CN103197111B - 三相交流电综合电量检测方法及检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三相交流电综合电量检测方法，包括A：初始化；B：通过电压采样、电流采样得到电压、电流采样值，并检测频率值；C：采用抛物线插值法处理，获得相应频率的电压、电流采样值；D：进行快速傅里叶变换；E：得到电压测量值及各次谐波分量；得到电流测量值及各次谐波分量；F：将电压、电流测量值代入校准方程中得到相应的实际值；G：根据电压、电流实际值，通过相应公式计算得到相应的电参数。本发明的有益效果：外围硬件电路简单；三相交流电电流计算精度高；可实现相电压、线电压、相角、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电量的综合检测。

Description

三相交流电综合电量检测方法及检测电路

技术领域

本发明涉及一种三相交流电综合电量检测方法及检测电路。

背景技术

三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成的电力系统。目前，我国生产、配送的都是三相交流电。三相交流电有很多优越性，比如使用三相交流电的电动机、发电机节能节材，维护方便。针对三相电产品信息化、智能化发展趋势，准确地测量和判断三相交流电综合电量，对于电气控制设备的正确运行起着特别重要的作用。如三相交流电过压，负载可能被损坏（例如灯泡过亮烧毁）；三相交流电欠压，负载不能正常工作（例如灯泡暗淡无光）；三相交流电相序反相，则会引起重大事故；谐波不仅污染公用电网，而且使电能的产生、传输和利用效率降低，导致设备无法正常工作，甚至引发供电事故的发生。为保证设备安全可靠、正常稳定运行，需要实时检测三相交流电电压、电流、相位、有功功率、无功功率、电压谐波、电流谐波等综合电量。只要检测电压、电流及频率值，即可得到三相交流电电压、电流、频率、相位、有功功率、无功功率、电压谐波、电流谐波等综合电量。

传统的三相交流电综合电量检测方法是采用专用的电能计量芯片或单独的数字信号处理器DSP 来进行运算。传统的检测电路，一类是电路简单，成本低，但需要专用分析仪器才能得到比较全面的电量参数，而专业仪器的价格昂贵；另一类则是电路复杂，但也无法获得全面的电量参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有三相交流电检测技术存在的硬件结构复杂，成本高，测量数据不全，精度不高的缺陷，提供了一种电路结构简单，实现方便，测量数据全面，精度高的检测方法及检测电路。

    本发明的三相交流电综合电量检测方法，包括以下步骤：

步骤A ：MCU 主控处理器进行初始化，将至少2 次已知的输入电压、电流值对应的电压、电流采样值与输入电压、电流值代入y=kx+b 校准方程，得到校准系数k 和零点常数b ；

步骤B ：MCU 主控处理器通过三相电压采样电路、三相电流采样电路得到250 个电压、电流采样值，通过三相频率检测电路得到频率值；

步骤C ：MCU 主控处理器根据步骤B 中得到的250 个电压、电流采样值，根据拉格朗日插值原理，分别采用抛物线插值法处理，获得相应频率的128 个电压、电流采样值；

步骤D ： 将步骤C 得到的128 个电压、电流采样值进行快速傅里叶变换，获得对应于电压的128 个复数及对应于电流的128 个复数；

步骤E ：将步骤D 中对应于电压的128 个复数中的第二个复数取模得到电压测量值，第三个及之后的各复数取模运算后得到电压的各次谐波分量；将步骤D 中对应于电流的128个复数中的第二个复数取模得到电流测量值，第三个及之后的各复数取模运算后得到电流的各次谐波分量；

步骤F ：将步骤E 中得到的电压、电流测量值代入校准方程中得到相应的实际值。

采用快速傅里叶变换使计算机计算离散傅里叶变换需要的乘法和加法次数大为减少，特别是被变换的采样点数越多，快速傅里叶变换计算量的节省就越显著。以MCU 主控处理的采样频率10KHz 为例，即采样周期为0.1ms，对于50Hz 的交流电采样200 个点就能满足测量要求，而为了适应频率更大的波动范围（例如40Hz~60Hz），采样250 个点就能满足测量要求。综合考虑计算量和检测精度，选取128 个采样值进行快速傅里叶变换，可进行64次谐波分析，完全满足检测精度的要求。

