论文总字数：37795字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 智能电表概论 1

1.2.1电能计量仪表的发展历程 1

1.2.2电能计量仪表的发展趋势 2

1.2.3智能电能表与传统电能表的区别与联系 3

1.3智能电表国内外研究现状 3

1.3.1 国外研究现状 4

1.3.2国内研究现状 4

1.4 论文主要任务工作 5

2 智能电能表方案设计 5

2.1 智能电能表功能方案设计 5

2.2整体方案设计 7

2.3 本章小结 9

3电参量测量原理及计算方法研究 9

3.1 三相交流电概述 9

3.1.1三相交流电定义及形式 9

3.1.2三相交流电特性 10

3.2 电网功率计量 11

3.3 电能表模拟前端测量误差分析 13

3.4 本章小结 17

4 智能电能表硬件设计 17

4.1 整体硬件设计方案 17

4.2计量模块 17

4.2.1 专用计量芯片ADE7878ACPZ 17

4.2.2ADE7878ACPZ的外围电路 19

4.3 主控制器及其外围电路 22

4.3.1STM32F407ZGT6简介 22

4.3.2 STM32F407ZGT6外围电路 22

4.4 通信模块 23

4.4.1 RS485通信模块 23

4.4.2 以太网 24

4.4.3 GPRS通信 25

4.4.4红外 26

4.5显示交互模块 27

4.6 控制模块 28

4.7 存储模块 29

4.8 电源模块 30

4.9 主板设计要点 31

4.10 本章小结 31

5智能电能表软件设计 32

5.1 电能计量软件设计 32

5.1.1 电能计量部分 32

5.1.2 接口通信 35

5.2以太网收发软件设计 35

5.3 GPRS与RS485通信软件设计 35

5.4 图形交互界面的软件设计 36

5.5文件系统软件设计 36

5.6本章小结 37

6设计成果及系统调试 37

6.1 设计成果 37

6.1.1 PCB版图 37

6.1.2 硬件实物制作 38

6.3 本章小结 42

7 全文设计总结与讨论 42

参考文献 43

附录A 45

附录B 46

致谢 49

1 绪论

1.1 研究背景及意义

现代社会，人类的各项生产活动对能源的需求与能源的合理经济开发利用之间愈来愈呈现先出不平衡的态势，能源技术也因此日渐成为最为炙手可热的课题。传统能源方式已经逐渐与环境友好型可持续性发展的理念渐行渐远，不可持续能源与科学发展之间的矛盾愈演愈烈。为解决这一难题，新型清洁能源譬如太阳能以及风能、潮汐能等的进一步综合发展已经逐渐引起各个国家各个部门的广泛重视。能源技术也因此被上升到一个崭新的层面。

而要想对新兴起的太阳能以及风能等绿色清洁能源进行大规模开发，实现远距离输送与高效率利用以期望切实改变全球能源格局，就必须将这些绿色能源转变成电能并通过一个集成先进的信息化、自动控制、储能、调度等技术的坚强的智能电网来对这些绿色电能进行集约化管理。作为智能电网的关键性组成部分，智能电能表这一基础电力设施与绿色能源之间的发展紧密相连。

在智能电网的基础建设中，作为整个电力系统的用户终端，智能电能表负责记录整个电力系统的电能流动并随时监测电力的使用情况。相对老式的电力计量设备而言，智能电表不仅仅只能完成简单的电能计量，不再像传统电能表那样只是实现电能累加并通过单一的通信接口进行人工抄取数据，它依托于不断进步的通信技术和信息技术 ，并逐步引入互联网以及智能互联技术，在电力计量上得以实现多电参量实时监控，在数据处理上得以融合目前广泛使用的嵌入式系统，在通信互连上得以构建真正的电力局域网。在智能电网的快速发展的形势下，智能电能表的同步发展无疑是具有巨大的潜力和现实意义的 [1]。

1.2 智能电表概论

1.2.1电能计量仪表的发展历程

电能表，又称为电度表、电表，是一种用来测量电源的仪器仪表，包括由供电部门提供给普通用户以及工业场合或由这些场合产生供给电网的电力。目前使用范围最广、最常用的是千瓦小时电能表。其主要在电力销售中使用，电能表测量数据为供电部门发放电费账单提供了有效的依据。电能表亦可记录使用电力时的其他信息，例如一些时间信息。

