專利名稱：多功能電能計(jì)量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電能計(jì)量技術(shù)，具體地將涉及一種多功能電能計(jì)量儀器。
背景技術(shù)：
多功能電度表是目前使用較廣的一種計(jì)量用戶一定時(shí)間內(nèi)用電情況的電能計(jì)量設(shè)備。這類多功能電度表由采集芯片與運(yùn)算芯片組成。前者按照一定頻率采集供電網(wǎng)絡(luò)的交流電信號，并將采集到的模擬信號利用模數(shù)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；后者對該轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，進(jìn)而確定某段時(shí)間內(nèi)用戶負(fù)載所消耗電能的各項(xiàng)指標(biāo)。
由于用戶用電負(fù)載情況變化多端，供電網(wǎng)絡(luò)的電流、電壓均不是理想的正弦，含有大量諧波。這些諧波電壓、電流成分會對用戶負(fù)載產(chǎn)生正向或反向的有功及無功電度。因此，精確計(jì)量該等諧波產(chǎn)生的電度，以便準(zhǔn)確確定用電量，對供電部門及用戶都具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。
現(xiàn)有的電度表首先由于其組成芯片本身不具有分解諧波成分的功能，因此無法直接計(jì)算諧波成分造成的有功功率，而是采用一種間接的方法計(jì)算，即計(jì)量出總有功電度及基波有功電量，將兩者之代數(shù)差視為諧波有功電量。這種計(jì)算方法實(shí)際上是一種粗略的估算，從本質(zhì)上講是將各次諧波有功電量以代數(shù)形式相加，從而未能區(qū)分正向諧波有功電量與反向諧波有功電量，造成總諧波有功電量計(jì)算出現(xiàn)極大的誤差，嚴(yán)重少計(jì)了諧波有功電量，給電力公司帶來損失；其次，現(xiàn)有的電度表采用類似對稱正弦電路無功計(jì)算的方法進(jìn)行無功計(jì)量，無法正確計(jì)量三相不對稱非正弦情況下的無功電度，當(dāng)電力負(fù)載為非正弦三相不對稱時(shí)，無功電度計(jì)量會出現(xiàn)較大的偏差。
為了解決上述問題，提供一種多功能電能計(jì)量儀以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)十分必要。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種可準(zhǔn)確計(jì)量諧波正反向有功及無功電度、非正弦三相不對稱負(fù)載情況下的無功電度的多功能電能計(jì)量儀。
本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種多功能電能計(jì)量儀，用于計(jì)量負(fù)載電度參數(shù)，其包括模擬交流電信號采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集模塊、對數(shù)據(jù)采集模塊中的諧波信號進(jìn)行分解及對基波、各次諧波的正、反方向有功電度與無功電度測量、計(jì)算的數(shù)字信號處理器模塊、含時(shí)鐘、串口及LCD顯示控制的微處理器模塊。本實(shí)用新型通過對瞬時(shí)無功功率進(jìn)行積分來得到無功電度。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于能夠分時(shí)段精確計(jì)量供電網(wǎng)絡(luò)中基波及各次諧波的正、反向有功及無功電度，能夠精確計(jì)量三相非正弦不對稱負(fù)載情況下的無功電度。并且，由于采用數(shù)位較多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得測量的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，另外，該計(jì)量儀中加設(shè)濾波裝置及防雷電路，避免了高頻干擾及雷電的干擾。


圖1為本實(shí)用新型多功能電能計(jì)量儀的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為利用圖1所示結(jié)構(gòu)對信號進(jìn)行處理的局部流程圖，在該流程圖中，還包含有位于A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號處理器之間的光電耦合器，位于數(shù)字信號處理器與微處理器之間的數(shù)據(jù)緩存器及鎖存器。
圖3為圖1中的微處理器的控制程序流程圖。
具體實(shí)施方式
圖1為本實(shí)用新型多功能電能計(jì)量儀的結(jié)構(gòu)框圖，由圖可知，該多功能電能計(jì)量儀包括數(shù)據(jù)采集模塊1、數(shù)字信號處理器模塊2、顯示模塊3、微處理器模塊4、多處理器接口模塊5、通訊模塊6及電源模塊7。
該數(shù)據(jù)采集模塊1用于采集供電量網(wǎng)絡(luò)(圖中未示)中的交流電電壓及電流模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。其包括A/C相電流采樣電路12、AB/CB線電壓采樣電路14、低通濾波及放大電路16、濾波過零檢測電路18、A/D轉(zhuǎn)換器13、鎖相環(huán)電路15及防雷電路(圖未示)。A/C相電流采樣電路12、AB/CB線電壓采樣電路14對供電網(wǎng)絡(luò)中的相電流及線電壓進(jìn)行采樣，采集信號又經(jīng)低通濾波及放大電路16將其中的高頻成分濾掉，該濾波過零檢測電路18檢測AB/CB線電壓在采樣過程中的過零點(diǎn)，即一個(gè)完整的電壓周期。之后由A/D轉(zhuǎn)換器13將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在上述采樣過程中，為保證不失真地反映被測信號，采樣頻率必須大于兩倍被測信號的頻率，考慮到被測信號含諧波，當(dāng)考慮32次諧波時(shí)，采樣頻率取為32×2f(f為供電網(wǎng)絡(luò)電壓頻率，即工頻)，即一個(gè)周期內(nèi)采樣64點(diǎn)。
