导读：
1、设计思想
通过采用微电子技术和单片机技术，通过接口电路将PT输出的100V或57.7V电压计量信号和CT输出的0～5A电流计量信号进行采集处理，微处理器(MCU)对采集来的三相电压、电流计量信号进行各种运算处理，计算出相应三相交流电的有功功率、无功功率、功率因数、频率以及各相的累加电量，这些数据存储在微处理器的存储单元中，可随时通过RS-485形式将这些数据传送到远端的电量管理计算机，完成前端数据采集模块的功能。同时计算机通过RS-485总线对计量电能表的数据采集，两者进行比较，来确定是否有窃电行为发生。
其系统示意图如图1：
2、实现方式
硬件方面采用16位超低功耗单片机，单片机内部集成了几乎计算机所能外围电路，设计该产品时没有进行任何的扩展。提高了系统的可靠性和抗干扰能力，缩小了产品的体积。利用微处理器相应的A/D转换接口，将PT、CT输出的三相交流电压、电流信号经过信号调理后进行交流采样，其余I/O接口电路组成采集器的直流输入接口、开关量输入/输出接口电路，同时还有两个RS-485通信接口，为计算机提供数据传输接口；软件采用汇编语言编写，实现信号采集、信号处理、信号多路输出、死机自复位等功能。
监控程序开发工具选择VB6.0（Visual BASIC），VB是由QBASIC发展而来的一种可视化、面向对象和采用事件驱动方式的高级程序设计语言，它运行可靠，效率高，且功能强大，程序员很容易能在VB环境下利用上述特点和使用WINDOWS内部的应用程序接口（API）函数、动态链接库（DLL）、对象的链接与嵌入（OLE）以及开放式数据库（ODBC）等技术，快速、方便地开发出图形界面丰富、功能强大的WINDOWS平台下应用软件系统。数据库选用微软的Microsoft Access，与VB形成最佳数据接口配合，完成数据存放管理。
3、信号采集
该部分的主要作用是采集PT、CT输出的三相交流电压、电流信号。由于实际的PT（电压互感器）输出的两元件表的三相交流电压信号为100V，因此在采集器的前端输入电路设计有交流信号调理电路，使输入三相交流电压信号可允许长时间工作在过载200%的环境。CT输出的三相交流电流信号的电流值为0～5A,经过信号调理电路，可长时间允许200%过载运行。三相交流电压、电流信号经过为处理器内部的A/D转换器进行转换，对这些直接采集的电压、电流数据进行运算处理，计算出UA,UB,UC(或者UAB,UAC,UBC),IA,IB,IC,PA,PB,PC, QA,QB,QC,P,Q,F,COS,3I0；各次谐波的实部、虚部;负序电流；将这些数据存储在16位单片机的内部E2PROM单元，以供计算机调用，进行更强大的数据处理。
采集器的结构框图如图2所示：
信号采集部分主要由接口电路、交流信号调理电路、交流采样保持电路、线性光电隔离电路、A/D转换电路、16位微处理器、通信电路等几部分构成。
3.1.1 交流电压互感器（PT）和交流电流互感器(CT)
交流电压、电流互感器（以下简称PT、CT）是一种电力行业专用的计量设备。一般地，这些设备在电力行业建设电能计量机构时已经考虑在其中了。PT的输出电压一般用于三元件表时为57.7V，用于两元件表时为100V。CT的输出为交流电流信号，其输出值范围一般在0～5A或更大。
3.1.2 接口电路
接口电路主要为采集信号提供必要的通道和接口，同时起到强弱电在物理上的隔离作用。为此选用了高精度的微型电压互感器和电流互感器，保证在允许的电压、电流过载范围内有很好的线性度，为采集交流信号提供可靠的保证，同时也提高了系统的安全性。具体的电压、电流互感器的参数如下：
