远程电量监测系统研究与设计
远程电量监测系统研究与设计[20191215165823]
摘 要
随着无线传感器网络技术的不断推广，人们对电量监测以及电参数的采集提出了更高的要求。高效、智能、准确、安全的电量监测系统对提高电力的运行效率，以及电网的安全具有深远的意义。远程电量监测系统的出现为实现电力生产的智能化管理提供了条件，同时也节省了高昂的人力成本，为电力部门长远发展奠定了基础。
本文在分析以感应式电能表为基础的传统电量监测系统优缺点的基础上，针对传统电量监测系统功耗大、准确度低、误差特性差的特点，提出一种基于嵌入式技术、短距离无线射频技术、无线传感器网络技术的远程电量监测系统。该系统的监测部分由监测节点组成，监测终端由无线数据接收模块、PC机和专用上位机软件组成。监测节点与无线数据接收模块之间通过短距离无线射频技术实现通信，无线数据接收模块通过传输线将监测到的数据传输到远程上位机，上位机将传输过来的数据进行显示和保存，同时上位机也可以对监测节点实施远程控制，从而实现对监测节点的远距离监测和控制。
本监测系统的硬件部分由电源模块、微处理器模块、短距离无线射频模块、基于ADE7755的电量计量模块、节点控制模块。在监测系统的硬件设计基础上，软件部分分为基于MCGS和C#开发的两款电量监测软件，监测终端的软件设计包括实时电量数据，功率数据的采集、监测，节点的控制等。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电量监测；MCGS；无线射频；监测终端
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本设计的主要任务 2
1.4本章小结 2
第2章 系统整体结构 3
2.1 引言 3
2.2 系统原理及组成 3
2.2.1 监测节点 3
2.2.2 监测终端 4
2.2 系统结构图 4
2.3 本章小结 5
第3章 系统硬件电路设计 6
3.1电源模块 6
3.1.1阻容降压原理 6
3.1.2阻容降压器件选取 7
3.2微处理器模块 9
3.2.1 ATmega8引脚图及设计要点 9
3.3无线射频模块 10
3.3.1 XL02-232AP1模块 10
3.3.2 XL02-232AP1模块及连接示意图 10
3.4电量计量模块 11
3.4.1 ADE7755简要介绍 11
3.4.2 ADE7755原理框图 11
3.5节点控制模块 12
3.6 硬件电路中的抗干扰设计 12
3.6.1电路抗干扰设计 13
3.6.2 PCB抗干扰设计 13
第4章 系统的软件设计 15
4.1 系统软件设计总体要求和构思 15
4.1.1 系统软件设计总体要求 15
4.1.2 系统软件设计构思 15
4.2 系统软件模块化具体设计 17
4.2.1 脉冲个数测量子程序 17
4.2.2 MODBUS协议子程序 17
4.3 基于MCGS上位机软件设计 21
4.3.1 MCGS简介 21
4.3.2 MCGS组态软件的整体结构 22
4.3.3 MCGS MODBUS命令解析 22
4.4 基于C#的上位机软件开发 26
4.4.1 C#简介 26
4.4.2 用C#开发WinForm应用程序 27
第5章 整机调试 30
5.1 硬件调试 30
5.2 软件调试 31
5.3 整机联调 31
结束语 33
参考文献 34
致谢 35
附录A 硬件电路图 36
附录B 实物图 37
附录C 程序 38
附录D 外文翻译 57
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
近几年，我国大部分地区工业和居民的用电量急剧增加，同时电网的规模也逐渐增大，对电网的监测要求也越来越高。
电是一种很特殊的东西，它具有双重身份：产品、商品。作为商品，其交易过程就应该遵循市场经济的规律，做到买卖公平，它的交易和其他商品一样也需要有专门的计量装置来实现，装置虽小，可是作用不小。不精准的电能计量装置将会影响千家万户的经济利益，不利于国民生产又快又好的发展和电力部门各项参数的正确计算。正确无误的计费标准，有利于电力部门更长远的发展。
