论文总字数：30455字

摘 要

随着我国对于电力发展的研究，智能电网的建设已经十分完善。近年更是提出泛在电力物联网的理念，二智能电表作为高级测量体系的基础设备，更是泛在电力物联网的根本。智能电表的一大特点便是其预付费功能，该功能使得电表可以根据用户缴费情况对用户供电进行自动操控。传统预付费智能电表使用的继电器模块而导致的爬电、闪络等问题，因此本文要设计解决该问题。

首先，要先了解AMI的现状和原理，在此原理上确立了本次设计的的总体设计方案，主要分为电能计量、电能数据处理、电能数据传输、电能数据存储、预付费操控机构等基本模块。选用STM32F103VET6作为主控制器芯片，ADE7758作为计量芯片，铁电存储器FM24C16作为数据存储芯片，RS-485作为数据传输标准，L9110作为预付费操控模块的驱动芯片。MCU通过SPI接口读取计量芯片的电能数据，并与电力公司沟通，得到用户缴费情况，因此可以使用该系统对用户的供电采取行动。

其次，进行了电能计量的基本算法，包括电压、电流、有功功率、无功功率以及功率因数的测量。我选择以keil uvision5为平台，以 C语言为开发工具，对本次的系统进行软件设计。

再次，对我所设计的新型系统进行介绍。系统会通过控制器接收信号来先判断是否欠费，判断结束后决定是否进行拉合闸动作，从而完成控制。当然系统加入锁死区保证了手动模式的正常使用。

关键词：智能电表；预付费

Abstract

With the research of power development in China, the construction of smart grid has been very perfect. In recent years, the concept of ubiquitous power Internet of things is put forward. As the basic equipment of advanced measurement system, two intelligent meters are the foundation of ubiquitous power Internet of things. One of the characteristics of smart meters is its prepayment function, which enables the meters to automatically control the power supply of users according to the payment situation of users. The problems of creepage and flashover caused by the relay module used in the traditional prepayment smart meter, so this paper will design and solve this problem.

First of all, it is necessary to understand the current situation and principle of AMI, on which the overall design scheme of this design is established, which is mainly divided into basic modules such as electric energy metering, electric energy data processing, electric energy data transmission, electric energy data storage, prepaid control mechanism, etc. Stm32f103vet6 is selected as the main controller chip, ADE7758 as the measurement chip, fm24c16 as the data storage chip, RS-485 as the data transmission standard, l9110 as the driver chip of prepaid control module. MCU reads the electric energy data of the metering chip through SPI interface, and communicates with the power company to get the user's payment, so the system can be used to take action on the user's power supply.

Secondly, the basic algorithm of power measurement is carried out, including the measurement of voltage, current, active power, reactive power and power factor. I choose keil uvision5 as the platform and C as the development tool to design the software of this system.

Thirdly, the new system that I designed is introduced. The system will first judge whether it is in arrears by receiving the signal from the controller, and then decide whether to carry out the action of opening and closing after the judgment, so as to complete the control. Of course, the system adds a lock deadband to ensure the normal use of the manual mode.

Key Words:smart meter; prepayment

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1论文背景及意义 1

1.2 目前国内外研究现状 3

1.2.1 AMI 3

1.2.2 智能电表 6

1.3 论文主要内容与章节安排 9

1.3.1 论文主要内容 9

1.3.2 论文章节安排 9

第2章 硬件设计 11

2.1 大框架设计 11

2.2 计量芯片的选择 12

2.2.1 计量芯片的类别 12

2.2.2 ADE7758芯片 14

2.2 数据采集 14

2.2.1 数据采样 15

2.2.2 ADE7758外围电路 17

2.3 数据处理 18

2.3.1 控制器的选型 18

2.3.2 STM32F103VET6芯片 18

2.3.3 SPI 20

2.4 数据存储 21

2.4.1 铁电存储器 21

2.4.2 FRAM的存储电路 23

2.5 通信模块 24

2.5.1 RS-485通信 24

2.5.2 通信电路 26

2.6 电源 27

2.7 本章小结 29

第3章 软件设计 30

3.1 软件的总体构架设计思路 30

3.2 关于电能的测量算法 31

3.2.1 有效值的测量 33

3.2.2 功率的计算算法 34

3.2.3 关于功率因数的计算算法 36

3.3 数据采集模块的软件设计 37

3.4 通信模块 40

3.5 存储模块 44

3.6 本章小结 46

第4章 预付费构架设计 48

4.1 预付费整体设计思路 48

4.1.1 国家电网公司的相关要求 48

4.1.2 总体设计构成 49

4.2 硬件的设计 50

4.2.1 信号转换电路 50

4.2.2 电机驱动 50

4.3 软件的设计 52

4.4 本章小结 54

第5章 总结与展望 56

5.1 总结 56

5.2 展望 57

参考文献 58

第1章 绪论

1.1论文背景及意义

可持续发展的理念最早出现于1980年国际自然保护同盟的《世界自然资源保护大纲》：“必须研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系，以确保全球的可持续发展。随后，中国政府编制了《中国21世纪人口、资源、环境与发展白皮书》，首次以可持续发展战略纳入我国经济和社会发展的长远规划。1997年的中共十五大把可持续发展战略明确确定为我国“现代化建设中必须实施”的战略。2002年中共十六大把“可持续发展能力不断增强”作为全面建设小康社会的目标之一。

在我国电力系统的发展十分迅速，我们已经在电力系统方面处于世界前列。围绕着可持续发展的背景下，电力系统的智能建设显得尤为关键。在此次全球化疫情的影响下，人们对于人与自然之间的平衡发展有了新的认识。在这个环境下对于本就是清洁能源的电能，更使得其显得突出，而也更有研究的意义。

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