基于ZigBee的多用户智能电表方案设计书Word文件下载.docx
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摘要
随着我国城市居民住宅建设的迅速发展,楼房用表日益增多,传统的将多个电能表集中挂成一面“表墙”的应用方式,体积大,工程造价高,不利于新型住宅的集中用电管理。
为了简化抄表系统结构,降低系统成本,构建了一种新型的基于ZigBee通讯技术的智能电表。
电表的可靠性、使用寿命、计量精度是系统设计的关键。
本文选用美国ADI公司的ADE7755高精度电能测量集成电路作为计量芯片,经过精心设计外围电路。
该表兼容了抄表器功能,可实现小区用户一个单元内标准16户的电表无线抄送。
采用MSP430F133单片机控制16个电能计量模块ADE7755实现自动抄表;
通过CC2420芯片以ZigBee无线通讯的方式实现测量数据定时上传和上层实时抄表及其欠费断电命令的下载;
使用SSR执行自动断电功能。
非易失存储器的数据保护和使用寿命问题等技术难点。
经试验室环境下通讯实验,电表运行正常,符合市场对智能电表的设计要求。
硬件成本低,体积小,安装接线简单,扩展性好,适应现代化供电网络管理和住宅智能化管理的需要,极具市场潜力。
关键词 ZigBee;
多用户智能抄表;
无线抄送
ADesignofMulti-userSmartMeter
BasedonZigBee
Abstract
Withtherapiddevelopmentofourcitizen’sresidentialconstruction,thenumberofenergymetersinbuildingsareincreasingdaybyday.Traditionalapplicationmodefocusingmanyenergymeterspeggedasa“meterwall”,isnotconducivetotheconcentrationofnewresidentialelectricitymanagementforitsbigsizeandhighcost。
Anewtypeofmulti-usersmartmeterbasedonthecommunicationtechnologyofZigBeeisbuilttosimplifythestructureofmeterreadingsystemandreducesystemcosts.hekeyofthedesigningofthesystemarereliability,servicelifeandaccuracyofmeasurement.Inthispaper,withtheuseofhigh-precisionADI'
sADE7755andthedesignoftheexternalcircuit,Itcompatibleswiththefunctionofmeterreadingandenablesuserstoplotastandardunitof16meterswirelessCC.16energymeteringmodulesofADE7755arecontrolledbyMSP430F133single–chipmicrocomputertoachivethefunctionofAMR.Thefuncionthatmeasuredsdatasareuploadedontimeandcommandsofreal-timemeterreadingandpoweroffforarrearsaredownloadedfromupperaredoneallbyCC2420chipinthewayofZigBeewirelesscommunication.SSRaresettoachievethefuctionofautomaticpower-offforarrearage.andresolvesthedifficultiesaboutthedataprotectionofnon-volatilememoryandservicelifethroughconsideringabouttheelectromagneticcompatibilityissues,Meterisprovedtobefunctioningproperlyinlaboratoryandmeetthecurrentmarketdesignrequiementsofsmartmeter.Theadvantagesoflowcostofthehardware,smallsize,simplewiringinstallation,scalability,andthesuitabilityfortheneedsofmodernpowersupplynetworkmanagementandintelligenthomemanagementmaketheproducthavethemostmarketpotential.
