CN105301340A - 一种仪表 - Google Patents

Abstract

在本发明中，通过AD采集芯片采集电压和/或电流的波形数据实时值，微控制单元从AD采集芯片接收电压和/或电流波形数据的实时值，并将处理后的波形数据实时值发送至显示器进行显示，通过微控制单元连接的存储器，存储处理后的波形数据实时值，这样即可以显示当时当刻波形数据，还可以记录一段时间内的波形数据，解决了相关技术中普通单相四路循环显示电流仪表只能显示当时当刻的电流数值，无法对负荷的变化有详实的记录的问题，极大的减轻了工区工作人员的工作量。

Description

一种仪表

技术领域

本发明涉及电力领域，具体而言，涉及一种仪表。

背景技术

伴随着配电室无人值守技术的实行，带网络功能的数显电流仪表的应用，得到了大面积的普及。数显电流仪表的优点是精度高，运行稳定，显示直观，可装配程度高。目前小区配电室进出线柜均采用数字式电流显示仪表(例如，单相四循环显示电流仪表)。特别是出线柜，采用的是单相四循环显示电流仪表，一台仪表，可显示四路电流。但在实际运行中，普通单相四路循环显示电流仪表只能显示当时当刻的电流数值，无法对负荷的变化有详实的记录，这样，现场巡查人员就无法对每条线路的整体负荷情况有明确的了解，而要详细掌握负荷情况，在监控后台还没普及到出线柜的情况下，只能增加人工巡查记录次数，这势必要投入大量的人力，给工区运行维护部门增加很多工作量。

针对相关技术中普通显示电流仪表只能显示当时当刻的电流数值，无法对负荷的变化有详实的记录的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种仪表，以至少解决相关技术中普通显示电流仪表只能显示当时当刻的电流数值，无法对负荷的变化有详实的记录的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种仪表，包括：AD采集芯片，用于采集电压和/或电流的波形数据实时值；微控制单元，与所述AD采集芯片连接和显示器连接，用于从所述AD采集芯片接收电压和/或电流波形数据的实时值，并将处理后的所述波形数据实时值发送至所述显示器进行显示；所述显示器，与所述微控制单元连接，用于显示来自所述微控制单元的波形数据实时值；存储器，与所述微控制单元连接，用于存储处理后的所述波形数据实时值。

优选地，所述仪表还包括：输入器，与所述微控制单元连接，用于供用户输入时间数据，并将所述时间数据提供给所述微控制单元；所述微控制单元，与所述输入器连接，还用于根据所述时间数据从所述存储器调取与所述时间数据对应的波形数据实时值，并提供给所述显示器进行显示。

优选地，所述仪表还包括：互感器，通过接口与所述AD采集芯片连接，用于得到预设范围内的电压和/或电流值。

优选地，所述接口包括：I²C接口和HSDC接口；所述AD采集芯片，用于通过所述I²C接口获取电能参数信息；以及，所述AD采集芯片，用于通过所述HSDC接口获取所述电压/电流波形数据实时值。

优选地，所述AD采集芯片包括：模数转换器，用于将所述电压和/或电流值波形数据的实时值由模拟信号转化成数字信号。

优选地，所述微控制单元包括：SPI接口，用于与所述AD采集芯片的HSDC接口连接，其中，所述微控制单元将所述SPI接口配置成从模式，并通过所述HSDC接口获取所述电压和/或电流值波形数据的实时值。

优选地，所述微控制单元还包括：处理器，用于采用准同步软件算法对所述波形数据实时值的同步误差进行修正；UA接口，用于与RS485总线连接。

优选地，所述微控制单元通过RS485总线与所述存储器连接，用于通过存储器直接访问的方式存储所述电压/电流值的波形数据实时值。

优选地，所述接口与数字隔离器连接。

优选地，所述存储器为铁电存储器；所述微控制单元为STM32系列的高速32位微控制单元。

在本发明中，通过AD采集芯片采集电压和/或电流的波形数据实时值，微控制单元从所述AD采集芯片接收电压和/或电流波形数据的实时值，并将处理后的所述波形数据实时值发送至所述显示器进行显示，通过与所述微控制单元连接的存储器，存储处理后的所述波形数据实时值，这样即可以显示当时当刻波形数据，还可以记录一段时间内的波形数据，解决了相关技术中普通单相四路循环显示电流仪表只能显示当时当刻的电流数值，无法对负荷的变化有详实的记录的问题，极大的减轻了工区工作人员的工作量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的仪表的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的仪表的优选结构示意图一；

