CN102645581A - 低压电能计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压电能计量装置，包括三相电能采集装置，三相电能采集装置与电能显示器连接；三相电能采集装置包括计量芯片采集模块，计量芯片采集模块进行AD转换后进行运算，得到电信号存储在数据存储模块里，由MCU微控制器对数据进行选择输出，第一现场总线通讯模块把电平信号进行编码，然后传输到两根总线上进行传输；接收到信号的电能显示器第二现场总线通讯模块把收到的总线信号进行解码成电平信号传给上位机微控制器进行数据的控制和显示功能。本发明对传统低压计量装置的改进，把原来计量二次回路的电流、电压模拟信号变为各项电力参数的数字信号来传输，通过三相电能采集装置的两根数据线完成与电能显示器之间的数据传输。

Description

低压电能计量装置

技术领域

本发明涉及一种低压电能计量装置。

背景技术

低压计量装置从过去到现在一直是互感器加电能表的计量方式，只是由原来的电磁感应式发展到现在使用的电子式电能表。互感器传输到电子式电能表仍然是模拟信号，这种信号传输方式已经不能适应智能化电网的发展要求。其次信号数字化是建设智能电网的前提,也是发展的必然趋势。国内多年来，一直把计量装置的电能表和互感器作为两个独立的单元在研究，在提高计量精度、避免二次错误接线以及防范窃电上只是通过强调管理以及制定标准按照规范去执行，没有一个好的方法从根本上解决这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的低压电能计量装置。

本发明的技术解决方案是：

一种低压电能计量装置，其特征是：包括三相电能采集装置，三相电能采集装置与电能显示器连接；所述三相电能采集装置包括对三相电压，电流进行采集的计量芯片采集模块，计量芯片采集模块进行AD转换后进行运算，得到电压、电流、功率因数、有功/无功功率信号存储在数据存储模块里，由MCU微控制器对数据进行选择输出，通过SPI总线传输到，第一现场总线通讯模块里，第一现场总线通讯模块把电平信号进行编码，编码方式为AMI方式，然后传输到两根总线上进行传输，总线不仅传输了信号，而且给系统显示模块提供工作电源；接收到信号的电能显示器第二现场总线通讯模块把收到的总线信号进行解码成电平信号传给上位机微控制器进行数据的控制和显示功能；一个电源模块为第一现场总线通讯模块、第二现场总线通讯模块提供电源。

所述计量芯片采集模块主要由电压采集电路和电流采集电路组成，其中电压采集电路将220V左右交流电压信号转化为采集芯片所需的+-700mV以内的电压信号，电流采集是通过0.2S级精度的电流互感器输出一个5A以下的电流信号给电流采集电路，将大电流转换为+-700mV以内的电压信号提供给采集芯片进行处理。

电源模块电源是取自三相电压，使用其中一相作为工作电源，即使在任意一相或两相失电情况下，仍然可以保证工作和计量，使整个系统安全可靠运行。A、B、C三相取电压然后都经过变压器、整流桥、滤波、7805稳压电路到5V，然后每一路都和一个二极管串联后再将三路并联使用，当且仅当某相的电压最高时就采用该项作为工作电源，这样即使一相甚至两相电压为零，系统照样可以正常的工作。

第一、第二现场总线通讯模块的通讯采用HBS总线，通讯速率为9600bps，HBS总线采用差分接收器。

电源模块提供系统工作电压和HBS总线电压，其中系统工作电压为5V，HBS总线电压为12V。

数据存储模块是存储测得的电能数据，保证停电后测量的数据不丢失，存储芯片采用内存为512*8bit的非易失性铁电存储芯片FM25040，可读写一百亿次，数据保存能力为10年，其与单片机的通讯方式为SPI总线方式。

本发明解决了传统计量装置的一些弊端，减小电能计量的综合误差，提高计量精度；简化计量装置方案，便于装接人员的安装；避免了计量错误接线的发生，解决了计量错误接线的难题；去除计量的二次回路，防范了窃电。

本发明对传统低压计量装置的改进，把原来计量二次回路的电流、电压模拟信号变为各项电力参数的数字信号来传输，核心部分为三相电能采集装置，该装置内置电流互感器和嵌入式电能参数模块。通过三相电能采集装置的两根数据线完成与电能显示器之间的数据传输，导线同时提供显示器的工作电源。

