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1、湖南水利水电职业技术学院Hunan Technical College of Water Resources and Hydro Power毕业设计成果Graduation practice achievement设计项目名称： 远程抄表系统设计 姓 名： 黄 思 进 专 业： 电力系统自动化 班 级： 15级电力五班 学 号： 201222050007 指导老师： 李 靖 任务下达日期： 2017 年 11 月 17 日设计完成日期： 2017 年 12 月 24 日毕业设计诚信承诺书我谨在此承诺：本人所呈交的毕业设计 由本人独立完成，保证不存在任何剽窃、抄袭他人成果的现象。凡涉及其他作者的
2、观点和材料，均作了注释，如出现抄袭及侵犯他人知识产权的行为，由本人承担由此产生的一切后果。承诺人： 年 月 日目 录第一章：远程抄表系统的组成第二章：电子式电能表的特点及结构第三章：电子式电能表的工作原理第四章：电子式电能表的功能及其作用第五章：数据输出和脉冲输出及停电抄表第六章：联合接线第七章：远程系统的构成第八章：RS485总线布置规范第九章：抄表的实现方法及监控中心功能第十章：Modbus通讯协议传输方式及网络传输致谢参考文献第一章：远程抄表系统的组成 电力远程抄表系统主要由四部分组成，分别是中心站计算机、集中器和计量表，这三级网络共同组成了远程抄表系统，具体而言该系统又分为智能抄表管理
3、系统主站、多功能电能表、低压电力线载波集中器、负控终端以及采集器等。电力远程抄表系统采用GPRS和CDMA无线移动方式进行通讯，实现了中心站计算机和各个集中器之间的通信功能。通过对485总线的利用，以及低压电力载波或者无线移动方式等，实现了集中器和各个采集终端、计量表之间的通信功能，因此具有安装便捷、灵活整合的特性，还具备一定的经济性，完全能够满足国内通信环境各异的要求。一般而言，系统中心站可以同时对N组255个集中器，而集中器可以对172个采集终端和1000个电表进行管理，采集终端可以对64个485总线电子计量表进行管理。第二章：电子式电能表的特点及结构 电子式电能表的特点1)功能强大。通过
4、对单片机程序软件的开发,电子式电能表可实现正、反向有功、四象限无功、复费率、预付十费、远程集抄表等功能。特别是采用AD转换的电能表,其功能的拓展更是简单、方便、快捷。有些装用一块电子式电能表可相当于几感应式电能表,如装用一块功能较全的电子式多功能表,可相当于装用两块正向有功表、两块正向无功表、两块最大需量表块失压计时仪。即一块多功能表可相当于七块表,并能实现这七块表所不能实现的分时计量、数据自动抄读等功能,同时表计数量的减少,有效地降低了二次回路的压降,提高了整个计量装置的可靠性和准确性。(2)准确率等级高且稳定。感应式电能表的准确度等级一般为0.53级,并且由于机械磨损,误差很容易发生变化,
5、而电子式电能表可方便地利用各种补偿轻易地达到较高的准确度等级,并且误差稳定性很好,电子式电能表的准确度等级一般为0.2(0.2s、0.5s)1.0级。3)启动电流小且误差曲线平整。感应式电能表要在0.3%1下才能启动并进行计量,而电子式电能表非常灵敏,在0.1%电流下就能启动进行计量,且误差曲线好,在全负荷范围内误差几为一条直线,感应表的误差曲线变化较大,尤其在低负误差更大。(4)率响应范围宽。感应式电能表的频率响应范围4ssH,电子式多功表的频率响应范围为401000H(5)受外磁场影响小。应式电能表是依靠交变磁场的理进行计量的,因此外界磁场对表计上的计量性能影响很大。而电子式电能表主要是通
