專利名稱：用于測(cè)量電流、電壓和功率的智能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，特別適用于電力系統(tǒng)以及輸配電網(wǎng)絡(luò)的電 能質(zhì)量參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。
背景技術(shù)：
從八十年代以來，我國對(duì)電能質(zhì)量日漸重視，陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 隨著電力法的頒布，用電客戶也開始關(guān)注供電部門能否提供合格的電能。目前，也不乏 因?yàn)殡娔苜|(zhì)量的問題，國外公司放棄在中國某地的投資。為此國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了很多電能 質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備，但功能多的集成度不高、體積大和安裝麻煩問題，價(jià)格也比較昂貴，而 功能少的又不能滿足要求，所以給電能質(zhì)量檢測(cè)提出了一個(gè)很大的難題，極大影響了我 們的生產(chǎn)和生活的用電質(zhì)量。所以，我們急切的需要一種本地監(jiān)控，集成度高的，網(wǎng)絡(luò) 型電力質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備。
發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型提出了一種電能質(zhì)量 在線監(jiān)控裝置，以就地監(jiān)控、顯示電能質(zhì)量參數(shù)，同時(shí)也可通過通訊網(wǎng)絡(luò)和主服務(wù)器組 成實(shí)時(shí)在線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。一種用于測(cè)量電流、電壓和功率的智能裝置，其包括電源模塊、信號(hào)前置電 路、CPU、A/D轉(zhuǎn)換電路、RS485通訊電路、非易失性存儲(chǔ)器、高階濾波電路、過零比 較電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路、晶體振蕩器電路、繼電器控制電路、開關(guān)狀態(tài)采集電路、 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵控制電路，其特征在于信號(hào)前置電路一路輸出到A/D轉(zhuǎn) 換電路的輸入端，另一路輸出通過高階濾波電路和過零比較電路，輸入到CPU，A/D 轉(zhuǎn)換電路輸出端、非易失性存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路、晶體振蕩器電路、繼電器控制 電路、RS485通訊電路、開關(guān)狀態(tài)采集電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵控制電路均與 CPU相連接。本實(shí)用新型為電能質(zhì)量監(jiān)控裝置，其包括信號(hào)前置電路、CPU、A/D轉(zhuǎn)換電 路、RS485通訊電路、非易失性存儲(chǔ)器、高階濾波電路、過零比較電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生 電路、晶體振蕩器電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵控制電路。信號(hào)前置電路與A/D轉(zhuǎn) 換電路連接，A/D轉(zhuǎn)換電路、非易失性存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路 以及按鍵控制電路均與CPU相連接。其中A/D轉(zhuǎn)換電路采用高精度14位A/D轉(zhuǎn)換芯 片。信號(hào)前置電路將三相電流電壓信號(hào)全部處理為1V-2.4V的電壓信號(hào)，一部分信 號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為CPU可用的14位數(shù)字信號(hào)，另一部分信號(hào)(A相電壓信號(hào)) 通過高階濾波電路和過零比較電路，將A相的電壓信號(hào)斬為50HZ左右的方波信號(hào)以觸發(fā) CPU測(cè)頻，此信號(hào)觸發(fā)的是CPU的中斷0。大容量的非易失性存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)需要記憶的數(shù)據(jù)，例如設(shè)備地址、通信波特率、電流電壓變比、電度等重要數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)的時(shí)鐘發(fā)生電路采用的是高精度的時(shí)鐘發(fā)生 芯片，CPU實(shí)時(shí)地對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行掃描，以更新CPU內(nèi)部的時(shí)間寄存器。非易失性存儲(chǔ) 器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生芯片都是通過(1NTER-IC串行總線)IIC通信接口與CPU進(jìn)行連接和通本電能質(zhì)量監(jiān)控裝置采用高性能的采集電路，快捷的FFT算法，大屏幕低功耗 的液晶屏等先進(jìn)技術(shù)。本裝置構(gòu)思新穎，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，通信響應(yīng)即時(shí)，測(cè)量精 度高等特點(diǎn)。本裝置結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高。內(nèi)部采用的電流互感器采用的微型精密電流互感 器，電流型穿心式互感器。電壓采集部分采用電阻分壓方式進(jìn)行采集，電阻采用的是玻 璃釉電阻，此電阻的特點(diǎn)是耐高壓、吸收浪涌信號(hào)等，大大提高了電壓采集的可靠性。