总线传输信号的低压电能计量装置技术接线简单,所有电力参数都保存在三相电能采集装置内，通过总线传输电能计量信号，解决了传统计量装置的一些弊端：

（1）避免了计量错误接线的发生，解决了计量错误接线的难题。  计量装置是由电能表、互感器、联合接线盒、二次回路构成，接线点多，极易发生误接线。二次回路的错误接线会引起电能表计量不正确，传统错误接线48种，理论上72种。检查二次回路还需要用专用设备，因为错误接线不易被发现。而发生错误接线以后，退补电量的多少也是供电部门难以保证正确性的。通常按照公式计算退补电量数值，计算的前提是基于三相平衡情况下的，我们知道用户三相实际上是不平衡的，所以计算出来的电量也不是真实的。用一些不真实的数据来与用户协商退补电量时，对用户以及电力企业来说是不公正的。所以从根本上解决错误接线，只有去除二次回路连接线；

（2）减小电能计量的综合误差，提高计量精度。

电能计量装置由电能表、计量用电压、电流互感器及其二次回路构成。电能计量装置综合误差为电能表误差与计量用电压、电流互感器以及计量互感器二次回路压降合成误差的代数和。表达式如下:

γ=γb+γd+γe

其中:

γ电能计量装置综合误差;

γb电流、电压互感器合成误差:

γd电流、电压互感器二次回路压降合成误差;

γe电能表误差。

这三部分误差不仅有各自的特点和规律，而且由于接线方式、使用条件变化等因素引起的综合误差的计算方法亦有所不同。本系统采用的总线通讯的方式，替代了传统低压电能计量电表。原来的接线多达10跟线，而本系统采用的三相电能计量装置接线时只需要一根信号线，减少了传输过程中电流损耗以及避免了电压压降的传输损耗。由于传统的电能计量装置在三相采样端和电能表显示端都用到了电压、电流互感器，在综合误差表达式中体现为γb+γe，都存在采样精度误差，同时导致了整个系统的精度降低，而本系统所采用的三相电能计量装置区别于传统的三相电能计量装置，把电压、电流互感器以及电能计量模块集成在三相采样端，直接将采集到的数据通过总线的方式给液晶显示，避免了互感器、联合接线盒以及二次回路造成的合成误差。即γd的得到显著减小，在γb和γe没有变化的情况下,使得整个系统的综合误差明显的得到降低，计量精度得以提高。

（3）简化计量装置方案，便于装接人员的安装测量。

针对本文所论述的总线通讯计量装置，裝接人员只需要安装总线的两根线即可。摒弃了传统的10跟线的接线模式,节约了大量铜导线也减少了安装人员的工作量,同时也省去了安装好以后还要核对二次接线的工作。

（4）去除计量的二次回路，防范了窃电。

相比于传统的计量装置，我们所采用基于总线通讯低压电能计量装置，有效的防范了用户窃电的发生。因为管理中存在的不到位和不规范，在二次回路上的任何一个接点都有可能成为窃电隐患。断流、失压、短接电流以及使其接触不良还有技术型窃电，防不胜防。采用基于总线通讯低压电能计量装置可以解决这些难题。三相电能采集装置为全封闭型，所有数据都存储在里面，即使信号线和显示仪表被拆除也不会影响计量，显示仪表只是用来显示电能参数。

技术指标

运用总线通讯低压电能计量装置的总体技术指标：

①用于数据传输的HBS总线，传输距离可达200米，其工作速率为9600bps,总线电压12V。

②符合电力企业审核指标。

③数字化输出，可输出：电压、电流、有功功率、无功功率、频率、电能等数据。

④计量芯片测量精度：

有功测量满足0.2S、0.5S，支持IEC 62053-22，GB/T 17883-1998标准；

无功测量满足2级、3级，支持IEC 62053-23，GB/T 17882-1999标准；

提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于0.5%。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明系统结构方框图。

图3是传统低压计量装置接线图。

图4是本发明现场总线通讯模块工作时序图。

具体实施方式

一种低压电能计量装置，包括三相电能采集装置1，三相电能采集装置与电能显示器2连接；所述三相电能采集装置包括对三相电压，电流进行采集的计量芯片采集模块3，计量芯片采集模块进行AD转换后进行运算，得到电压、电流、功率因数、有功/无功功率信号存储在数据存储模块4里，由MCU微控制器5对数据进行选择输出，通过SPI总线传输到，第一现场总线通讯模块6里，第一现场总线通讯模块把电平信号进行编码，编码方式为AMI方式，然后传输到两根HBS总线上进行传输，总线不仅传输了信号，而且给系统显示模块提供工作电源；接收到信号的电能显示器第二现场总线通讯模块7把收到的总线信号进行解码成电平信号传给上位机微控制器进行数据的控制和显示功能；一个电源模块8为第一现场总线通讯模块、第二现场总线通讯模块提供电源。