6、过乘法器进行运算的,其计量准确性不受外场的影响。(6)便于安装使用。感应式电能表的安装有产格的要求,若悬挂水平倾斜度偏大甚至明显倾斜,将造成电能计量不准。而电子式电能表采用的是静止式的计量方式,无机械旋转部件,因此不存在上述问题,加上上体积小,质量轻,使于安装使用(7)过载能力大,感应式电能表是利用线圈进行工作的,为保证其计量准确度,一般只能过载4倍。而全电子式电能表可过载610倍。(8)防窃电能力更强。窃电是我国城乡用电中一个无法回避的现实问题,感应式电能表防窃电能力较差。而目前较新型的电子式电能表从基本原理上实现了防止常见的窃电行为,可为电力企业减少经济损失但电子式电能表也存在一些弱点(1
7、)维护较复杂,全电子式电能表线路较复杂,维修工作需要具有一定电子技术的专业人员来承担(2)若质量不过关,表计容易死机,从面造成极其严重的计量数据混乱(3)价格较高(4)受目前电子元器件寿命的制约,电子式电能表的寿命大约为10年,与长寿命技术电能表相比寿命还不长因此,在目前的具体运用中,需要计量功能较多的计量点一是般以采用电子式多功能电能表为主,在居民客户等计量功能较单一的计量点,则应采取感应式电能表和电子式电能表二、电子式电能表的基本结构电子式电能表相线数可分为单相电子式电能表、三相电子式电能表按功能可分为单相电子式电能表、预付费表、基波表、载波表、多用户表、复费率表、多功能表等,一般来讲,从
8、基本机构来看,各种类型的电子式电能表基本上由电源单元、显示单元,电能测量单元、中央处理单元(单片机)、输出及通信单元5个部分组成,各部分的连接关系如下图所示电子式电能表各部分连接关系第三章：电子式电能表的工作原理电子式电能表也称静止式电能表较早是在标准电能表的基础上发展的,其基本功率表达式P=Ucos,电能量是P对时间的积分。电子式电能表按其工作原理的不同,可分为模拟乘法器型电子式电能表和数字乘法器型电子式电能表。模拟乘法器型电子式电能表工作原理如下图所示模拟乘法器型电子式电能表工作原理被测的电压U、电流I经电压和电流采样转换后送至乘法器M,完成电压和电流瞬时值相乘,输出一个与一取时间内的平均
9、功率成正比的直流电压U3,然后利用Uf转换器将U。转换成相对应的脉冲频率信号fs,一路送单片微机处理计数,显示相应的电能,分一路再由分频器分频输出检定用示为数字乘法器型电子式电能表工作,其作原理极拟乘法器不同的是,采样电压、保样电流数字是器M输出的是一个与功率成正比的数字量,这个数字量D转换器转换成相应的脉冲频率信号一样以上是电压采样器和电流采样器构成了表计的输人级,电子式表计的电压采样可采用电压互感器或分压电阻,电流朱样可未用电流互感器或分流器,它与乘法器、U/转换器共同构成了电子式电能表的核心部分一电能测量单元。第四章：电子式电能表的功能及作用单相电子式电能表原理由如下面两个部分构成：1）
10、测量模块。由电压、电流变换以及电压、电流乘法器构成,电压变换器一般由分压电阻来实现,将外部220V交流电压变换为适合的低压;电流变换器一般采用分流器或电流互感器,将流过的大电流变换为适合的小电流信号。乘法器由模拟或数乘法器构成,它接收电压、电流信号,输出为频率随功率变化的脉冲信号,此部分为整个表计的核心部分。2）电源电路。提供整个表计的直流供电电源,它将外部输的交流电源变换为直流输出,一般由线性或开关电源构成。在功能单一的单相电子式电能表中,一般采用机械计数器可以由机械计数器或数码管、液晶显示器构成。1.电能计量功能一块表能同时计量正向有功、反向有功、感性无功和容性无这就是所谓的“一表四”,一
11、块多功能表等于四块传统意义的感应式电能表反向电量有四种计量方式(1)反向电量计入正向电量中,同时反向总电量单独计量并2)反向电量计入正向电量中,同时反向总电量单独计量不显示(3)反向电量、正向电量单独计量,反向总电量显示(4)反向电量、正向电量单独计量,反向总电量不显示容性无功计量方式也有四种(1)容性无功电量计入感性无功电量中,同时容性无功总电单独计量并显示2)容性无功电量计入感性无功电量中,同时容性无功总电量单独计量,不显示(3)容性无功、感性无功单独计量,容性无功显示(4)容性无功、感性无功单独计量,容性无功不显示无功还有一种计量方式,叫四象限无功,因为涉及问题较多在这里不详细叙述。2.