世界上第一个千瓦时电能表在匈牙利人Ottó Titusz Bláthy专利基础上并以其命名于1889年秋在法兰克福博览会上展出，第一批即在同年底向市场发售，成为第一批交流电能表。

电能表的第一代正式民用产品诞生于十九世纪末，其基于电磁感应原理，故又被称作感应式电能表。感应式电能表基于电磁感应原理，使用永磁体产生足够的制动力矩，进一步降低了内部圆盘的运转速度并提升转动力矩，与此同时选用铝材盘片来替代原先的铜材大质量圆盘。历经较长一段时间的设计改进与发展，感应式电能表技术日渐完善，与此同时因为其具有较高的稳定性、硬件结构亦相对更加简单，在全球得以大范围使用。

感应式电能表的发展推广在西方国家得以很好的实施，技术进展较快。相比之下，我国的产品技术与其还存在着相当大的距离，通过积极学习西方成熟技术并且自身持续钻研实践，历经多年的研究验证，在产品的质量、性能以及技术水平等各个方面我们国家都取得了明显进步。随着我国城乡电网的大面积改建，我国感应式电能表的质量与技术水平相较于初期均取得明显的进步[2]。

电子式电能表于二十世纪七十年代在日本诞生，其主要通过采用数字ASIC来进行电能的计量工作，对电网中电流、电压这些电参量进行采集变换，通过计量IC将电信息转换成不同频率不同占空比的脉冲信号，然后采用传统计数电路结构进行待测电参量的统计。八十年代末，伴随着IC设计与IC制造行业新技术的进一步发展，其仍然存在的一些精度、稳定性方面的不足得以明显改进。在过去的十多年时间，随着集成电路产业的进一步发展，其精度与使用寿命都得到很大程度的提升。

电子式多费率电能表诞生于二十世纪九十年代初，这在国内电力计量仪器仪表领域有着变革性的意义。全国用电工作会议于1995正式将分时电价这一举措提上议程，电子式多费率电能表在国内的发展进入了一个全新的阶段。通过不懈的技术探索并积极借鉴国外成熟技术，我国全电式电能表的研究不断取得突破，单相以及多相式电子电能表陆续研发成功，标志着电子式电能表的全面发展在我国正式铺展开来，技术亦取得不断的发展进步。

与此同时，基于IC加密卡的预付费电能表逐渐进入大众视线。此类新式电能表大大便利了电力部门的相关管理服务，并且自动智能的预付费管理方法进一步降低了整个电力系统的人力物力成本。这种电能表可以监控用户的用电参数并进行计算分析，具备一定的自动控制功能，已具备智能电表的雏形。如今，随着技术人员的进一步探索深入，智能电力计量管理与电能表终端已经大致具备同等的发展水平[3]。

现在，传统感应式电能表已经逐渐退出历史舞台，全电式电能表将全面取代前者并且作为基础设施全面大范围普及推广。电子式电能表有着得天独厚的优势，由于其基于集成电路以及数字处理技术，稳定性以及精确度得到非常大的提升，功能的可扩展性也十分强大。此外，电子式电能表安装简便，维护便捷，随着技术进步其成本亦得以进一步下降，能够很好适应电力市场的发展[4]。

1.2.2电能计量仪表的发展趋势

随着电力传感技术的不断进步，电能表技术亦在持续进行革新进步，当信息技术逐渐登上热榜，电能表向着更加智能、更加互联的方向进步也就自然而然成为更进一步的发展目标。

（1）标准化

现代电能表作为重要的电力设施，其与电网以及具体用电工况应该是紧密相连的，对各项电力参数进行标准化标定，对于不同场合电能表的使用无疑是意义重大的。

（2）数字化

数字化即指电能表的总体计量方案将基于专用IC实现，专用集成IC相对而言具有更高的精确度、更加丰富的功能、更高的可靠性，是提高整个计量系统性能水平的关键所在。

（3）智能化

快速发展的科技成就了电能表的智能化发展的必然条件，这一条件进一步刺激着其在功能上做出更加完善的改进创新。换句话说，电能表的发展应该依托于不断进步的科学技术，广泛吸收，使其不论在功能上还是性能上都能够取得不断的改进。

