CN105445545A

CN105445545A - 基于iec62056标准的三相谐波光纤电能表

Info

Publication number: CN105445545A
Application number: CN201510734807.2A
Authority: CN
Inventors: 李宁
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-03-30

Abstract

本发明涉及电力计量技术领域，是一种基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其包括信号采集模块、数字信号处理模块、MCU管理单元、通信模块、电源模块，信号采集模块的信号输出端与数字信号处理模块的信号输入端电连接；数字信号处理模块的信号输出端与MCU管理单元的信号输入端电连接；MCU管理单元的信号输出端与通信模块的信号输入端电连接。本发明结构合理而紧凑，使用方便，其可测量正向、反向基谐波，分相、合相、有功、无功功率以及各相谐波信号幅值、频率、相位差等信息，可记录多种事件，并且可对上述信息与事件进行存储和显示，通过基于IEC62056标准的通信模块实现三相谐波光纤电表与信息集中中心之间的双向通信，进而实现与信息主站之间的双向互动计量。

Description

基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表

技术领域

本发明涉及电力计量技术领域，是一种基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表。

背景技术

近年来，随着我国经济的增长，大量的民用用电设备以及工业级大型的用电设备被使用，给电网带来了大量的污染。其中引入电网的谐波部分已经成为了对电网质量进行评估以及进行电能计量的不可忽视的重要参数。传统方式中采用的常规电能计量芯片，无论在采样率、运算速度，还是在精度上均难以满足现今需求。同时，针对三相电谐波信号的算法正层出不穷，准确度更高，嵌入式更易于实现的算法，越来越被人们所接受。因此新的三相谐波电能表的设计正处于极快的发展状态。IEC62056标准是国际上唯一的关于电能测量、抄表、费率与负荷控制的数据交换标准，该标准致力于面向对象的方式，通过不断完善与发展，IEC62056标准已相继被国际著名制造商采用，然而作为国际上较为先进成熟的标准，IEC62056标准在国内仍然很少被使用，考虑到其诸多优点，IEC62056标准的应用将会是一个重要的课题。近些年，电力计量系统对现代通信技术的依赖程度越来越高，通信技术一直是行业的研究重点之一。当前，我国市场上应用较为普遍的传输方式主要包括RS485、低压电力线载波通信技术PLC(ProgrammableLogicController，可编程控制器)、无线通信以及光纤通信这几种。其中RS485现场布线较为复杂，PLC方式由于高衰减、低阻抗、谐波干扰等原因信息传输准确性较差，无线通信传输又速率普遍较慢，因此具有传输速率快、传输距离长以及抗干扰能力强等优点的光纤通讯方式很适合应用于电力计量系统之中。

发明内容

本发明提供了一种基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有电能计量芯片存在的采样率、运算速度、精度上难以满足需求的问题，以及现有传输方式中RS485现场布线较为复杂，PLC方式由于高衰减、低阻抗、谐波干扰等原因信息传输准确性较差，无线通信传输速率普遍较慢的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，包括信号采集模块、数字信号处理模块、MCU(MainComputationalUnit，主要计算部件)管理单元、通信模块、电源模块，信号采集模块的信号输出端与数字信号处理模块的信号输入端电连接；数字信号处理模块的信号输出端与MCU管理单元的信号输入端电连接；MCU管理单元的信号输出端与通信模块的信号输入端电连接；信号采集模块、数字信号处理模块、MCU管理单元、通信模块分别与电源模块电连接。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述信号采集模块包括电压采样电路、电流采样电路、模数转换电路，电压采样电路的输出端与模数转换电路的第一输入端电连接，电流采样电路的输出端与模数转换电路的第二输入端电连接，模数转换电路的输出端与数字信号处理模块的输入端电连接。

上述数字信号处理模块包括数据处理芯片DSP(digitalsignalprocessing，数字信号处理)，数据处理芯片DSP包括EMIFB(ExternalMemoryInterfaceB，B类外部存储器接口)模块和MCBSB模块，EMIFB模块外扩有SDRAM(SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步动态随机存储器)，EMIFB模块外接串行Flash(快闪式存储器)芯片。

上述MCU管理单元包括：能够接收来自数据处理芯片DSP的数据的MCU模块；能够将接收到的数据显示出来的LCD(LiquidCrystalDisplay，液晶显示器)显示器；能够向MCU模块输入指令的键盘；能够实现数据的外部读写的USB(UniversalSerialBus，通用串行总线)模块；能够存储参数信息和保存内部数据的EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，电可擦可编程只读存储器)。

