基于modbus的交流采样多功能电量变送器设计(附件)【字数：15768】
摘 要电力电气发展作为一个国家发展的关键推动力，近年来处在一个科研设计的巅峰。目前我国的配电硬件相较于发达国家还处在落后的地位。据统计，在配电端出现的电力事故发生频率极高，往往靠人力维护远远不能达到高效率的目标。设计一款能结合检测控制为一体的电量变送器能大大加快电网自动化，智能化发展，是节约人力，简化设备，提高效率的有效方法。本论文紧紧把握电量变送器的监测部分，通信传输部分，抗干扰部分。采用MAXQ3180芯片担负监测端的主要工作；用电平转换和协议转换完成相关数据的传输任务；加入光耦隔离等元件和布线分布来减少系统间的相互干扰。使得整个设备能精准采集电网中的电信号，并实时存储在存储器中，方便随时调用查看。一旦出现异常，系统会自动识别出问题来源，发出报警信号，或者完成自动修复，提高了系统的可靠性，安全性和排除故障效率。本次论文提出的设计方案对电力体统网络，特别是配电网网络有前瞻式的见解。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2电力监测系统的发展现状及发展趋势 1
1.3配电监测系统的重要性 2
1.4 课题提出及意义 3
1.5 本文的内容与结构 4
第二章 系统总体设计 5
2.1 配电自动化系统的组成结构 5
2.2 电量变送器监测系统工作原理 5
2.3 电量变送器设计需求 6
2.4 监测终端总体方案 6
第三章 主控电路设计与实现 8
3.1 主控板总体结构 8
3.2 主控模块电路设计 8
3.2.1 LPC2132简介 8
3.2.2复位电路及EEPROM的存储 9
3.2.3符合Modbus协议的串口通信 10
3.2.4电源模块 12
3.3硬件抗干扰设计 13
3.3.1 供电系统的抗干扰措施 13
3.3.2光电隔离 13
3.3.3稳压电源及去耦电容 14
3.3.4 PCB绘制步骤 14
3.3.5 PCB抗干扰设计 14
第四章 模拟前端的设计与实现 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
16
4.1 模拟前端的总体结构 16
4.2模拟前端采集 16
4.2.1 性能简介 16
4.2.2功能概述 17
4.2.3数据处理 19
4.2.4校表方法 19
4.3交流信号转换电路 21
4.3.2电流信号采入 22
4.4 变送器模块的PCB设计 22
第五章 系统软件设计 23
5.1系统软件总体设计 23
5.2变送器模块串行通信设计 24
5.3 单片机部分程序设计 25
5.3.1主程序及中断程序设计 25
5.3.3 数据发送程序设计 26
5.3.4 校准程序设计 27
第六章 课题总结 28
6.1本课题完成的内容 28
6.2进一步的研究工作 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
近年来，伴随着我国经济的飞速发展，城乡用电负荷量正在超速增长，用户对供电质量和供电可靠性的要求也是越来越高。所以，配电系统自动化的研究与应用就显得特别重要。分析一下配电系统自动化的相关研究，如配电网的自动监测、管理与控制，逐渐成为一个重要的研究方向。本次，课题选题的研究方向和研究目的就是如何更好地设计出一款可以集检测，控制于一体的新型电量变送器。
1.1课题背景
配电电网多数指的是电力系统中，经过二次或者多次降压之后由变电站低压侧向所有用电用户供电的网络。配电电网是电力系统中，发电，变电，送电，配电中的最后一个，直接作用于用户的重要环节，在电力系统和电力自动化管理中占据着举足轻重的地位。多年来，我国的电力生产的主要矛盾就是市场需求和生产能力的矛盾，市场的需求大于电量的生产，电力需求呈现出赤字状态。所以国家在前几年重点投入电厂建成以及输电电网的建设。进过数年的建设投资，电力生产能力得到大大的提高，生产已经基本满足市场的需求。然而对于配电设备的投入不足，建设资金短缺，导致配电电网结构不完善不合理。从而突出变成现在的主要问题体现。目前我国配电网呈现薄弱的状态，多数为树状结构。架设空线十分普遍，这种架设方式可靠性差，线损严重，电压质量下降严重。由于配电设备陈旧，多数不能达到远程监控能力；而且配电电网的检测设备不完善，自动化程度低，一旦发生问题，处理问题时间较长，处理过程复杂，供电恢复较慢。所以，完善配电电网，加快改造配电网，提高自动化程度成为现在的主要为题，亟待解决。