Keywords ZigBee;
Multi-userintelligentmeterreading;
Wirelesswritingandsending
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摘要
Abstract
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第1章绪论
1.1课题背景
随着国民经济的不断发展,电力已经成为国家最重要的能源。
就民用店里来说,由于人民物质生活的极大丰富,生活质量迅速提高,对电力的需求也越来越大。
但是,当前居民用电的管理过于落后,居民用电管理收费多年来一直采用先用电后抄表,再付费的传统作业方式,居民用电绝大多数实行“分表制”,及若干集中居民的家庭使用一个总的电表。
每户装一个分电压表,电力部门抄表员抄总电表的电量,作为居民交费的依据。
居委会和物业管理部门还需要到居民家抄取电表的读数,按比例收取电费。
这种用电模式给居民带来了许多不便,而且增加管理人员的工作。
据统计,仅电力部门的抄表队伍就用数以万计。
而且方式弊端多,工作效率低,给管理部门带来了物力,财力,人力的极大浪费。
为了适应社会的需要,用户的安全,合理,方便的用电对传统电表和用电管理方式进行改造,使其符合社会的发展需要就显得更有必要了。
随着公元2000年后“PC”时代的来临,电表的发展由“机电一体化”时代进入“智能”时代,其标志是电表从单纯被动抄表到智能数据自动远程传送以及附属功能的多样化(例如复费率、制动断电等)。
正在兴起的无线传感器网络技术是电表发展的最新前进方向。
从根本上上讲,制动抄表系统是一种监控内容少,实时性要求弱得监控系统,而无线传感器网络技术所具有的无线传输,免费传输频段,传输数据量小,传输速度率慢,节点数量多,组网方式灵活,构建成本低廉的特点正是制动抄表系统所追求的目标,电表作为制动抄表系统的硬件基础与无线传感器网络相结合符合技术发展的需求。
ZigBee无线通讯技术作为当前应用最为广泛的无线传感器网络技术的代表在自动超标产品中已经有初步测应用,但是抄表器上的通讯手段的方式在自动抄表中的应有,随着微电子技术和嵌入式技术的发展,抄表器的功能完全可以由智能电表兼容,因此自动抄表系统中的抄表器及其下层附属的各个电表完全可以由一个采用ZigBee的通讯方式的多用户智能电表代替,文中设计的智能电表即采用这种技术方案。
作为测量电能的专用仪表电能表,自诞生至今已有100多年的历史。
因为1kWh的电能量被定义为一度电,所以按计量单位,电能表又俗称电度表或千瓦时表[1]。
电能表在电能管理用仪器仪表中占有很大比例,其性能直接影响着电能管理的效率和科学化水平。
100多年来,随着电力系统、所有以电能为动力的产业的发展以及电能管理系统的不断完善,电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程[1]。
电能表已经经历了感应式电能表、机电脉冲式电能表、电子式电能表、集中式多用户电能表四个阶段。
1.感应式电能表(机械表)在电力系统发展的早期,感应式电能表被广泛用于工频(50Hz或60Hz)电能的测量。
感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的,具有制造简便、可靠性好、价格便宜等特点。
经过不断改进和完善,感应式电能表制作技术已经成熟。
通过双重绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段,其结构和磁路的稳定性得以提高,电磁振荡被削弱,使用寿命大大延长,且过载能力明显增强。
但受其工作原理以及材料工艺等条件的局限其测量准确度很难提高。
另外,感应式电能表是针对很低且十分狭窄的频率范围的正弦电压和正弦电流而设计的,但现代电力系统中采用硅整流与换流技术,这些非线性负荷产生大量高次谐波并引起不平衡,致使电网电压波形产生畸变、波动及三相不平衡,对感应式电能表产生不利影响,使其指示不正确,由此可能造成操作、管理人员做出错误的分析判断。
