多功能单相电子式电能表-毕业设计.docx
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1、多功能单相电子式电能表南 京 工 程 学 院毕 业 设 计 说 明 书作者:戴云霞学号:08301109系部:电力系 专业:电网监控题目:多功能单相电子式电能表指导者:韩念杭教授评阅者:2023 年 6 月南 京1多功能单相电子式电能表电 子 式 电 能 表摘要:电能是国民经济、工业、商业、等人民生活的重要二次能源,电能在现代社会中是普遍使用的,所以电能计量装置在发、供、用电的地位是格外重要的。电能计量装置就更显得重要,电能表作为测量电能的专用仪表其性能直接影响着电能治理的效率,为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能治理现代化飞速进展的需求电子式电能表应运而生本次设计的多功能单相电子式电能表
2、能采集计算电压、电流、有功电能、无功电能,在电能表本体上有 LCD 显示器,显示采集和计算的各种所需数据;并具有 RS485 通讯接口关键词:电能表 电子式单相式 RS485多功能Measuring apparatus of electric energy.Abstract:Electric energy for national economy, industry, commerce ,etc. people”s lives the energy important, electric energy be used generally among modern society, so ele
3、ctric energy measuringapparatus take place, support, use statusof cable veryimportant. If after China has participated in world commerce, the measuring apparatus of electric energy seems more important even more, because foreign countries require collect electric rate accurately rationally, especial
4、ly those individual proprietorship factory or joint venture pay more attention to electric energy measuring apparatus.10前 言在现代化社会中,电能已经成为最重要的能源。电力工业的进展需要电能计量仪表制造业的进步与之相适应,发电、输电、配电与用电均需要准确的计量电能。在世界资源匮乏的今日,电能的节约与有效利用均具有格外重要的意义。电能表作为测量电能的专用仪表,自诞生已有 100 多年的历史。电能表在电 能治理用仪器仪表中占有很大比例,其性能直接影响着电能治理的效率和科学文化水平
5、。100 多年来,随着电力系统、全部以电能为动力的产业的进展以及电能治理系统的不断完善,电能表的构造和性能也经受了不断更、优化的进展过程。本设计的单相电子电能表具有用电计量、监视、掌握、治理四大功能,由于内部无机械摩擦而准确度高,灵敏度高,易实现自动化测量,用 RS485 可实现远方通信 。在设计过程中,承蒙母校供给良好的上机环境,始终受到电网监控教研室主任韩念杭教授的关心和指导,在此表示诚意的感谢,并致以崇高的敬意!由于本人水平有限,设计中还存在不妥和欠缺之处,敬请各位教师谅解,恳请批判指正。感谢!作 者2023 年 6 月目 录前 言 3第一章 电能计量根本概念1.1 电能计量装置其次章
