CN103149431A - 一种多功能电能表 - Google Patents

Abstract

本发明属于电能计量设备技术领域，涉及一种多功能电能表,主控单元作为核心部件外接显示单元，主控单元与通信单元电信息连通，主控单元与按键处理单元电信息连通实现按键信息的处理；脉冲输出单元按照电学原理与主控单元电连通；主控单元内嵌式制有电信息连通的存储单元，实现数据和信息的存储管理；主控单元的外围电连通式制有计量采样单元和电源管理单元；各单元按照电学原理电信息连通组合成多功能电能表装置；其结构简单，软件可移植性强，成本低，功耗少，可靠性高，能实现远程抄表和本地通信，是实现电能计量和核算工作的理想智能仪表。

Description

一种多功能电能表

技术领域：

本发明属于电能计量设备技术领域，涉及一种具有多参数测量、多通信方式和复费率的复合功能电能计量装置，特别是一种多功能电能表。

背景技术：

电能是当今社会最重要的能源，随着经济不断发展，电力供应也越来越紧张，电能表作为电能计量的主要工具，对其计量准确和稳定可靠的性能要求也越来越高，目前，设计功能多样化的电能表正在逐渐加速发展，现有的多功能电能表一般采用“专用电能计量芯片+MCU”或“AD采样+DSP+MCU”方案，其专用计量芯片集成了ADC和DSP内核，所以电子式多功能电能表厂家基本上都采用“专用电能计量芯片+MCU”双核结构方案，但是双核模式带来核与核之间的时序匹配困难以及数据传输可靠性低等诸多问题，且因系统芯片数量多、成本高，阻碍了多功能表大规模发展，因此，设计一种具有多参数测量、多通信方式和复费率等多种功能的电能表实现远程抄表和本地通信，是电能计量和核算工作的理想智能仪表。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计提供一种具有多参数测量、多通信方式和复费率功能的多功能电能表，采用集成程度高的系统和低功耗主控芯片，解决双核模式带来核与核之间的时序匹配困难和数据传输可靠性低问题，实现远程抄表和本地通信。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括主控单元、电源管理单元、存储单元、通信单元、按键处理单元、计量采样单元、脉冲输出单元和显示单元；主控单元作为核心部件外接显示单元，主控单元与通信单元电信息连通，主控单元与按键处理单元电信息连通实现按键信息的处理；脉冲输出单元按照电学原理与主控单元电连通；主控单元内嵌式制有电信息连通的存储单元，实现数据和信息的存储管理；主控单元的外围电连通式制有计量采样单元和电源管理单元；各单元按照电学原理电信息连通组合成多功能电能表装置；电源管理单元采用交流变压器降压电源，直接输入的交流电压通过隔离绕组的双输出绕组降压变压器，再经整流、滤波后得到两组稳定的电压，分别与通信单元和主控单元电连接提供两组隔离电压；电源管理单元选用1200Mah的3.6V锂电池做备用电池，实现装置掉电时供时钟工作10年以上的要求且实现停电抄表功能；主控单元为整个电路的控制中心和核心部件，程序代码保存在存储单元内，存储单元采用一片EEPROM存储器，用于存储系统装置的配置参数、校表参数和电量数据；计量采样单元收集电网电压和电流信号，并把收集到的信号经调理电路等比例整定到主控单元中进行电压和电流信号处理，然后将处理后的信号传递给脉冲输出单元和显示单元，显示单元采用4*22段液晶，由主控单元内部LCD驱动电路直接驱动，用于显示各种收集处理后的电压和电流时值，以便直观、明确的查看流过电能表的电量；按键处理单元一方面转换显示单元中电流值和电压值界面，另一方面起到硬件看门狗的作用，如果要修改电能表的参数，通过按键处理单元的按键实现修改；主控单元将处理后的信息经过通信单元进行通信和上传，通信单元上制有光电和RS485两种通信电路接口，两种通信方式工作时相互独立，互不干扰。