上述通信模块为光纤通信模块。

本发明结构合理而紧凑，使用方便，其采用了信号采集模块+数字信号处理模块+MCU管理单元+通信模块的架构，可测量正向、反向基谐波，分相、合相、有功、无功功率以及各相谐波信号幅值、频率、相位差等信息，可记录多种事件，并且可对上述信息与事件进行存储和显示，通过基于IEC62056标准的通信模块实现三相谐波光纤电表与信息集中中心之间的双向通信，进而实现与信息主站之间的双向互动计量，克服了RS485现场布线较为复杂，PLC方式由于高衰减、低阻抗、谐波干扰等原因信息传输准确性较差，无线通信传输又速率普遍较慢的问题，具有安全、省力、简便、高效的特点。

附图说明

附图1为本发明最佳实施例的结构框图。

附图2为本发明最佳实施例中数字信号处理模块的算法流程图。

附图3为本发明最佳实施例中A相电压调理电路图。

附图4为本发明最佳实施例中A相电流调理电路图。

附图5为本发明最佳实施例中采样模块的电路图。

附图6为本发明最佳实施例中数据处理芯片DSP的电路图。

附图7为本发明最佳实施例中SDRAM的接口电路图。

附图8为本发明最佳实施例中串行Flash芯片的接口电路图。

附图9为本发明最佳实施例中LCD显示器的电路图。

附图10为本发明最佳实施例中USB模块的接口电路图。

附图11为本发明最佳实施例中EEPROM的电路图。

附图12为本发明最佳实施例中光纤通信模块的电路图。

附图中的编码分别为：1为信号采集模块，2为数字信号处理模块，3为MCU管理单元，4为通信模块，5为电压采样电路，6为电流采样电路，7为模数转换电路，8为数据处理芯片DSP，9为SDRAM，10为串行Flash芯片，11为MCU模块，12为LCD显示器，13为键盘，14为USB模块，15为EEPROM，I为三相电流，U为三相电压。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1所示，该基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表包括信号采集模块1、数字信号处理模块2、MCU管理单元3、通信模块4、电源模块，信号采集模块1的信号输出端与数字信号处理模块2的信号输入端电连接；数字信号处理模块2的信号输出端与MCU管理单元3的信号输入端电连接；MCU管理单元3的信号输出端与通信模块4的信号输入端电连接；信号采集模块1、数字信号处理模块2、MCU管理单元3、通信模块4分别与电源模块电连接。本发明采用了信号采集模块+数字信号处理模块+MCU管理单元+通信模块的架构，可测量正向、反向基谐波，分相、合相、有功、无功功率以及各相谐波信号幅值、频率、相位差等信息，可记录多种事件，并且可对上述信息与事件进行存储和显示，通过基于IEC62056标准的通信模块4实现三相谐波光纤电表与信息集中中心之间的双向通信，进而实现与信息主站之间的双向互动计量，克服了RS485现场布线较为复杂，PLC方式由于高衰减、低阻抗、谐波干扰等原因信息传输准确性较差，无线通信传输又速率普遍较慢的问题。

可根据实际需要，对上述基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表作进一步优化或/和改进：

如附图1所示，上述信号采集模块1包括电压采样电路5、电流采样电路6、模数转换电路7，电压采样电路5的输出端与模数转换电路7的第一输入端电连接，电流采样电路6的输出端与模数转换电路7的第二输入端电连接，模数转换电路7的输出端与数字信号处理模块2的输入端电连接。信号采集模块1主要包括电压采样电路5、电流采样电路6、模数转换电路7三部分，其中信号采集模块1的采样芯片使用了一款6通道16位的高速度、高精度同步模数转换芯片ADS8556，电压采样电路5、电流采样电路6的组成包括限流电阻、采样电阻、高精度电压互感器、高精度电流互感器、运算放大器、限幅二极管、低通滤波器，通过信号采集模块1可实现三相电信号的精确采样和转化。

如附图1所示，上述数字信号处理模块2包括数据处理芯片DSP8，数据处理芯片DSP8包括EMIFB模块和MCBSB模块，EMIFB模块外扩有SDRAM9，EMIFB模块外接串行Flash芯片10。数字信号处理模块2主要包括数据处理芯片DSP8，型号为TMS320C6745浮点型DSP，数据处理芯片DSP8具有MCBSP模块，可实现与信号采集模块1、MCU管理单元3的SPI通讯，实现方式较为简单。数据处理芯片DSP8具有极强的数字运算能力，可在极短时间内执行大量的数据运算，通过数据处理芯片DSP8的EMIFB模块可外扩出SDRAM9，同时外接串行Flash芯片10，分别用于对运算数据以及程序进行存储。同时，本发明设计，采用了基于K-N互卷积窗的双谱线插值FFT谐波分析算法，通过该算法可有效克服基波频率波动与白噪声对谐波分析产生的影响，且在对测试信号进行非整数周期截断的情况下，对信号的基波与各次谐波的相位检测相对误差均<5×10^-5％，幅值检测相对误差均<9×10^-9％。进而可实现信号各个参数的的准确测量。