电能最为特殊商品在社会生产中扮演着重要的角色，当今日益增长的电力需求，以及对电网电能质量的要求，迫使输电电压等级、输电容量、变电站的数量提高了很多。传统的变电站管理和运行的方法已很难满足今天用电量日益增长的局面。电能是一种很特殊的产品，电能的生产、供应、销售都是同时发生的，目前都是通过人工抄表的方式来得到电量数据，工作周期长，效率低，同时随着电力负荷快速增长，电网调峰手段已渐渐不能顺应现代化管理的需要[1]。
整个电力工业各项参数的准确计量、设备之间的正常通讯、可靠和准确的调度都离不开安装在电力生产现场和用电现场的各种检测装置。随着改革的推进，电力工业部门进入了商品市场的经营模式，线路上一些出现故障的电能计量设备严重阻碍了电力事业的运营和发展。而电量监测系统的出现为电力生产、科学管理创造了条件。
综上所述，远程电量监测系统的设计对实现高效、智能、准确、快速、安全的电量监测，提高电网的运行和电网工作人员的效率，实现电网安全经济运行具有极其重要的意义。
1.2国内外研究现状
建国以来，特别是改革开放的20年来，我国电能测量技术与仪表的开发生产得到了飞速的发展，取得了巨大的成绩，在我国经济建设中发挥了重要作用。
为更好的推广峰谷电价，研制开发了符合峰谷电价制的复费率电能表，为实现一户一表的制度，研制开发了基于IC卡的预付费表，为了防止偷电的发生，开发研制了具有防窃电功能的电能表。为提高用电管理的效率，开发研制了多功能电能表、电能管理系统，各种类型电能表在品种和质量上得到了扩展与提高。
目前，国内外各种新型电力参数测试仪正朝着体积更小、功能更多、功耗更低、工作电流更小、稳定性以及抗干扰能力更强的方面发展，随着物联网技术的发展，物联网技术应用到电力监测也将成为未来的发展趋势。
1.3本设计的主要任务
本设计的主要任务是实现电量的远程监测及控制：
监测部分由电源模块、微处理器模块、无线射频模块、基于ADE7755的电量计量模块、节点控制模块组成，监测终端由PC机和上位机软件构成。监测节点和无线接收模块之间采用短距离无线射频技术进行数据的传输，无线接收模块和监测终端之间采用有线的方式进行数据的传输。在进行数据传输时采用的通信协议是具有很高稳定性的MODBUS协议。实时采集到的电量数据被传输到上位机上，在由上位机进行汇总、处理、存储、显示。
该系统可以进行远程控制监测节点，实现无人去现场，管理人员通过上位机实时监测和控制监测节点，有效的提高电力部门的管理效率。
本系统的设计与开发综合了物联网、自动化、通信工程、计算机科学与技术等学科的知识，是实现智能化管理电力生产的理想系统，同时也符合电力系统自动化的要求。
1.4本章小结
本章首先就电能和电量监测的重要性来介绍本文的研究背景和研究意义，其次阐述我国电量监测装的发展历程和当前的发展状况，同时分析了国内外电量监测装置的发展趋势，以及研究电量监测系统的合理性和必要性，最后介绍本设计的主要任务和所要实现的功能。
第2章 系统整体结构
2.1 引言
本系统由两部分组成：监测节点、监测终端。监测节点部分由电源模块、微处理器模块、短距离无线射频模块、基于ADE7755的电量计量模块、节点控制模块组成。无线射频模块是由XL02-232AP1模块构成。监测终端由PC机、无线接收模块和专用上位机软件组成。监测节点实时采集电量数据，通过无线射频模块将数据传给无线接收模块，无线接收模块在通过有线的方式将数据传回数据管理中心，上位机调用传回的数据实时显示数据动态，对于数据异常的节点可以实施远程控制[2]。
2.2 系统原理及组成
2.2.1 监测节点
监测节点的主要任务是对监测线路上负载消耗的电量和功率进行实时的监测，节点端的电压和电流全部来自监测线路，线路上的电压经过电压互感器接入监测芯片的相应引脚，电流经过电流互感器取样接入监测芯片的电流差分输入端。电量监测芯片采用ADE7755芯片，电量监测脉冲输入到单片机上进行计算并转换成相应的电能储存起来。当上位机发出指令接通负载端时，节点上的继电器就会吸合，负载端被接通，连接在负载供电线路上的ADE7755模块也开始工作，采集线路上的电压电流转换为高频脉冲，MEGA8单片机的INT1引脚与高频脉冲输出端相连接，同时设置上升沿触发外部中断，从而对脉冲进行计数。当上位机显示的数据异常时，管理员可以通知到相应责任人对监测节点进行检测，并对处理结果进行跟踪和汇总。
图2.1 监测节点结构图
2.2.2 监测终端
