shù)等，常用的有：遠(yuǎn)紅外數(shù)字通信接口、RS485通信接口、IC卡讀寫(xiě)接口等。下面是電子式電能表的原理框圖多功能單相電子式電能表8IU2.3電子式電能表的功能與分類(lèi)2.3.1電子式電能表的功能1計(jì)量功能電子式電能表的計(jì)量功能具體地又分為累計(jì)和實(shí)時(shí)計(jì)量?jī)刹糠?。累?jì)計(jì)量功能主要包括累計(jì)雙向供電的有功電能、無(wú)功電能、視在電能的消耗量、斷電時(shí)間、斷電次數(shù)等。實(shí)時(shí)計(jì)量包含測(cè)量并顯示工頻電能的所有參數(shù)。2監(jiān)視功能監(jiān)視功能為最大需量和防竊電監(jiān)視；其次還有缺相指示、停電和復(fù)電時(shí)間記錄、預(yù)付費(fèi)表的所購(gòu)電能將用盡時(shí)的報(bào)警及電壓異常報(bào)警。3控制功能主要的控制功能為時(shí)段與負(fù)荷控制。前者用于多費(fèi)率分時(shí)計(jì)費(fèi)；后者則是指通過(guò)接口接收遠(yuǎn)方控制指令或通過(guò)表記內(nèi)部的編程控制負(fù)荷。4管理功能電子式電能表的管理功能包括按時(shí)段費(fèi)率進(jìn)行計(jì)費(fèi)、預(yù)付費(fèi)提示、為抄表提供必要信息數(shù)據(jù)、可參與組網(wǎng)進(jìn)入電能管理系統(tǒng)等。5最大需量計(jì)量需量的定義：定長(zhǎng)時(shí)間的平均功率；最大需量：需量的最大值。電壓互感器電流互感器測(cè)量部分管理部分接口部分顯示部分電源部分多功能單相電子式電能表9定長(zhǎng)時(shí)間也稱(chēng)為需量周期，一般為5、10、15、30、60min。而計(jì)算需量的間隔稱(chēng)為滑差步進(jìn)時(shí)間，一般為1、3、5、15min。其計(jì)量方法為：每個(gè)滑差步進(jìn)時(shí)間到時(shí)，計(jì)算截止到當(dāng)前時(shí)刻的一個(gè)需量周期的平均功率，并且與最大值進(jìn)行比較。如需量周期為15min，滑差步進(jìn)時(shí)間為5min，即每5min計(jì)算一次當(dāng)前15min的平均功率，并且與最大值進(jìn)行比較，如果大于最大值，將其記錄為最大需量，如圖為最大需量計(jì)算說(shuō)明。功率15101520253035404550556065707580859095時(shí)間(min)如圖所示，電能表從0min開(kāi)始計(jì)算需量，每5min計(jì)算一次最大需量，當(dāng)?shù)?0min計(jì)算時(shí)達(dá)到最大值。國(guó)內(nèi)只需要計(jì)量有功最大需量，并依此進(jìn)行收費(fèi)。國(guó)外有計(jì)量視在最大需量的需求。最大需量也需要分時(shí)計(jì)量。最大需量為一個(gè)月的最大值，過(guò)月時(shí)，要求將當(dāng)月最大值保留到上月，而當(dāng)前最大值清零