为了准确的测量三相交流频率，步骤B 中还包括步骤B-1 ：利用MCU 主控处理器捕获三相频率检测电路输出信号的上升沿或下降沿，触发中断，并记录每次中断出现的时间值，根据得到的每个时间值，计算出三相交流电的频率。

进一步地，步骤B 中，通过以下步骤获得三相电压采样值：B-2，通过隔离电路进行输入隔离；B-3，通过直流偏置电路将交流信号变换为幅值大于零的正弦信号；B-4，通过电压跟随电路进行阻抗变换；B-5，通过钳位电路限制输出电压以保护MCU 主控处理器输入接口。

进一步地，步骤B 中，通过以下步骤获得三相电流采样值：B-6，通过隔离电路进行输入隔离；B-7，通过电压跟随电路进行阻抗变换；B-8，每一相的电流采样电路均包括2 级电流放大电路，MCU 主控处理器读取2 级电流放大电路的输出值，若放大倍数较大的电流放大电路输出值未超出预设量程，则MCU 主控制器将放大倍数较大的电流放大电路输出值作为采样值，若放大倍数较大的电流放大电路输出值超出预设量程，则MCU 主控制器将放大倍数较小的电流放大电路输出值作为采样值。

本发明的三相交流电综合电量检测电路，包括三相电压采样电路、三相电流采样电路、三相频率检测电路、MCU 主控处理器、按键、指示灯和液晶屏。

 所述三相电压采样电路包括3 路电压采样电路：分别为A 相电压采样电路、B 相电压采样电路、C 相电压采样电路。其中A 相电压采样电路的输入端接三相交流电的A 相电压，输出端接主控处理器中AD 采样模块的一个信号输入接口。三相电流采样电路包括3 路电流采样电路：分别为A 相电流采样电路、B 相电流采样电路、C 相电流采样电路。交流三相电的A 相穿过一个电流互感器，电流互感器的输出端接A 相电流采样电路的输入端，A 相电流采样电路的输出端接主控处理器中AD 采样模块的两个信号输入接口。三相频率检测电路包括3 路频率检测电路：分别为A 相频率检测电路、B 相频率检测电路、C 相频率检测电路。A 相电压采样电路的输出端接A 相频率检测电路的反相输入端，A 相频率检测电路的同相输入端接基准电压。A 相频率检测电路的输出端接主控处理器输入接口。按键的输出端接MCU 主控处理器的输入端，MCU 主控处理器的输出端接指示灯和液晶屏。

三相电压采样电路中的A 相采样电路，包括两端分别与相线UA 和零线UN 连接的压敏电阻Y1，压敏电阻Y1 的一端与电阻R1 连接，另一端与互感器PT1 连接，互感器PT1 的另一端与电阻R1 的另一端连接。互感器PT1 的两输出端并联电阻R4 和电容C2，电容C2 的一端与电阻R2 连接，电容C2 的另一端接基准电压端。电阻R2 的另一端接到运算放大器U1A的同相输入端和电容C1 的一端，电容C1 的另一端接到运算放大器U1A 的输出端。同时，运算放大器U1A 的反相输入端和运算放大器U1A 的输出端连接。运算放大器U1A 的输出端连到电阻R3 的一端，电阻R3 的另一端与电容C3 和二极管D1 的阳极连接，并将电阻R3、电容C3、二极管D1 阳极汇合点作为电压采样电路的输出端VA。电容C3 的另一端和二极管D11的阳极连接后接到接地端GND，二极管D1 的阴极接到电源端VDD。运算放大器U1A 的接地端接负电源-VCC。