小型交流电压互感器具体电气特性参数：
内容 参数
比值差(0负载) ± 0.1%
相位差(0负载) ± 10 ’
相位差非线性度 额定一次电流 2mA
额定二次电流 2mA
最大一次电流 10mA
线性工作范围 0 — 10mA
一次直流内阻r0 110 Ω
二次内阻 110 Ω
二次负载max (不考虑相位) 500 Ω（输出电压最大 1.5V ）
工作温度 -50 ℃～ +65 ℃
温度影响误差 变化小于实际误差 30%
隔离耐压 2500V
一次输入电压max （接限流电阻） 1000V
交流电六户感器的电气特性参数：
l 电流比：5A/2.5mA
l 测量范围：40A
l 工作频率：50Hz
l 在5%-120%测量范围内，
比差：±0.05% （实测±0.01%）比差线性： 0.02% （实测0.01%）
相位差：±1分 （实测±0.2分）相位差线性：0.5分 （实测0.2分）
l 一次过孔Φ8mm
l 特点：★精度高，改变了常规微型互感器5%测量点相位差大的缺陷（0.1级的电流互感器5%测量点相位差允许为15分，有些互感器则为几十分。零磁通微型电流互感器5%测量点相位差±1分）；★线性度好；★无需外部电源。★体积小19*17.5*18mm（长宽高）。
l 主要应用于高要求的测量场合：如各种电力测量仪器等
3.1.3 交流信号调理电路
交流信号调理电路的主要作用是将接口电路提供的交流信号调整在后级A/D转换电路所需要的范围，为采集信号做必要的保障。
3.1.4 交流采样保持电路
交流采样保持电路的主要作用是将交流信号的采样点保持同步采样，以防止由于采样点不同步而造成采样数据在严格地采样时刻差异，从而降低采集数据的精度。
3.1.5 线性光电隔离电路
本电路模块在系统中的主要目的是提供绝缘和信号隔离，防止在变电站恶劣环境下，较大感应电压对电路造成的不良干扰。在绝缘过程中将会产生由系统感应而造成的电压差，而信号隔离则是在经过对共模暂态的抑制和过滤后，减少数据畸变，在输入输出之间，它可承受持续60s以上时间的耐压能力。光电隔离是一种减小共模噪声干扰的有效技术。
在该产品中，我们选用的光电模块具备参数见表1：
性能及指标 参数
CMR Vcm 1500V
速度 1000V/μs
工作电流 25mA
隔离阻抗 1013 Ω
延迟时间 0.1μs
极间耐压 5000V
线性度 0.01%
低增益温度系数 -65ppm/ ℃
表1
经现场运行证明，设计中我们所选用的光电隔离器件完全满足产品性能需要。
3.1.6 A/D转换电路
模数转换电路直接利用16位微处理器内部自带的16个通道12Bit的A/D转换电路，由于集成到芯片内部，大大增加了系统的抗干扰能力，同时也减少了在微处理器外部扩展A/D转换电路的繁琐工作，采集器小型化设计提供可方便。
转换速度为：5μs；
分辨率：12Bit；
采样点：以电网频率为参考，每周波采样32点，计算平均值；
精度：0.5%。
3.1.7 开关量输入接口
该部分的主要功能为：阻抗匹配、机动缓冲、通道切换。其主要性能参数见表2：
采样电压 12 ～ 48V
电流 15mA
通道数 6
扫描方式 中断
最小脉冲宽度 0.2ms
最高计数频率 1000Hz
表2
3.1.8 开关电源模块：
本产品主要安装于变电站等特殊工业现场，环境恶劣，干扰源较多，因此，为了防止电源级波干扰电子设备的正常工作，引起数据处理出错、控制系统失灵等故障，在该产品设计中，我们采用了开关电源模块加以抑制。
我们在该滤波电路模块的设计中，充分考虑了磁场、电源、泄漏电流、高频干扰乃至雷电浪涌等干扰，确保产品在变电站恶劣环境下的正常运行.