计量芯片采集模块：低压电能计量装置的核心计量芯片采用DSP技术、以数字乘法器为核心的数字式计量芯片，它运用了高精度快速A／D转换器、可编程增益控制等最新技术；和传统芯片对比，这种芯片在计量精度、线性度、稳定性、抗干扰性、温度漂移和时间漂移等方面，数字式芯片远远优于传统的模拟芯片。该芯片内非线性测量误差小于0.1%,测量精度可以达0.5级。而A/D转换主要将采集电路采集到的模拟信号转换为数字信号输送给单片机进行处理。该系统可测量电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量等信号，通过SPI总线将信号传送到单片机进行处理。该采集装置拥有精确度高、稳定性好、可高倍过载、功能扩展性好和环境适应性强等优势。

电源模块：本系统的电源模块主要取自电源是取自三相电压，使用其中一相作为工作电源，即使在任意一相或两相失电情况下，仍然可以保证工作和计量，使整个系统安全可靠运行。A、B、C三相取电压然后都经过变压器、整流桥、滤波、7805稳压电路到5V，然后每一路都一个二极管串联后再将三路并联使用，当且仅当某相的电压最高时就采用该项作为工作电源，这样即使一相甚至两相电压为零，系统照样可以正常的工作。电源模块提供系统工作电压和HBS总线电压，其中系统工作电压为5V，HBS总线电压为12V。

第一、第二现场总线通讯模块的通讯采用HBS总线，通讯速率为9600bps，HBS总线采用差分接收器。HBS现场总线的主要优点：分布、开放、互联、高可靠性的特点,简化系统供电模块。外接零件少、设计简单。

数据存储模块：数据存储主要功能是存储测得的电能数据，主要有电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量等信号，保证停电后测量的数据不丢失。存储芯片采用内存为512*8bit的非易失性铁电存储芯片FM25040，可读写一百亿次，数据保存能力为10年。其与单片机的通讯方式为SPI总线方式。

时钟芯片模块:本系统的采用的时钟芯片主要是用于总个系统的时间显示和用户的分时计量电能。

液晶显示模块:本系统显示部分采用了友好的人机交换方式，通过可视化的液晶显示采集得到的电能参数，本系统的液晶采用视频尺寸达73*39mm的宽屏，显示分辨率达128*64点阵，并且内带字库。

Claims (6)

1.一种低压电能计量装置，其特征是：包括三相电能采集装置，三相电能采集装置与电能显示器连接；所述三相电能采集装置包括对三相电压，电流进行采集的计量芯片采集模块，计量芯片采集模块进行AD转换后进行运算，得到电压、电流、功率因数、有功/无功功率信号存储在数据存储模块里，由MCU微控制器对数据进行选择输出，通过SPI总线传输到，第一现场总线通讯模块里，第一现场总线通讯模块把电平信号进行编码，编码方式为AMI方式，然后传输到两根总线上进行传输，总线不仅传输了信号，而且给系统显示模块提供工作电源；接收到信号的电能显示器第二现场总线通讯模块把收到的总线信号进行解码成电平信号传给上位机微控制器进行数据的控制和显示功能；一个电源模块为第一现场总线通讯模块、第二现场总线通讯模块提供电源。

2.根据权利要求1所述的低压电能计量装置，其特征是：所述计量芯片采集模块主要由电压采集电路和电流采集电路组成，其中电压采集电路将220V左右交流电压信号转化为采集芯片所需的+-700mV以内的电压信号，电流采集是通过0.2S级精度的电流互感器输出一个5A以下的电流信号给电流采集电路，将大电流转换为+-700mV以内的电压信号提供给采集芯片进行处理。

3.根据权利要求1或2所述的低压电能计量装置，其特征是：电源模块电源是取自三相电压，使用其中一相作为工作电源，即使在任意一相或两相失电情况下，仍然可以保证工作和计量，使整个系统安全可靠运行；A、B、C三相取电压然后都经过变压器、整流桥、滤波、7805稳压电路到5V，然后每一路都和一个二极管串联后再将三路并联使用，当且仅当某相的电压最高时就采用该项作为工作电源，这样即使一相甚至两相电压为零，系统照样可以正常的工作。

4.根据权利要求1或2所述的低压电能计量装置，其特征是：第一、第二现场总线通讯模块的通讯采用HBS总线，通讯速率为9600bps，HBS总线采用差分接收器。

5.根据权利要求3所述的低压电能计量装置，其特征是：电源模块提供系统工作电压和HBS总线电压，其中系统工作电压为5V，HBS总线电压为12V。

6.根据权利要求1或2所述的低压电能计量装置，其特征是：数据存储模块是存储测得的电能数据，保证停电后测量的数据不丢失，存储芯片采用内存为512*8bit的非易失性铁电存储芯片FM25040，可读写一百亿次，数据保存能力为10年，其与单片机的通讯方式为SPI总线方式。

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