图3是根据本发明实施例的仪表的优选结构示意图二；

图4是根据本发明优选实施例仪表的结构示意图；

图5是根据本发明优选实施例仪表的电流采样图；

图6是根据本发明优选实施例仪表的电压采样图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本实施例中提供了一种仪表，图1是根据本发明实施例的仪表的结构示意图，如图1所示，该仪表包括：

AD(AnalogtoDigital模数转换)采集芯片11，用于采集电压和/或电流的波形数据实时值；

微控制单元12，与该AD采集芯片11连接和显示器13连接，用于从该AD采集芯片11接收电压和/或电流波形数据的实时值，并将处理后的波形数据实时值发送至显示器13进行显示；

显示器13，与微控制单元12连接，用于显示来自微控制单元12的波形数据实时值；

存储器14，与微控制单元12连接，用于存储处理后的波形数据实时值。

在本发明实施例中，通过AD采集芯片11采集电压和/或电流的波形数据实时值，微控制单元12从AD采集芯片11接收电压和/或电流波形数据的实时值，并将处理后的波形数据实时值发送至显示器13进行显示，通过与微控制单元12连接的存储器14，存储处理后的波形数据实时值，这样即可以显示当时当刻波形数据，还可以记录一段时间内的波形数据，解决了相关技术中普通单相四路循环显示电流仪表只能显示当时当刻的电流数值，无法对负荷的变化有详实的记录的问题，极大的减轻了工区工作人员的工作量。

本发明实施例还提供了一种仪表，图2是根据本发明实施例的仪表的优选结构示意图一。如图2所示，仪表还包括：

输入器21，与微控制单元12连接，用于供用户输入时间数据，并将时间数据提供给微控制单元12；微控制单元，与输入器21连接，还用于根据时间数据从存储器调取与时间数据对应的波形数据实时值，并提供给显示器14进行显示。例如，若工作人员需要查询过去某一个时刻的波形数据，则只需要在输入器输入这一时刻的时间数据，则微控制单元调用过去某一时刻当时的波形数据值，并将波形数据值发送给显示器进行显示；若工作人员需要查询过去某一段时间内最大电流持续的时间，则可以通过输入器输入一段时间数，则在显示器上显示这一段时间内最大电流持续的时间。

本发明实施例还提供了一种仪表，图3是根据本发明实施例的仪表的优选结构示意图二，如图3所示，该仪表还包括：

互感器31，通过接口与AD采集芯片11连接，用于得到预设范围内的电压和/或电流值。例如，在本发明中优选为电流互感器，电流信号经过精密的电流互感器器之后，由取样网络转换成与之对应的电压信号，电压信号的采样可以直接经过电阻分压取得，从而得到预设范围的电压值。当然根据不同的情况，本发明中的互感器也可以为电压互感器。

优选地，接口包括：I²C(Inter-IntegratedCircuit两线式串行总线)和HSDC(HighSpeedDataCapture，高速数据捕获)；AD采集芯片，用于通过I²C获取电能参数信息；以及AD采集芯片，用于通过HSDC获取电压/电流波形数据实时值。对于本领域技术人员而言，可知多通道同步AD采集芯片是一款高精度且具有谐波测量功能的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit为专门目的而设计的集成电路)，具有灵活的I²C、SPI(SerialPeripheralInterface，串行外设接口)和HSDC接口。而本发明采用I²C+HSDC，可通过I²C接口实现对ASIC的初始化和获取电压、电流、功率、电能等参数信息，而通过HSDC接口获取电压电流波形的实时值，并兼容三相三线或三相四线及其他三相配置，测量各相及整个系统的总(基波和谐波)有功、无功、视在功率和基波有功、无功功率，各相均具有系统校准功能，即有效值偏移失调校正、相位校准和增益校准，支持电流互感器和微分电流传感器，提供所有三相及零线电流的波形采样数据，还提供电能质量检测，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。