2.机电一体式电能表20世纪60年代,为了扩展电能表的使用功能,出现了机电一体式脉冲电能表。
这种表仍然采用了感应式电能表的测量机构,只是利用光电传感器将电能转换为电脉冲信号,通过电子电路对脉冲信号的计算与处理,完成电能的计量工作,它通过电子部分的各种变换来实现人们不同的实际需求。
机电式电能表的出现,极大地解决电能表的功能单一的问题,电能表可以通过软件编程实现远程自动抄表、负荷控制参数的分散采集和存贮等功能,使得分时电价和需量电价制度能够有效地实施和推广,充分发挥了电力在国民经济中的作用。
但是它是以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷,决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低等缺点。
3.电子式电能表为了替代感应系测量机构,从20世纪70年代起人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。
由于电能是电功率对时间的积分,所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。
因而,使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点,全电子式电能表多采用模拟或数字乘法器作为核心器件。
近年来,微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展,有力地推动了电子式电能表技术的迅速更新与进步。
高准确度、高可靠性的元器件以及大规模电路集成技术和电路制造的表面贴装技术等应用于电子式电能表的开发与生产,使电子式电能表寿命提高、功能多种多样,且仍在不断扩展,并逐步使供用电管理的微机化和自动化成为现实[2]。
电子式电能表与感应式电能表相比,具有一定的技术优势:
差特性较为稳定,不像感应式电能表越走越慢。
实际运行和加速老化试验都说明了这一特点。
电子式电能表的故障能较明显的表露和被发现。
电子式电能表内阻小、损耗低,是节能仪表。
有助于在已有计量装置中解决互感器过载和一次电压降超标问题,从而提高计量综合精确度。
电子式电能表较轻,比感应式电能表节省大量有色和黑色金属,而且安装轻便。
使用电子式电能表彻底改革了原来电能量运行,检修的工作流程,革除了洗表的环节。
如果故障表按合同规定由生产厂保修保换,则更简化了管理流程,可集中精力把好验收校验,对运行中缺陷故障统计分析以及招标时对各厂产品评定质量,彻底改革了电能表管理使适应电力市场经济要求。
电子式电能表能直接输出规范的电能脉冲,便于校验和实施远方自动抄读表,便于电力市场发展中对表计扩展功能的实现。
4.集中式多用户电能表多用户电能表是将多个电子式电能表组合在一起的一种新技术电能表,它采用大规模专用芯片与高性能单片机实时对多个用户用电量分别计量、集中控制与管理,主要用于居民楼的集中用电计量、计费管理等[3]。
它将传统的每户均设一块机械式电能表的模式改变为一个单元甚至一幢楼仅用一块表,加之可用专用抄表器,以及可与计算机联网进行远程抄表,使计费管理极为方便。
电能表国内外研究现状电子式电能表在一些工业发达国家使用较为普遍。
早在1976年,日本就研制出了电子式电能表。
70年代末至80年代初,电子式电能表在现场使用环境下暴露出抗干扰能力差等弱点,曾一度影响了它的应用进程。
电子式电能表最先在日本商品化。
80年代中后期,随着电子设计与制造新技术的出现并被采用,电子式电能表在各种现场环境下的工业可靠性问题被攻破,电能表电子化的浪潮席卷欧美,在工业发达国家迅速发展,相继出现了一批寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能表;
其中一些表已可在很宽的电压、电流范围内进行自动量程切换。
到20世纪80年代末90年代初国外大公司相继推出了全电子式多功能电能表,如瑞士兰地斯公司(LANDIS和GYR)、法国斯伦贝谢公司(Schlumberger)和美国通用电气公司(GE)等。
