CN108414828A - 新型电能计量及电能质量监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型电能计量及电能质量监测装置，包括电压检测电路、电流检测电路、模拟信号调理电路、AD转换电路、数字采样电路、物理层收发电路、控制器电路、存储电路、看门狗电路和电源电路；电源电路供电；电压和电流检测电路检测电压电流信号并通过模拟信号调理电路和AD转换电路上传控制器电路；数字采样电路采样数字信号并通过物理层收发电路上传控制器电路；存储电路存储参数；看门狗电路提供复位信号；控制器电路计量电能和监测电能质量。本发明还提供了所述新型电能计量及电能质量监测装置的监测方法，包括初始化；获取模拟量数字量信号；计量电能，监测电能质量；存储参数。本发明能够同时进行电能计量和电能质量监测。
Description
技术领域
本发明具体涉及有一种新型电能计量及电能质量监测装置及其监测方法。
背景技术
随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。
电能计量是电力系统的重要功能。目前使用的电能量的用电信息采集终端大多采用计量芯片方案，目前计量芯片方案成熟、稳定、成本低，得到了业界广泛的使用。但计量芯片方案也有一定局限性：首先，计量芯片的准确度一般，难以满足更高层次的计量准确度与稳定性要求；其次，计量芯片的灵活性较差，速度较低，难以实现更先进的高端计量算法、现代信号处理等复杂算法；最后，计量芯片的功能单一，一般只有串口通信，没有SPI、USB、I2C、网络等接口也没有大容量的存储容量，不利于传输、存储大流量数据，使得后台也无法执行谐波、闪变、不平衡的电能质量监测分析要求，而传统的具备高精度计量处理能力及复杂电能质量监测功能、且模拟采样与数字采样能力均有的装置复杂度高，器件多，不利于设备小型化发展。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种精度高、容量大、能够同时进行电能计量和电能质量监测且简单可靠的新型电能计量及电能质量监测装置。
本发明的目的之二在于提供一种所述新型电能计量及电能质量监测装置的监测方法。
本发明提供的这种新型电能计量及电能质量监测装置，包括电压检测电路、电流检测电路、模拟信号调理电路、AD转换电路、数字采样电路、物理层收发电路、控制器电路、存储电路、看门狗电路和电源电路；电压检测电路、电流检测电路与模拟信号调理电路连接，模拟信号调理电路、AD转换转换电路和控制器电路依次串接；数字采样电路、物理层收发电路和控制器电路依次串接；存储电路和看门狗电路均与控制器电路连接；电源电路给所述监测装置供电；电压检测电路和电流检测电路用于检测线路的电压和电流信号，并通过模拟信号调理电路进行信号处理后，通过AD转换电路转换为数字信息并上传控制器电路；数字采样电路用于采样线路的数字信号并通过物理层收发电路上传控制器电路；存储电路用于存储所述监测装置的工作参数；看门狗电路用于在所述监测装置异常时给控制器电路提供复位信号；控制器电路用于根据上传的数字信号和模拟信号，进行电能计量和电能质量监测。
所述的电压检测电路为电压互感器检测电路。
所述的电流检测电路为电流互感器检测电路。
所述的模拟信号调理电路为由型号为INA143的差分放大器芯片构成的电路。
所述的AD转换电路为由型号为AD7606的AD转换芯片构成的电路。
所述的物理层收发电路为由型号为KSZ8041的物理层收发器芯片构成的电路。
所述的控制器电路为由型号为TMS320C6748的DSP芯片构成的电路。
所述的存储电路为由型号为FM25V10的存储器芯片和SD卡构成的电路。
所述的看门狗电路为由型号为74LVC1G32的或门芯片和型号为74HC4060的计数器芯片构成的电路。
本发明还提供了一种所述新型电能计量及电能质量监测装置的监测方法，包括如下步骤：
S1.监测装置上电初始化；
S2.获取待监测线路的模拟量采样信号和数字量采样信号；
S3.控制器电路根据获取的模拟量采样信号和数字量采样信号，对电能进行计量；
S4.控制器电路根据获取的模拟量采样信号和数字量采样信号，对电能质量进行监测；
