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大论文

分类号：

单位代码：

10220

密级：

东北石油大学

工程硕士专业学位论文

论文题目：

智能电网中的新型智能电表的研究

工程领域：

电气工程

培养类别：

□全日制□非全日制

论文类型：

应用研究

硕士生：

高文峰

校内导师：

徐建军教授

校外导师：

入学时间：

2012年9月论文完成时间：

2015年6月

ThesisfortheGraduateCandidateTest

ResearchonthecontrolsystemofoilextractionjointstationbasedonPLC

Candidate:

WangJianzhi

Tutor:

DuanYubo

full-timeorpart-time

Field:

ControlEngineering

填上相应的英文类型

Trainingcategory：

Type：

Dateoforalexamination:

1thJune.2008

University:

NortheastPetroleumUniversity

学位论文独创性声明

本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：

日期：

学位论文使用授权声明

本人完全了解东北石油大学有关保留、使用学位论文的规定。

学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，可以公布论文的全部或部分内容。

东北石油大学有权将本人的学位论文加入《中国优秀硕士学位论文全文数据库》、《中国博士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。

保密的学位论文在解密后适用本规定。

学位论文作者签名：

论文指导教师签名：

指导小组成员签名：

虚拟训练仿真中人的运动控制研究

摘要

虚拟训练仿真是指基于虚拟现实技术的训练仿真，是实际训练过程在计算机上的映射。

随着虚拟现实技术的日趋成熟，将虚拟人“嵌入”虚拟训练仿真的环境中去，作为受训人员在虚拟环境中存在的表示。

这样受训人员可以与虚拟环境中的虚拟人进行交互，沉浸于其中，进行学习和训练。

本文分析和研究了人体模型的表示方法，并从中选择了综合了实体建模和曲面建模的优点的分层虚拟人表示方法；把虚拟人看成一个多刚体系统，对各关节的自由度进行了分析，此基础上建立了适用于虚拟训练仿真系统的最小人体模型。

该模型由15个关节、34个运动自由度（均不包括手掌部分）所组成。

研究了目前常用的虚拟人骨骼结构的表示方法，提出了一种参数关键帧和逆向运动学相结合的实时运动控制模型；逆向运动学方法可以实时模拟四肢的准确运动，而且与关键帧技术相结合，可以充分利用已有的大量动作数据资源生成逼真的动作效果。

在此控制方法的基础上实现了虚拟训练仿真系统中虚拟人的行走模型、爬梯子模型。

本文提出了虚拟训练仿真系统的最简人手控制模型（以右手为例，它由6个关节、14个运动自由度组成）。

并对虚拟手的拇指部分和一般手指部分分别进行了逆运动学分析。

实现了虚拟训练仿真系统中虚拟手的简单运动模型。

关键词：

虚拟训练仿真，虚拟人，多刚体系统，运动控制技术，逆向运动学

“关键词：

”字样用黑体小四号书写，其内容为宋体小四号。

与上段空一行。

英文摘要中的论文题目及“Abstract”字样各独占一行，居中放置，均用TimesNewRoman字体四号加粗；摘要内容用TimesNewRoman字体小四号书写，1.25倍行距。

AStudyOnMotionControl

OfVirtualHumanInVirtualTrainingSimulationSystem

ABSTRACT

virtualtrainingsimulationistrainingsimulationbasedonvirtualrealitytechnique,whichisthecomputermappingtothetainingprocess.Asthevirtualtechniquebecamemoreandmoremature,virtualhumanwillbeembeddedintheenvironmentofvirtualtrainingsimulation,astheexpresstionthetraineeintheenvironmentofvirtualtraining.Traineecaninteractwithvirtualhumaninthevirtualenvironment,immersinginit,studyingandtraining.

Keywords：

加粗。

与上段空一行。

Theexpressingmethodofhumanbodymodelareanalyzedandstudiedinthispaper,andselected

Keywords:

virtualtrainingsimulation,virtualhuman,multi-rigid-bodysystem,motioncontroltechnology,InverseKinametics