优选地，接口与数字隔离器连接；例如为增强系统的抗干扰能力，在AD采集芯片和MCU之间采用ADuM1401B进行HSDC接口隔离，并采用ADuM1250进行I²C接口隔离。

优选地，AD采集芯片11包括：模数转换器101，用于将电压和/或电流值波形数据的实时值由模拟信号转化成数字信号。

优选地，微控制单元包括：SPI接口，用于与AD采集芯片的HSDC连接，其中，微控制单元将SPI接口配置成从模式，并通过HSDC获取电压和/或电流值波形数据的实时值。

优选地，微控制单元还包括：处理器，用于采用准同步软件算法对波形数据实时值的同步误差进行修正；UA接口，用于与RS485总线连接。准同步是一种利用软件算法来修正同步误差的方法。对采样周期不要求与信号周期严格同步，只需要通过设置适当的采样频率，增加采样的周期，即可通过算法获得理想的准确度。

RS485总线为常用的工业总线，具有抗干扰能力强、传输距离远的优点，该电表支持标准的MODBUS_RTU通信协议，波特率可调，可将各项电力参数传输到其他监控设备。

优选地，微控制单元通过RS485总线与存储器连接，用于通过存储器直接访问的方式存储电压/电流值的波形数据实时值。

优选地，存储器为铁电存储器；微控制单元为STM32系列的高速32位微控制单元。

为了使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合优选的实施例对其实现过程进行详细描述。

本发明采用STM32系列的高速32bitMCU+多通道同步AD采集芯片的设计方案：由于多通道同步AD采集芯片内置了高精度模数转换器和固定模式的数字信号处理器DSP，再加上ARM的高速运算能力和丰富的接口及控制功能，与通用DSP+单片机+A/D芯片的设计方案相比，很好地弥补了单片机和DSP芯片在计算和控制方面的不足，不仅简单可靠，而且成本低廉，从而得到一种性价比很高的电能参数检测装置，可为公用配电网电能监测和优化控制系统提供一种良好的控制手段和依据。

图4是根据本发明优选实施例仪表的结构示意图，如图4所示，该仪表包括MCU设备41、AD采集芯片42、显示器43、输入器44、存储器45以及RS485总线46。

MCU设备41与AD采集芯片42和显示器43连接，用于从AD采集芯片42接收电压和/或电流波形数据的实时值，并将处理后的波形数据实时值发送至显示器43进行显示；

存储器45通过RS485总线46与MCU设备41连接，输入器44与MCU设备连接。

优选地，仪表还可以包括：互感器47、I/O开关48、数据传输器DTU49、复位电路40。

MCU设备41中还包括：GUI(GraphicalUserInterface图形用户界面)401、处理器402。

为了更好的阐述上述各硬件以及各硬件之间的连接关系与作用，下面将对各硬件之间的电路进行详细介绍。

一、MCU设备

MCU设备41选用STM32系列的高速32bitMCU芯片，工作电压为2.0～3.6V，工作频率高达72MHz，且内置RTC、512K字节的闪存、64K字节SRAM、1个SDIO、2个I2C、3个SPI、5个USART、1个USB、1个CAN、4个通用16位定时器和2个PWM定时器以及2个ADC和9个通信接口。主要完成各硬件模块之间的连接，控制AD采集芯片42，采集数据进行实时分析与显示器43，通过操作系统调用各任务优先级，完成RS485总线46通信协议实现与解析(Modbus协议集的响应与处理)，同时完成输入器44功能主菜单调度。

二、模拟信号输入电路

多通道同步AD采集芯片42是美国ADI公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片，片内集成了24位Σ-Δ型ADC，其IAP/IAN、IBP/IBN、ICP/ICN、INP/INN对应A、B、C三相电流和零线电流4对差分信号输入，相当于VN，而VAP、VBP、VCP则对应三路单端电压输入通道，电流和电压通道最大输入电压范围为±0.5V，电压电流通道均有一个可编程放大器，其增益可设置为1、2、4、8或16。