經(jīng)過上面的采集電路采集到的信號(hào)，進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)入CPU處理運(yùn)算。本裝置能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控三相電流信號(hào)、三相電壓信號(hào)、漏電電流、各相有功功 率、三相有功功率、各相無功功率、三相無功功率、各相視在功率、三相視在功率、各 相功率因數(shù)、三相功率因數(shù)、A相頻率、三相有功電度、三相無功電度、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等電 能質(zhì)量參數(shù)。本裝置還具有通信端口，在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用多臺(tái)裝置，一臺(tái)服務(wù)器，就 可以組成一個(gè)局域網(wǎng)，服務(wù)器可以實(shí)時(shí)的統(tǒng)計(jì)各個(gè)裝置的電能質(zhì)量參數(shù)，并且可以與其 他網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

圖1為整體硬件架構(gòu)框圖圖2為IOKV應(yīng)用中的端子接線圖圖3為低壓應(yīng)用中的端子接線圖
具體實(shí)施例本裝置主要有電源模塊、信號(hào)前置電路、CPU、A/D轉(zhuǎn)換電路、RS485通訊 電路、非易失性存儲(chǔ)器、高階濾波電路、過零比較電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路、晶體振 蕩器電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵控制電路組成。其中電源模塊的工作電壓為 100V-260V,額定功率為2.5瓦，并輸出兩組5V電源，一路專門為通訊電路提供工作電 源，另一路為其他電路提供工作電源。電壓信號(hào)經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部的電阻分壓電路轉(zhuǎn)化為毫安級(jí)的可測(cè)量信號(hào)，被衰減的 信號(hào)進(jìn)入信號(hào)前置電路，在這里經(jīng)過運(yùn)算放大器的放大處理和低通濾波器的濾波處理， 被測(cè)信號(hào)中的高頻干擾部分在這里被濾除。電流信號(hào)經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部的精密電流互感器轉(zhuǎn)化為毫安級(jí)的可測(cè)量信號(hào)，被衰減 的信號(hào)進(jìn)入信號(hào)前置電路，在這里經(jīng)過運(yùn)算放大器的放大處理和低通濾波器的濾波處 理，被測(cè)信號(hào)中的高頻干擾部分在這里被濾除。被濾除的信號(hào)一路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路，CPU通過定時(shí)器采集A/D轉(zhuǎn)換電路輸出 的數(shù)據(jù)，定時(shí)器的設(shè)置規(guī)則要滿足采樣定理，采集頻率大于2倍的信號(hào)頻率，被采集到 的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPU的內(nèi)部進(jìn)行處理，經(jīng)過FFT (快速傅立葉算法)將信號(hào)分解為可以進(jìn)一步運(yùn)算的頻域數(shù)據(jù)。另一路經(jīng)過高階濾波電路和過零比較電路將原50HZ左右的正弦波電 壓信號(hào)斬波為相同頻率的方波信號(hào)，此方波信號(hào)進(jìn)入到CPU的外部中斷0中，觸發(fā)外部 中斷，進(jìn)而觸發(fā)CPU內(nèi)部定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。非易失性存儲(chǔ)器采用的是一款大容量的鐵電存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性高，抗 干擾能力強(qiáng)，而且區(qū)別與一般EEPROM的特點(diǎn)是，讀寫速度快，可以讓CPU有更多的時(shí) 間來處理信號(hào)和控制外設(shè)。按鍵采用高靈敏度的輕觸按鍵，方便設(shè)置各種系統(tǒng)參數(shù)，切換顯示界面。被修 改的參數(shù)會(huì)快速的寫入到非易失性存儲(chǔ)器中。液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前的各項(xiàng)電能參數(shù)，包括三相電流電壓值、 單相有功功率、三相有功功率、單相無功功率、三相無功功率、單相視在功率、三相視 在功率、有功電度、無功電度等。這些參數(shù)可以通過485總線遠(yuǎn)程傳輸。使得這個(gè)網(wǎng)絡(luò) 可以共享數(shù)據(jù)。一路專門為RS485通訊電路提供工作電源，另一路為其他電路提供工作電源。 RS485通訊電路采用光隔離技術(shù)，既能夠保證傳輸?shù)募皶r(shí)性又能提高通訊部分安全性。 通訊協(xié)議主要是MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。開關(guān)量采集電路是用來采集外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)的對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，將得 到狀態(tài)上傳到主控中心，采用的光耦隔離技術(shù)，提高了抗干擾性。繼電器控制電路主要是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的遙控和報(bào)警功能，當(dāng)有異?，F(xiàn)象時(shí)，可以遠(yuǎn) 程遙控及繼電器動(dòng)作，也可以通過設(shè)置讓設(shè)備自行判斷動(dòng)作。