目录

学位论文独创性声明I

学位论文使用授权声明I

摘要II

ABSTRACTIII

目录1

前言2

第一章智能电表综述4

1.1智能电表的概念4

1.2智能电表在智能电网的定位4

1.3智能电表的功能应用5

1.4智能电表带来的收益6

第二章智能电表总体设计方案7

2.1整体设计思想7

2.2总体设计方案7

2.3智能电表的功能实现7

2.4本章小结7

第三章智能电表硬件设计8

3.1虚拟人的几何建模8

3.1.1几何建模方法概述[64]8

第四章智能电表软件设计10

4.1虚拟人的几何建模10

4.1.1几何建模方法概述[64]10

第五章智能电表抗干扰设计12

1.1虚拟人的几何建模12

1.1.1几何建模方法概述[64]12

第六章系统调试及结果分析13

1.1虚拟人的几何建模13

1.1.1几何建模方法概述[64]13

结论15

参考文献16

附录A附录内容名称17

作者简介、发表文章及研究成果目录18

致谢19

前言

虚拟训练仿真是指基于虚拟现实技术的训练仿真，是实际训练过程在计算机上的映射。

本系统正是结合了三维虚拟人技术，对虚拟训练仿真系统中人的几何特性及行为特性加以分析，进而将虚拟人作为人的化身加入到了虚拟训练的环境中去，为用户提供一个逼真的三维虚拟空间，使得用户在计算机提供的虚拟环境中熟练掌握某一装置或某一系统的操作使用方法。

随着虚拟现实技术的日趋成熟，人们已经不满足于只有景物、建筑物等地理视景信息的虚拟环境（VirtualEnvironment）的构建，迫切要求在虚拟环境中加入虚拟人来作为人的化身。

虚拟人（virtualhuman或computersynthesizedcharacters）是人在计算机生成空间（虚拟环境）中的几何特性与行为特性的表示[1]。

目前，虚拟人技术已经日益广泛地渗透到人们的日常生活当中。

在影视娱乐、动画节目、新闻广告以及电子游戏等领域，人们都可以找到虚拟人技术的身影。

除此以外，虚拟人技术在关系国计民生的重大领域，如军事、医疗、产品设计与制造等，也将发挥越来越重要的作用。

近年来，虚拟人技术一直是计算机领域中比较活跃的研究课题，出现了大量的研究成果，同时也出现了几个比较著名的研究团队。

如：

美国宾夕法尼亚大学人体仿真与建模中心（CenterforHumanModelingandSimulation），在Badler的领导下，研究包括参数化的关键帧技术在基于关节虚拟人的模型中的应用、逆运动学的应用、人体的平衡研究、脊骨的建模、行走模型的建立、运动捕获的研究、人体的冲突检测和纠正以及智能运动规划问题[1][3]。

为NASA开发了用于人机工程测试的JACK系统，提供了多种运动交互控制手段，如：

人体平衡、运动约束、碰撞检测以及路径规划和任务级规划的研究等[7-10]。

近期他们提出了用自然语言控制虚拟人运动的方法——动作参数化表示法（PARParameterizedActionRepresentation）[11]。

国内学者开展虚拟人技术的研究起步较晚，目前也取得了一定的工作成果。

北京航空航天大学的袁修干进行了人机工程仿真中人体运动的模拟[39][40]。

哈尔滨工业大学的洪熔炳和天津民航学院的贺怀清进行了实时人体运动控制的研究，并将路径规划算法用于虚拟人运动控制[41-45]。

中国科学院的王兆其进行了人体交互行为的研究，他所在的中国科学院计算技术研究所数字化技术研究室开发的JointMotion系统，使用一个传感器与一只数据手套，来确定一只手的肩关节、肘关节、腕关节以及各手指的状态，同时提供了一个基于VRML的虚拟人显示工具。

在JointMotion系统的基础上，他们开发了中国聋人手语运动合成系统[3]。

本课题主要研究虚拟训练仿真系统中人的运动控制。

从虚拟人的几何建模、运动建模入手，分析了虚拟人的运动控制方法，并采用参数化关键帧法与反向运动学相结合的运动控制方法，在此基础上实现了虚拟训练仿真系统中人的行走、爬行等动作，并且采用了精简的虚拟人手的运动模型，实现了训练仿真中的人手抓握运动。

本课题具体的研究内容如下：

1．虚拟人的几何建模

分析和研究了人体模型的表示方法：

线框建模、实体建模、曲面建模以及基于物理的建模技术；并从中选择了综合了实体建模和曲面建模的优点的分层虚拟人表示方法；分析了两个重要的虚拟人表示标准：

H-Anim和MPEG-4，为今后进一步的研究工作打下了基础。

2．虚拟人的运动建模

研究了多刚体系统理论；并在此基础上对人体骨骼的结构进行了分析对人体运动的生理特性进行了一定程度的研究；在H-Anim人体骨骼结构模型的基础上，对各骨骼及关节的功用及特性进行了分析，建立了适用于虚拟训练仿真系统的最小人体模型，该模型由15个关节、34个运动自由度（均不包括手掌部分）所组成；对各关节的自由度进行了分析，给出了运动自由度的简化原则；分析了此模型的拓扑结构。