12、功率测量功能电子式多功能电能表可以给出多种功率测量提供不同目的的应用,首先,多功能表可以测量需量。国家一般把15min平均功率叫需量,分别按滑差时间1、3、5、15min求得需量的最大值称为最大需量。从国家对需量的规定中看出,需量是一种功率计量或者确切地说是一种平均功率。最大需量应用于大客户计费负荷控制一般考核lmin平均功率,电子式多功能表一般可从RS485通信口读到lmin的平均功率。电子式多功能电能表还给出一个称为当前功率的概念。当前功率不是瞬时功率,不是一个周波的平均功率,也不是1s的平均功率,而是根据脉冲常数给出的一个脉冲所代表的能量值除以gs为单位时间计算出来的平均功率。因为脉冲能
13、量值已被标定,单片机测量出的时间精度很高,所以当前功率与电能表具有同等的精度等级,是非常准确的。明确当前功率概念之后,可以多方面去应用它。如新装表,可以用当前功率核对一下接线是否有错,检查老表当前功率可以大致了解该表运行是否正常。总之,多功能表功率测量功能包括:需量、最大需量计量mn功率计量;当前功率计量。4.时段控制功能(1)在电子式多功能电能表内部设计了一个计时误差相当小量的百年日历,实时时钟,能够显示实际时间年、月、日、时跳分、秒,受权人通过专用介质可对时钟进行调节。(2)具有以内部时钟为基础进行分时计量功能或者称电子式过多功能电能表具有复费率功能。绝大多数电子式多功能表不但对正、反向有
14、功进行分时计量,也对感性、容性无功(或四象限无功)分别进行分时计量,最大需量也分时计量。虽然国家政策现电在只对有功进行分时计费,但是据有关专家分析,无功分时计费对降低电网电压波动,降低网损也有好处。无功分时、最大需量分时计量作为一种技术储备已经设计到电子式多功能电能表中分时计量的另一个问题是费率,现在一般提供四费率:尖、峰平、谷。早期只有三费率。另一个问题是一年分几个时区,一日分几个时段。早期提法是四时区8时段。现在时区、时段限制仅受内存容量的影响,以一个时区的一个时段为一个存储单元, 般表内为时区、时段准备了200个存储单元,留有足够的发展。(3)电量冻结功能。规定一个特定时间把电量存起来,
15、把这个特定时间叫做电量冻结时间。早期每月有一个电量冻结日,也叫结算日。规定每月128日和月末任何一天的零点为电量冻结时间,不能把冻结时间规定为29日、30日或31日零点,因为如果那样规定有些月电量就无法冻结了。现在有些客户提出零点冻结不好,最好规定到其他时间,新的多功能表电量冻结的日期和时间都是可设的。(4)记录代表日的整点功率。早期设计每月可把某一日整点功率记录下来作为代表日。现在可以存储超过一个月的功率曲线,存储间隔可设,用时段控制记录功率问题得到较圆满的解决。(1)存储月用电数据。电子式多功能表都必须做到能存上月的用电数据。转存日以结算日或称冻结日为界,结算日冻结时间可设。由于多功能表可
16、存上月数据,给抄表、电费结算带来很多方便,也大大提高了成本核算、线损计算的精确度为只存上月数据不够,要求能存前几个月的数据有些地方认可。(5)存储负荷曲线。存储负荷曲线是多功能表的一种扩展功能。DL/T614-1997多功能电能表规定,数据保存量136天。负荷曲线记录项目分六类数据(电压/电流/频率、有无功功率、功率因数、总电量、四象限无功、当前需量);记录时间间隔最小5min;常规容量48k字节,可扩展为96、192k字电节。负荷曲线可由串口抄出。第五章：数据输出和脉冲输出及停电抄表1.数据输出：电子式多功能电能表可通过三种方式和外界进行数据交换。第一种通过专用介质与外界数据交换,专用介质一