6、电子式电能表2.1 电子式电能表的进展史2.2 电子式电能表的一般构造与原理2.3 电子式电能表的功能与分类2.4 各种电能表的比较第三章 多功能单相电子式电能表的硬件构造3.1 电子式电能表的硬件框图3.2 电源电路局部3.3 计量局部3.4 通讯局部3.5 MCU 及其它电路局部第四章 多功能单相电子式电能表的软件构造4.1 电能表的系统软件构造框图、4.2 电能表的程序流程图第五章 电子式电能表的整体构造5.1 完整的电路原理图和印制电路板5.2 电能表的构造图附录一 参考文献附录二 参考程序第一章 电能计量根本概念电能是国民经济、工业、商业等人民生活的重要二次能源,电能可以便利地转化为
7、其他形式的能量。电力的生产和其他产品的生产不同,其特点是发电厂发电、供电部门供电、用户用电这三个部门是连成一个系统,不能连续地同时完成, 而且是相互严密联系缺一不行,它们相互如何销售,如何经济计算,那就需要一个计量器具在三个部门之间进展测量计算出电能的数量,这个装置就是电能计量装置。在电力市场的整体运作中,电能计量装置的读数作为电力产品贸易结算的依据,已经越来越受到贸易双方的重视,是贸易双方经济核算的重要指标。随着我国参加 WTO、融入国际大市场的步伐,工农业生产的自动化程度及劳动生产率已大大提高,降低产品的电能本钱已成为宽阔电力用户追求的目标。必需加强电能计量的学习,加强电能计量技术的学习,
8、使电能计量工作治理标准化,符合国家标准,计量准确牢靠。1.1 电能计量装置电能计量是由电能计量装置来确定电能量值的一组操作,是为实现电能量单位及其量值准确、牢靠的一系列活动。电流信号传输线电流信号源器件显示存储器件电能计量原理框图如下图。高压配电系统电压信号传输线电能量电压信号源采样器件测量计算用户配电变压器用户供电线路分支是与高压配电系统相连接的,要对这个高压供电系统分支的电能进展计量,首先要通过电压信号源器件将高电压信号成正比地变为低电压信号,通过电流信号源器件将大电流成正比地变为小电流信号;然后通过传输线将这个低电压、小电流信号传输给电能量采样、测量、计算、显示、存储器件。电压信号源器件
9、一般选用电磁式电压互感器,也有用电容分压器或电阻分压器 的,高技术选用光电压互感器;电流信号源器件一般选用电磁式电流互感器, 高技术选用电子式电流互感器、光电流互感器;传输线一般选用电缆,高技术选用光缆;电能量采样、测量、计算、显示、存储一般由电能表来完成,高技术直接用计算机来取代电能表。目前广泛使用的电能计量装置包括:计量用电流电压互感器、电能表、互感器与电能表之间的二次回路、电能计量箱、电能计量集抄设备等。其次章 电子式电能表2.1 电子式电能表的进展史世界上最早的电能表是爱迪生于 1880 年利用电解原理制造的直流电能表, 沟通电的消灭和被利用,对电能计量仪表提出了的要求。测量直流电能的
10、电能表多承受电动系测量机构,而用于测量沟通电能的电能表则承受感应系测量机构。电能开发及利用的加快,对电能治理和电能表性能提出了更高的要求,感应系电能表准确度等级不够高,为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能治理现代化快速进展的需要,电子式电能表应运而生。电子式电能表是一代电能表,在近几年得到了用户的普遍认可和承受,使用渐渐广泛起来。随着电子技术的进展和用户用电治理水平要求的不断提高,电子式电能表得到了迅猛的进展,成为电能计量不行缺少的重要组成局部。电子式电能表其测量局部完全由电子元件构成,而且内部时钟局部、电源局部、显示局部等均由电子元器件构成。电子式电能表由于其构成不同于机械电能表而得名。
11、由于内部没有可以转动局部也成为静止式电能表。电子式电能表诞生在 20 世纪 40 年月,由欧洲的公司制造。它的诞生也是得益于电子技术的进展。在 20 世纪 80 年月之前,电子式电能表并没有显示出它巨大的生命力和活力,它的应用局限于高精度电能表、标准表和检验装置,其本钱较高,性能和牢靠性比机械表并不优越很多。在 20 世纪 90 年月,电子技术进展快速,电子式电能表也取得了飞跃的进展, 无论是高档、高精度三相表,还是低档、低精度单相表都有大量的、性能优越的电子式电能表产品。电子式电能表在技术上从模拟乘法器到数字乘法器,性能越来越好,而价格越来越低,大规模批量生产工艺也格外成熟,已形成了一个格外