3．虚拟人的运动控制

研究了目前常用的虚拟人骨骼结构的表示方法；从关键帧、运动学、动力学以及运动捕捉等不同角度对运动控制技术进行了深入分析与研究；提出一种参数关键帧和逆向运动学相结合的实时运动控制模型，并建立统一的动作数据表述形式，实现了动作的并行播放，为行为模型提供有一定柔性的实时运动控制方法。

这种方法可以实时模拟四肢的准确运动，而且与关键帧技术相结合，可以充分利用已有的大量动作数据资源生成逼真的动作效果。

4．虚拟人行走模型的建立

对虚拟人的行走运动的时间特性、特征参数以及运动阶段进行了研究与分析；并把一个周期的运动分解为3个必须达到的序列动作，对这三个关键帧进行了详细的设计；进一步设计了关键帧之间人体运动组态的内插方式，以得到关键帧之间的所有帧数。

在内插过程中，我们以Bezier曲线的方式设计悬于空中的腿的运动轨迹。

并给出了行走运动的生理极限约束和简单动力学约束；在此基础上实现了虚拟训练仿真系统中虚拟人的行走模型。

5．虚拟人手运动模型的建立

对虚拟人手的解剖结构及运动进行了分析；对虚拟手的运动模型进行了研究与分析，给出了适用于虚拟训练仿真系统的6个关节、14个运动自由度的人手简化模型；给出了虚拟手的关节运动约束；对虚拟手进行了逆运动学分析；在此基础上实现了虚拟训练仿真系统中虚拟手的运动模型。

第一章智能电表综述

1.1智能电表的概念

20世纪90年代智能电表的概念才提出。

那时静止式电表价格非常昂贵，价格是普通机械电表的数十倍甚至几十倍,主要是应用于大客户，对普通客户来讲性价比不高。

随着计算机网络和远程通信技术的发展，对具有远程通信功能的电表需求开始增加，这就需要开发新的系统来实现远程通信功能，方便对数据进行管理。

但是在这样一个系统中,有些数据无法被有效的利用，而且像预付费式电能表的相关数据不能被釆集，很少用来进行能量管理或提供信息帮助制定节能措施。

随着生产工艺的成熟,静止式电能表可以批量化生产，生产成本进一步降低，而且数据处理和存储能力大大提高，从而得到了大量普及。

而同时电表智能化水平也有所提高。

各国对“智能表”的概念不统一，而且不同的国家对“智能表”的理解也不同，标准也不一样。

像欧洲和美国对“智能表”的概念理解就不同，而且叫法不同，但实质上又是一样的。

在不同的国际组织、企业根据提供的功能来定义“智能电表”。

国内定义的智能仪表是以微处理器为核心的，可存储测量信息并能对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。

它一般具有自动测量功能、强大的数据处理能力、进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有人机交互功能，配备有操作面板和显示器，具有一定的人工智能[1]。

通常将采用微处理器的电子式多功能电能表定义为智能电表，近几年还将通信功能（载波、GPRS、ZigBee等）、多用户计量、特定用户（如电力机车）计量等特征引入到智能电表的概念中。

根据不同的理解和定义可以得出智能电表具有以下功能：

实现双向分时计量、远程控制、网络自愈、电能质量、窃电侦测、停电检测、双向通信、多表计接入、嵌入式互联网信息服务；

在客户信息系统支持下实现客户用电服务、电价及费率自动调整、需方响应功能；突出特点是具备双向实时通信,支持双向互动、客户分布式屯源接入；

智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪表，具有自动计量/测量、数据处理、通信和功能扩展能力，远程/本地通信、数据的实时互动、多电费结算、远程断供电、电力电能质量监测、水气热表抄读和用户交动等功能。

智能电表的智能化计量系统，能够支持智能电网负荷管理、分布式电源接入、能源效率、电网调度、电力市场的交易以及减少排放等方而的要求。

1.2智能电表在智能电网的定位

智能电表在智能电网中具有很重要的作用，可以优化新能源的用电秩序，利用智能电表实现对太阳能、风能的优先利用，并根据实测数据与收集数据对电网负荷进行优化；可以优化分布式能源配置,供电企业可以通过智能电表对整个配电系统进行实时监控，掌握分布式能源特性及其对电网运行的影响，优化能源结构，以最经济和安全的方式提供电能；可以提高负荷预测的准确性，根据客户的用电需求，通过智能电表进行传输，供电企业根据客户用电需求进行汇总，可以准确方便的预测负荷并自动调节,提高电能的利用率，增加经济效益；可以提供故障分析依据，通过智能电表对客户的用电信息进行实时监测，对用电异常信息进行在线分析，并进行跟踪和自动控制，当发生故障时，通过查看智能电表的异常用电信息，方便对故障的查询分析。