另外，為使采樣頻率能自動跟蹤并隨被測信號頻率變化而變化，在該數(shù)據(jù)采集模塊1中引入了鎖相環(huán)電路15，其包括相位比較器(圖未示)、壓控振蕩器(圖未示)、及低通濾波器(圖未示)。該鎖相環(huán)電路15比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，從而引起誤差電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達(dá)到輸出信號和輸入信號同頻。
由數(shù)據(jù)采集模塊1的A/D轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換后形成的數(shù)字信號被數(shù)字信號處理器2進(jìn)行數(shù)字處理。在該階段中，數(shù)字信號處理器2利用快速付立葉變換(FFT)對電壓，電流的各次諧波進(jìn)行分解，并通過對瞬時(shí)功率、瞬時(shí)無功功率進(jìn)行積分得到基波及各次諧波正反向有功、無功電度。在本實(shí)用新型中，該數(shù)字信號處理器2為較為常見的TMS320LF2407芯片。
微處理器模塊4與顯示模塊3、多處理器接口模塊5、通訊模塊6及實(shí)時(shí)時(shí)鐘11連接，而電源模塊7則對上述各模塊提供合適的工作電壓。經(jīng)過數(shù)字信號處理器2處理后的信號再由微處理器模塊4進(jìn)行處理。上述模塊共同實(shí)現(xiàn)對基波、諧波的正、反方向有功電度與無功電度的測量、顯示及與外部設(shè)備通訊等功能。該實(shí)時(shí)時(shí)鐘11實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)時(shí)間的同步，以便可以根據(jù)負(fù)荷的“峰、谷、平”時(shí)間實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量和收費(fèi)。在本實(shí)用新型中該顯示模塊3為液晶顯示器(LCD)，用于顯示負(fù)載用電情況，供人工抄表。該通訊模塊6包括紅外接口、RS245接口、MODEM(調(diào)制解調(diào)器)及GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))四部分。其中紅外接口用于與抄表機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)自動抄表的功能；RS245接口實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備比如計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊；MODEM及GPRS部分用于無線通信，將各種計(jì)量數(shù)據(jù)傳送到相關(guān)部門。且上述各種通訊均為雙工通訊。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，該微處理器模塊4為PIC16F877A芯片，而多處理器接口模塊5則為IDT7134芯片。
圖2為利用圖1所示結(jié)構(gòu)對信號進(jìn)行處理的局部流程圖。由圖可知，在數(shù)據(jù)采集模塊1的A/D轉(zhuǎn)換器13與數(shù)字信號處理器2之間設(shè)置了一個(gè)光電耦合器8，一方面起隔離作用，另一方面將不合適的工作電壓變成合適的工作電壓。數(shù)字信號處理器2與微處理器4之間設(shè)置有數(shù)據(jù)緩存器9及鎖存器10。由于該多功能計(jì)量儀是采用變周期采樣的，而采樣周期是由數(shù)字信號處理器2所決定的，所以數(shù)字信號經(jīng)過各種控制算法變換后，除了進(jìn)入到數(shù)據(jù)緩存器9，外還有一部分反饋到A/D轉(zhuǎn)換器13來控制采樣時(shí)刻。同時(shí)，由于數(shù)字信號處理器2與微處理器4數(shù)據(jù)處理速度存在差異，一般來說前者的運(yùn)算速度大于后者，因此這里存在著數(shù)據(jù)容易丟失的問題。而在本計(jì)量儀中為了解決此問題采用了數(shù)據(jù)緩存器9(在本實(shí)用新型實(shí)施例中為雙口RAM)及鎖存器10，其中數(shù)據(jù)緩存器9的主要作用是將數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯，而鎖存器10的作用是控制著從數(shù)據(jù)緩存器9出來數(shù)據(jù)的時(shí)序，避免發(fā)生時(shí)序混亂。
圖3為圖1中的微處理器的控制程序流程圖。首先對微處理器4進(jìn)行復(fù)位；其次對微處理器4延遲0.01秒；接著要判斷外部是否有人在抄表，如果有的話就用紅外發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)，假若沒有人在抄表的話就開始計(jì)時(shí)，若時(shí)間累計(jì)達(dá)三分鐘就自動刷新顯示模塊里的數(shù)據(jù)，這里我們等待三分鐘是由于通常電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化都是比較緩慢的，如果刷新間隔的時(shí)間太短的話會導(dǎo)致顯示失誤。刷新以后需要重新等待0.01秒，重復(fù)上述的過程。
