嵌入式电能计量装置运行状态智能分析系统设计毕业论文

嵌入式电能计量装置运行状态智能分析系统设计毕业论文目录1 绪论 (4)1.1 电能计量装置概况及其发展 (4)1.2 嵌入式简介 (5)2 电能计量原理 (5)2.1 电能的基本计算 (6)2.2 有功功率的计算 (6)2.3 无功功率的计算 (7)2.4更正系数的计算 (8)2.5退补电量计算 (9)3 单相及三相电路接线分析 (11)3.1 单相及三相电路接线分析 (11)3.2 三相三线 (14)3.3 三相四线 (17)3.4 小结 (19)4 系统设计与分析 (19)4.1 系统设计目标 (20)4.2系统硬件分析 (20)4.3系统软件分析 (25)4.4 小结 (28)结论 (29)参考文献 (30)致谢 (31)1 绪论1. 1 电能计量装置概况及其发展1.1.1 电能计量装置概念电能计量装置即电力系统中的发电厂、供电企业、用电户三者之间对电能进行计量及贸易结算的装置，主要有：计量用电流互感器、电压互感器、电能表、互感器与电能表之间的二次回路。

其配套的附属部件包括试验接线盒、失压断流计时仪、铅封、电能计量箱 (柜)、电能量集抄设备[1]。

电能计量装置是电力市场中作为电能量贸易结算依据，是发电厂用于计量厂用电量依据，供电公司用于测量每条线路的实际线损，工农业客户用于核算产品的电能成本，各单位用于计量下属部门的分电量[2]。

目前对电能计量装置的检查，相关部门单位通常采用相序表、计量用的电流（压）表等获得相关电参量的信息，再通过相关人员的研究分析得出有关错误接线的结论，不但浪费大量时间，而且还容易产生不必要的问题。

当前能进行接线错误判断的相关设备很少，这对于满足系统正常运行状态的检测来说是不足的。

本系统统采用电能计量专用芯片ATT7022A（高精度三相电能专用计量芯片）采集电参量，并通过SPI（同步串行外设接口）总线与ARM 嵌入式系统进行通信，通过高性能的嵌入式芯片对电参量进行分析工作，判断出故障的类型[3]。

电能计量装置的核心在于怎样正确的测量互感器的接线，并且能够快速准确的识别互感器二次端子与电能表之间连接的正确性以及计算退补电量，现前电力部门首先通过相序表、电能表现场校验仪、电流（压）表、测量出必需的电参量，再由人工分析得出错误结果，这样不仅耗时费力，而且还容易出错[4]。

针对电能计量装置故障检测困难的现象，本论文设计了以利用S3C2410A芯片(Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核 )为核心的电能计量装置，阐述了该系统的设计优点、功能优势。

该系统不但可以实现对电能计量装置接线类型的正确识别，还可以进行更正系数进行计算以及退补电量的计算，并将信息联至互联网，并对信息进行网上综合管理。

1.1.2 电能计量装置的发展一、电能计量装置的发展-电能表的发展。

1、感应式电能表的发展：我国电能计量装置的情况是在20世纪50-70年代都是在研究交流感应式的电能表，并随着时代的发展，电能表的上下轴承问题，有单宝石改为双宝石。

再改为磁推轴承等措施来提高电能表的稳定性，从而提高电能表的负荷电流和过负荷能力，达到电能表的长寿命要求。

2、电子式和机电一体式电能表的发展：80-90年代验研制半电子式电能表和全电子式电能表半电子式电能表就是机电一体式电能表。

现在我们基本是采用全电子表。

3、智能电能表的发展：为深入贯彻落实国家电网公司“集团化运作、集约化发展、精细化管理、标准化建设”的管理要求，满足电能信息采集和智能电网建设的需要，提高电能表规化、标准化管理水平，2007年左右提出了智能电能表的概念，原理还是电子表的原理。

二、电能计量装置的发展-互感器的发展。

1、电磁式电流互感器和电压互感器在电保护和电测量中占有主导地位，但是电磁式互感器不仅体积与质量增大、价格上升，而且防爆困难、安全系数下降：铁芯结构且频带很窄，在磁饱和时二次信号波形易发生畸变，导致继电器误动作和计量失准；2、电容式电压互感器：其以价格低、组装方便而广泛应用。

但其对准确度测试条件的要求十分严格，目前国产电容式电压互感器只能作为供电量计量用，不宜作售电量计量用。

3、霍尔式互感器：相关电路在加以霍尔元件后，使互感器具有小体积、高精度的优势，对于电流，电压的测量带来很大的便利。

但该种类的互感器采用铁心结构，不可避免的带来磁饱和的问题。

4、电子式互感器：由于近年来光电子技术的发展，研究人员又开发出一种结构简单、高性价比、宽输出围的无铁芯式的电子式互感器。

1.2 嵌入式简介IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。

简单地讲，嵌入式系统是一种用于控制、检测或协助特定机器和设备正常运装的计算机。

它通常由嵌入式处理器，硬件设备和系统软件。

其中，前者是嵌入式系统的核心部件[5][6][7][8]。

嵌入式系统发展主要经历了四个阶段：无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统阶段和面向Internet阶段，其微处理器先后经历了从最初的4位到现如今的64位，性能得到很大的提高！嵌入式系统具有如下四个特性：（1）执行特定的功能；（2）以微处理器及外围设备为核心；（3）时序严格、稳定性要求高；（4）全自动操作。