智能电表具有收集数据和对需求反应的能力，可以方便供电企业在客户用电高峰时期进行削峰平谷，加强系统的安全性和经济性。

通过智能终端和无线网络实现供电企业和客户的双向计量和沟通，此外智能电表也是构成智能家庭的重要组成部分。

1.3智能电表的功能应用

1）结算和账务

智能电表可以实现实时抄表，并实时进行结算，把过去通过账务系统处理的数据简洁化，提高数据处理的准确性。

客户和电力企业都可以得到很准确、及时的信息，对双方来说信息也更加公开透明。

2）配网状态估计

目前，配网侧的潮流分布信息主要是通过网络模型，估测的客户负荷及变电站的高压侧的测量信息进行综合处理得到理论值，因此信息通常不准确。

智能电表在客户侧装设，可以及时方便的得到准确的负荷和损失的电量，避免客户用电设备过负荷，提高电能质量。

通过对部分客户测量数据的汇总，可以方便的实现对未来负荷的预测。

3）电力需求侧响应

需求侧响应意味着通过对电网的实时运行数据，对用电设备的状态和能耗进行智能监测和控制，最终通过价格来实现对客户的负荷控制。

价格控制主要是根据电网的总体用电负荷情况，通过分时电价、峰谷电价、平价来进行控制，满足短期对电力的需求。

负荷控制是指调度人员通过无线网络发布远程指令对客户的用电负荷进行控制，包括对客户负荷的断开和连接。

4）负荷分析、建模和预测

智能电表采集客户消数据可用十荷预测和分析,对上述数进行分析便可了解客户的能量总消耗量，客户的用电高峰和负荷特性，用电负荷随时间的变化等。

能够促进客户的合理用电，对供电企业优化电网规划和提高调度效率提供参考。

5）电能质量和供电可靠性监控

智能电表可以对电能质量进行监测，掌握电能的基本数据，对客户提出的问题可以及时的响应，提高服务质量，杜绝电能可能出现问题，从而实现供电的可靠性。

6）预付费

智能电表可以采取与移动、联通、电信类似的充值方法，不需要到营业窗口便可通过电话、网络等进行缴费，降低客户的出行成本，提高效率。

7）节能

客户可以通过电表了解自己的实时用电情况，用电负荷，及时的调节自己的消费习惯，节省电力成本。

能够及时发现因为电气设备造成的用电异常情况，消除安全隐患。

8）用户能量管理

供电企业可以通过智能电表提供客户的用电信息，从而建立对客户的用电管理系统，从而根据客户的不同需求而进行能源管理，并提供良好的服务，通过合理的调整而充分利用电能，降低电能消耗，减少排放。

9）智能家庭

智能家庭是指家庭的不同用电设备通过无线网络连接，结合家庭的生活习惯，通过网络来对家庭的室内温度、照明、通风等一系列进行自动调节，以实现家庭的自动化。

智能电表起到很重要的作用，根据家庭的用点负荷情况及时调整，方便对家用电器的控制。

10）负荷远程控制

智能电表通过远程操作可实现对单个客户的用电控制，也可以控制整个负荷的联接和断开，这样能够优化电网配置，调节电网的运行效率，方便调度实现对功率控制；客户本身也可以通过远程负荷开关对电表实现远程控制。

1.4智能电表带来的收益

1）用电客户

客户可以通过智能电表能为自己提供准确及时的账务信息；了解自己的详细的用电记录，通过调整自己的用电习惯而获益；对能耗信息的了解可能更好的关注用电质量，而且可以预测家庭设备可能存在的隐患，增强人身和设备的安全。

