CN1156254A - 峰谷计量电子式电能表 - Google Patents

Abstract

峰谷计量电子式电能表是对工业用电三相四线制用户的用电量进行连续计量、分时段存贮、显示的仪器，仪器主要由电压互感器和电流互感器(1)；信号跟随与保持器(2)；时钟、贮存器(3)；12位LED显示器(4)；单片机部分及A/D采样器(5)；多路模拟信号转换开关(6)；键盘(7)；电平比较与数据封锁部分(8)等组成。该发明成本低，耗电量少，计量精度不受安装方式限制，精度高，体积小，重量轻，计量结果可与计算机通讯。

Description

峰谷计量电子式电能表

本发明属于对工业用电三相四线制用户的用电量进行连续计量，按峰、平、谷时段分时记录的电子式电能表。

目前，我国根据国际发达国家电网管理的经验，为鼓励用户在电网用电低谷时用电，惩罚其在电网用电高峰时用电，正推行执行按电网供电的峰、平、谷时段收取电费的标准，目前许多厂家开发的复费率电能表，是在原来感应式机械电能表的基础上，加上单片机定时和记录部分，以原有的机械表头进行计量。这样，电表体积大，耗电量高，其致命弱点是不能克服感应式电表对安装垂直度的要求。

本发明的目的在于设计一种成本低、精度高、耗电量小、体积小，计量精度不受安装方式限制，可分时显示或对外接计算机输出峰、平、谷时段的用电量及最大需量的电能表。

本发明的特征是由电压互感器与电流互感器1，信号跟随与保持器2、时钟、贮存器3、12位LED显示器4、单片机部分及A/D采样器5、多路模拟信号转换开关6、键盘7、电平比较与数据封锁部分8等组成的。其连接关系是：电压互感器PTA、PTB、PTC的a1、b1、c1端分别与三相四线制供电电网的“零”线相连，a2、b2、c2端分别与A、B、C相线相连，电流互感器LHA、LHB、LHC的La1、Lb1、Lc1端分别与A、B、C相相连，La2、Lb2、Lc2端出线至用户，电压互感器的fa1、fb1、fc1端分别与模拟地G1相连，fa2、fb2、fc2端分别通过可调电位器RW1、RW2、RW3与模拟地G1相连，可调电位器RW1、RW2、RW3的中间出头分别与多路模拟信号转换开关6的X0、X1、X2相连，电流互感器的n1、n2、n3端分别与模拟地G1相连，L1、L2、L3端分别与可调电位器RW4、RW5、RW6的一端相连，另一端悬空，可调电位器RW4、RW5、RW6中间出头分别与多路模拟信号转换开关6的y0、y1、y2相连，多路模拟信号转换开关6的信号输出端Xt、yt分别与信号跟随与保持部分2的i1、i2相连，其E、F端分别与单片机5的HO0、HO1相连，信号跟随与保持部分2的S1端与单片机5的HO2相连，其输出端O1、O2、O3、O4分别与单片机5的AH4，AH5，AH6，AH7相连，时钟、贮存器3的D0～D7与单片机5的P30～P37相连，Cs端与电平比较和数据封锁部分8的P2端相连，VD通过二极管D1与+5V相连，通过二极管D2和R1并联后与备用电池“+”相连，Vs端与数字地G2和备用电池“-”相连，LED显示器4的IS1、IS2分别与单片机OUTA、OUTB相连以显示十进制数，LD1～LD12分别与单片机部分5的S0～S12相连，以实现12位LED显示器的位选，键盘7与单片机5的连接关系是：键盘7的KE0～KE8与单片机部分5的K0～K8相连，可以键入时间，时段等初始数，该键盘在正常工作时可撤除。电平比较与数据封锁部分8与单片机部分5的连接关系为：8的P1、P3端分别与5的HSI1，YO1端相连，8的V1端接+5V，G端接数字地G2，单片机通过HSI2端与外接“运行/中断”按键相连，通过HSI3端与外接“读数”按键相连，图2给出了信号跟随与保持器2的内部连接关系：i1与信号跟随器MC1的正相输入端b1相连，MC1的负相输入端a2与输出端C1相连，i2与信号跟随器MC2的正相输入端b1相连，MC2的负相输入端b2与输出端c2相连，MC1，MC2的供电电压为±12V，跟随器MC1的输出端C1与保持器MC3的输入端d1相连，MC2的输出端C2与保持器MC4的输入端d2相连，保持器MC3，号转换开关6的X0、X1、X2相连，MC4的控制端P1、P2都与S1端相连，MC3的输出端e1与放大器MC5A、MC5B的正相输入端相连，MC4的输出端e2与放大器MC6A，MC6B的正相输入端相连。电阻R1，R2将5V的参考电压进行分压，使A点的电压为2.5V。A点通过电阻R3与MC5A的负相输入端相连，通过电阻R7与MC6A的负相输入端相连。数字地G2通过电阻R5与MC5B的负相输入端相连，通过电阻R9与MC6B的负相输入端相连，放大器MC5A的输出端f1通过电阻R4与负相输入端相连，通过电阻R11、R12后至输出端O4，放大器MC5B的输出端f2通过电阻R6与负相输入端相连，通过电阻R13、R14至输出端O3，放大器MC6A的输出端f3通过电阻R8与负相端相连，通过电阻R15、R16至输出端O2，放大器MC6B的输出端f4通过电阻R10与负相端相连，通过电阻R17、R18至输出端O1。二极管D1、D3、D5、D7的N结分别与+5V电源相连，P结分别连到H1、H2、H3、H4点，保证H1、H2、H3、H4点电压不超过+5.2V，二极管D2、D4、D6、D8的P结分别与数字地G2相连，N结分别连到H1、H2、H3、H4点保证H1、H2、H3、H4点电压不低于-0.2V。

