CN103018550A - 一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低压滤波无功补偿技术，特别是一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，包括CPU、电源模块、电压电阻网络模块、电流和电压的变换模块、测量模块，测量模块与CPU连接，电源模块、电压电阻网络模块、电流和电压的变换模块均连接于测量模块，其中测量模块采用DSP芯片；本发明采用先进的ADE7880多功能自带数字处理器DSP计量芯片作为电能采样测量模块，该芯片集成度高，性能超越了工业上对电能计量0.2级表的精度和动态的要求，该设计集合全面的测量系统电压、电流、功率、电力质量分析、实时波形显示等常用电力参数，为控制器高速分析系统中的电能各项参数基波、谐波分量提供了可能；可达到高精度、三相电能计量IC的功能，还适合测量各种三线、四线的三相基波、谐波参数和波形。
Description
技术领域
本发明涉及低压滤波无功补偿技术，特别是一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块。
背景技术
目前滤波无功补偿装置传统的电能采样测量控制方式是通过精密互感器接受外部被测系统电压、电流信号，经过补偿调理电路将信号转换为电压信号，该电压信号通过抗混叠滤波电路滤除高次谐波分量，同时在低通滤波环节和数模转换环节还需加一个接口电路将低通滤波的输出信号转换为适合数模转换的信号送到A/D模数转换模块，经A/D模数转换模块将数字量发到主CPU中央处理器上，最后通过CPU中央处理器复杂的程序算法算出各系统参数（电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、谐波）和反推算波形进行显示。
电能采样测量控制信号流程如图1所示，这种电能采样方式的控制电路、控制策略和程序算法比较复杂和繁琐，对编写的程序要求非常高，而且调试周期长。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，可以有效简化采样测量控制电路，避免滤波无功补偿装置控制系统CPU中央处理器繁琐复杂的控制计算，满足滤波无功补偿装置对电网系统电能参数快速采样测量和波形显示的要求，调试简单。
本发明的技术方案如下：
一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，其特征在于：包括CPU、电源模块、电压电阻网络模块、电流和电压的变换模块、测量模块，测量模块与CPU连接，电源模块、电压电阻网络模块、电流和电压的变换模块均连接于测量模块，其中测量模块采用DSP芯片，所述DSP芯片采用美国模拟器件ADI公司ADE7880芯片。
所述电源模块是将交流电源连接在隔离变压器上，隔离变压器连接整流桥、滤波器，然后通过通过隔离电源芯片连接至所述DSP芯片。交流电源通过小型的隔离变压器降压以后经整流稳压滤波通过隔离电源芯片供给芯片ADE7880，电源模块提供+3.3V电压。隔离变压器初级次级绝缘在3000V以上，其抗电性能优于GB/T15290标准要求。
所述电压电阻网络模块是包括三组相同结构的电压采样电路形成的电阻分压网络，电阻分压网络的差分电压信号的输出端分别连接至芯片ADE7880的VAP、VBP、VCP引脚。
所述电流和电压的变换模块包括三组相同的转换电路，每组转换电路均包括一一对应的采样电路和电压偏置回路，电压偏置回路设置在采样电路上，采样电路的电压信号的输出端分别连接至ADE7880的IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN引脚；所述电流和电压的变换模块是将电流信号经过采样电路的采样电阻将电流转换成电压信号，电压偏置回路将电压信号调整到ADE7880需要的电压值，采样电路将调整后的电压信号进行滤波后输入到专用测量芯片ADE7880。
本发明的有益效果如下：
本发明采用先进的ADE7880多功能自带数字处理器DSP计量芯片作为电能采样测量模块；该芯片的集成度高；该芯片的性能超越了工业上对电能计量0.2级表的精度和动态的要求，该设计集合全面的测量系统电压、电流、功率、电力质量分析、实时波形显示等常用电力参数，为控制器高速分析系统中的电能各项参数基波、谐波分量提供了可能；