17、般选用数据电钥匙或IC卡。可以通过这些专用介质对多功能表进行参数预置预付电费。在预置参数、预付电费的同时也把多功能表内的用电数据及其他有关数据写到专用介质中。由于预付电费具有货币性质,所以介质中的数据有严格的加密措施,对客户手中的介质有防复制功能。第二种数据传输途径是红外抄表口,一般使用掌上电脑,通过红外口和多功能电能表进行数据交换。第三种通过eRS232或RS485在一定的通信规约下进行本地或远程通信,实现本地或远方抄表和参数预置。2.脉冲输出多功能电能表通过辅助端子输出电量脉冲。一般包括正向有功脉冲输出、反向有功脉冲输出、感性无功脉冲输出和容性无功脉冲输出。输出方式可采用光学电子线路输出、
18、继电器触点输出、电子开关元件输出等。3.停电抄表电子式多功能电能表本身需要电源,一旦断电,多功能表内CPU不工作,液晶屏无显示,现场人工抄表出现问题。这一点是电子计数器(液晶LCD和发光二极管LED)共同的缺点。解决停电抄表方法有两种。一种是抄表时外加电池使CPU工作,使液晶显示读表,这是外加电池法。把这种外接电池做成手持装置,称为停电抄表器。抄表工随身携带停电抄表器,对停电表计进行抄表。另一种是电子式多功能表内部安装高能电池,可在外部停电时由高能电池供电使CPU工作。由于CPU耗电较高不宜长时间由高能电池供电,一般把CPU设计成在停电时处于低功耗的睡眠状态,抄表时抄表人用一红外遥控器唤醒CP
19、U使液晶显示,实现抄读电能表。第六章：联合接线1、三相四线电路电能计量装置整体接线（高供低量电能计量装置的接线），如图1所示。该接线方式适合于低压三相四线中有功、无功电能的计量。常见于实行两部制电价的动力与生活用电的客户。图1 三相四线有功电能表与无功电能表经电流互感器接入的联合接线图2、三相三线电路电能计量装置整体接线（高供高量电能计量装置的接线），如图2所示。该方式适合于无中性点直接接地的高压三相三线系统中有功、无功电能的计量。图2 三相三线电能计量装置整体的接线图3、三相电路双向计费计量装置整体接线（1）三相四线电路中双向送、受电的感应式有功、无功电能表带TA接线图,如课本图1。（2）三
20、相三线电路中双向送、受电的感应式有功、无功电能表带TV、TA接线图,如课本图2。说明:（1）为防止电能表反转，每一块电能表都要安装防倒转的止逆器。（2）由于电子式三相三线多功能电能表,具有双向电能分开计量的功能,因此,只需按三相三线有功电能表的接线方式接入一块电子式三相三线多功能电能表,就可以完成上述四块表的功能。第七章：远程系统的构成1.系统组成系统由智能电表、集中器和能耗监测管理软件组成。以下图为例，带您快速了解本产品架构：各个计量表的数据通过RS-485接口汇总所对应的集中器。集中器按照管理中心下发的抄表任务自动向各个计量表抄取各种数据信息。集中器保存相应的各计量表的小时、日、月数据，由
21、管理中心集中处理。系统工作原理：系统设计了自动搜寻计量表与抄表设备的功能，计量表和抄表设备即装即用、施工快捷、非常方便。计量表和抄表设备安装完毕后，管理中心向抄表设备传送工作程式，无需人工干预，抄表设备便能自动搜寻计量表电子标签码（表号）并自动存储，利用网络即可完成系统的调试工作。 2.通信链路系统数据通信由下行采集层和上行传送层两个层次组成。3.上层通信层上行通信是由集中器与管理中心服务器之间通信。该层通信的主要特点是数据量较大，传输距离不受限制。如图二所示,上行通信经常采用的方式有以太网、GPRS无线通讯方式。（a）以太网通信方式如下图所示，集中器在有网线的地方，该网线只要可以上网,都可采