该模块可满足如下参数要求:（见表3）
电压保护范围 85-265V
频带范围 1kHz
响应速度 0.01ms
截止频率 2kHz
衰减斜率 60db
4 信号处理模块
信号处理模块主要由单片机及单片机内部“看门狗”电路组成。单片机采用MSP430系列的16位微功耗单片机，该系列单片机具有高可靠性及独特的超级FLASH技术，同时具有指令短，位操作功能强，价格低等特点，特别适应于在恶劣的工业现场使用，内含看门狗电路，可以实现死机自复位功能，提高了系统的可靠性，大大降低了系统的抗干扰能力。
4.1 本产品所选单片机性能特点如下：
●非易失数据存储，掉电后数据不丢失。
●片内寻址空间可达64K,还可以外扩展存储器。
● SPI串行程序下载操作，方便设计、调试。
● 掉电检测功能。
● 具有统一的中断管理和丰富的片上外围电路。
● 带有片内精密的16Bit硬件乘法器。
● 60k Byte Flash程序存储器，2k Byte的数据存储器。
● 256Bit 位寻址空间。
● 2个16位定时/计数器。
● 2个PWM输出口。
●高性能超级EEPROM：独立的块加密锁，在应用可编程（IAP），可重映射存储块。
●降低EMI模式（禁止ALE输出时钟，通过AUXR SFR，可靠性高。）
●集成度高，性价比低。
经实验测试，该单片机性能已完全满足了产品的设计需求。
4.2 复位—“看门狗”模块。
设计中我们发现，应用系统在进行仿真调试和实验室内联机试运行时都是成功的，然而，一旦进入现场使用，系统则会产生难以预料的干扰，导致设备“死机”，采用的“看门狗”硬件电路是一种性能优良的低功耗CMOS监控电路芯片，其内部电路由上电复位，可重触发“看门狗”定时器，及电压比较器等组成。
其工作过程如下：
●若在1.4S时间内检测到WDI引脚有高低电平跳变信号，则“看门狗”定时器清零并重新开始计时，若超出1.4S后，WDI引脚仍无高低电平跳变信号，则“看门狗”定时器溢出，WDO引脚输出低电平，进而触发MR手动复位引脚，使其复位，从而使“看门狗”定时器清零并重新开始计时，WDO引脚输出高电平。其中，它的RST复位输出引脚输出大约200 mS宽度的低电平脉冲，使单片机控制系统可靠复位，重新投入正常工作。
●电压检测低于2.7V时“喂狗”程序会同样以上述原理启动使系统复位，从而保证系统运行安全。
5 信号输出
信号经过处理后分别以RS485形式输出。
5.1RS485输出模块
RS—485作为一种多点，差分数据传输的电气规范已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点，双向（半双工）通信。它所具有的噪声抑制能力，数据传输速率，电缆长度及可靠性是其它标准无法比拟的。另外，RS—485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件电缆或协议，在此基础上，用户可以建立自己的高层通信协议。
RS—485是一个电器接口规范，它允许在一条平衡线上连接最多128个接收器。它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆。RS—485接口的主要特点如下：
●平衡传输；
●多点通信；
●驱动器输出电压（带载）：≥11.5V
●接收器输入门限±200mV.
●-7V至+12V总线共模范围。
●最大输入电流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）
●最大总线负载：128个单位负载（UL）。
●最大传输速度：10Mbps.
●最大有效传输距离：1200m
RS-485是一种极为经济，并具有较高噪声抑制比，传输速度快、传输距离远和宽共模范围的通信平台。
5.2 通信协议
我们的LGT-2采用MODBUS规约，原因是该规约文本容易得到，协议本身也非常的简单。而且该规约是一个开放的，有着许多国内厂商和国际厂商的支持。
MODBUS规约是MODICOM公司开发的，版权归其所有。
我们的接口采用RS485接口，比RS232具有更高的通信速率和更远的通信距离。
根据我们设备的情况，我们仅仅实现了MODBUS的一个小型子集，没有完全实现其所有内容，已经能够满足我们所有的需要。
5.2.1.1 MODBUS规约简介
MODBUS规约是MODICOM公司开发的一个为很多厂商支持的开放规约
Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
5.2.1.2. 在Modbus网络上转输