電能參量計(jì)算方法通過定時(shí)器控制ADC采集上來的離散數(shù)字信號(hào)，此信號(hào) 通過FFT算法轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。將頻域信號(hào)的幅值平方累加起來而后開平方即可得到電 流電壓的有效值，頻域的信號(hào)為復(fù)數(shù)，因此同時(shí)可以算出各相信號(hào)的相位角參數(shù)。在根 據(jù)電流電壓信號(hào)即可計(jì)算出功率參數(shù)，具體試驗(yàn)方法為，電流矢量乘以電壓矢量即可得 到有功功率和無功功率，兩功率平方之和開平方即為視在功率。實(shí)際測(cè)量的值只有電流 值、電壓值和頻率，其他的電能參量都為計(jì)算值。本裝置可以獨(dú)立在本地完成電能質(zhì)量的監(jiān)控操作，也可以通過屏蔽雙絞線連接 成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳操作，完成遠(yuǎn)程的監(jiān)控。在連接網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候至少需要一個(gè)主機(jī)采 集器來組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。本裝置電流輸入端必須要外接電流互感器，因?yàn)檠b置內(nèi)部的電流互感器的容量 比較小，當(dāng)長時(shí)間工作在滿負(fù)荷情況下，會(huì)直接影響到設(shè)備的使用壽命。而當(dāng)應(yīng)用在 IOKV的中壓電力環(huán)境中時(shí)，信號(hào)前置電路需要外接電壓互感器，將IOKV的高電壓交流 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?00V左右的低壓交流信號(hào)，而后進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在外接互感 器的情況下需要將互感器的變比系數(shù)輸入到裝置當(dāng)中。而在低壓情況下就不需要外接電 壓互感器，可以直接將380V的交流信號(hào)直接輸入到設(shè)備中，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如圖2、圖 3?？傊狙b置是結(jié)合當(dāng)前電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)控設(shè)備，而產(chǎn)生的高集成度高可靠性 的智能化裝置。
權(quán)利要求1.一種用于測(cè)量電流、電壓和功率的智能裝置，其包括電源模塊、信號(hào)前置電路、 CPU、A/D轉(zhuǎn)換電路、RS485通訊電路、非易失性存儲(chǔ)器、高階濾波電路、過零比較電 路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路、晶體振蕩器電路、繼電器控制電路、開關(guān)狀態(tài)采集電路、液晶 顯示驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵控制電路，其特征在于信號(hào)前置電路一路輸出到A/D轉(zhuǎn)換電 路的輸入端，另一路輸出通過高階濾波電路和過零比較電路，輸入到CPU，A/D轉(zhuǎn)換電 路輸出端、非易失性存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路、晶體振蕩器電路、繼電器控制電路、 RS485通訊電路、開關(guān)狀態(tài)采集電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵控制電路均與CPU相 連接。
2.如權(quán)利要求1所述用于測(cè)量電流、電壓和功率的智能裝置，其特征在于電源模塊輸 出兩組5V電源，一路專門為RS485通訊電路提供工作電源，另一路為其他電路提供工作 電源。
3.如權(quán)利要求1所述用于測(cè)量電流、電壓和功率的智能裝置，其特征在于RS485通訊 電路采用光隔離技術(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述用于測(cè)量電流、電壓和功率的智能裝置，其特征在于信號(hào)前置電 路需要外接電壓互感器。
5.如權(quán)利要求1所述用于測(cè)量電流、電壓和功率的智能裝置，其特征在于信號(hào)前置電 路的電流輸入端外接電流互感器。
專利摘要本實(shí)用新型為電能質(zhì)量監(jiān)控裝置，其包括信號(hào)前置電路、CPU、A/D轉(zhuǎn)換電路、RS485通訊電路、非易失性存儲(chǔ)器、高階濾波電路、過零比較電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路、晶體振蕩器電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵控制電路。信號(hào)前置電路與A/D轉(zhuǎn)換電路連接，A/D轉(zhuǎn)換電路、非易失性存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵控制電路均與CPU相連接。其中A/D轉(zhuǎn)換電路采用高精度14位A/D轉(zhuǎn)換芯片。本電能質(zhì)量監(jiān)控裝置采用高性能的采集電路，快捷的FFT算法，大屏幕低功耗的液晶屏等先進(jìn)技術(shù)。本裝置構(gòu)思新穎，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，通信響應(yīng)即時(shí)，測(cè)量精度高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R21/133GK201796082SQ20092021675
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者戴穎嘉 申請(qǐng)人:北京杜朗自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)有限公司