如附图1所示，上述MCU管理单元3包括：能够接收来自数据处理芯片DSP8的数据的MCU模块11；能够将接收到的数据显示出来的LCD显示器12；能够向MCU模块11输入指令的键盘13；能够实现数据的外部读写的USB模块14；能够存储参数信息和保存内部数据的EEPROM15。基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表的MCU管理单元3的核心管理芯片采用MK60DN512VLQ10，负责接收来自数据处理芯片DSP8的数据，将数据在三相谐波电能表的LCD显示器12上显示出来，并且可通过基于IEC62056通信协议的光纤通信方式将数据发送给主站，同时也可接受主站发来的指令；另外，MCU管理单元3扩展了按键模块接入芯片通用IO口，可通过键盘13编写终端服务程序，实时响应用户按键操作；USB模块14可以实现数据的外部读取，可以将数据读入到U盘内部；EEPROM15可以存储各种参数信息，一边内部保存数据。

如附图1所示，上述通信模块4为光纤通信模块。光纤具有通信容量大、传输距离远、信号干扰小、保密性能好的特点。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

本发明最佳实施例的使用过程：

作为数据处理的核心的数据处理芯片DSP8会接收来自信号采集模块1采样得到的数字信号，然后通过数据处理芯片DSP8内部的基于K-N互卷积窗的双谱线插值FFT谐波分析算法求出采样信号的幅值A、频率f和相位角φ，如附图2所示，可按照下述步骤执行：

步骤101，信号截取得到采样序列；

步骤102，采用K-N互卷积窗加权处理，获得新序列；

步骤103，进行离散傅里叶变换，得到离散频谱X(k)；

步骤104，找到最大谱线K1以及次大谱线K2；

步骤105，计算比值系数β和α；

步骤106，由频谱函数可得α关于β的函数α＝g(β)；

步骤107，通过最小二乘法就出α；

步骤108，通过α求出第h次谐波的频率f_h、幅值A_h、相位角φ_h。

具体为：

首先，选取采样长度N和采样频率f_s，对采样离散信号进行截取，得到采样序列，采用K-N互卷积窗对序列加权处理，获得新序列；

然后，对其进行离散傅里叶变换得到离散频谱找到离散频谱中频率f_N峰值点k附近的幅度最大谱线k₁及次大谱线k₂，相应的频谱幅度分别为│X_w(k₁)│和│X_w(k₂)│，同时，规定如下参数α＝k-k₁-0.5，即α取值范围[-0.5,0.5]，由X_w(k)的表达式可得

β = \frac{| W_{K N} (\frac{2 π (- α + 0.5)}{N}) | - | W_{K N} (\frac{2 π (- α - 0.5)}{N}) |}{| W_{K N} (\frac{2 π (- α + 0.5)}{N}) | + | W_{K N} (\frac{2 π (- α - 0.5)}{N}) |};

最后，用最小二乘多项式逼近法计算出α的值，进而得到第h次谐波频率f_h＝k_hΔf＝(α+k_h1+0.5)Δf，式中，Δf＝fs/N为频率分辨率，第h次谐波的幅值

A_{h} = 2 y_{1} / | W_{K N} (\frac{2 π (- α - 0.5)}{N}) |,

第h次谐波的相位至此，已完成整个算法计算过程。

如附图3所示，该基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其三相电压、电流采样采用了高精度电压互感器和高精度电流互感器，并采用I-V转换电路的方式。具体如附图3、4所示。其中附图3和附图4分别是三相电中A相的电压、电流调理电路中R4和R5将电压信号转化为电流信号；PT为2mA/2mA的电流型电压互感器；PT二次侧电流信号经过I-V转换电路，其中并联R1和C2是为了对其相位进行补偿；C4、C5、R6构成了低通滤波器器，能有效滤除采样信号中的高频部分，减少频谱混叠；D1与D2的作用是为了防止互感器二次侧某些高频信号经线圈后产生大电压，当电压大于D1与D2导通电压时，D1或D2导通，起到嵌位保护的作用。附图4为电流信号调理电路，其工作原理与附图3基本一致。B、C两相电压、电流的信号调理电路与该电路参数一致。