S5.控制器电路将所述监测装置的工作参数存储到存储器电路。
本发明提供的这种新型电能计量及电能质量监测装置及其监测方法，通过简单可靠的电路设计，实现了高精度的电能计量和电能质量监测，而且本发明的监测装置存储空间大，而且简单可靠。
附图说明
图1为本发明的监测装置的功能模块图。
图2为本发明的监测装置的模拟信号调理电路的电路示意图。
图3为本发明的监测装置的AD转换电路的电路示意图。
图4为本发明的监测装置的物理层收发电路的电路示意图。
图5为本发明的监测装置的看门狗电路的电路示意图。
图6为本发明的监测装置的监测方法的方法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的监测装置的功能模块图：本发明提供的这种新型电能计量及电能质量监测装置，包括电压检测电路、电流检测电路、模拟信号调理电路、AD转换电路、数字采样电路、物理层收发电路、控制器电路、存储电路、看门狗电路和电源电路；电压检测电路、电流检测电路与模拟信号调理电路连接，模拟信号调理电路、AD转换转换电路和控制器电路依次串接；数字采样电路、物理层收发电路和控制器电路依次串接；存储电路和看门狗电路均与控制器电路连接；电源电路给所述监测装置供电；电压检测电路和电流检测电路用于检测线路的电压和电流信号，并通过模拟信号调理电路进行信号处理后，通过AD转换电路转换为数字信息并上传控制器电路；数字采样电路用于采样线路的数字信号并通过物理层收发电路上传控制器电路；存储电路用于存储所述监测装置的工作参数；看门狗电路用于在所述监测装置异常时给控制器电路提供复位信号；控制器电路用于根据上传的数字信号和模拟信号，进行电能计量和电能质量监测。
在具体实施时，电压检测电路为电压互感器检测电路；电流检测电路为电流互感器检测电路；模拟信号调理电路为由型号为INA143的差分放大器芯片构成的电路；AD转换电路为由型号为AD7606的AD转换芯片构成的电路；物理层收发电路为由型号为KSZ8041的物理层收发器芯片构成的电路；控制器电路为由型号为TMS320C6748的DSP芯片构成的电路；存储电路为由型号为FM25V10的存储器芯片和SD卡构成的电路；看门狗电路为由型号为74LVC1G32的或门芯片和型号为74HC4060的计数器芯片构成的电路。
如图2所示为本发明的监测装置的模拟信号调理电路的电路示意图：模拟信号调理电路为由型号为INA143的差分放大器芯片构成的电路；图2中展现的仅为一相线路(B相)的电压和电流采样信号的信号调理电路，在具体实施时，一共有四路(包括A相、B相、C相和零线)如图2所示的信号调理电路；可以看到，图中明显分为左半部分和右半部分；其中左半部分为电压信号输入的信号调理电路，右半部分为电流信号输入的信号调理电路。
其中，电压信号调理电路主要是由型号为INA143的差分放大器芯片构成的电路；运放芯片U96的3脚和2脚为差分信号输入引脚，其通过滤波电路连接PT传感器(电压互感器)的输出端，而滤波电路则包括滤波电阻(R244、R245和R247)和滤波电容(C282、C283和C287)；电压互感器的输出端通过电阻R244、R247直接连接差分放大器U96的2脚和3脚，同时电压互感器的输出端之间串接电阻R245；此外差分放大器的2脚和3脚均通过各自的滤波电容C282(C287)接地并滤波，同时差分放大器的2脚和3脚之间还连接滤波电容C283；差分放大器的输出端1脚直接接地，8脚悬空，5脚和6脚则直接短接并作为最终的信号输出引脚，通过电阻R246后输出最终的电压采样信号Ub；由于芯片的差分放大器芯片，因此差分放大器需要正负电源同时供电；从图中可以看到，芯片的7脚为正电源引脚，其连接电源信号+5V(图中标示VCC_5VD)，同时芯片的4脚为负电源引脚，其连接电源信号+5V(图中标示-VCC_5VD)。