三相交流电A 相穿过一个电流互感器，该电流互感器的输出端与A 相电流采样电路的电流互感器CT1 的输入端连接, 电流互感器CT1 的两输出端并联有电阻R11 和电容C8。电容C8 的一端连到电阻R9 的一端，电容C8 的另一端接到基准电压端。电阻R9 的另一端和电容C5 的一端、运算放大器U1B 的同相输入端相连。电容C5 的另一端接运算放大器U1B的输出端，同时将运算放大器U1B 的反相输入端和运算放大器U1B 的输出端连接。运算放大器U1B 的电源端接正电源VCC。运算放大器U1B 的输出端同时和电容C6、电容C10 及电阻R8、电阻R10 的一端相连，电容C6、电容C10 的另一端接到基准电压端。电阻R8 的另一端接运算放大器U2B 的同相输入端，运放放大器U2B 的反相输入端连接于电阻R5、电阻R6之间, 电阻R6 的另一端接运算放大器U2B 的输出端。电阻R5 的另一端接基准电压端。电容C4 的两端分别接基准电压端和运算放大器U2B 的输出端。运算放大器U2B 的输出端和电阻R7 连接，电阻R7 的另一端与电容C7 和二极管D2 的阳极连接，电容C7 的另一端和二极管D21 的阳极均接到接地端GND，二极管D2 阴极接到电源VDD，并将电阻R7、电容C7、二极管D2 阳极汇合点作为一级电流采样电路的输出端IAo1。电阻R10 的另一端接运算放大器U2A 的同相输入端，运算放大器U2A 的反相输入端连接于电阻R13、电阻R14 之间，电阻R13 的另一端接运算放大器U2A 的输出端，电阻R14 的另一端接基准电压端。电容C11 的两端分别接基准电压端和运算放大器U2A 的输出端。运算放大器U2A 的输出端和电阻R12连接，电阻R12 的另一端与电容C9 和二极管D3 的阳极连接，电容C9 的另一端和二极管D31的阴极均接到接地端GND，二极管D3 的阴极接到电源VDD，并将电阻R12、电容C9、二极管D3 阳极汇合点作为另一级电流采样电路的输出端IAo2。运算放大器U2A 的接地端接负电源-VCC，运算放大器U2B 的电源端接正电源VCC。

三相频率检测电路的A 相频率检测电路，包括运算放大器U3A，运算放大器U3A 的反相输入端经过电阻R15 连接到A 相电压采样的输出端VA，电阻R17 的一端接基准电压端，另一端接运算放大器U3A 的同相输入端，运算放大器U3A 的输出端接电阻R16，电阻R16 的另一端作为A 相频率检测电路的输出端FQA。运算放大器U3A 的接地端接负电源-VCC。

MCU 主控处理器包括12 位AD 采样模块，采样模块的输入端连到三相电压采样电路的输出端（VA、VB、VC）、三相电流采样电路的输出端（IAo1、IAo2、IBo1、IBo2、ICo1、ICo2）以及三相频率检测电路的输出端（FQA、FQB、FQC）。AD 采样模块对输入端的信号进行采样，并记录每个点的值。

所述MCU 主控处理器接收按键输入的信号，MCU 主控处理器根据按键输入的信号设置门限值，将电量参数与预先设置的过压值、欠压值、缺相值等门限值比较，判断三相交流电是否出现过压、欠压、缺相或三相不平衡。同时将告警信号输出到指示灯显示，并将综合电量参数显示于液晶屏。

作为进一步优化方案，三相电压、电流采样电路都应用了用于阻抗变换的电压跟随电路。

作为又一优化方案，三相电流采样电路包括2 级电流放大电路，2 级电流放大电路的输出端与MCU 主控处理器的输入端连接，对小电流信号和大电流信号采用2 种不同的放大倍数，使大电流信号和小电流信号都有良好的线性度。