为了满足用电用户的需求，电量变送器也在不断先进着，复费率，计算精确度，智能化能力正在逐步提高。并且在工业用电用户中，电量变送器从各方面还要适应恶劣的环境，高电压，大电流，重负荷等都是常见问题。
如今电子技术的发展，现代电力的完善，电能采集的专用芯片也逐渐增多，性能也越来越优异。在这边我们拿出MAXQ3180芯片为例。从一定程度上提高了电能的计算准确度，使得电量变送器或者电度表的设计结构变得简单，易于操作，在功能上也有巨大的拓展延伸。
1.2电力监测系统的发展现状及发展趋势
配电电网的智能化，自动化实现在我国起步较晚，相较于国外，许多国家从70年代就开始了配电电网的自动化试验，配电电网的检测能力从过去的简单单一的通讯方式逐步进步到如今我们能看到的智能化，多功能能集成化，仪器小型化，并且具有多种通讯方式。现在，国外正在基于配电电网的配电监测设备，展开对于电力系统电能质量监控的研究。举例加拿大的电力公司PMLTD。该公司的高级电力综合监控仪器。包含数据采集，电能测量，配电控制，通信功能于一体，选用DSP芯片进行数字信号处理，而且增加微机继电保护功能。但是国外产品操作界面较为复杂，操作要求较高，在技术上得以实现有不小难度，并且价格昂贵，不适应我国的电力体统发展需求。
我国国内的配电自动化起步于90年代，相较于发达国家滞后将近20年，由于近年来计算机技术，通信技术等应用技术的超速发展，配电电网的综合化，智能化，自动化完成成为必然趋势，我国国内很多厂家以及科研技术单位也在努力研制开发这种种类的配电电网监测的终端设备。即保证配电终端硬件部分的可靠耐用，实时性故障检测，谐波检测分析的能力，又能高速采样数字信号。使得数据的处理技术得到大大地提高。
现场检测，现场控制为目的的配电电网监测终端的设计推行在配电系统自动化程度的提高中，出了在终端监测，配电控制的量上有了显著地增加之外，对于接入电网的电量变送器在数据采集的实时性能，操作控制的快速性，多样性的分析手段，复杂算法的分析手段，灵活的通信方式什么的都得到了较高的提升和更高的要求。所以，仅仅采用单一的单片机或者单一的DSP芯片已经不足以完成这个设计的要求。除此之外，随着微电子技术，应用技术，网络通信技术的不断完善发展，使得配电电网的终端监测的结构和实现功能发生了相应的变化，现如今的配电电网自动化系统的完善方向正向着智能化，分布化，可视化，协调化等完善方向努力发展。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2电力监测系统的发展现状及发展趋势 1
1.3配电监测系统的重要性 2
1.4 课题提出及意义 3
1.5 本文的内容与结构 4
第二章 系统总体设计 5
2.1 配电自动化系统的组成结构 5
2.2 电量变送器监测系统工作原理 5
2.3 电量变送器设计需求 6
2.4 监测终端总体方案 6
第三章 主控电路设计与实现 8
3.1 主控板总体结构 8
3.2 主控模块电路设计 8
3.2.1 LPC2132简介 8
3.2.2复位电路及EEPROM的存储 9
3.2.3符合Modbus协议的串口通信 10
3.2.4电源模块 12
3.3硬件抗干扰设计 13
3.3.1 供电系统的抗干扰措施 13
3.3.2光电隔离 13
3.3.3稳压电源及去耦电容 14
3.3.4 PCB绘制步骤 14
3.3.5 PCB抗干扰设计 14
第四章 模拟前端的设计与实现 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
16
4.1 模拟前端的总体结构 16
4.2模拟前端采集 16
4.2.1 性能简介 16
4.2.2功能概述 17
4.2.3数据处理 19
4.2.4校表方法 19
4.3交流信号转换电路 21
4.3.2电流信号采入 22
4.4 变送器模块的PCB设计 22
第五章 系统软件设计 23
5.1系统软件总体设计 23
5.2变送器模块串行通信设计 24
5.3 单片机部分程序设计 25
5.3.1主程序及中断程序设计 25
5.3.3 数据发送程序设计 26