本发明与现有技术相比，具有多参数测量、多通信方式和复费率多种功能，能同时完成电能表计量和管理，提高电能表的可靠性、多样性和效率性；其结构简单，软件可移植性强，成本低，功耗少，可靠性高，能实现远程抄表和本地通信，是实现电能计量和核算工作的理想智能仪表。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意框图。

图2为本发明涉及的电源管理单元电路结构原理示意图。

图3为本发明涉及的计量采样单元电路结构原理示意图。

图4为本发明的电能计量工作流程原理示意框图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括主控单元1、电源管理单元2、存储单元3、通信单元4、按键处理单元5、计量采样单元6、脉冲输出单元7和显示单元8；主控单元1作为核心部件外接显示单元8，主控单元1与通信单元4电信息连通，主控单元1与按键处理单元5电信息连通实现按键信息的处理；脉冲输出单元7按照电学原理与主控单元1电连通；主控单元1内嵌式制有电信息连通的存储单元3，实现数据和信息的存储管理；主控单元1的外围电连通式制有计量采样单元6和电源管理单元2；各单元按照电学原理电信息连通组合成多功能电能表装置；电源管理单元2采用交流变压器降压电源，直接输入的交流电压通过隔离绕组的双输出绕组降压变压器，再经整流、滤波后得到两组稳定的电压，分别与通信单元4和主控单元1电连接提供两组隔离电压；电源管理单元2选用1200Mah的3.6V锂电池做备用电池，实现装置掉电时供时钟工作10年以上的要求且实现停电抄表功能；主控单元1为整个电路的控制中心和核心部件，程序代码保存在存储单元3内，存储单元3采用一片EEPROM存储器，用于存储系统装置的配置参数、校表参数和电量数据；计量采样单元6收集电网电压和电流信号，并把收集到的信号经调理电路等比例整定到主控单元1中进行电压和电流信号处理，然后将处理后的信号传递给脉冲输出单元7和显示单元8，显示单元8采用4*22段液晶，由主控单元1内部LCD驱动电路直接驱动，用于显示各种收集处理后的电压和电流时值，以便直观、明确的查看流过电能表的电量；按键处理单元5一方面转换显示单元8中电流值和电压值界面，另一方面起到硬件看门狗的作用，如果要修改电能表的参数，通过按键处理单元5的按键实现修改；主控单元1将处理后的信息经过通信单元4进行通信和上传，通信单元4上制有光电和RS485两种通信电路接口，两种通信方式工作时相互独立，互不干扰。

本实施例涉及的电源管理单元2的工作原理如图2所示：230V交流电VN经过MDTB8-3在其二次侧输出12.5V的交流电压，流经整流桥堆AB1输出15V的直流电压，经电容C1和C2平滑滤波后输入HT7136，电阻R1、R2网络使HT7136输出对地直流电压约+4.0V；DVDD和VCC分别由+4.0V经M7A(导通压降为0.6V)隔离降压得到，隔离通信和主控单元电源，防止电池向其他外围器件供电；RS485电源与系统电源电气隔离，RS485电源由变压器的隔离绕组输出交流电经D1半波整流输入到HT7150-1，再由改LDO输出+5V的隔离电压得到；通过控制三极管Q3和Q4的通断实现电源供电切换；电网有电时，三极管Q3和Q4截止，由变压器降压电路而来VCC为控制单元供电；停电时Q3和Q4导通，由3.6V电池B1的VCC向主控单元供电。

本实施例的计量采样单元6工作原理如图3所示，其额定电压为230V,额定电流为5A，最大电流为100A，ESP提供一个差分输入电压通道和两个差分输入的电流通道，ADC最大采样信号幅值为500Ma,计量采样单元6把电网中的电压、电流信号幅值等比例整定到500mV范围内；各元器件的选择在不超出ADC最大采样范围内尽可能放大，以提高采样灵敏度，同时保留计量余量；电压采样采用电阻网络分压的方式进行电压采样；电流采样采用锰铜分流器取样火线电流，电流互感器加电阻采样零线电流的采样方式，提高采样精度；计量采样单元2中置有信号处理电路，提高采样信号的稳定性和系统抗电磁干扰能力；双向二极管Q1、Q2起到限压作用，防止脉冲干扰电压过大损坏器件或引起放大电路失真；磁珠L和1nF电容组成滤波网络滤除电网中的高频信号；各通道中1KΩ电阻和33nF电容组成抗混叠滤波器率，有效滤除采样信号中的高频分量，减少频谱混叠；火线电流LA流经200uΩ锰铜电阻得到取样电压，经调理输入到ESP模块中的可编程增益放大器，最大负载电流100A流经锰铜电阻得到取样电压幅值为28.3Mv,经可编程增益放大器16倍后幅值为452.5mV，未超出ADC最大采样幅值500mV范围；零线电流IN经电流互感器感应出的二次电流流过R5得到采样信号V(In)，其计算公式（1）