同样的，图中的右半部分为B相电流的信号调理电路：电流信号调理电路依然主要是由型号为INA143的差分放大器芯片构成的电路；运放芯片U81的3脚和2脚为差分信号输入引脚，其通过滤波电路连接CT传感器(电流互感器)的输出端，而滤波电路则包括滤波电阻(R256、R257和R259)和滤波电容(C285、C286和C289)；电流互感器的输出端通过电阻R259、R256直接连接差分放大器U81的2脚和3脚，同时电流互感器的输出端之间串接电阻R257；此外差分放大器的2脚和3脚均通过各自的滤波电容C285(C289)接地并滤波，同时差分放大器的2脚和3脚之间还连接滤波电容C286；差分放大器的输出端1脚直接接地，8脚悬空，5脚和6脚则直接短接并作为最终的信号输出引脚，通过电阻R258后输出最终的电流采样信号Ib；由于芯片的差分放大器芯片，因此差分放大器需要正负电源同时供电；从图中可以看到，芯片的7脚为正电源引脚，其连接电源信号+5V(图中标示VCC_5VD)，同时芯片的4脚为负电源引脚，其连接电源信号+5V(图中标示-VCC_5VD)。
如图3所示为本发明的监测装置的AD转换电路的电路示意图：AD转换电路为由型号为AD7606的AD转换芯片构成的电路；芯片U33的43和46引脚为参考地引脚，直接接地；芯片的42、36、39、44和45脚均通过电容(C141、C143、C137和C142)接地，芯片的49、51、53、55、57、59、61和63脚为模拟信号输入引脚，其依次连接电压检测信号中的Ua、Ub、Uc和Ue，以及电流检测信号中的Ia、Ib、Ic和Ie；同时，对应的引脚的参考地引脚(50、52、54、56、58、60、62和64)则直接接地；芯片的24脚通过输出电阻R153连接控制器电路的信号输入引脚并上传转换为数字信号的电压和电流采样信号，同时，芯片的16～22脚、25脚、27～34引脚、3～5脚均直接接地，芯片的6脚和7脚则通过上拉电阻R122连接电源正极，从而得到高电平信号；芯片的10脚～14脚通过各自的电阻(R152～R148)连接控制器电路的SPI总线接口，并获取相应的控制信号(包括复位信号AD_RST，时钟信号AD_SCLK1等)。
如图4所示为本发明的监测装置的物理层收发电路的电路示意图：物理层收发电路为由型号为KSZ8041的物理层收发器芯片构成的电路；芯片KSZ8041组成系统数字采样电路单元，前端的外部合并单元数字采样信号传递到KSZ8041后，KSZ8041能将外部合并单元数字采样信号转换成标准网络协议的数据包传给控制器电路，为系统提供数字采样功能；芯片的1脚～3脚均直接接地，芯片的4脚和5脚短接后连接电源信号V1P8A_LAN3，芯片的6脚连接电源信号V1P8A_OUT_LAN3，芯片的7脚和8脚短接胡连接电源信号V3P3A_LAN3，芯片的9脚～12脚为串口通信引脚，连接采样的数字信号；芯片的13脚直接接地，14脚悬空，18～19脚连接控制器电路并获取控制信号；芯片的20脚～23脚、35和36脚连接控制器电路的通信引脚并进行数据交互。
如图5所示为本发明的监测装置的看门狗电路的电路示意图：看门狗电路为由型号为74LVC1G32的或门芯片和型号为74HC4060的计数器芯片构成的电路；控制器的一路IO信号引脚作为喂狗信号的输出引脚，其输出FeedDog信号，通过电阻R144后通过开关管V6的控制端，开关管V6的动作端一端接地，另一端通过上拉电阻连接5V电源；同时也通过滤波电容C107或连接或门芯片的B输入端，或门芯片的A输入端则通过电容C108连接电源正极，同时也通过电阻R142和二极管V5接地，电阻R142和二极管V5作为电容C108的泄放通道，保证在掉电后电容的积累电荷能够释放，从而保证下一次的看门狗信号的有效性；或门芯片的输出端4脚直接连接计数器芯片的12脚(复位引脚)；计数器芯片的振荡引脚(9～11脚)连接振荡电阻R137、R139和振荡电容C101；计数器芯片的16脚接电源正极，8脚接地，3脚作为技术输出的唯一使用引脚，通过电阻R141和开关管V10构成的电路输出最终的看门狗复位信号BRD_RSTn到控制器电路的复位引脚。程序在正常运行过程中，FeedDog信号每隔20秒中会被拉高一次，拉高时，D15的4脚会输出一个低电平，使D16计数归零，从而使得D16不输出低电平的BRD_RSTn，如果程序异常或系统死机，FeedDog信号每隔20秒中不会被拉高，从而D16就会每隔20秒输出1次低电平，导致系统电源复位重启。