监测终端由PC机、无线接收模块和专用上位机软件组成，上位机软件分为两种版本，一种是在MCGS组态软件上进行开发的组态软件，另一种是用C#语言开发的基于MODBUS协议的上位机软件。组态软件可以动态的显示动画、报警信息、数据实时存储，但是要使用基于MCGS开发的上位机必须先安装MCGS软件后才可以运行开发的组态软件，而C#开发的上位机软件，只需将开发好的软件生成安装包，在需要安装的电脑上直接安装就可以使用。
图2.2 监测终端结构图
2.2 系统结构图
图2.2 系统构图
2.3 本章小结
本章就远程电量监测系统的整体构成及工作原理做了简单的叙述，同时就监测节点和监测终端也进行了说明，绘制了监测节点、监测终端的结构框图和整个系统框图。
第3章 系统硬件电路设计
3.1电源模块
本系统的电源模块采用两路电容降压桥式整流电路的方法将220V的市电降成5V为系统中不同的模块提供电能。
3.1.1阻容降压原理
采用阻容降压电路具有两个很明显的优点：第一个优点是体积比采用变压器时减少了很多，在设计一些产品是由于体积和重量的限制，采用变压器进行降压的方法行不通。第二个采用阻容降压可以大大节约成本。
阻容降压的工作原理是利用电容的容抗来限制电流，流过电容的电流并不产生功耗，因为这部分电流为虚部电流，因而产生的功率也是无功功率。事实上电容器就是一个限制电流分配负载两端电压的角色[3]。
图3.1 阻容降压半波整流电路
图3.2 阻容降压实际应用电路
图3.3 阻容降压桥式整流电路
图3.1市电通过 降压后，再由 实现半波整流， 为滤波电容， 稳压输出稳定的直流电压给负载。 是泄放电阻，当电源关闭时 经 泄放多余的电荷。 是为了提供在负半周期时市电充放电通道。如果把 后面的负载看做电阻的话， 在交流状态有容抗，电阻在交流状态下有阻抗，由串联分压的原理可知，电容分掉一部分电压致使负载上电压减小了。换一种更为精准的理解方式： 实质上限电路中的电流，其大小决定了电路中的最大电流值，假设当负载一定时， 的大小决定了线路中的电流大小从而负载的电压也确定了。因此在设计电路之前应测量负载所需的准确电流值[3]。
摘 要
随着无线传感器网络技术的不断推广，人们对电量监测以及电参数的采集提出了更高的要求。高效、智能、准确、安全的电量监测系统对提高电力的运行效率，以及电网的安全具有深远的意义。远程电量监测系统的出现为实现电力生产的智能化管理提供了条件，同时也节省了高昂的人力成本，为电力部门长远发展奠定了基础。
本文在分析以感应式电能表为基础的传统电量监测系统优缺点的基础上，针对传统电量监测系统功耗大、准确度低、误差特性差的特点，提出一种基于嵌入式技术、短距离无线射频技术、无线传感器网络技术的远程电量监测系统。该系统的监测部分由监测节点组成，监测终端由无线数据接收模块、PC机和专用上位机软件组成。监测节点与无线数据接收模块之间通过短距离无线射频技术实现通信，无线数据接收模块通过传输线将监测到的数据传输到远程上位机，上位机将传输过来的数据进行显示和保存，同时上位机也可以对监测节点实施远程控制，从而实现对监测节点的远距离监测和控制。
本监测系统的硬件部分由电源模块、微处理器模块、短距离无线射频模块、基于ADE7755的电量计量模块、节点控制模块。在监测系统的硬件设计基础上，软件部分分为基于MCGS和C#开发的两款电量监测软件，监测终端的软件设计包括实时电量数据，功率数据的采集、监测，节点的控制等。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电量监测；MCGS；无线射频；监测终端
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本设计的主要任务 2
1.4本章小结 2
第2章 系统整体结构 3
2.1 引言 3
2.2 系统原理及组成 3
2.2.1 监测节点 3
2.2.2 监测终端 4
2.2 系统结构图 4
2.3 本章小结 5
第3章 系统硬件电路设计 6
3.1电源模块 6
3.1.1阻容降压原理 6
3.1.2阻容降压器件选取 7
3.2微处理器模块 9
3.2.1 ATmega8引脚图及设计要点 9
3.3无线射频模块 10
3.3.1 XL02-232AP1模块 10