22、用此方式，无需网络月租费，但需要铺设以太网线到达集中器。(b) GPRS通信方式如下图所示，管理中心服务器与集中器利用GPRS无线移动网络实现远程数据通信，集中器内置GPRS网络模块，采用实时在线工作模式，数据传输速度快，无需网络维护，十分之便。注：采用GPRS通迅方式各集中器需要配置一张开通GPRS包月套餐业务的中国移动手机卡。4.下行通信下行通信是指集中器通过RS-485接口与电能表之间的通信。如下图.RS485总线布置1.485总线必须要接地。在很多技术文档中，都提到485总线必须要接地，但是没有详细的提出如何接地。严格的说，485总线必须要单点可靠接地。单点就是整个485总线上只能是有
23、一个点接地，不能多点接地，因为将其接地是因为要将地线（一般都是屏蔽线作地线）上的电压保持一致，防止共模干扰，如果多点接地适得其反。可靠接地时整个485线路的地线必须要有良好的接触，从而保证电压一致，因为在实际施工中，为了接线方便，将线剪成多段再连接，但是没有将屏蔽线作良好的连接，从而使得其地线分成了多段，电压不能保持一致，导致共模干扰。2.485信号线不可以和强电电源线一同走线。在实际施工当中，由于走线都是通过管线走的，施工方有的时候为了图方便，直接将485信号线和电源线绑在一起，由于强电具有强烈的电磁信号对弱电进行干扰，从而导致485信号不稳定，导致通信不稳定。3.选择合格的电缆由于原材料价
24、格上涨，导致现在市场上的线材鱼龙混杂，有不良商人利用某种合金来顶替铜丝来做网线，在外面镀铜以蒙混客户。具体区别方法：看网线截面，如果是铜色的话，就是铜丝，如为白色，则是用合金以次充好。合金一般比较脆，容易断，而且导电性远不如铜丝，很容易在工程施工中造成问题。线材一般建议选择标准的485线，其为屏蔽双绞线，传输线不是像网线那样为单股的铜丝，而是多股铜丝绞在一起形成一根线，从而即使某根小铜丝断掉，也不会影响整个的使用。4.485信号线可以使用屏蔽线作为布线，也可以使用非屏蔽线作为布线。由于485信号是利用差模传输的，即由485+与485-的电压差来作为信号传输。如果外部有一个干扰源对其进行干扰，使
25、用双绞线进行485信号传输的时候，由于其双绞，干扰对于485+，485-的干扰效果都是一样的，那电压差依然是不变的，对于485信号的干扰缩到了最小。同样的道理，如果有屏蔽线起到屏蔽作用的话，外部干扰源对于其的干扰影响也可以尽可能的缩小。5.485布线不可以布置成星型接线与树形接线。485布线规范是必须要手牵手的布线，一旦没有借助485集线器和485中继器直接布设成星型连接和树形连接，很容易造成信号反射导致总线不稳定。很多施工方在485布线过程中，使用了星型接线和树形接线，有的时候整个系统非常稳定，但是有的时候则总是出现问题，又很难查找原因，一般都是由于不规范布线所引起的。如果由于现场的限制，必
26、须要进行星型连接或者树形连接，则必须配置485集线器来保证系统通讯稳定。第九章：抄表的实现方法及监控中心功能1.集多块电表采集、存储、无线传输于一体的工业级产品。终端采用国内外最先进的微电子技术、工业控制技术和嵌入式软件技术，同时，在严格遵循有关的国际标准和国家标准的基础上，充分考虑了我国电力工业用户的实际运行状况。它具有采集精度高、存储容量大、兼容性好、抗干扰能力强、安装使用方便、外形美观等特点。广泛应用于工业三相电能表与城乡居民单相用电用户电能表信息实时采集。智能电表、电力仪表：采用带RS485通信接口的电子式智能电表或电力仪表；RS485接口传输协议：DL/T645-1997规约协议或D