12、有活力、欣欣向荣的产业。2.2 电子式电能表的一般构造与原理电子式电能表通常由以下几个局部组成:电源局部、显示局部、测量局部、治理局部、外部设备。下面简洁的介绍以下各局部的功能:(1) 测量局部:它接收沟通电压、电流信号,将其运算后得到相乘的电功率信号,电子式电能表的精度和稳定性等主要性能就由此部件打算。它是电子式电能表的心脏,一般由模拟乘法器、数字乘法器或 A/D 模拟数转换加高速微处理器构成。(2) 电源局部:将输入的沟通电压整流、降压、滤波后得到直流 5V、12V 等电压等级的电压,供给其他电路。电源局部格外重要,它是电子式电能表工作的动力源,一般由线性或开关稳压电路构成。(3) 显示局
13、部:将电能量及其他信息显示出来。一般有数码管LED、液晶显示器 LCD 以及机械计度器三种方式。(4) 治理局部:接收测量部件输出的电功率信号,计算出各种所需的电量,并且治理显示、时钟、通信接口、数据存储器等部件。一般由单片机或嵌入式计算机构成其核心。它是电子式电能表的大脑,指挥其他局部完成工作。(5) 外部设备:包括接口局部、外壳等。一般有数字通信接口,用于与其他设备进展数据交换、抄表、设置表计参数等,常用的有:远红外数字通信接口、RS485 通信接口、IC 卡读写接口等。下面是电子式电能表的原理框图电I压互测感器量管 理 部 分接口电部部分U流互分感器显示局部电源局部2.3 电子式电能表的
14、功能与分类2.3.1 电子式电能表的功能1. 计量功能电子式电能表的计量功能 具体地又分为累计和实时计量两局部。累计计量功能主要包括累计双向供电的有功电能、无功电能 、视在电能的消耗量、断电时间、断电次数等。实时计量包含测量并显示工频电能的全部参数。2. 监视功能监视功能为最大需量和防窃电监视;其次还有缺相指示、停电和复电时间记录、预付费表的所购电能将用完时的报警及电压特别报警。3. 掌握功能主要的掌握功能为时段与负荷掌握。前者用于多费率分时计费;后者则是指通过接口接收远方掌握指令或通过表记内部的编程掌握负荷。4. 治理功能电子式电能表的治理功能包括按时段费率进展计费、预付费提示、为抄表供给必
15、要信息数据、可参与组网进入电能治理系统等。5. 最大需量计量需量的定义:定长时间的平均功率;最大需量:需量的最大值。定长时间也称为需量周期,一般为 5、10、15、30、60 min。而计算需量的间隔称为滑差步进时间,一般为 1、3、5、15 min。其计量方法为:每个滑差步进时间到时,计算截止到当前时刻的一个需量周期的平均功率,并且与最大值进展比较。如需量周期为 15 min,滑差步进时间为 5 min,即每 5 min 计算一次当前 15 min 的平均功率,并且与最大值进展比较,假设大于最大值,将其记录为最大需量,如图为最大需量计算说明。功率151015 20 25 30 35 40 4
16、5 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95时间(min)如下图,电能表从 0 min 开头计算需量,每 5 min 计算一次最大需量,当第50 min 计算时到达最大值。国内只需要计量有功最大需量,并依此进展收费。国外有计量视在最大需量的需求。最大需量也需要分时计量。最大需量为一个月的最大值,过月时,要求将当月最大值保存到上月,而当前最大值清零重开头计量。一般要求记录多个月最大需量。2.3.2 电子式电能表的分类一电能表按所测电能种类分,可分为有功电能表、无功电能表、直流电能表三种。后者一般用于特别行业,不用于电力贸易计量。有功电能表计量用户实际消耗的电能 W 有,这些电能
17、已经不行逆转的变成了机械能、热能、光能、化学能、生物能等。无功电能表用于计量用户的无功电能W 无。 无功不是用户消耗的电能而是用户曾经存储起来的电能,这局部电能会与电网进展能量交换。计量无功的目的,是要核算一个抄表期内的平均功率因数,即平均力率,即 =cos =W 有=1W 有 2+W 无 21+(W 有/W 无)2用户消耗的无功越多,平均功率因数就越低,配电网在为用户输送这些无功电能时,要增加的线损就越多,增加了供电本钱。因此在电费结算时要对功率因数进展考核。二电能表按相别和接线方式分,可分为单相、三相三线制和三相四线制三种。三按电压等级分可分为高压表额定线电压为100V和低压表额定相电压统