标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。控制器通信使用主—从技术，即仅设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据做出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。
主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。
从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。
5.2.1.3. 在其它类型网络上转输
在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。
在消息位，Modbus协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果控制器发送消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。
5.2.1.4. 查询—回应周期
.查询
查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。
.回应
如果从设备产生正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：像寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。
6 电源
对于采集器，需要有稳定的电源支持。由于我们选用了高集成度的MCU，它把常用的外围电路，如60k Flash memory、看门狗、12位的A/D、RAM、硬件乘法器、定时/计数器、PWM输出口、比较器等都集成到芯片内部，因此，大大简化了硬件设计方面通常考虑的设计空间，电磁干扰，电源供电等问题，所以我们采用常规电源供电模式，考虑到电源得稳定性问题，设计多路开关电源进行供电，对MCU供电电源进行低电压转换处理，其余外围电路根据实际需要进行供电。
为防止电网对系统电源干扰，在系统电源的输入级，采用抗干扰设计。
为了防止从电源系统引入干扰，我们首先采取了图8所示供电配置：
通过上述层层配置，才将电源送入电源模块中。
6.1 保护滤波模块：
由谐波频谱分析可知，电源系统的干扰大部分是高次谐波，因此，采用低通滤波器使50HZ基波通过，滤去高次谐波，以改善电源波形。用来保证供电的稳定性，防止电源系统过压或欠压，有利于系统的可靠性。
6.2 开关电源模块：
考虑到高频噪声通过变压器时主要不是靠初次级线圈的互感耦合，而是靠初级次级间寄生电容的耦合的，因此，隔离变压器的初级和次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抗共模干扰的能力。
输入电压频率：47—110Hz
开关频率: 100KHz
电压精度（空载—满载）： ±3％
线路调整率（低端—高端）：±5％
负载调整率（空载—满载）：±5％
输出电压纹波（20M宽带）：±1％mVp-p
温漂系数：±0.03％℃
6.3 低通滤波模块：
此模块具有良好的共模、差模衰减性，较小的泄漏电流；能有效地抑制线与线，线与地之间的EMI噪声干扰。在低压下，当滤波电路载有大电流时，宜采用电容构成的滤波网络，当滤波电路处于高压下工作时，则应采用小电容和允许的最优滤波网络。
在以上的设计中，最主要的就是低通滤波器；因为它将直接关系到输出电源的稳定性。
6.4 电源主要参数如下：
●系统采用开关电源，开关频率：100KHz。隔离电阻1000MΩ
●可适应工作环境温度：-30℃≤T≤+85℃
●输入参数：输入电压范围：AC85—265V
●输出参数：输出电压精度：±3%
●输出波形——分波
（注：所有参数均在标称输入电压，标称负载，环境温度25℃下测得。）
通过实验验证，设计中所采用的电源、完全可满足系统需要，确保了电源的输出度和线性度。
7 采集器软件设计
在采集器的软件设计中，我们主要采用了模块化的设计的思想。软件程序用汇编语言编写。因为它具有速度快，易于编程，系统易于识别，代码紧凑等优点。
整个软件设计分为自检模块、采集模块、处理模块、通讯模块、看门狗模块，模块功能明确，易于产品升级和维护。
其软件流程图见图9：
8 抗干扰设计：
在变电站的实际现场中，干扰源有很多，而且其中有很多是我们无法预测的。如变电站综合监控系统中干扰源几乎波及到各个方面。因此良好的抗干扰系统是必不可少的。
设计中，我们采用了如下的抗干扰措施。
●运用低温漂，高精度的器件，从器件本身尽量减少噪声干扰。
●增加多级滤波电路，将干扰从有用信号滤出。
●采用MCU一体的高速，低误差，高分辨率AD转换模块，大幅度提高了抗干扰性。