2 电能计量原理本系统主要功能包括电压、电流互感器极性的检查、互感器断线的检测、单相接线方式的判别、三相三线（四线）连接组别检查、错误接线时的更正系数计算、退补电量计算、条码扫描、打印及辅助计算等。

其中如何判断计量装置接线方式是本系统的主要功能。

2.1 电能的基本计算电能的计量通常根据如下公式来实现，即：⎰⎰==)()()()(t i t u dt t P t W （2.1）其中，W(t)， p(t)，u(t)， i(t)分别为电能值，瞬时功率，瞬时电压，瞬时电流，通过上式，不难发现，电能的计算即为功率与时间值的成绩，因此，电能的计算可通过对功率的计算来得以实现。

2.2 有功功率的计算对于有功功率，通常将有功功率有单相和三相之分，其中三相有功功率还分为三相三线制有功功率和三相四线制有功功率。

1、单相有功功率计算：ϕcos UI P = （2.2） ⎰=Pdt E （2.3） 式中，P 为有功功率，U 为电压的有效值，I 为电流的有效值，ϕ为功率因素角，E 代表电能。

2、三相三线制有功功率的计算：)]30cos()30[cos(0011ϕϕ-++=I U P （2.4）当三相对称时，则有)]cos(30)[cos(30I U P 0011ϕϕ-++= ϕcos *30cos *2011I U =ϕcos 311I U = （2.5)二表法向量图:图2.1三相三线制电路有功功率向量图3、三相四线制电路的有功功率的计算：三相四线电路可看成由三个单相电路组成，所以总的电能为各相电能之和。

因为电能与功率仅差一个时间因子，所以为方便起见，以下用功率表示单位时间的电能。

c c c b b b a a a cos I U cos I U cos I U P ϕϕϕ++= (2.6)当三相四线制电路完全对称时，三相功率为:c c c b b b a a a cos I U cos I U cos I U P ϕϕϕ++=ϕcos I 3U P P = (2.7)二表法向量图：图2.2三相四线制有功功率计算向量图 2.3 无功功率的计算1、单相交流电路无功功率的计算：ϕUIsin Q = （2.8）2、三相四线制电路无功电能的计算：c c c b b b a a a sin I U sin I U sin I U Q ϕϕϕ++= （2.9）3、三相电路完全对称时无功功率的计算： ϕsin I U 3Q l l = （2.10）4、在三相四线制无功电能测量中，最常用的就是90º无功电能表，利用90º移相法进行电能测量，如图2.3所示：a U .c U .c i B图2.3 90º移相法无功电能测量原理图5、设 )sin(ωi I i(t)sin ωin U u(t)m m ϕ-==经90°移相后，加到有功测量单元上。

如图)sin()(t t u ω=，无功功率)90UIcos(Q ϕ+-= ϕUIsin =。

这种方法，常用于电子式电能表和标准电能中。

2.4更正系数的计算更正系数G 的定义为：更正系数G 是在同一功率因数下，电能表正确接线方式下的计量电能量W 与错误接线方式下计量电能量的电能值W'之比，即：'W的计电能表错误接线方式下W 的计电能表正确接线方式下G 更正系数量电能量电能= （2.11） 若正确计量功率记为Right P _，错误计量功率记为Wrong P _ ，错误接线时间记为t ，则W=P_ Right×t，W’=P_Wrong×t。

则更正系数P_WrongP_Right t P_Wrong t P_Right W'W G =⨯⨯== （2.12） 即更正系数为接线正确情况下的功率与接线错误情况下的功率之比。

式（2.12）中W 为正确接线时的真实电能量（一个抄表期）；W’是发生故障接线时的虚假电量，可由本月与上月抄见量之差得到，若电表的铝盘反转，W 则为负。

此时的G 为真实电量与虚假电量的倍数之比。

一般来讲，可由在故障接线的情况下，电压与电电流之间的向量图得出Right P _，从而求出G ，即Wrong P Right P G __=。

若知道G 的值就可以由此得出正确电量，即P_Wrong P_Right ('⨯-==上月抄见数）本月抄见数G W W ，该公式表明通过更正系数K ，求出用户所用的真实电量W ，还原事物的本来面目。

正确计量方式下P_ Right 是固定不变的，主要分为如下几种情况：（1）单相电能表计量ϕcos _UI right P =（2）三相三线两元件电能表计量ϕcos 线I 线U3P_Right ⨯= （3）三相四线三元件电能表计量ϕcos 线I 线3U P_Right = 当发生错误接线时，电能表所记录的功率P_ Wong 可先按元件计算，每一个元件的功率为实际所接的电压、电流以及电压与电流夹角的余弦值的乘积，将所有元件功率相加即可得到总功率。

用户用的真实电量始终为正，此外还有一下规律：(1) G>l ，少计电量，表慢(2) G=1，计量正确，(3) 0<G<1，多计电量，表快(4) G<0，表反转，(5) G 为无穷大或者G 为无穷小时就不能用K W W '=来计算实际功率了，此时用故障日数用电日数量换表后至抄表时期用电用电量原表正常时期一个月的⨯+=230W （2.13） 2.5退补电量计算当电能计量装置接线有错误时，必然会出现多计、少计或不计电量的问题。