本发明的优点是：精度高、成本低、耗电量小、体积小、重量轻，能够替代现有的感应式电表表头作为计量单元的电能表，是一种安装方便、数据输出方便、可与计算机通讯的智能型仪器。

附图说明：图1是本发明的原理方框图，图2是图1中的信号跟随与保持器2的连接关系图，图1中1为电压互感器与电流互感器，2为信号跟随与保持器，3为时钟、存贮器，4为12位LED显示器，5为单片机部分及A/D采样器，6为多路模拟信号转换开关，7为键盘，8为电平比较及数据封锁部分。

下面对本发明的工作原理及过程结合附图进行说明：工作前，首先将A、B、C三相电压与电压互感器PTA、PTB、PTC接通，A、B、C三相线分别经过电流互感器LHA、LHB、LHC后至用户，调整电位器RW1～RW6，使电压互感器和电流互感器输出信号规范化后送至X0、X1、X2和y0、y1、y2。开机后，单片机首先读日历/时钟芯片内容，判断当前时钟值在哪一个时段内，如在“峰”时段内，则将LED显示器前6位显示“峰”时段当前电能值，同时“峰”指示发光二极管点亮，LED显示器部分4由12个LED显示器及4个发光二极管组成，4个发光二极管分别指示当前显示的电能值为总、峰、平、谷各时段的某一个值，12位LED显示器前6位显示有关电能参数，后6位显示当前时钟，然后，单片机通过改变HO0、HO1两位的输出电平状态，使模拟开关6将A相电压和电流互感器输出的信号送至跟随与保持器2的i1和i2端，电压互感器、  电流互感器输出信号经RW1～RW6电位器调节后直接送多路模拟转换开关的输入端x0、x1、x2、y0、y1、y2，该两路信号分别经跟随器和保持器后被送至放大器MC5A、MC5B和MC6A、MC6B。放大器的参数设定使得输入信号i1、i2与输出信号O1～O4关系为：当0≤il≤2.5时，0≤O3≤5.0V，O4＝0；当2.5≤i1≤5V时，O3＝5.0V，0≤O4≤5.0V；当0≤i2≤2.5V时，0≤O1≤5V，O2＝0V；当2.5≤i2≤5.0V时，O1＝5V，0≤O2≤5V，信号经放大器后，由O1～O4输出到A/D采样器的AH4～AH7端，单片机通过HO2端发出信号同时打开MC3，MC4两保持器，使i1、i2两路信号同时保持下来，然后启动A/D转换将AH4～AH7四路信号转化成数字量，(AH4)+(AH5)为电流转化值，(AH6)+(AH7)为电压转化值，将电压、电流转化值进行乘法运算，得出该相瞬时功率，对该相电压，电流信号每隔3ms采样计算一次，连续采样20次，(即50HZ交流电的3个供电图波)，得出20个瞬时功率Pi(i＝1，2，...，20)，取平均功率P＝1/20(P1+P2+.....+P20)，得出该相用户在这60ms内的平均功率值并记录下来，然后单片机向HO0、HO1端发信号使模拟开关选通B相再进行采样计算，重复以上步骤，直至A、B、C三相采样完后，单片机又指示模拟开关选通A相电压和电流采样计算，仪器以此工作下去。