在发明中，电流信号经过精密的电流互感器后由取样电阻网络转换成与之对应的电压信号，电压采样直接经过电阻分压取得，如图5是本发明优选实施例的电流采样图、图6示本发明优选实施例电压采样图，如图5和图6所示的模拟信号输入电路可满足输入电压范围为±0.5V的要求。

三、多通道同步AD采集芯片接口电路

多通道同步AD采集芯片42是一款高精度且具谐波测量功能的ASIC，具有灵活的I²C、SPI和HSDC串行接口。本设计采用I²C+HSDC模式，实现ASIC和ARM通讯，可通过I²C接口实现对ASIC的初始化和获取电压、电流、功率、电能等参数信息，而通过HSDC获取电压电流波形的实时值，并兼容三相三线或三相四线及其他三相配置，测量各相及整个系统的总(基波和谐波)有功、无功、视在功率和基波有功、无功功率，各相均具有系统校准功能，即有效值偏移失调校正、相位校准和增益校准，支持电流互感器和微分电流传感器，提供所有三相及零线电流的波形采样数据，还提供电能质量检测，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。将电压/电流互感器输出的模拟信号转换为数字信号，供给MCU设备主控单元。

为增强系统的抗干扰能力，在AD采集芯片42和MCU设备41之间采用ADuM1401B进行HSDC接口隔离，并采用ADuM1250进行I²C接口隔离。

四、数据存储电路

本系统采用铁电存储器MB85RC64实时保存设置的参数以及现场采集到的各实时数据。MB85RC64是采用先进的高可靠性的铁电材料加工制成的8KB铁电非易失性存储器，擦写次数为1010次，同时掉电后数据可保存10年，且采用标准I²C接口与STM32系列的高速32bitMCU连接。

五、通信接口

为了与其他终端进行实时通讯，以统一管理和控制，故采用STM32系列的高速32bitMCU的UA口外接RSM3485E实现RS485通讯。RS485为常用的工业总线，具有抗干扰能力强、传输距离远的优点，该电表支持标准的MODBUS_RTU通信协议，波特率可调，可将各项电力参数传输到其他监控设备。

针对上述各硬件之间连接关系与作用，下面对本发明的仪表各个硬件之间的执行操作进行描述。

1)谐波检测和分析

多通道同步AD采集芯片能直接提供有功、无功的基波电能和电压电流的实时波形数据，其采集到的波形数据是按8K/S进行刷新的，为此，把STM32系列的高速32bitMCU的SPI接口配置成从模式，以与AD采集芯片的HSDC接口进行通信。STM32系列的高速32bitMCU的通信速率可达18兆位/秒，并可采用DMA方式将数据传输到缓存，确保了实时数据的高速传输，能完全满足实时数据采集的要求。通过对这些实时数据的分析，可得到电压电流的谐波含量、畸变率等信息。通常谐波分析的算法都是采用FFT或DFT算法，但由于栅栏效应和泄漏的存在，以及实际电网中基波频率的波动，很难保证采样的同步以及准确测定各次谐波分量，对此，相关文献中介绍的采用各种窗函数作处理的方法，效果并不理想。而准同步是一种利用软件算法来修正同步误差的方法，对采样周期不要求与信号周期严格同步，只需通过设置适当的采样频率，增加采样的周期数，即可通过算法获得理想的准确度。

准同步采样的第n次递推公式、迭代结果和原始数据关系式及准同步窗函数式如下式所示：

第n次递推公式： ${F_0}^N=(1/\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i)\·\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\·{F_i}^{n-1}$

迭代结果和原始数据关系式：

${F_0}^N=\frac{1}{\underset{i=0}{\overset{n\×N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i}\·\underset{i=0}{\overset{n\×N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i\·f\left(X_i\right)=\frac{1}{N^n}\underset{i=0}{\overset{n\×N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i\·f\left(X_i\right)=\underset{i=0}{\overset{n\×N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i\·f\left(X_i\right)$

准同步窗函数式：

其中，Nⁿ积公式所确定的权系数；η_i为准同步算法的权系数。

准同步算法是充分利用MCU的计算能力，以软件算法对同步误差进行修正的方法。这就要求MCU具有快速的运算能力，而STM32系列的高速32bitMCU的频率最高可达72MHz，且含单周期乘法和硬件除法等资源，完全能满足计算速度和精度的要求。