18、一为 220V两种。四按电流的测量范围来分,可分为直通表和经电流互感器接入两种。五按准确度等级分,可分为 0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 级等等。准确度等级的数字越小准确度等级越高。六按构造原理分,可分为感应式电能表、全电子式电能表、机电一体化电能表。七按测量功能分,可分为分时计费电能表、最大需量电能表、预付费电能表、集抄电能表、多功能电等能表等。2.4 各种电能表的比较感应式电能表已有 100 多年的历史,其工艺成熟,价格低廉,过载力量强, 牢靠性好,可视性好,但由于元件磨损、灰尘增多、电磁性能变差等因素的影响, 准确度等级不高,不易实现自动化,
19、可是目前国内乃至国外,尤其是在农村电网及三相低压中,感应式电能表还占有相当大的市场。全电子式电能表因其内部没有可动部件,无机械摩擦而准确度高,灵敏度高, 使用寿命长,易实现自动化计量,可实现遥测遥控,实现数据自动分析统计,计量中可排解人为因素干扰,功能多,数据可存储,便于无纸化抄核收作业,便于远方集中抄表。目前单相表选用全电子式电能表已经很普遍。机电一体化电能表又称为脉冲电能表,它综合了感应式及全电子式电能表的优点。该表型的电能采样,仍旧有感应式母表完成,这局部的构造与一般感应式电能表一样,用字轮显示电度数。第三章 多功能单相电子式电能表的硬件构造3.1 电子式电能表的硬件框图本电能表的硬件电
20、路由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、MCU治理电路设计及其它局部电路设计四大局部组成。其中核心局部是计量电路的设计,这也是电子式电能表计量功能的表达, 它是电能表计量准确性的关键局部,但其他局部也是缺一不行的,他们相辅相成, 特别是单片机掌握器,它是电能表的灵魂,实现系统中各个部件协调掌握。RS-485 通讯信道系统掉电检测被测电压拾取电路计量芯片电路ADE7755MCU 局部89LPC931被测电流拾取电路指示灯I2C 总线LCD 驱动器PCF8576存储器EEPROM 24WC08实 时 时钟 8025LCD 显示器电源电路局部:MCU 及其相关局部电源电路计量电源电路RS-48
21、5通讯电源电路由上图显示,电源电路为了提高系统的抗干扰性、牢靠性,分为三个独立的电源,使计量电路,RS-485 通讯和 MCU 的电源相互隔离,到达互不影响的目的, 但是它们属于同一个变压器,所以选择变压器的时候要留意。在计量局部,ADE7755 芯片是一个数模混合的电路,因此设计比较困难, 要想到达良好的计量效果,要实行肯定的抗干扰措施,如数字地和模拟地在 PCB 板上单点连接,特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上,干扰比较严峻。I2C 总线在整个系统中占有重要的作用,它关系到 LCD 显示、电量数据存储、时间和日期的读取等等,它是 MCU 与外部设备的接口,是 MCU 猎取信息
22、的 窗口。在通讯电路中,在通讯发生时MCU 要承受通讯帧,推断是否正确,并执行通讯命令。从上面简洁的分析可以看出,MCU 是系统的掌握器,起着打算性的作用。3.2 电源电路局部单相电子式电能表的电源电路为三个局部:电量计量电源电路、RS-485 通讯电源电路、MCU 及其相关局部电源电路。电源是保证电能表正常运行的先决条件,因此在进展电源电路设计时要考虑多方面因素,如设计原理的正确性、电源容量的冗余量,要选择适宜的元件参数。不能以马马虎虎的态度去解决。下面为各局部电路的电源电路设计图:电量计量电源电路和 RS-485 通讯电源电路都通过将压、整流、稳压和滤波四个环节,得到 5V 的直流电压。整
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