论文总字数：22848字

摘 要

在全球智能电网建设的趋势下，对作为其重要终端的智能电表的需求也越来越迫切。智能电表的推广，不仅能够提高电能计量的精确度，更重要的是能够向用户提供电网整体和用户端自身的信息，促进用户对于电网系统的参与，从而大幅度提高电力系统的稳定性。在这种背景下，智能电表的研究显得十分重要。

当前市面上的智能电表在功能或应用方面都有着很大的提升空间。要满足未来智能电网的发展，分布式电源的推广，智能电网需要实现双向计量和远程通信等新功能。随着目前嵌入式系统与通信技术的迅速发展，本文确定了双向智能电表的功能设计。将电表模型划分为电能采集模块，电能信息处理模块和通信模块，对其进行了具体的选型和框架设计。以Easy-ARM-i.MX283A为核心处理模块，在嵌入式Linux环境下编写电能处理计量程序；采用CSE7759芯片搭建电能采集模块；使用基于ZigBee技术的模块进行短距离的无线通信。实现智能电表的双向采集、计量和远程通信的功能模型并加以调试。

关键词：智能电表；双向计量；嵌入式系统；电能采集处理

Abstract

In the tendency of the global smart grid construction, the demand for smart meters as an important terminal is also becoming more and more urgent. The promotion of smart meters can not only improve the electric energy metering accuracy, but also transfer information about customers’ consumption of electricity between customers and grid companies and promote users’ involvement in the grid system, which greatly improve the stability of power system.

Nowadays, smart meter has a lot of room for improvement in function and application. With the rapid development of embedded system and communication technology, the functional design of bi-directional smart meter is determined in this paper. The smart meter model is divided into electric energy acquisition module, power information processing module and communication module. In the design of this paper, EasyARM-i.MX283A is used as the core processing unit, and programing in Linux Embedded System, CSE7759 chip is used to build power acquisition module; ZigBee modules are designed to achieve short distance wireless communication. Realize the function model of the bi-directional collection, measurement and remote communication of intelligent electric meter and debug it.

Key words：Smart meter, Communication, ZigBee, Embedded system.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1研究的背景与意义 1

1.2 智能电表的研究现状 2

1.2.1 国外智能电表的研究现状 2

1.2.2 国内智能电表的研究现状 3

1.3本文主要工作 3

第2章 智能电表的整体设计 5

2.1 智能电表的核心技术 5

2.2 芯片选型 6

2.2.1 电能计量芯片 6

2.2.2 ZigBee通信设备 7

2.3 本章小结 8

第3章 开发环境的搭建 9

3.1 嵌入式Linux开发模型 9

3.1.1 交叉编译 9

3.1.2 交叉编译器 10

3.2 通过NFS服务共享文件 10

3.3 测试编译环境 12

3.4 本章小结 13

第4章 电能采集模块设计 14

4.1 双向电能采集设计 14

4.2 电能采集芯片外围电路设计 15

4.3 CSE7759芯片 17

4.4 本章小结 19

第5章 电能信息处理和通信模块 20

5.1开发板计量程序 20

5.1.1脉冲信号和电能信号的转换 20

5.1.2程序设计和实现 21

5.2 通信模块 23

5.2.1 ZigBee技术 23

5.2.2 ZigBee模块 23

5.3本章小结 25

第6章 结论 26

6.1 论文工作总结 26

6.2 展望 26

致 谢 28

参考文献 29

绪 论

随着电力系统发展的日益完善和全球节能意识的普遍提高，电力能源系统的经济运行越来越受到各个国家的重视。为了更加准确，安全地计量用户电量，同时能将用户的用电数据加以收集利用，传统电表的替代升级势在必行，智能电表成为了未来智能终端的答案。在智能电表的设计中，大体可以分为单相表和三相表，通常来说，家用电表大多使用单相表，而三相表多用于工业场合。无论是哪一类智能电表，除了包含传统电表的电能计量和显示的功能，智能电表能够提供更加具体的电能信息，例如，为了满足未来分布式发电的需求，智能电表添加了双向计量的功能，在电能消耗量之外，能够计量显示电能传输的方向，同时，智能电表还可以监测电能质量，能够实时地将用户端的电压电流异动及时反馈给电力公司，电力公司可以依据此调整检修计划，从而提高了整个电网的稳定性。除了这些额外信息以外，智能电表还有如远程控制等许多额外功能^[1]。同时，由于计算机技术和嵌入式系统技术的发展，智能电表还拥有非常广阔的发展空间和研究前景。对智能电表功能进行初步的研究和学习，了解智能电表的结构和工作原理，是未来充分利用开发智能电表的基础。

1.1研究的背景与意义

自电力问世以来，由于其输送的便捷，来源的广泛和蕴含的强大能力，很快替代了人力，畜力，被人广泛利用并得以迅速的发展。21世纪，电能已经在全球范围内实现了基本的普及，世界也普遍认为未来所有的能源都会转化为电力的进行传输和使用。因此，随着许多国家电力网络架设的基本完善，在继续发展特高压，超高压以提高传输效率的同时，电力网络的细节也愈发重要，由于电力网络规模的巨大，每一个细小环节的改善都可以得到可观的总量提升，智能电表的发展使用，就是一个潜在的细节。

在此之前的20世纪90年代，电表行业已经发生了一次巨大的改变。由于微电子技术在当时的巨大提升，电子式电能表的各种优势得以体现，从而替代了之前的机械式电能表，在计量精度上实现了显著的提升^[2]。到了21世纪，随着远程通讯技术和数据处理技术的发展，智能电网又成为了新的时代趋势。在智能电网的格局下，电力系统中的各个部分都有详细的划分，同时，相互之间又能够通过实时通讯相互沟通作为一个整体。在智能电网系统中，用户不再仅仅作为电力的消耗者，而是成为了电力系统的一个组成部分。在接受电能和电价等信息的同时，用户也可以通过分布式电源向电力公司输送电能，此外，用户对电能的使用，也会对电价产生影响。在这个体系当中，智能电表起到了关键的作用，不仅是对电能信息的计量，更重要的是成为了用户与电力公司之间通讯交流的一个桥梁，是未来电网的智能化中实时电价实施的必要环节。

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