在本设计中，考虑到电网的频率在一段时间内波动变化的范围较稳定，采用了复化梯形公式，即ρ₀＝ρ_N＝1/2、ρ₁＝ρ_N-1＝1，每周期采样128个点，经三次递推即可满足设计要求。在进行软件编程前先计算出各点的权系数,并将其存入建立的准同步窗函数数组中。

2)三相不平衡度

相不平衡是根据相电压(或电流)计算的，根据国标定义三相电压不平衡度为电压的负序分量均方根值与电压的正序分量均方根值之比：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V_1}{V_2}\×100\%$

${\stackrel{\·}{V}}_1=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{V}}_1+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_2+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_3)$

${\stackrel{\·}{V}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{V}}_1+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_2+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_3)$

公式中α为旋转因子， $\mathrm{\α}=-\frac{1}{2}+j\frac{\sqrt{3}}{2},{\mathrm{\α}}^2=-\frac{1}{2}-j\frac{\sqrt{3}}{2}.$

综上所述，通过本发明优选实施例，通过AD采集芯片采集电压和/或电流的波形数据实时值，微控制单元从AD采集芯片接收电压和/或电流波形数据的实时值，并将处理后的波形数据实时值发送至显示器进行显示，通过微控制单元连接的存储器，存储处理后的波形数据实时值，这样即可以显示当时当刻波形数据，还可以记录一段时间内的波形数据，解决了相关技术中普通单相四路循环显示电流仪表只能显示当时当刻的电流数值，无法对负荷的变化有详实的记录的问题，极大的减轻了工区工作人员的工作量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仪表，其特征在于包括：

模数转化AD采集芯片，用于采集电压和/或电流的波形数据实时值；

微控制单元，与所述AD采集芯片连接和显示器连接，用于从所述AD采集芯片接收电压和/或电流波形数据的实时值，并将处理后的所述波形数据实时值发送至显示器进行显示；

所述显示器，与所述微控制单元连接，用于显示来自所述微控制单元的波形数据实时值；

存储器，与所述微控制单元连接，用于存储处理后的所述波形数据实时值。

2.根据权利要求1所述的仪表，其特征在于，所述仪表还包括：

输入器，与所述微控制单元连接，用于供用户输入时间数据，并将所述时间数据提供给所述微控制单元；

所述微控制单元，与所述输入器连接，还用于根据所述时间数据从所述存储器调取与所述时间数据对应的波形数据实时值，并提供给所述显示器进行显示。

3.根据权利要求1所述的仪表，其特征在于，所述仪表还包括：

互感器，通过接口与所述AD采集芯片连接，用于得到预设范围内的电压和/或电流值。

4.根据权利要求3所述的仪表，其特征在于，所述接口包括：两线式串行总线I²C接口和高速数据捕获HSDC接口；

所述AD采集芯片，用于通过所述I²C接口获取电能参数信息；以及，

所述AD采集芯片，还用于通过所述HSDC接口获取所述电压和/或电流波形数据实时值。

5.根据权利要求3所述的仪表，其特征在于，所述AD采集芯片包括：

模数转换器，用于将所述电压和/或电流值波形数据的实时值由模拟信号转化成数字信号。

6.根据权利要求5所述的仪表，其特征在于，所述微控制单元包括：串行外设接口SPI接口，用于与所述AD采集芯片的HSDC接口连接，其中，所述微控制单元将所述SPI接口配置成从模式，并通过所述HSDC接口获取所述电压和/或电流值波形数据的实时值。

7.根据权利要求6所述的仪表，其特征在于，所述微控制单元还包括：

处理器，用于采用准同步软件算法对所述波形数据实时值的同步误差进行修正；

UA接口，用于与RS485总线连接。

8.根据权利要求7所述的仪表，其特征在于，所述微控制单元通过RS485总线与所述存储器连接，用于通过存储器直接访问的方式存储所述电压/电流值的波形数据实时值。

9.根据权利要求4所述的仪表，其特征在于，所述接口与数字隔离器连接。

10.根据权利要求1所述的仪表，其特征在于，所述存储器为铁电存储器；所述微控制单元为STM32系列的高速32位微控制单元。