采用ADE7880，可以达到高精度、三相电能计量IC的功能，还适合测量各种三线、四线的三相基波、谐波参数和波形。该芯片内置多个24bit二阶Σ-Δ型模数转换器（ADC）、数字积分器、基准电压源电路及所有必需的信号处理电路，实现总（基波和谐波）有功/视在功率测量和有效值计算，以及基波有功/无功功率测量，还提供瞬时电能质量监测，如瞬时低压或高压检测、瞬时高电流变化、线电压周期测量以及相电压与电流之间的角度等，同时ADE7880还具有波形采样寄存器；该芯片内自带有一个固定高速运算功能的数字信号处理器（DSP）负责实现各项系统电能参数、波形信号处理。该器件还有两个中断请求引脚IRQ0和IRQ1，用来指示一个使能的中断事件已经发生；
该电能采样测量模块的优点是直接把计算好的各项电能参数数字量信号通过I2C（标准数据总线）、HSDC（(高速数据捕获）接口直接发给CPU进行读取，使得测量结果的高精度特性、动态特性得以保证，提高整个滤波无功补偿装置的数据在线监测能力，相对于传统测控采样方式，控制硬件电路简单，而其精度高、运行稳定且动态特性好，最大程度的节省了控制系统CPU中央处理器的资源。
附图说明
图1为传统的电能采样测量控制信号流程示意图
图2为本发明的接口示意图
图3为本发明电源模块的电路结构示意图
图4为本发明的电压电阻网络模块的结构示意图
图5为本发明的电流和电压的变换模块的结构示意图
其中，附图2标记为：1 CPU，2 电源模块，3电压电阻网络模块，4电流和电压的变换模块，5测量模块。
具体实施方式
如图2所示，一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，包括CPU1、电源模块2、电压电阻网络模块3、电流和电压的变换模块4、测量模块5，测量模块5与CPU1连接，电源模块2、电压电阻网络模块3、电流和电压的变换模块4均连接于测量模块5，其中测量模块5采用DSP芯片，所述DSP芯片采用美国模拟器件ADI公司ADE7880芯片。
如图3所示，所述电源模块2包括由隔离变压器、整流桥、电源芯片和滤波器，具体是将交流电源连接在隔离变压器上，隔离变压器连接整流桥、滤波器，然后通过通过隔离电源芯片连接至所述DSP芯片。交流电源通过小型的隔离变压器降压以后经整流稳压滤波通过隔离电源芯片供给芯片ADE7880，电源模块2提供+3.3V电压。隔离变压器初级次级绝缘在3000V以上，其抗电性能优于GB/T15290标准要求。
其中，隔离变压器由单相隔离电源变压器T7（功率15W 变比AC220V/6V/4.5V）组成，整流桥（型号DB107）包括D2、D3，电源芯片包括VR1 （型号ASM1117-5）和 VR2（型号ASM1117-3.3），滤波器由电容量为100nF的电容C45、C46、C52、C53、电容量为100uF的C44、C47及电容量为470uF的C50、C51组成。
如图4所示，所述电压电阻网络模块3是包括三组相同结构的电压采样电路形成的电阻分压网络，电阻分压网络的差分电压信号的输出端分别连接至芯片ADE7880的VAP、VBP、VCP引脚。电压采样电路包括阻值为330K的采样电阻：R1-R5、R7-8、R18-R20、R24、R26-28、R38-41、R43-45，抗干扰回路由阻抗为1500OHMS的E1、E4、E8磁珠组成，阻值为1K的电阻R9、R41、R47，电容量为2200PF的电容C12、C21、C26。
所述电流和电压的变换模块4包括三组相同的转换电路，每组转换电路均包括一一对应的采样电路和电压偏置回路，电压偏置回路设置在采样电路上，采样电路的电压信号的输出端分别连接至ADE7880的IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN引脚；所述电流和电压的变换模块4是将电流信号经过采样电路的采样电阻将电流转换成电压信号，电压偏置回路将电压信号调整到ADE7880需要的电压值，采样电路将调整后的电压信号进行滤波后输入到专用测量芯片ADE7880。