（4）精确化

电能表的计量数据是相关电力部门进行费用清算和管理的重要依据，测量精度必须受到极大重视。目前多数厂家在售的为0.2级精度的电能表，少数已经推出更高精度的0.1级电能表。随着技术进步，精度的提升是必然趋势。

（5）网络化

随着信息技术的不断进步，网络已经逐渐覆盖到人们日常生活的各个领域。并且，作为日常生产生活必不可少的一部分，电力传感技术终端的网络化有效顺应了这一趋势，并且能够有效改善相关电力部门的管理与服务水平[5]。智能网络互联化是未来必然的发展趋势，电能表加入智能电器这个大家庭也将成为呼之欲出的大众诉求。

1.2.3智能电能表与传统电能表的区别与联系

两者作为不同阶段都相当重要的电力传感设备，其测量主体均为交流电网的单个或多个电参量。其中电能为主要测量参数，少数电能表可以具备相电压监测，电网监控功能。两者的功能服务主体均为相关电网设施，为整个电能交易市场提供重要的数据参考依据。

在设计结构上，两者具有相似的模拟前端。无论哪种形式的电能表，电网两种基本表征——电压、电流的采样均依靠类似的信号采样电路。电压互感器、电流互感器等仪用精密变压器广泛应用于隔离式电信号采样。目前使用的电能表大多采用电流互感器对交流电流进行变换采样，使用简单的分压采样电路对电压信号进行采样，具有非常高的性价比。在信号处理结构方面，能够实现数据测量并且能够同时对测量电能数据进行一定的处理，能够实现以上两种功能的电能表既能够称之为是多功能电能表。与传统多功能电能表不同的是，智能电表不仅具备数据的测量处理功能，更具备各种不同形式的通信功能，提供多种对外交互接口[6]。智能电表各种通信接口的创新设计与智能电网的发展具有密不可分的关系，智能电表为电能监测设备的互联化、网络化做出了巨大的推动性的贡献。

在终端使用上，两者便存在有本质的区别，传统多功能式电能表与使用者的交互度几乎为零，电能测量参数的人工抄取过程繁杂[7]，而智能电能表的通信功能使得远距离数据获取处理得以实现，并完成小型传感局域网的拓扑构建。另一方面，智能电能表具备传统多功能电能表所不具有的自动化计费功能，能够完成费率的人工设置、预付费用电、欠额断电等功能，能够实现完善的安全认证体系。相较于后者，智能电能表的标准化更为完善，基本涵盖多个方面，GPRS蜂窝网络、电力载波PLC、RS485通信等均有国家专有文件标准，电价调动等设置亦有电力部门相关文件统一规划管理。另外，智能电能表的功能裁剪性、强大的可移植性使其能够胜任不同地点不同场合的复杂应用。

1.3智能电表国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

智能电能表现阶段的普遍发展现状均为由传统形式电能表到更加智能化、多样化的新型产品过渡。美国作为研究智能电网起步最早的国家，近些年来已经开始大力开展智能电网建设工作，旨在建立以业务管理、数据处理以及自动化控制形成三位一体为主要优势的更加先进的智能电网并投入大量人力物力进行相关研究。早在08年，智能电表的主要功能在美国得到很好地定义——双向通信、智能远程控制、数据保存、电网实时监控、异常日志保存、分时计价、实时定价等[8]。作为全球性的系统供应商，美国德州仪器在过去几十年里销售了数以百万计的电能表IC，以芯片形式提供专业的计量服务、应用处理器、连接系统、RFID和模拟组件。Analog Device公司的ade系列电能计量芯片亦一直为国内外成熟方案采用。

自动化计量基础设施（AMI）与自动化抄表（AMR）目前已经成为欧美成熟智能电网基础建设的研究重点，其为测量、分析和收集能量用量数据并将其传送至中心数据库（进行计费、故障检修与分析）提供了一种必要的方法[9]。而所有计量仪表直接与公共事业服务器进行数据交换明显是不切实际的，故数据集中器这一重要节点设备应运而生。

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