进一步地，本发明的三相交流频率检测采用反相输入比较电路，从而将正弦信号输入变为方波信号输出。

本发明与现有技术相比有如下优点：

一、本发明外围硬件电路简单。

二、本发明的三相交流电电流计算精度高。

三、本发明可实现相电压、线电压、相角、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、零序分量、正序分量、负序分量、电压谐波、电流谐波等电量的综合检测。

四、本发明可实现实时监测各电量综合参数，并与设定门限值比较，及时做出判

断，用指示灯指示各类告警。

五、由于硬件电路简单可靠，精度高，电能参数齐全，可以单独作为一个三相交流电电量检测单元，也可以移植到其他复杂的监控系统中。

附图说明

图1 为本发明的三相交流电综合电量检测电路的功能结构框图。

图2 为本发明的三相交流电压采样电路中的A 相电压采样电路。

图3 为本发明的三相交流电流采样电路中的A 相电流采样电路。

图4 为本发明的三相交流频率检测电路中的A 相频率检测电路。

图5 为A 相频率检测电路的输入输出波形图。

图6 为本发明的三相交流电综合电量检测电路中的电压跟随电路。

图7 为三相电流采样电路中的电流2 级电流放大电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1 所示，本发明的三相交流电综合电量检测电路包括三相电压采样电路、三相电流采样电路、三相频率检测电路、MCU 主控处理器、按键、指示灯和液晶屏。所述三相电压、电流采样电路和三相频率检测电路包括输入隔离电路，直流偏置电路，电压跟随电路、钳位电路，电流2 级电流放大电路以及反相输入比较电路。

本具体实施方式中，MCU 主控处理器采用意法半导体ST 推出的STM32F103VB 微控制器。该微控制器具有最高72MHz 工作频率，单周期乘法和硬件除法，可实现快速傅里叶变换，微控制器自身有12 位AD 采样模块，可方便实现16 路AD 采样，因此不需要专门的AD 采样芯片和电能计量芯片，使外围电路更为简单可靠。

本具体实施方式中，电压跟随电路如图6 所示。从电压跟随电路的输入端看进去，它是一个开路；而从电压跟随电路的输出端看进去是短路，即Uo = Ui。运用电压跟随电路的作用就是在源和负载之间起到一个阻抗变换、缓冲的作用。

本具体实施方式中，三相频率检测电路采用反相输入比较电路，如图4 所示，波形图如图5 所示。当Ui > Uf 时， Uo = -Vcc ；当Ui < Uf 时，Uo = Vcc。交流电压正弦信号经过反相输入比较器得到一个方波信号，此方波信号连到MCU 主控处理器输入接口，MCU 主控处理器通过捕获方波信号的上升沿或下降沿，触发中断，记录每次中断出现的时间值，根据得到的每个时间值，从而得到交流信号的频率。

本具体实施方式中， 2 级电流放大电路如图7 所示，通过调整电阻R5 和电阻R6 的阻值，得到小电流输入的放大倍数；通过调整R13 和R14 的阻值，得到大电流输入的放大倍数。这种采用2 级放大的电路方式，保证电流输入有效放大采样，提高了电流采样精度。

本具体实施方式中，该检测电路还包括了一个与MCU 主控处理器输出接口连接的指示灯和液晶屏，与MCU 主控处理器输入接口连接的按键。按键可方便设置各类门限值，将电量参数与预先设置的过压值、欠压值、缺相值等门限值比较，判断三相交流电是否出现过压、欠压、缺相或三相不平衡。当检测到三相交流电异常时，用指示灯指示告警信号，同时将三相交流电综合电量显示于液晶屏上，可方便纳入其他监控系统中。

本发明的三相交流电综合电量检测，按照以下步骤：

步骤A ：MCU 主控处理器进行初始化，将至少2 组确定的输入电压、电流值对应的电压、电流采样值与输入电压、电流值代入y=kx+b 校准方程，得到校准系数k 和零点常数b。