3.3.2 XL02-232AP1模块及连接示意图 10
3.4电量计量模块 11
3.4.1 ADE7755简要介绍 11
3.4.2 ADE7755原理框图 11
3.5节点控制模块 12
3.6 硬件电路中的抗干扰设计 12
3.6.1电路抗干扰设计 13
3.6.2 PCB抗干扰设计 13
第4章 系统的软件设计 15
4.1 系统软件设计总体要求和构思 15
4.1.1 系统软件设计总体要求 15
4.1.2 系统软件设计构思 15
4.2 系统软件模块化具体设计 17
4.2.1 脉冲个数测量子程序 17
4.2.2 MODBUS协议子程序 17
4.3 基于MCGS上位机软件设计 21
4.3.1 MCGS简介 21
4.3.2 MCGS组态软件的整体结构 22
4.3.3 MCGS MODBUS命令解析 22
4.4 基于C#的上位机软件开发 26
4.4.1 C#简介 26
4.4.2 用C#开发WinForm应用程序 27
第5章 整机调试 30
5.1 硬件调试 30
5.2 软件调试 31
5.3 整机联调 31
结束语 33
参考文献 34
致谢 35
附录A 硬件电路图 36
附录B 实物图 37
附录C 程序 38
附录D 外文翻译 57
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
近几年，我国大部分地区工业和居民的用电量急剧增加，同时电网的规模也逐渐增大，对电网的监测要求也越来越高。
电是一种很特殊的东西，它具有双重身份：产品、商品。作为商品，其交易过程就应该遵循市场经济的规律，做到买卖公平，它的交易和其他商品一样也需要有专门的计量装置来实现，装置虽小，可是作用不小。不精准的电能计量装置将会影响千家万户的经济利益，不利于国民生产又快又好的发展和电力部门各项参数的正确计算。正确无误的计费标准，有利于电力部门更长远的发展。
电能最为特殊商品在社会生产中扮演着重要的角色，当今日益增长的电力需求，以及对电网电能质量的要求，迫使输电电压等级、输电容量、变电站的数量提高了很多。传统的变电站管理和运行的方法已很难满足今天用电量日益增长的局面。电能是一种很特殊的产品，电能的生产、供应、销售都是同时发生的，目前都是通过人工抄表的方式来得到电量数据，工作周期长，效率低，同时随着电力负荷快速增长，电网调峰手段已渐渐不能顺应现代化管理的需要[1]。
整个电力工业各项参数的准确计量、设备之间的正常通讯、可靠和准确的调度都离不开安装在电力生产现场和用电现场的各种检测装置。随着改革的推进，电力工业部门进入了商品市场的经营模式，线路上一些出现故障的电能计量设备严重阻碍了电力事业的运营和发展。而电量监测系统的出现为电力生产、科学管理创造了条件。
综上所述，远程电量监测系统的设计对实现高效、智能、准确、快速、安全的电量监测，提高电网的运行和电网工作人员的效率，实现电网安全经济运行具有极其重要的意义。
1.2国内外研究现状
建国以来，特别是改革开放的20年来，我国电能测量技术与仪表的开发生产得到了飞速的发展，取得了巨大的成绩，在我国经济建设中发挥了重要作用。
为更好的推广峰谷电价，研制开发了符合峰谷电价制的复费率电能表，为实现一户一表的制度，研制开发了基于IC卡的预付费表，为了防止偷电的发生，开发研制了具有防窃电功能的电能表。为提高用电管理的效率，开发研制了多功能电能表、电能管理系统，各种类型电能表在品种和质量上得到了扩展与提高。
目前，国内外各种新型电力参数测试仪正朝着体积更小、功能更多、功耗更低、工作电流更小、稳定性以及抗干扰能力更强的方面发展，随着物联网技术的发展，物联网技术应用到电力监测也将成为未来的发展趋势。
1.3本设计的主要任务
本设计的主要任务是实现电量的远程监测及控制：
监测部分由电源模块、微处理器模块、无线射频模块、基于ADE7755的电量计量模块、节点控制模块组成，监测终端由PC机和上位机软件构成。监测节点和无线接收模块之间采用短距离无线射频技术进行数据的传输，无线接收模块和监测终端之间采用有线的方式进行数据的传输。在进行数据传输时采用的通信协议是具有很高稳定性的MODBUS协议。实时采集到的电量数据被传输到上位机上，在由上位机进行汇总、处理、存储、显示。
该系统可以进行远程控制监测节点，实现无人去现场，管理人员通过上位机实时监测和控制监测节点，有效的提高电力部门的管理效率。