$V=\left(\mathrm{In}\right)=\frac{\mathrm{IN}\×R_5}{N}---\left(1\right)$

式中：V(In)为电流采样信号有效值；IN为电网电流有效值；R5为采样电阻值；N为电流互感器变化；选择R5为3Ω互感器参数为5（120）A/5Ma,变化N=1000:1；电能表工作的最大电流100A时，采样信号幅值为424.2Mv,选择可编程增益放大器的放大倍数为1；反之，由采样信号幅值能够计算出电网电流有效值，当采样信号幅值为500mV时电网电流有效值为117.9A，电网电流不超过该值时电能表都能正确计量；电能表通过比较火线和零线电流大小，自动选取较大电流计算电能，从而实现防窃电功能；电网电压VN经电阻网络RA和R8分压得到等比例缩小的电压采样模拟信号Vn，其计算公式如式（2）

$\mathrm{Vn}=\frac{R8}{\mathrm{RA}+R8}\×\mathrm{VN}---\left(2\right)$

式中：Vn为电压采样信号的有效值；VN为电网电压有效值；选择电阻网络电阻类型时要考虑电阻的精度、功率和耐压值等性能参数，兼顾生产成本和效率，故选择使用精度为1%的若干贴片电阻串联得到R4阻值；R8选择阻值1.5KΩ精度为1%贴片电阻；电能表工作在额定电压下的采样信号的幅值为386.7Mv；由采样信号幅值计算出电网电压有效值。

Claims (1)

1.一种多功能电能表，其特征在于主体结构包括主控单元、电源管理单元、存储单元、通信单元、按键处理单元、计量采样单元、脉冲输出单元和显示单元；主控单元作为核心部件外接显示单元，主控单元与通信单元电信息连通，主控单元与按键处理单元电信息连通实现按键信息的处理；脉冲输出单元按照电学原理与主控单元电连通；主控单元内嵌式制有电信息连通的存储单元，实现数据和信息的存储管理；主控单元的外围电连通式制有计量采样单元和电源管理单元；各单元按照电学原理电信息连通组合成多功能电能表装置；电源管理单元采用交流变压器降压电源，直接输入的交流电压通过隔离绕组的双输出绕组降压变压器，再经整流、滤波后得到两组稳定的电压，分别与通信单元和主控单元电连接提供两组隔离电压；电源管理单元选用1200Mah的3.6V锂电池做备用电池，实现装置掉电时供时钟工作10年以上的要求且实现停电抄表功能；主控单元为整个电路的控制中心和核心部件，程序代码保存在存储单元内，存储单元采用一片EEPROM存储器，用于存储系统装置的配置参数、校表参数和电量数据；计量采样单元收集电网电压和电流信号，并把收集到的信号经调理电路等比例整定到主控单元中进行电压和电流信号处理，然后将处理后的信号传递给脉冲输出单元和显示单元，显示单元采用4*22段液晶，由主控单元内部LCD驱动电路直接驱动，用于显示各种收集处理后的电压和电流时值，以便直观、明确的查看流过电能表的电量；按键处理单元一方面转换显示单元中电流值和电压值界面，另一方面起到硬件看门狗的作用，如果要修改电能表的参数，通过按键处理单元的按键实现修改；主控单元将处理后的信息经过通信单元进行通信和上传，通信单元上制有光电和RS485两种通信电路接口，两种通信方式工作时相互独立，互不干扰。

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