步骤B ：MCU 主控处理器以固定的采样频率10KHz，即采样周期0.1ms，通过采样三相电压采样电路的输出信号和三相电流采样电路的输出信号，在一个周期内进行250 点采样，并记录每个点的值，分别得到250 个电压、电流采样值。三相电压采样电路包括：1）隔离电路，对电压输入进行隔离；2）直流偏置电路，将交流电压信号变换为幅值大于零的正弦信号；3）电压跟随电路，进行阻抗变换；4）钳位电路，限制输出电压以保护MCU 主控处理器输入接口。三相电流采样电路包括：1）隔离电路，对电流输入进行隔离；2）直流偏置电路，将交流电流信号变换为幅值大于零的正弦信号；3）电压跟随电路，进行阻抗变换；4）2 级电流放大电路，MCU 主控制器读取2 级电流放大电路的输出值，若放大倍数较大的电流放大电路输出值未超出预设量程，则MCU 主控制器将放大倍数较大的电流放大电路输出值作为采样值，若放大倍数较大的电流放大电路输出值超出预设量程，则MCU 主控制器将放大倍数较小的电流放大电路输出值作为采样值；5）钳位电路，限制输出电压以保护MCU 主控处理器输入接口。利用MCU 主控处理器捕获三相频率检测电路输出信号的上升沿或下降沿，触发中断，并记录每次中断出现的时间值，根据得到的每个时间值，计算出三相交流电的频率；

步骤C ：MCU 主控处理器根据步骤B 中得到的250 个电压、电流采样值，根据拉格朗日插值原理，分别采用抛物插值法处理，获得相应频率的128 个电压、电流采样值。抛物插值也称二次插值，是经过不共线的3 个点（x0,f(x0)），（x1,f(x1)），（x2,f(x2)）可以确定一条抛物线，即一个二次函数。根据Lagrange 插值原理，该插值函数为P(x) = f(x0)lo(x)+f(x1)l1(x)+f(x2)l2(x)，其中li(x) 称为在xi 这点的插值基函数，l0(x) = (x-x1)(x-x2)/(x0-x1)(x0-x2)，l1(x)=(x-x0)(x-x2)/(x1-x0)(x1-x2)，l2(x)=(x-x0)(x-x1)/(x2-x0)(x2-x1)。

步骤D ： 将步骤C 得到的128 个电压、电流采样值进行快速傅里叶变换，获得对应于电压的128 个复数及对应于电流的128 个复数。采用快速傅里叶变换使计算机计算离散傅里叶变换需要的乘法和加法次数大为减少，特别是被变换的采样点数越多，快速傅里叶变换计算量的节省就越显著。快速傅里叶变换的计算程序分为两部分：一部分是倒序重排，另一部分是用七层嵌套的循环来完成M=log2N 次迭代。七层循环的功能是：最里的一层循环完成相同WNP 的蝶形运算，中间层循环完成因子WNP 的变化，而最外的一层循环则是完成M次迭代过程。

步骤E ：将步骤D 中对应于电压的128 个复数中的第二个复数取模得到电压测量值，第三个及之后的各复数取模运算后得到电压的各次谐波分量；将步骤D 中对应于电流的128 个复数中的第二个复数取模得到电流测量值，第三个及之后的各复数取模运算后得到电流的各次谐波分量；