27、L/T645-2007规约协议或ModBus协议；2现场安装：配电房智能电表安装在同一个配电箱或相邻配电箱方便RS485总线连接采用一台无线抄表终端，若电表距离较远不方便RS485总线连接，则一个配电房采用多台无线抄表终端，一个无线抄表终端可以同时抄读1到24块智能电表，配电房智能电表RS485总线连接示意图如下：2.1监控中心功能（系统软件安装在服务器）（1）、监听抄表终端连接请求和客户端请求：监控中心监听站点抄表终端的连接请求，系统允许随时增加新的站点抄表终端同时不会对监控系统造成影响，新的连接建立之后，就可以在站点抄表终端与监控中心之间进行数据和指令传输。需要接入的抄表终端数量越大，对监
28、控中心的配置要求越高。监控中心同时还监听客户端的请求，允许客户端访问。（2）、账户管理功能：为了防止未授权用户非法进入系统，确保监控系统的安全性，设置不同级别账号管理、密码并分配操作权限。普通用户：只有查看数据功能不具备其他操作功能；管理员：只有查看数据功能和管理管辖区域内的部分权限，添加管理管辖区域内新的抄表终端和增加智能电表等；超级管理员：具备系统所有功能，可创建新的账户和密码并分配不同的操作权限，添加新的抄表终端和增加智能电表等；（3）、数据采集功能设定每块智能电表的数据上报时间和上报间隔，抄表终端内部具有时钟，到达指定时刻后自动上报智能电表的数据（有功总电能、无功总电能、三相电压、三相
29、电流、有功功率、功率因素等信息）。（4）、存储功能：对智能电表数据进行运算处理，根据互感器变比等参数计算用户实际的电能消耗；智能电表数据的定时存储，可根据用户的需要每间隔一定时间对智能电表数据进行存储，系统可保存十年以上的历史数据。第十章：Modbus通讯协议传输方式及网络传输在ModBus系统中有2种传输模式可选择。这2种传输模式与从机PC通信的能力是同等的。选择时应视所用ModBus主机而定，每个ModBus系统只能使用一种模式，不允许2种模式混用。一种模式是ASCII（美国信息交换码），另一种模式是RTU（远程终端设备）。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置
30、每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络，它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。在其它网络上（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被转成与串行传输无关的帧。传输模式特性ASCII可打印字符便于故障检测，而且对于用高级语言（如Fortran）编程的主计算机及主PC很适宜。RTU则适用于机器语言编程的计算机和PC主机。用RTU模式传输的数据是8位二进制字符。如欲转换为ASCII模式，则每个RTU字符首先应分为高位和低位两部分，这两
31、部分各含4位，然后转换成十六进制等量值。用以构成报文的ASCII字符都是十六进制字符。ASCII模式使用的字符虽是RTU模式的两倍，但ASCII数据的译码和处理更为容易一些，此外，用RTU模式时报文字符必须以连续数据流的形式传送，用ASCII模式，字符之间可产生长达1s的间隔，以适应速度较慢的机器。控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信。Modbus网络传输标准的Modbus口是使用RS-232-C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。控制器通信使用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。