电子式电能表在实施复杂的多费率、最大需量和电能数据传输及交换等方面具有明显的优越性,实现了测量有功、无功电能、功率因数、视在功率等几十个特征参数的多功能化[4]。
进入九十年代,IC卡技术在国外已得到广泛应用,智能型IC卡预付费电能表应运而生,该表基于用户先购电、再用电的管理思想开发研制的,使供电部门不再挨门挨户地花费大量人工抄表统计用电量,可以组成智能型复费率电能计量管理系统,加快了电能生产的商品化进程,但其带来的诸多问题不容忽视。
首先,常用的预付费电能表有磁卡式和IC卡式两种,为防止人为伪制作为有价证券的磁卡和IC卡非法牟取利益,按国家规定,磁卡和IC卡由银行系统销售,电费须经过银行;
第二,为了避免由于电能价格变动造成买卖双方的经济损失,磁卡和IC卡不能大量销售,另有与磁卡和IC卡本身的成本不低,只能每表对应一卡,使得售卡工作量十分可观;
第三,采用预付费电能表后,对实际用电量的统计和线损计算便不能实现。
在国外,电力能源充足,物质十分丰富,西方式市场经济社会,只有用后分期付款,而无预付费购物、消费的模式。
因此,在预付费电能表的制造成本不比其他类型电能表低的情况下,利用预付费电能表采用预先支付电费的方法,不大可能大范围推广。
70~80年代,欧美各国相继起步,开始对远程电能表数据采集等进行研究。
目前,自动抄表技术服务于电能管理的自动化,替代了原来要耗费大量人工、时间的繁琐的管理收费手段,较好地做到了实时收费,而更重要的是沿用了人们更易接受的先用电、后付费的管理模式[4]。
这种模式在欧美许多工业发达国家被普遍采用,不仅限于用电,而已是涉及人们生活的方方面面。
在供、用电环节利用自动抄表技术,已成为配电综合自动化系统必不可少的功能部分。
电子式电能表的出现,有力地推动了远程自动抄表技术的发展。
1.2电能表国内外研究现状
电子式电能表在一些工业发达国家使用较为普遍。
到20世纪80年代末90年代初国外大公司相继推出了全电子式多功能电能表,如瑞士兰地斯公司(LANDIS&
GYR)、法国斯伦贝谢公司(Schlumberger)和美国通用电气公司(GE)等。
目前,自动抄表技术服务于电能管理的自动化,替代了原来要耗费大量人工、时间的繁琐的管理收费手段,较好地做到了实时收费,而更重要的是沿用了人们更易接受的先用电、后付费的管理模式[4]。
1.3自动抄表技术
自动抄表(AutomaticReadingMeter-ARM)是将数据自动采集、传输和处理应用于电能供用与管理系统中的一项新技术,采用通讯和计算机网络等新技术自动读取和处理表计数据[5]。
采用自动抄表技术,可提高抄表的准确性,减少因估计或誊写而造成的帐单错误,使供用电管理部门及时获得准确的数据信息;
由于电力用户因此不再需要与抄表者预约上门抄表时间,还能迅速查询帐单,给电能管理的现代化创造了良好的条件。
国内外在这方面都正在大力发展开发研制工作。
国外如以色列尤尼克(Unique)技术公司开发了Collectric集中抄表系统,利用现有的电网和电表,以电力线作为信息传递媒介,建立数据采集通讯系统,通过电力线载波技术将信息远距离传送。
而由英国自动化仪表公司本部策划、组织,杭州沃特电气有限公司研制的IC系列电表,可按用户需要装上通讯接口,利用RS485标准接口、零电压脉冲继电器输出或4~20
线性输出进行远程监测。
德国D-Tech公司则为此专门开发了SMI专用模块,用于电子式电能表的数据采集,以400脉冲/度或800脉冲/度向外输出功率脉冲[6]。
在国内,华立(Holley)集团、万胜(wellsMn)电力仪表公司、华电总公司特瑞电力设备公司、深圳浩宁达、杭州奥特电力电子有限公司等均对自动抄表系统的开发投人了大量人力物力[7]。
现在的自动抄表通信主要有以下几种方式:
1.双绞线方式采用此种通讯方案的一般为位总线通讯方式,它包括RS485/422总线,其技术比较成熟、简单,在通讯信道正常的情况下通讯可靠、稳定,可以实现实时通讯,但是它在实际应用中存在布线工作量大,通讯信道易受人为损坏,损坏后故障排除困难、恢复慢,信道后续维护量大等不足。