步骤F ：将步骤E 中得到的电压、电流测量值代入校准方程中得到相应的实际值。

即可根据电压、电流实际值，通过相应公式计算得到相应电参数。

 参照图1，本发明的三相交流电综合电量检测电路，包括三相电压采样电路、三相电流采样电路、三相频率检测电路、MCU 主控处理器、按键、指示灯和液晶屏。

所述三相电压采样电路包括3 路电压采样电路：分别为A 相电压采样电路、B 相电压采样电路、C 相电压采样电路。其中A 相电压采样电路的输入端接三相交流电的A 相电压，输出端接主控处理器中AD 采样模块的一个信号输入接口。三相电流采样电路包括3 路电流采样电路：分别为A 相电流采样电路、B 相电流采样电路、C 相电流采样电路。交流三相电的A 相穿过一个电流互感器，电流互感器的输出端接A 相电流采样电路的输入端，A 相电流采样电路的输出端接主控处理器中AD 采样模块的两个信号输入接口。三相频率检测电路包括3 路频率检测电路：分别为A 相频率检测电路、B 相频率检测电路、C 相频率检测电路。A 相电压采样电路的输出端接A 相频率检测电路的反相输入端，A 相频率检测电路的同相输入端接基准电压。A 相频率检测电路的输出端接主控处理器输入接口。按键的输出端接MCU 主控处理器的输入端，MCU 主控处理器的输出端接指示灯和液晶屏。

参照图2，三相电压采样电路中的A 相采样电路，包括两端分别与相线UA 和零线UN 连接的压敏电阻Y1，压敏电阻Y1 的一端与电阻R1 连接，另一端与互感器PT1 连接，互感器PT1 的另一端与电阻R1 的另一端连接。互感器PT1 的两输出端并联电阻R4 和电容C2，电容C2 的一端与电阻R2 连接，电容C2 的另一端接基准电压端。电阻R2 的另一端接到运算放大器U1A 的同相输入端和电容C1 的一端，电容C1 的另一端接到运算放大器U1A 的输出端。同时，运算放大器U1A 的反相输入端和运算放大器U1A 的输出端连接。运算放大器U1A 的输出端连到电阻R3 的一端，电阻R3 的另一端与电容C3 和二极管D1 的阳极连接，并将电阻R3、电容C3、二极管D1 阳极汇合点作为电压采样电路的输出端VA。电容C3 的另一端和二极管D11 的阳极连接后接到接地端GND，二极管D1 的阴极接到电源端VDD。运算放大器U1A 的接地端接负电源-VCC。B 相电压采样电路的输出端VB，与MCU 主控处理器的AD采样模块的输入接口连接。C 相电压采样电路的输出端VC，与MCU 主控处理器的AD 采样模块的输入接口连接。

参照图3，三相交流电A 相穿过一个电流互感器，该电流互感器的输出端与A 相电流采样电路的电流互感器CT1 的输入端连接, 电流互感器CT1 的两输出端并联有电阻R11和电容C8。电容C8 的一端连到电阻R9 的一端，电容C8 的另一端接到基准电压端。电阻R9 的另一端和电容C5 的一端、运算放大器U1B 的同相输入端相连。电容C5 的另一端接运算放大器U1B 的输出端，同时将运算放大器U1B 的反相输入端和运算放大器U1B 的输出端连接。运算放大器U1B 的电源端接正电源VCC。运算放大器U1B 的输出端同时和电容C6、电容C10 及电阻R8、电阻R10 的一端相连，电容C6、电容C10 的另一端接到基准电压端。电阻R8 的另一端接运算放大器U2B 的同相输入端，运放放大器U2B 的反相输入端连接于电阻R5、电阻R6 之间, 电阻R6 的另一端接运算放大器U2B 的输出端。电阻R5 的另一端接基准电压端。电容C4 的两端分别接基准电压端和运算放大器U2B 的输出端。运算放大器U2B的输出端和电阻R7 连接，电阻R7 的另一端与电容C7 和二极管D2 的阳极连接，电容C7 的另一端和二极管D21 的阳极均接到接地端GND，二极管D2 阴极接到电源VDD，并将电阻R7、