如图5所示，所示电流和电压的变换模块4包括三组相同的转换电路,由新型带磁路补偿的高精度宽量程电流互感器(型号ZMCT115M)T1、T2、T3作为电流采样前端，抗干扰回路由阻抗为1500OHMS的E2、E5、E7磁珠组成，阻值50Ω的电阻R15、电阻R16、电阻R25、电阻R29、电阻R37、电阻R42将电流信号转换成ADE7880需要的电压值，由阻值1K的电阻R14、R17、R21、R30、R32、R46和电容量为2200PF的电容C15、C16、C19、C20、C22、C25组成的抗混叠电路将调整后的电压信号进行滤波后输入到专用测量芯片ADE7880。
其中ADE7880芯片测量部分如下表所示：
| 引脚名称 | 描 述 |
| IAP， IAN IBP， IBN ICP， ICN | 电流通道的模拟输入。这些输入都是全差分电压输入，最大差分电平为±0.5 V 。 |
| VAP ，VBP，VCP， VN | 电压通道的模拟输入。此通道与电压传感器配合使用，在本数据手册中称为电压通道。这些输入都是单端电压输入，对于指定操作，最大信号电平为相对于VN的±0.5 V 。 |
| VDD | 电源电压。此引脚提供电源电压。在PSM0(正常功耗模式)下，应将电源电压维持在3.3 V ± 10% |
| RESET | 复位输入，低电平有效 |
| IRQ0 ， IRQ1 | 中断请求输出。这些都是低电平有效逻辑输出 |
| CF3/HSCLK | 可以和HSDC端口的串行时钟输出复用 |
| MISO/HSD | SPI端口的数据输出/HSDC 端口的数据输出 |
| SS /HAS | SPI端口的从机选择/HSDC 端口有效 |
| MOSI/SDA | SPI端口的数据输入/I2C端口的数据输出 |
| SCLK/SCL | SPI端口的串行时钟输入/I2C 端口的串行时钟输入。所有串行数据传输均与此时钟同步 |
ADE7880 的电压电流通道输入信号范围为±0.5V。
Claims (6)
1.一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，其特征在于：包括CPU、电源模块、电压电阻网络模块、电流和电压的变换模块、测量模块，测量模块与CPU连接，电源模块、电压电阻网络模块、电流和电压的变换模块均连接于测量模块，其中测量模块采用DSP芯片。
2.根据权利要求1所述的一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，其特征在于：所述DSP芯片采用ADE7880芯片。
3.根据权利要求2所述的一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，其特征在于：所述电源模块包括隔离变压器、整流桥、滤波器，具体是将交流电源连接在隔离变压器上，隔离变压器连接整流桥、滤波器，然后通过通过隔离电源芯片连接至所述DSP芯片；交流电源通过隔离变压器降压以后经整流稳压滤波通过隔离电源芯片供给芯片ADE7880。
4.根据权利要求3所述的一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，其特征在于：所述隔离变压器初级次级绝缘在3000V以上，抗电性能高于GB/T15290标准。
5.根据权利要求2所述的一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，其特征在于：所述电压电阻网络模块是包括三组相同结构的电压采样电路形成的电阻分压网络，电阻分压网络的差分电压信号的输出端分别连接至芯片ADE7880的VAP、VBP、VCP引脚。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的一种滤波无功补偿装置的新型电能测量控制模块，其特征在于：所述电流和电压的变换模块包括三组相同的转换电路，每组转换电路均包括一一对应的采样电路和电压偏置回路，电压偏置回路设置在采样电路上，采样电路的电压信号的输出端分别连接至ADE7880的IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN引脚；所述电流和电压的变换模块是将电流信号经过采样电路的采样电阻将电流转换成电压信号，电压偏置回路将电压信号调整到ADE7880需要的电压值，采样电路将调整后的电压信号进行滤波后输入到专用测量芯片ADE7880。
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