单片机选通同一相线的间隔时间为180ms，因此，单片机将A、B、C三相在3个周波(180ms)内平均功率进行累加，作为用户在180ms内的平均功率，进行积分运算。所得出的结果即为A，B，C三相在这180ms内的电能值，将该电能值存到相应的时段贮存单元里去。

单片机每隔1分钟由程序设定判断1次当前时间所对应的时段，如果时段发生变化，则单片机将新的时段电能存贮单元的首地址送专用寄存器CX，并将新的时段的电能值调至LED显示器前6位显示。单片机每分钟末中断执行一次电能值比较程序，将当前时间T0到(T0-15)分钟内的电能值与从(T0-1)到(T0-16)分钟内的电能值进行比较，将较大者存入最大需量贮存单元中，并记录下发生时间，这样，到月底就可以通过显示或通讯，获得最大需量和最大需量发生时间。单片机在每月末24点整将整个月的峰、平、谷、总电能值分别存贮起来以利于供、用电部门查看一个月的用电情况。

该电能表上设置的“运行/中断”按钮，与单片机HSI2相连，当按一下该键后，正常运行的单片机将执行HSI2中断服务程序，此时键盘7可以工作，修改日历时钟，键入峰、平、谷各时段起始时间，(最多可达16时段)。各数键入时，同时可在显示器上显示出来，待数输入完确认无误后，再按一次“运行/中断”键，单片机恢复正常检测运行。在正常情况下，该表前6位LED显示器只显示当前时段的电能值，后6位显示当前时钟，该表上设有“读数”键，当按下读数键后，LED显示器前6位将按顺序显示下列信息：1.上月总电量；2.上月峰电量；3上月平电量；4、上月谷电量；5.上月最大需量  6.上月最大需量发生时间(时、分)；7.当前总电量；8.当前峰电量；9.当前平电量；10.当前谷电量；11.当月最大需量；12.当月最大需量发生时间。读该数时，每按一下“读数”键，显示信息改变一次，直至12个参数全部显示完后，重新恢复正常显示。如果有外接微机，则通过RS-232口中断，也可按上列顺序获取以上参数。

在正常工作中，该仪表用电网的电源作动力，通过一变压器后，整流、稳压，产生+5V电压作为该表电源。如果+5V电源下降到+4.5V以下，由电平比较和数据封锁部分(8)判断出来，使其P2端产生一封锁信号，禁止往贮存器3中写入数据，防止单片机在不可靠工作下数据改写。同时，8中的P1端向单片机的HSI1发中断申请，请求单片机停止正常工作，进入等待状态。同样，在上电瞬间，在单片机电源电压没有上升到4.5V以上时，都禁止向贮存器写入数据，这样有效地防止断电、上电瞬间单片机和其它外围电路工作不正常情况下改写贮存器数据，实现了数据封锁的目的，在断电后，存贮器3由备用电池供电，  维持内部时钟工作和贮存器数据不丢失。

