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基于MSP430和互操作性协议的电能表研究与设计

作　者: 雷利兵
导　师: 朱青
学　校: 湖南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 多功能电能表 同步采样算法 互操作性 MSP430 IEC62056
分类号: TM933.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 235次
引　用: 3次
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内容摘要


电子式多功能电能表如今已被广泛应用于电力部门,电力计量与管理部门不断发展的需求也一直在促进电能表技术的不断发展。本文针对目前电力部门对电能表的高精度、多功能和具有互操作性的实际需求,研究和设计实现了一款精度高、具有互操作性并且具有市场竞争力的电子式多功能电能表。本文首先介绍了课题研究的背景和意义,综述了电子式多功能电能表的发展现状及方向,然后研究了电子式电能表电能测量和计量的基本原理,分析了本电能表采用的同步采样算法原理,介绍了具有互操作性的通信协议—IEC62056。本文重点分析了电能表硬件软件的设计方法。硬件方面,进行了总体方案设计并按功能需求进行了各硬件电路单元的分析和设计,其中分为计量单片机(MCU)单元、供电电源单元、功能管理单片机单元、按键显示单元、内部存储单元、通信接口单元和时钟单元等。通过对各模块单元电路的分析和设计,实现了既符合电能表功能要求又稳定可靠的多功能电能表硬件电路。软件方面,进行了电能表软件的总体方案设计并介绍了实现方法,对计量MCU和管理MCU两个相对独立的部分分别进行了分析和设计。计量MCU部分主要分析了电流分段的自动判断方法、数据采集和处理的软件实现,通过软件同步算法得到所需的电参量和电能量数据;管理MCU部分主要分析了电能计算方法、根据IEC62056协议构建仪表模型、按该协议进行的需量计算方法、多费率实现方法和按键显示模块的软件实现,最后给出了IEC62056标准协议栈的软件实现方法。整个软件设计均严格按照模块化的设计方法。本文最后分别从硬件电路和软件模型两方面分析了误差的影响与补偿;在给出本电能表的基本参数和主要设计指标后按照国家相关标准对电能表误差等指标进行了测试,通过有功和无功误差测试、电压影响测试、频率影响测试、功耗测试等实验证实本电能表的各项性能指标均达到设计要求,并对本电能表采用的通信协议的符合性测试进行了说明。本文研究和设计的三相多功能电子式电能表的精度要求为有功0.5S级,无功1.0级。测试和实践证明,本电能表满足精度要求,功能增减灵活,并符合自动抄表系统对电能表的可操作性要求,适应电表市场的发展需求。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-15
  1.1 课题背景与意义  11-12
  1.2 国内外电子式电能表的发展现状  12-14
  1.3 课题研究来源及本文主要结构  14-15
第2章 电能测量原理与IEC62056 通信协议介绍  15-25
  2.1 电子式电能表的测量与计量原理  15-19
    2.1.1 电压电流有效值的测量  15
    2.1.2 有功电能的计量  15-17
    2.1.3 无功电能的计量  17-18
    2.1.4 最大需量的计算  18-19
  2.2 同步采样算法原理  19-20
    2.2.1 同步采样算法  19
    2.2.2 软件同步采样改进算法  19-20
  2.3 IEC62056 系列标准协议  20-24
    2.3.1 IEC62056 标准  21
    2.3.2 DLMS/COSEM 协议组成及其通讯流程  21-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章 基于MSP430 的多功能电能表的硬件设计  25-40
  3.1 硬件总体设计方案  25-26
  3.2 计量MCU 电路  26-29
    3.2.1 MSP430F235 简介  26-27
    3.2.2 电压电流采样电路  27-28
    3.2.3 双MCU 接口电平匹配电路  28-29
    3.2.4 校表参数存储卡电路  29
  3.3 供电电源电路  29-31
    3.3.1 MSP430 供电电路  30-31
    3.3.2 M30624F 供电电路  31
  3.4 功能管理MCU 电路  31-39
    3.4.1 瑞萨M30624F 单片机介绍  31-32
    3.4.2 单片机外部电路  32-33
    3.4.3 显示单元电路  33-34
    3.4.4 内部存储器接口电路  34-36
    3.4.5 电能表与抄表系统通信接口电路  36-38
    3.4.6 时钟芯片单元电路  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第4章 电能表软件设计  40-56
  4.1 软件总体设计方案  40-41
    4.1.1 软件开发环境概述  40
    4.1.2 软件开发总体思想  40-41
  4.2 MSP430 的数据计量软件设计  41-45
    4.2.1 上电初始化程序  41
    4.2.2 采样电流的自动选择程序  41-43
    4.2.3 数据采集程序设计  43-44
    4.2.4 数据处理程序设计  44-45
  4.3 管理MCU 功能软件的设计  45-55
    4.3.1 任务时间分配管理  45-46
    4.3.2 上电初始化模块  46
    4.3.3 构建符合IEC62056 的仪表模型  46-48
    4.3.4 电能计算模块  48-49
    4.3.5 需量及其测量方法  49-52
    4.3.6 时段投切（多费率）模块  52
    4.3.7 按键显示模块  52-53
    4.3.8 通信协议的实现  53-55
  4.4 本章小结  55-56
第5章 多功能电能表的误差分析与测试  56-65
  5.1 电能表误差分析  56-58
    5.1.1 硬件电路引入的误差分析  56-57
    5.1.2 软件模型引入的误差分析  57-58
    5.1.3 电能表理论设计精度  58
  5.2 误差测试  58-63
    5.2.1 基本参数和主要技术指标  59-60
    5.2.2 有功基本误差试验  60-61
    5.2.3 无功基本误差试验  61-62
    5.2.4 电压影响试验  62
    5.2.5 频率影响试验  62
    5.2.6 功耗测试  62-63
    5.2.7 误差测试结论  63
  5.3 DLMS/COSEM 符合性测试  63-64
  5.4 本章小结  64-65
结论与展望  65-67
参考文献  67-70
致谢  70-71
附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）  71-72
附录B（攻读学位期间参加的科研项目）  72-73
附录C（计量MCU 单元与电源单元电路图）  73

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电气测量技术及仪器 > 电数量的测量及仪表 > 电能测量、电度表
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