本系统的设计与开发综合了物联网、自动化、通信工程、计算机科学与技术等学科的知识，是实现智能化管理电力生产的理想系统，同时也符合电力系统自动化的要求。
1.4本章小结
本章首先就电能和电量监测的重要性来介绍本文的研究背景和研究意义，其次阐述我国电量监测装的发展历程和当前的发展状况，同时分析了国内外电量监测装置的发展趋势，以及研究电量监测系统的合理性和必要性，最后介绍本设计的主要任务和所要实现的功能。
第2章 系统整体结构
2.1 引言
本系统由两部分组成：监测节点、监测终端。监测节点部分由电源模块、微处理器模块、短距离无线射频模块、基于ADE7755的电量计量模块、节点控制模块组成。无线射频模块是由XL02-232AP1模块构成。监测终端由PC机、无线接收模块和专用上位机软件组成。监测节点实时采集电量数据，通过无线射频模块将数据传给无线接收模块，无线接收模块在通过有线的方式将数据传回数据管理中心，上位机调用传回的数据实时显示数据动态，对于数据异常的节点可以实施远程控制[2]。
2.2 系统原理及组成
2.2.1 监测节点
监测节点的主要任务是对监测线路上负载消耗的电量和功率进行实时的监测，节点端的电压和电流全部来自监测线路，线路上的电压经过电压互感器接入监测芯片的相应引脚，电流经过电流互感器取样接入监测芯片的电流差分输入端。电量监测芯片采用ADE7755芯片，电量监测脉冲输入到单片机上进行计算并转换成相应的电能储存起来。当上位机发出指令接通负载端时，节点上的继电器就会吸合，负载端被接通，连接在负载供电线路上的ADE7755模块也开始工作，采集线路上的电压电流转换为高频脉冲，MEGA8单片机的INT1引脚与高频脉冲输出端相连接，同时设置上升沿触发外部中断，从而对脉冲进行计数。当上位机显示的数据异常时，管理员可以通知到相应责任人对监测节点进行检测，并对处理结果进行跟踪和汇总。
图2.1 监测节点结构图
2.2.2 监测终端
监测终端由PC机、无线接收模块和专用上位机软件组成，上位机软件分为两种版本，一种是在MCGS组态软件上进行开发的组态软件，另一种是用C#语言开发的基于MODBUS协议的上位机软件。组态软件可以动态的显示动画、报警信息、数据实时存储，但是要使用基于MCGS开发的上位机必须先安装MCGS软件后才可以运行开发的组态软件，而C#开发的上位机软件，只需将开发好的软件生成安装包，在需要安装的电脑上直接安装就可以使用。
图2.2 监测终端结构图
2.2 系统结构图
图2.2 系统构图
2.3 本章小结
本章就远程电量监测系统的整体构成及工作原理做了简单的叙述，同时就监测节点和监测终端也进行了说明，绘制了监测节点、监测终端的结构框图和整个系统框图。
第3章 系统硬件电路设计
3.1电源模块
本系统的电源模块采用两路电容降压桥式整流电路的方法将220V的市电降成5V为系统中不同的模块提供电能。
3.1.1阻容降压原理
采用阻容降压电路具有两个很明显的优点：第一个优点是体积比采用变压器时减少了很多，在设计一些产品是由于体积和重量的限制，采用变压器进行降压的方法行不通。第二个采用阻容降压可以大大节约成本。
阻容降压的工作原理是利用电容的容抗来限制电流，流过电容的电流并不产生功耗，因为这部分电流为虚部电流，因而产生的功率也是无功功率。事实上电容器就是一个限制电流分配负载两端电压的角色[3]。
图3.1 阻容降压半波整流电路
图3.2 阻容降压实际应用电路
图3.3 阻容降压桥式整流电路
图3.1市电通过 降压后，再由 实现半波整流， 为滤波电容， 稳压输出稳定的直流电压给负载。 是泄放电阻，当电源关闭时 经 泄放多余的电荷。 是为了提供在负半周期时市电充放电通道。如果把 后面的负载看做电阻的话， 在交流状态有容抗，电阻在交流状态下有阻抗，由串联分压的原理可知，电容分掉一部分电压致使负载上电压减小了。换一种更为精准的理解方式： 实质上限电路中的电流，其大小决定了电路中的最大电流值，假设当负载一定时， 的大小决定了线路中的电流大小从而负载的电压也确定了。因此在设计电路之前应测量负载所需的准确电流值[3]。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4843.html