2）电力公司

电力公司通过智能电表可以方便的建立智能计量管理系统，而且简单方便，效率高效。

可以及时的调整配网的用电负荷、预测故障和对电能质量进行有效管理。

也可以通过该系统发现电网运行中出现的问题，并及时进行解决，避免损害用电设备，提高供电可靠性。

3）社会和环境方而的收益

智能计量系统能够提高发电企业、供电企业和最终客户的能源利用效率。

方便建立智能化家庭，也方便客户及时准确的了解能耗数据，这使得三方快速做出反应提高能效。

能够起到节能减排的效果，也方便其他可再生能源的有效推广利用。

第二章智能电表总体设计方案

2.1整体设计思想

智能电网对智能电表在支持用电负荷管理、分布式电源并网、电网运行调度、电能质量监测和电力市场交易等方面有诸多要求。

现有的智能电表主要实现的是电能计量、阶梯电价、结算电费的功能。

为了进一步完善智能电表在电能质量监测方面的功能，本文提出了一种新型智能电表的设计方案，该方案除了能够实现以上功能外，还能够进行电能质量监测[10]。

该设计方案采用SiliconLaboratories公司的产品C8051F340单片机为主CPU，珠海炬力集成电路设计有限公司的三相电能专用芯片ATT7022B为数据采集中心，实现对电能数据算法处理，以及按键、显示、外部接口的控制与管理工作。

此设计通过采样电路获得瞬时电压和电流，然后输入专用计量芯片，通过芯片内部功能计算可以得到各项电力参数，结果送单片机处理并显示出来[11]。

整个系统简化了电能计量部分的电路设计，具有体积小、耗电低、处理能力强的特点，有一定的实用价值。

2.2智能电表技术指标

1．主要性能参数

（1）标准工作电压：

5V

（2）额定频率：

50Hz

（3）工作温度：

23

（4）相对湿度：

30%～60%

2．功能特性

（1）电能计量。

A、B、C三相有功、无功电能及合相有功、无功电能的计量。

（2）电力参数测量。

A、B、C三相电压和电流的有效值的测量；A、B、C三相有功、无功功率及合相有功、无功功率的测量；A、B、C三相功率因数及合相功率因数的测量；A、B、C三相视在功率及合相视在功率的测量；系统工作频率的实时测量等。

（3）电能质量监测。

通过软件编程，实现对电压偏差、电压波动、三相电压不衡、谐波、电压骤降和中断、频率偏差六项电能质量指标的测算及判定。

（4）显示。

利用LCD显示各类电力参数和电能质量指标的数值。

通过按键控制选择LCD显示界面，界面显示内容可通过编程设置。

（5）通信。

通过RS232或RS485通信接口，实现电力参数和电能质量数据的上传。

（6）时钟。

内置实时时钟电路，提供日历、计时等功能。

采用镍氢充电电池作为

时钟后备电源，在断电后仍能维持内部时钟正常运行。

2.3智能电表测量原理及实现方法

智能电表采用单片机加专用电能计量芯片的设计方案，各项电力参数和电能的测量都是由ATT7022B芯片内部直接完成，可以归结为对输入的电压和电流等交流信号进行交流采样，然后根据一系列的线性变换，应用某些算法计算出电压和电流的有效值、功率、功率因数、频率和电能等[12]。

本文根据上述功能要求，结合专用电能计量芯片ATT7022B，介绍了基本电力参量和电能质量参数，并给出了相应的测算方法，为软件设计提供了理论基础。

2.3.1基本电力参量测量原理

（1）电压有效值

电压有效值定义为周期性变化电压信号的均方根值。

测量原理如图2-1所示，通过对电压采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到各相电压有效值。

图2-1电压有效值测量

电压有效值计算公式为[13]：

（2-1）

式中，u（t）为电压采样值，T为该电压信号的采样周期，Urms为交流电压有效值。

（2）电流有效值

电流有效值定义为周期性变化电流信号的均方根值。

测量原理如图2-2所示，通过对电流采样值进行平方、开方以及数字滤波一系列运算得到各相电流有效值。

（2-2）

（3）有功功率及有功能量

有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，定义为一个周期内瞬时功率的平均值。

由于储能元件一周期内瞬时功率的平均值0，所以实际元件的有功功率也就是电路中电阻上耗能的大小。

测量原理如图2-3所示，通过对去直流分量后的电流电压进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到各相有功功率。

图2-3有功功率测量

单相有功功率计算公式[12]为：

（2-3）

合相有功功率：

（2-4）

式中，P（t）为t时刻的合相有功功率，P（a）、P（b）、P（c）分别为t时刻A、B、C三相的有功功率。

有功能量定义为电磁能中可以转换为其他形式能量的电能，通过瞬时有功功率对时间的积分得到。

其测量原理如图2-4所示。

图2-4有功能量测量

单相有功电能的计算公式为：

（2-5）

合相有功电能可以根据设置按照