电容C7、二极管D2 阳极汇合点作为一级电流采样电路的输出端IAo1，。电阻R10 的另一端接运算放大器U2A 的同相输入端，运算放大器U2A 的反相输入端连接于电阻R13、电阻R14之间，电阻R13 的另一端接运算放大器U2A 的输出端，电阻R14 的另一端接基准电压端。电容C11 的两端分别接基准电压端和运算放大器U2A 的输出端。运算放大器U2A 的输出端和电阻R12 连接，电阻R12 的另一端与电容C9 和二极管D3 的阳极连接，电容C9 的另一端和二极管D31 的阴极均接到接地端GND，二极管D3 的阴极接到电源VDD，并将电阻R12、电容C9、二极管D3 阳极汇合点作为另一级电流采样电路的输出端IAo2。运算放大器U2A 的接地端接负电源-VCC，运算放大器U2B 的电源端接正电源VCC。B 相、C 相电流采样电路采用与A 相电流采样电路相同的电路结构，对于B 相电流采样电路，一级电流采样电路的输出端IBo1，另一级电流采样电路的输出端IBo2 与MCU 主控处理器的AD 采样模块的输入接口连接。对于C 相电流采样电路，一级电流采样电路的输出端ICo1，另一级电流采样电路的输出端ICo2 与MCU 主控处理器的AD 采样模块的输入接口连接。

参照图4，三相频率检测电路的A 相频率检测电路，包括运算放大器U3A，运算放大器U3A 的反相输入端经过电阻R15 连接到A 相电压采样的输出端VA，电阻R17 的一端接基准电压端，另一端接运算放大器U3A 的同相输入端，运算放大器U3A 的输出端接电阻R16，电阻R16 的另一端作为A 相频率检测电路的输出端FQA，A 相频率检测电路的输出端FQA 与MCU 主控处理器的输入接口连接。运算放大器U3A 的接地端接负电源-VCC。同样地，B 相频率检测电路的输出端FQB 与MCU 主控处理器的输入接口连接。C 相频率检测电路的输出端FQC 与MCU 主控处理器的输入接口连接。

MCU 主控处理器包括12 位AD 采样模块，采样模块的输入端连到三相电压采样电路的输出端（VA、VB、VC）、三相电流采样电路的输出端（IAo1、IAo2、IBo1、IBo2、ICo1、ICo2）、以及三相频率检测电路的输出端（FQA、FQB、FQC）。AD 采样模块对输入端的信号进行采样，并记录每个点的值。

Claims (8)

1.一种三相交流电综合电量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A ：MCU 主控处理器进行初始化，将至少2 组已知的输入电压、电流值对应的电压、电流采样值与输入电压、电流值代入y=kx+b 校准方程，得到校准系数k 和零点常数b ；

步骤B ：MCU 主控处理器通过三相电压采样电路、三相电流采样电路得到250 个电压、电流采样值，通过三相频率检测电路得到频率值；

步骤C ：MCU 主控处理器根据步骤B 中得到的250 个电压、电流采样值，根据拉格朗日插值原理，分别采用抛物线插值法处理，获得相应频率的128 个电压、电流采样值；

步骤D ： 将步骤C 得到的128 个电压、电流采样值进行快速傅里叶变换，获得对应于电压的128 个复数及对应于电流的128 个复数；

步骤E ：将步骤D 中对应于电压的128 个复数中的第二个复数取模得到电压测量值，第三个及之后的各复数取模运算后得到电压的各次谐波分量；将步骤D 中对应于电流的128个复数中的第二个复数取模得到电流测量值，第三个及之后的各复数取模运算后得到电流的各次谐波分量；

步骤F ：将步骤E 中得到的电压、电流测量值代入校准方程中得到相应的实际值。

2.根据权利要求1 所述的三相交流电综合电量检测方法，其特征在于，步骤B 中还包括步骤B-1 ：利用MCU 主控处理器捕获三相频率检测电路输出信号的上升沿或下降沿，触发中断，并记录每次中断出现的时间值，根据得到的每个时间值，计算出三相交流电的频率。

3.根据权利要求1 所述的三相交流电综合电量检测方法，其特征在于，步骤B 中的三相电压采样电路还包括B-2，通过隔离电路进行输入隔离；B-3，通过直流偏置电路将交流信号变换为幅值大于零的正弦信号；B-4，通过电压跟随电路进行阻抗变换；B-5，通过钳位电路限制输出电压以保护MCU 主控处理器输入接口。