5.3.4 校准程序设计 27
第六章 课题总结 28
6.1本课题完成的内容 28
6.2进一步的研究工作 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
近年来，伴随着我国经济的飞速发展，城乡用电负荷量正在超速增长，用户对供电质量和供电可靠性的要求也是越来越高。所以，配电系统自动化的研究与应用就显得特别重要。分析一下配电系统自动化的相关研究，如配电网的自动监测、管理与控制，逐渐成为一个重要的研究方向。本次，课题选题的研究方向和研究目的就是如何更好地设计出一款可以集检测，控制于一体的新型电量变送器。
1.1课题背景
配电电网多数指的是电力系统中，经过二次或者多次降压之后由变电站低压侧向所有用电用户供电的网络。配电电网是电力系统中，发电，变电，送电，配电中的最后一个，直接作用于用户的重要环节，在电力系统和电力自动化管理中占据着举足轻重的地位。多年来，我国的电力生产的主要矛盾就是市场需求和生产能力的矛盾，市场的需求大于电量的生产，电力需求呈现出赤字状态。所以国家在前几年重点投入电厂建成以及输电电网的建设。进过数年的建设投资，电力生产能力得到大大的提高，生产已经基本满足市场的需求。然而对于配电设备的投入不足，建设资金短缺，导致配电电网结构不完善不合理。从而突出变成现在的主要问题体现。目前我国配电网呈现薄弱的状态，多数为树状结构。架设空线十分普遍，这种架设方式可靠性差，线损严重，电压质量下降严重。由于配电设备陈旧，多数不能达到远程监控能力；而且配电电网的检测设备不完善，自动化程度低，一旦发生问题，处理问题时间较长，处理过程复杂，供电恢复较慢。所以，完善配电电网，加快改造配电网，提高自动化程度成为现在的主要为题，亟待解决。
为了满足用电用户的需求，电量变送器也在不断先进着，复费率，计算精确度，智能化能力正在逐步提高。并且在工业用电用户中，电量变送器从各方面还要适应恶劣的环境，高电压，大电流，重负荷等都是常见问题。
如今电子技术的发展，现代电力的完善，电能采集的专用芯片也逐渐增多，性能也越来越优异。在这边我们拿出MAXQ3180芯片为例。从一定程度上提高了电能的计算准确度，使得电量变送器或者电度表的设计结构变得简单，易于操作，在功能上也有巨大的拓展延伸。
1.2电力监测系统的发展现状及发展趋势
配电电网的智能化，自动化实现在我国起步较晚，相较于国外，许多国家从70年代就开始了配电电网的自动化试验，配电电网的检测能力从过去的简单单一的通讯方式逐步进步到如今我们能看到的智能化，多功能能集成化，仪器小型化，并且具有多种通讯方式。现在，国外正在基于配电电网的配电监测设备，展开对于电力系统电能质量监控的研究。举例加拿大的电力公司PMLTD。该公司的高级电力综合监控仪器。包含数据采集，电能测量，配电控制，通信功能于一体，选用DSP芯片进行数字信号处理，而且增加微机继电保护功能。但是国外产品操作界面较为复杂，操作要求较高，在技术上得以实现有不小难度，并且价格昂贵，不适应我国的电力体统发展需求。
我国国内的配电自动化起步于90年代，相较于发达国家滞后将近20年，由于近年来计算机技术，通信技术等应用技术的超速发展，配电电网的综合化，智能化，自动化完成成为必然趋势，我国国内很多厂家以及科研技术单位也在努力研制开发这种种类的配电电网监测的终端设备。即保证配电终端硬件部分的可靠耐用，实时性故障检测，谐波检测分析的能力，又能高速采样数字信号。使得数据的处理技术得到大大地提高。
现场检测，现场控制为目的的配电电网监测终端的设计推行在配电系统自动化程度的提高中，出了在终端监测，配电控制的量上有了显著地增加之外，对于接入电网的电量变送器在数据采集的实时性能，操作控制的快速性，多样性的分析手段，复杂算法的分析手段，灵活的通信方式什么的都得到了较高的提升和更高的要求。所以，仅仅采用单一的单片机或者单一的DSP芯片已经不足以完成这个设计的要求。除此之外，随着微电子技术，应用技术，网络通信技术的不断完善发展，使得配电电网的终端监测的结构和实现功能发生了相应的变化，现如今的配电电网自动化系统的完善方向正向着智能化，分布化，可视化，协调化等完善方向努力发展。
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