如附图5所示，经过信号调理后的三相电电压、电流信号通过ADC进行采样，由数据处理芯片DSP控制ADC的采样率。本发明通过数据处理芯片DSP将ADC的HW/SW脚置为高电平，使之工作在软件模式。芯片的CONVST_A、CONVST_B、CONVST_C三个引脚并联，而后与DSP的PWM输出端相连。

如附图6、7、8所示，数字信号处理模块中核心芯片采用浮点型数据处理芯片DSP，型号为TMS320C6745。附图6为该芯片的最小系统电路图，包括MAX708S构成的电源管理和复位电路，时钟电路采用有源晶振，JTAG电路以及滤波电路。外扩SDRAM选用MT48LC16M16A2芯片，电路连接如附图7所示。外接Flash选用SST25F016B芯片，电路连接如附图8所示。两者与数据处理芯片DSP之间均通过SPI的方式进行通信。

如附图9、10、11所示，MCU管理单元的核心管理芯片采用MK60DN512VLQ10芯片，整个管理单元的主要功能模块包括LCD显示器、USB模块以及EEPRPM存储电路构成。其中LCD显示器采用串口传输方式，通过MK60DN512VLQ10的UART口与LCD通信。MK60DN512VLQ10支持USB2.0接口的OTG功能，使得2个USB外设可在脱离PC的情况直接传输数据，附图10为其接口电路图，电源开关芯片MIC2026可在使用OTG功能时对外提供5V电压。

如附图12所示，光纤通信模块主要由IEC62056标准协议栈、通信端口、应用进程模块以及逻辑设备单元组成。设计中光纤通讯协议参照IEC62056标准，包括对系统主站端通信的物理设备驱动、逻辑连接管理、应用层编解码以及数据链路层帧的组装和解析，构成主站标准通讯接口；通讯端口部分提供谐波表光纤用于通讯的物理介质或通讯方式的驱动，提供通信信道；应用进程模块通过对逻辑单元中各逻辑设备的协调来完成三相谐波电能表的数据管理、事件报告以及管理工作。同时通过对通讯协议栈的调度来管理电能表以及主站；IEC6256标准协议中，逻辑设备单元由若干个逻辑设备组成，各逻辑设备又由若干个COMSEM接口类对象组成，通过若干不同的COSEM对象相互配合来完成某个特定的功能。

Claims

1.一种基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于包括信号采集模块、数字信号处理模块、MCU管理单元、通信模块、电源模块，信号采集模块的信号输出端与数字信号处理模块的信号输入端电连接；数字信号处理模块的信号输出端与MCU管理单元的信号输入端电连接；MCU管理单元的信号输出端与通信模块的信号输入端电连接；信号采集模块、数字信号处理模块、MCU管理单元、通信模块分别与电源模块电连接。

2.根据权利要求1所述的基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于信号采集模块包括电压采样电路、电流采样电路、模数转换电路，电压采样电路的输出端与模数转换电路的第一输入端电连接，电流采样电路的输出端与模数转换电路的第二输入端电连接，模数转换电路的输出端与数字信号处理模块的输入端电连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于数字信号处理模块包括数据处理芯片DSP，数据处理芯片DSP包括EMIFB模块和MCBSB模块，EMIFB模块外扩有SDRAM，EMIFB模块外接串行Flash芯片。

4.根据权利要求1或2所述的基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于MCU管理单元包括：能够接收来自数据处理芯片DSP的数据的MCU模块；能够将接收到的数据显示出来的LCD显示器；能够向MCU模块输入指令的键盘；能够实现数据的外部读写的USB模块；能够存储参数信息和保存内部数据的EEPROM。

5.根据权利要求3所述的基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于MCU管理单元包括：能够接收来自数据处理芯片DSP的数据的MCU模块；能够将接收到的数据显示出来的LCD显示器；能够向MCU模块输入指令的键盘；能够实现数据的外部读写的USB模块；能够存储参数信息和保存内部数据的EEPROM。

6.根据权利要求1或2所述的基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于通信模块为光纤通信模块。

7.根据权利要求3所述的基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于通信模块为光纤通信模块。

8.根据权利要求4所述的基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于通信模块为光纤通信模块。

9.根据权利要求5所述的基于IEC62056标准的三相谐波光纤电能表，其特征在于通信模块为光纤通信模块。