2.无线通信方式该技术方案属比较成熟的常规技术,但由于成本高,频段申请受无线电管理部门的控制,而且其微弱的信号特征也很易受空间日益复杂且严重的电磁干扰得影响,其推广受到极大的限制。
3.电话线通信方式基于电话的自动抄表技术是一种已应用多年的成熟的技术。
电能表可以经过专用的调制解调器通过公用的电话网与供电管理部门进行通信。
电话线抄表方案充分利用了现有资源,无需投入大量资金进行线路改造,而且现在的电话线的通信质量非常高,特别适合快速传送大量的数据[8]。
但是供电部门需要向电信部门租用电话线,因此该方案只适合城市和电话网络普及的地区。
4.电力线载波通信方式由于采用电力线做通讯介质,它具备了充分利用现有资源,易施工、满足相对分散装表,综合成本低、不受环境条件限制等优点。
每个用户室内装设的电子式电能表就近与室内交流电源线相连接;
电能表发出的调制脉冲信号经交流电源线发出,设置在小区内的中心站或远处用电管理部门办公室的计算机,则定期通过低压用电线路以载波通信方式,收集各用户电能表提供的用电数据信息[9]。
利用低压用电线路实施通信,对高层公寓或多承租户建筑(例如商业或办公楼)的电能表进行抄读是较为理想的技术方案[10]
1.4本研究课题的目的及意义
我国的居民住房建设近年来发展十分迅速,大、中、小城市越来越多的居民住上了楼房,随之而来的是楼房用电能表的数量也日益增多。
我国目前一个公寓楼房单元通常住有十几户甚至几十户居民,考虑到防窃电及抄表的需要,通常是简单地将市场上现有的商品化电能表集中在楼中的某处挂成一面“表墙”,当用户较多时,将给使用、维护和管理带来诸多不便。
因此研制一种多表位于一体的多功能又体积小的多用户电子式电能表具有重要的意义。
本文设计采用电能专用芯片来测量各用户的电能,单片机作为数据处理中心,将多个电子式测量元件集中在一台仪表内并公用一套微机电路、一套显示器和一个通信接口,显示器分时显示各用户的电能累计值,由多个用户共同承担智能化的投人,从而提高性价比,平均每户造价仅略高于传统感应式电能表。
在确保电能表的测量精度和各项功能齐全的前提下,缩小了整机体积,使每户分摊的成本大大降低。
随着大功率家用电器的逐渐增多,一方面应增大供电线路的容量,另一方面也应对电费实行分时计价,多用户电能表因带有实时时钟,所以实行分时计价相当容易。
并且这种电能表能够通过低压电力线载波扩频通信接口组成远程自动抄表系统,便于供电部门对居民的用电情况进行实时抄收、数据汇总和监控,为电力部门进行现代化管理提供一种有效的手段,具有很好的推广应用前景。
针对小区用户,在小区没每一座住宅楼得各个单元中安装一块智能电表,标准设计中,一块电表可实现一个单元最多16户的电能自动测量和自动断电等附属功能(可通过增加数据选择器的数目实现一个单元更多的用户数目)。
电表的控制单元基于MSP430F133的控制器模块组成,控制器模块按照预先设定程序通过对数据选择器的相应操作逐次接受对应电能计量模块传送的脉冲信号,按照文中设计的计量方式,经内部计算处理后,得出其在循环周期内的电量数据,实时累加存储并定时以ZigBee通讯方式上传,同时控制执行器模块/通讯模块实时/定时的欠费断电/实时抄送命令的执行。
而且控制器单元作为智能电表的大脑也负责了整个电表系统日常工作的运行与维护。
第2章系统总体方案设计
2.1多用户电能表基本原理
多用户载波电能表与一般的电能表不同,一般的单相电能表只能计量单户,而多用户电能表则能计量十几户,该表基本型可实现对最多16路用户的电能进行集中计量和监控,原理如图2-1所示。
1-3A4-6
7-9B10-1213-14C15-16
图2-1多用户电能表原理框图
仪表采用多只单用户计量单元(单台表最多12只)、数据处理单元、供电单元设计在同一结构中,对用户的用电实现集中计量(单费率或)、显示各用户用电壮况及用电量(累计总用电量或尖、峰、谷、平累计用电量)、远程或物业小区抄表,实现用电
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