當(dāng)總電度、基波電度參數(shù)已知時(shí)，諧波電度參數(shù)便可間接得到；當(dāng)總電度及峰、谷期的電度參數(shù)確定后平期的電度參數(shù)便可確定。以下表格為顯示模塊的顯示情況。

注三相三線制表計(jì)顯示線電壓；三項(xiàng)四線制表計(jì)顯示相電壓本計(jì)量儀能夠分時(shí)段精確計(jì)量供電網(wǎng)絡(luò)中基波及各次諧波的正反向有功及無功電度，能夠精確計(jì)量非正弦三相不對稱負(fù)載情況下的無功電度，并且由于采用數(shù)位較多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得測量的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，另外，該計(jì)量儀中加設(shè)濾波裝置，避免了高頻干擾。
權(quán)利要求1.一種多功能電能計(jì)量儀，用于計(jì)量負(fù)載電度參數(shù)，其特征在于包括模擬交流電信號采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集模塊、與該數(shù)據(jù)采集模塊連接且對數(shù)據(jù)采集模塊中的諧波信號進(jìn)行分解及對基波、各次諧波的正、反方向有功電度與無功電度測量、計(jì)算的信號處理器模塊、與該信號處理器模塊連接且含時(shí)鐘、串口及液晶顯示LCD控制的微處理器模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于所述信號處理器模塊利用快速傅立葉變換FFT對電壓電流進(jìn)行諧波分解。
3.如權(quán)利要求1所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于無功電度采用對瞬時(shí)無功進(jìn)行積分來獲得。
4.如權(quán)利要求1所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于還包括與微處理器模塊連接的顯示模塊、多處理器接口模塊、通訊模塊及電源模塊。
5.如權(quán)利要求1所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于該數(shù)據(jù)采集模塊包括對相電流采樣的A/C相電流采樣電路、與該相電流采樣電路連接且對線電壓采樣的AB/CB線電壓采樣電路、與AB/CB線電壓采樣電路連接且該對相電流、線電壓中的高頻成分濾除的低通濾波及放大電路、濾波及過零檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及鎖相環(huán)電路、防雷電路。
6.如權(quán)利要求2所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于該顯示模塊為液晶顯示器。
7.如權(quán)利要求2所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于該通訊模塊為紅外接口或RS245接口或調(diào)制解調(diào)器MODEM或通用無線分組業(yè)務(wù)GPRS。
8.如權(quán)利要求1或2所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于該數(shù)字信號處理器模塊與一實(shí)時(shí)時(shí)鐘連接。
9.如權(quán)利要求1或2所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于還包含有連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號處理器之間的光電耦合器。
10.如權(quán)利要求1或2所述的多功能電能計(jì)量儀，其特征在于還包含有連接于數(shù)字信號處理器與微處理器之間的數(shù)據(jù)緩存器及鎖存器。
專利摘要一種多功能電能計(jì)量儀，用于計(jì)量負(fù)載電度參數(shù)，其包括對模擬交流電信號采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集模塊、對數(shù)據(jù)采集模塊中的諧波信號進(jìn)行分解及對基波、各次諧波的正、反方向有功電度與無功電度測量、計(jì)算的數(shù)字信號處理模塊；含時(shí)鐘、串口及LCD顯示控制的微處理器模塊。本計(jì)量儀能夠分時(shí)段精確計(jì)量供電網(wǎng)絡(luò)中基波及各次諧波的正反向有功及無功電度，能夠精確計(jì)量非正弦三相不對稱負(fù)載情況下的無功電度，并且由于采用數(shù)位較多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得測量的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。另外，該計(jì)量儀還對防雷、濾波進(jìn)行了特殊的處理，避免了雷電及高頻干擾。
文檔編號G01R11/00GK2833607SQ20052006290
公開日2006年11月1日 申請日期2005年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月15日
發(fā)明者劉永強(qiáng) 申請人:劉永強(qiáng)