如图6所示为本发明的监测装置的监测方法的方法流程示意图：本发明提供的这种所述新型电能计量及电能质量监测装置的监测方法，包括如下步骤：
S1.监测装置上电初始化；
S2.获取待监测线路的模拟量采样信号和数字量采样信号；
S3.控制器电路根据获取的模拟量采样信号和数字量采样信号，对电能进行计量；
S4.控制器电路根据获取的模拟量采样信号和数字量采样信号，对电能质量进行监测；
S5.控制器电路将所述监测装置的工作参数存储到存储器电路。
Claims (10)
1.一种新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于包括电压检测电路、电流检测电路、模拟信号调理电路、AD转换电路、数字采样电路、物理层收发电路、控制器电路、存储电路、看门狗电路和电源电路；电压检测电路、电流检测电路与模拟信号调理电路连接，模拟信号调理电路、AD转换转换电路和控制器电路依次串接；数字采样电路、物理层收发电路和控制器电路依次串接；存储电路和看门狗电路均与控制器电路连接；电源电路给所述监测装置供电；电压检测电路和电流检测电路用于检测线路的电压和电流信号，并通过模拟信号调理电路进行信号处理后，通过AD转换电路转换为数字信息并上传控制器电路；数字采样电路用于采样线路的数字信号并通过物理层收发电路上传控制器电路；存储电路用于存储所述监测装置的工作参数；看门狗电路用于在所述监测装置异常时给控制器电路提供复位信号；控制器电路用于根据上传的数字信号和模拟信号，进行电能计量和电能质量监测。
2.根据权利要求1所述的新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于所述的电压检测电路为电压互感器检测电路。
3.根据权利要求1所述的新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于所述的电流检测电路为电流互感器检测电路。
4.根据权利要求1所述的新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于所述的模拟信号调理电路为由型号为INA143的差分放大器芯片构成的电路。
5.根据权利要求1所述的新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于所述的AD转换电路为由型号为AD7606的AD转换芯片构成的电路。
6.根据权利要求1所述的新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于所述的物理层收发电路为由型号为KSZ8041的物理层收发器芯片构成的电路。
7.根据权利要求1所述的新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于所述的控制器电路为由型号为TMS320C6748的DSP芯片构成的电路。
8.根据权利要求1所述的新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于所述的存储电路为由型号为FM25V10的存储器芯片和SD卡构成的电路。
9.根据权利要求1所述的新型电能计量及电能质量监测装置，其特征在于所述的看门狗电路为由型号为74LVC1G32的或门芯片和型号为74HC4060的计数器芯片构成的电路。
10.一种权利要求1～9之一所述的新型电能计量及电能质量监测装置的监测方法，包括如下步骤：
S1.监测装置上电初始化；
S2.获取待监测线路的模拟量采样信号和数字量采样信号；
S3.控制器电路根据获取的模拟量采样信号和数字量采样信号，对电能进行计量；
S4.控制器电路根据获取的模拟量采样信号和数字量采样信号，对电能质量进行监测；
S5.控制器电路将所述监测装置的工作参数存储到存储器电路。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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