4.根据权利要求1 所述的三相交流电综合电量检测方法，其特征在于，步骤B 中的三相电流采样电路还包括B-6，通过隔离电路进行输入隔离；B-7，通过电压跟随电路进行阻抗变换；B-8，每一相的电流采样电路均包括2 级放大电路，MCU 主控处理器读取2 级放大电路的输出值，若放大倍数较大的放大电路输出值未超出预设量程，则MCU 主控制器将放大倍数较大的放大电路输出值作为采样值，若放大倍数较大的放大电路输出值超出预设量程，则MCU 主控制器将放大倍数较小的放大电路输出值作为采样值。

5.一种三相交流电综合电量检测电路，其特征在于，所述检测电路包括三相电压采样电路、三相电流采样电路、三相频率检测电路、MCU 主控处理器、按键、指示灯和液晶屏；

三相电压采样电路包括3 路电压采样电路：分别为A 相电压采样电路、B 相电压采样电路、C 相电压采样电路，其中A 相电压采样电路的输入端接三相交流电的A 相电压，输出端接主控处理器中AD 采样模块的一个信号输入接口；三相电流采样电路包括3 路电流采样电路：分别为A 相电流采样电路、B 相电流采样电路、C 相电流采样电路；交流三相电的A 相穿过一个电流互感器，电流互感器的输出端接A 相电流采样电路的输入端，A 相电流采样电路的输出端接主控处理器中AD 采样模块的两个信号输入接口；

三相频率检测电路包括3 路频率检测电路：分别为A 相频率检测电路、B 相频率检测电路、C 相频率检测电路；A 相电压采样电路的输出端接A 相频率检测电路的反相输入端，A 相频率检测电路的同相输入端接基准电压；A 相频率检测电路的输出端接主控处理器输入接口；

按键的输出端接MCU 主控处理器的输入端，MCU 主控处理器的输出端接指示灯和液晶屏；所述的三相电压采样电路中的A 相采样电路，包括两端分别与相线UA 和零线UN 连接的压敏电阻Y1，压敏电阻Y1 的一端与电阻R1 连接，另一端与互感器PT1 连接，互感器PT1 的另一端与电阻R1的另一端连接；互感器PT1 的两输出端并联电阻R4 和电容C2，电容C2 的一端与电阻R2 连接，电容C2 的另一端接基准电压端以提供直流偏置电压Vref ；电阻R2 的另一端接到运算放大器U1A 的同相输入端和电容C1 的一端，电容C1 的另一端接到运算放大器U1A 的输出端；同时，运算放大器U1A 的反相输入端和运算放大器U1A 的输出端连接；运算放大器U1A的输出端连到电阻R3 的一端，电阻R3 的另一端与电容C3 和二极管D1 的阳极连接，并将电阻R3、电容C3、二极管D1 阳极汇合点作为电压采样电路的输出端VA ；电容C3 的另一端和二极管D11 的阳极连接后接到接地端GND，二极管D1 的阴极接到电源端VDD ；运算放大器U1A的接地端接负电源-VCC。

6.根据权利要求5 所述的三相交流电综合电量检测电路，其特征在于，所述的三相频率检测电路的A 相频率检测电路，包括运算放大器U3A，运算放大器U3A 的反相输入端经过电阻R15 连接到A 相电压采样的输出端VA，电阻R17 的一端接基准电压端，另一端接运算放大器U3A 的同相输入端，运算放大器U3A 的输出端接电阻R16，电阻R16 的另一端作为A 相频率检测电路的输出端FQA ；运算放大器U3A 的接地端接负电源-VCC。

7.根据权利要求5 所述的三相交流电综合电量检测电路，其特征在于，所述三相电压、电流采样电路都应用了用于阻抗变换的电压跟随电路。

8.根据权利要求5 所述的三相交流电综合电量检测电路，其特征在于，所述三相电流采样电路包括2 级电流放大电路，2 级电流放大电路的输出端与MCU 主控处理器的输入端连接。