●从软件上采取干扰措施，将中值滤波，平均滤波，滑动滤波等方法综合使用形成数字滤波，进一步抑制叠加模拟输入信号上的噪声影响。
● 采用软件冗余，软件陷阱，“看门狗”技术，使程序正常运行，提高采集器的可靠性。
9 软件设计
计算机监控软件采用Windows操作系统下的Microsoft Visual Bisic 6.0开发工具进行编写，其中数据库采用Microsoft Access编写，将能够代表用户的所有信息均存放在数据库中，同时用户发生的窃电记录，包括发生时间、终止时间、窃取电量、对应峰谷平时段内窃取电量、发生窃电线路的线路号等数据也存放在专用数据库中。另外，为避免管理人员徇私舞弊，通过修改系统设置，对某些用户放宽设置条件，而达到人情用电的目的，针对性的做了系统参数设置管理数据库，记录系统管理人员每进行一次参数设置的情况，做到有改动就有记录，使任何一次改动都有据可查。为增强保密性，系统设有系统管理员，由系统管理员给普通管理人员，设置用户名及登录密码，做到用户名、密码专人专用，有效防止一个用户名、密码多人使用的混乱状态。无论是系统管理员还是普通管理人员，只要进入设置系统，进行任何修改，都将对进行修改的内容、进入时间、修改人员记录到数据库中。这样，将大大提高了系统的安全性、可靠性。
9.1 系统软件总体功能
电能量损失监测系统监测软件主要包括系统监测模块，系统设置模块和查询模块。其总体功能框图如下：
9.2 故障判断标准
（1）失压
1）前端无电压，后端无，不进行处理；
2）前端有电压，后端无，故障报警“失压”。
以A相为例：
前端电压Ua=0 , 后端电压Ua=0, 不进行处理（也应处理，线路故障也记录）
前端电压Ua≠0 , 后端电压Ua≤60V, 故障报警“A相失压”
（2）欠压
以A相为例：
前端电压Ua≤60V, （也应处理，线路故障也记录）
60V （3）电流异常
如果前端电流与后端电流之差大于前端电流的（1%），作为故障，故障报警为“电流异常”。
以A相为例：
(前端电流Ia－后端电流Ia)/ 前端电流Ia小于1%前端电流Ia,作为故障，故障报警“A相电流异常”
（4）错接线
以A相为例：
IF 60°（前端A相无功/前端A相有功） THEN 作为故障，故障报警“A相错接线”。
END IF
（5）表计异常
如果前端的总有功电度与威胜电表的电度之差，大于前端总有功电度的10%，作为故障，故障报警“电表异常”。
例如：
（前端的总有功电度－威盛电表的电度）/前端的总有功电度≥10%，
作为故障，故障报警“电表异常”。
在本系统中，关于计量回路异常情况判断的参数，均为系统默认值，可根据用户的实际情况，进行灵活设定，设定值直接输入，精确到1%。
9.3 系统采集数据量
系统采集数据量主要由前端模块数据和后端电能表数据两部分组成。
9.3.1 前端模块数据
计算机通过RS-485通信从前端数据采集模块采集的数据分别为：
模块地址，前端电压Uab，前端电压Ubc，前端电流Ia，前端电流Ic，前端有功功率Pa，前端有功功率Pc，前端无功功率Qa，前端无功功率Qc，电网频率，功率因数
9.3.2 后端电能表数据
计算机通过RS-485通信从后端数据采集模块采集的数据分别为：
电能表表地址，后端电压Uab，后端电压Ubc，后端电流Ia，后端电流Ic，后端有功功率Pa，后端有功功率Pc，后端无功功率Qa，后端无功功率Qc，电网频率，功率因数
10 数据库设计
后台开发工具选择Microsoft Access ，自从1992年以来，Access已成为OFFICE套件中最通用的应用程序之一。这种通用性表现：不论是经验最丰富的数据库用户，还是初次使用数据库的用户，都可以像使用其它OFFICE应用程序那样利用其大量的工具简单地使用该程序。它已成为世界上最流行的桌面数据库系统，与许多优秀的关系数据库一样，可以让你很容易地连接相关的信息而且还对其他的数据库系统有所补充。它能操作其它来源的资料，包括许多流行的PC数据库程序（如dBASE，Paradox，Microsoft FoxPro）和服务器、小型积极大型机上的许多SQL数据库。Access还完全支持Microsoft的OLE技术。Access还提供windows操作系统的高级应用程序开发系统。如果能给它加上VB代码，那么所开发的程序将更加稳定可靠。
11 系统数据流向
系统数据流向如下图所示：
12 系统软件功能
● 储数据
出现故障时，将有关信息存储到数据库中
● 查询
查询可按日期/时间、区域、表号自由组合进行查询
本文转自
http://www.2008red.com/member_pic_385/files/xuedi/html/article_1080_1.shtml