智能电网大学课程设计报告.docx

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、。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

7、 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

8、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接口与自己得无线应 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：H55 Cl- vcc V4- MAK323S tJlMl DTM： EXNJ RDUTL一3DIN4RDUBrDINS推MCU1) AorceoM ROirriEiH JCJRiX?EOFF ENVHJDMhs333M2322 IT2DI

9、EIT15C4RXDvccDTKIIPDSRRTRCTSNqDCDIk Medan or MC ?5 i图 2-3Modem/NMC35i 接口电路电路中RXD、TXD直接连ATmega162的RXD0TXD0，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采模块分主要分为三部分：电压采集电路、电流采集电路 和电能量采集电路。三项多功能电能计量芯片ADE7758的电压通道输入采用单端电压输入，标准 运行时最大信号电为土 0.5V（相对于

10、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采样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-220mV220mV，电压通道模拟量采集电路。UA5.6nF0.1uFUCZ200KZ200KZ200KZ200KZ200K1K5.6nF0.1uF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土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7.5。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

11、。LA2LC2IA17.5IAP-T10nFIB17.5Z7.540nFZ7.5LANLB2-Z 1Kic1 nr7.57.5Z1K3）电能量采集量iCP10nFF0nFLCN图3-2电流通道采集电路IBP-T10nF-r10nFLBN-Z 1K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集成了二阶工一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

12、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，

13、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。GSM/GPRS网低压电力网图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

14、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1

15、00KHz400KHz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

16、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

17、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

18、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

19、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。-220V0.33uF尸 Ml 470kB to+10V e图4-3电力线耦合电路变压器T1为100KHz400KHz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C

20、1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。input gignal - g180C2 -0.01 uFL2 /YYVl120uHC5 A3300pFL1：:180uH-. * . 3300pF-L- C4 .一 1500pF!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

21、入信号要经由下图中Q1、R4R7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一 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。+5VA+5VAR36.2kSZ D3：1 R4 ：14k .图4-5输

22、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。VCCR9 10k-C6.第.R8 .so-ir0.1 uF1k:CT-L-n R10： 220pF 10k Q2R11. 10Q : L3 rYYYA 180uHeg. 3300pF . 1500pF C10 TL0.1 uFR：12 :510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、

23、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。VAAC11 A2-ifC12 o.iuf , |1,35,1513C13 1uFVDDBIASVDDTXOVDDTPOvssNCvssNC

24、vssNCvssTXICBTTSpmR13 75k |L4/YYY1.8uHC14I B 0.1uF:V VAAV：=VAA- -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250m

25、A，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

26、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。天线插口Flash ROM 12feA-lAl)C J32/64128/256-KB FLASH一 8舵定时弄IEEESO2. 15.4定时器8位史籽器USAK1X) ：4* LSRATL U ；先进先M和顿控制图5-3 CC2

27、530结构框图CC2530设备内置了一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器，这就是RF内核 控制模拟无线模块。同时，CC2530还为MCU和无线设备之间提供了一个接口， 这样就可以实现确定发出命令、读取状态、自动操作和确定无线设备时间的顺序。 无线设备还包括了一个数据包过滤和地址识别模块。CC2530中的SPI模式分为4线接口或3线接口与外部系统通信。接口包 含引脚MOSI、MISO、SCK和SS_N。当寄存器写入UxBUF后，SPI主模式就开 始传送字节，SCK串行时钟使用波特率发生器产生，发送寄存器提供将字节输出 到MOSI引脚。同时接收寄存器从输入引脚MISO收取字节。当传送开始U

28、xCSR_ACTIVE位变高，而传送结束后，UxCSR_ACTIVE位变低。当传送结束时， UxCSR_TX_BYTE位设置为1。SCK的极性是由UxCSR_CPOL位选择，它的相位由 UxGCR_CPHA位选择。字节传送的顺序由UxGCR_ORDER位选择。传送结束时，收 到的数据字节由UxBUF提供读取。在单元就绪接受另一个自己用来发送时，产 生发送中断。因为UxBUF是双缓冲，这个操作正好在发送开始时就发送了。对于DMA传输这是自动处理的。还要注意发送中断和接收中断的区别，因为发送 中断会提前大约8位周期到达接收中断。5.3.3.2 CC2530应用电路的设计由于CC2530只是起到了和

29、STPM01通信以及无线传输信号的作用，所以 CC2530射频天线的设计至关重要。根据相应的资料，天线我们采用倒F式的。 射频天线主要设置的几个参数是阻抗、Vswk、带宽、RL参数，TI给出了典型的 值，阻抗我们一般取50欧姆，Vswk小于等于1.5，带宽大于100M，RL小于 负100DB。我们需要根具这些设置我们的天线参数。由于Zigbee的终端、路由 器、协调器的主要是软件部分的不同，所以这三种功能的模块我们都采用了相同 的电路设计，再根据实际的需要，通过下载相应的应用软件。CC2530典型的部 分外围应用电路如图5.4所示，从图中我们看出CC2530只需要极少的外部元 件。OptiDf

30、ialJZHiCiiystal2-VID 16 V POrtCf SupdvQRBI AS 3DW/D&4 2SWDGI 网WDO2 27AF.HMRF P25rl= rl=elL 3GND 4GND5 PI. J6 Pis.47 Pl _30PT29 P1J 1DDVD02CC253ODIE ATTACH PAD1W1Mnr1HcEGi.Pn宵 5|?八SlrnuDe； tai IL0 NN 0河区期XOSC 02 23X0S_Q1 22Z A7DDS21_j_XTALt总结本文重点介绍智能抄表系统硬件电路设计，主要包括集中器、采集器和通信 系统三个部分。其中，集中器的硬件电路设计系统具有接口电路简单、传输数据 量大、功率消耗低等特点，非常适合无线抄表、远程数据采集等领域。通信系统 方案一采用低压电力载波通信作为底层通信，蜂窝移动无线通信网GSM实现上 层通信的技术方案，成功地解决了用户终端（采集器）到集中业务处理单元（集 中器），再到管理中心（Top System）的数据链路难题，为远程抄表系统的可行 性应用方案增加了一块厚重的基石。随着网络信息技术的不断完善和发展，无线 传输数据的方式会越来越广泛地应用于各领域。通信系统方案二采用基于 ZigBee技术的无线抄表系统。