本发明中，单片机部分5由8098，CD4515，27C64，82C79，74HC373等芯片组成，日历/时钟、贮存器芯片为MC146818，多路模拟信号转换开关为CD4052。

Claims (5)

1、一种对工业用电三相四线制用户的电能连续计量、分时段贮存的峰谷计量电子式电能表，其特征是由电压互感器与电流互感器(1)，信号跟随与保持器(2)，时钟、贮存器(3)，12位LED显示器(4)，单片机部分及A/D采样器(5)，多路模拟信号转换开关(6)，键盘(7)，电平比较与数据封锁部分(8)等组成，电压互感器输出信号端fa2、fb2、fc2经可调电位器RW1、RW2、RW3后接地，电位器RW1、RW2、RW3的中间抽头分别与多路模拟信号转换开关(6)的X0、X1、X2相连，由单片机选通某一路送至Xt，经电压跟随与保持器(2)后从O3、O4端输出至A/D采样器AH6、AH7端，电流互感器输出信号L1、L2、L3端经可调电位器RW4、RW5、RW6后一端悬空，其中间抽头与多路模拟信号转换开关(6)的y0、y1、y2相连，由单片机选通某一路(与电压互感器相位一致)送至yt，经电压跟随与保持器(2)后从O1，O2端输出至A/D采样器AH4、AH5端，时钟、贮存器(3)的D0～D7与单片机(5)的P30～P37相连，Cs端与电平比较和数据封锁部分(8)的P2端相连。VD通过二极管D1与+5V相连，通过二极管D2和R1并联后与备用电池″+″相连，Vs端与数字地G2和备用电池″-″相连，LED显示器(4)的IS1、IS2分别与单片机OUTA、OUTB相连以显示十进制数和点亮某一发光管，LD1～LD12分别与单片机部分5的S0～S12相连，以实现12位LED显示器的位选，键盘7与单片机5的连接关系是，键盘7的KE0～KE8与单片机部分5的K0～K8相连，可以键入时间，时段等初始数，该键盘在正常工作时可撤除，电平比较与数据封锁部分(8)与单片机部分(5)的连接关系为：(8)的P1、P3端分别与(5)的HSI1，YO1端相连，(8)的V1端接+5V，G端接数字地G2，单片机通过HSI2端与外接“运行/中断”按键相连，通过HSI3端与外接“读数”按键相连。

2、根据权利要求1所述的峰谷计量电子式电能表，其特征在于LED显示器(4)由12位LED显示器及4个发光二极管组成，4个发光二极管分别指示当前显示的电能值为总、峰、平、谷各时段的某一个值，12位LED显示器前6位显示有关电能参数，后6位显示当前时钟。

3、根据权利要求1所述的峰谷计量电子式电能表，其特征在于信号跟随与保持器(2)由信号跟随部分MC1、MC2，信号保持部分MC3、MC4，信号放大部分MC5A、MC5B、MC6A、MC6B及电阻R1～R18，二极管D1～D8组成，其连接关系为：i1与信号跟随器MC1的正相输入端b1相连，MC1的负相输入端a2与输出端C1相连，i2与信号跟随器MC2的正相输入端b1相连，MC2的负相输入端b2与输出端c2相连，MC1，MC2的供电电压为±12V，跟随器MC1的输出端C1与保持器MC3的输入端d1相连，MC2的输出端C2与保持器MC4的输入端d2相连，保持器MC3，MC4的控制端P1、P2都与S1端相连，MC3的输出端e1与放大器MC5A，MC5B的正相输入端相连，MC4的输出端e2与放大器MC6A，MC6B的正相输入端相连。电阻R1，R2将5V的参考电压进行分压，使A点的电压为2.5V。A点通过电阻R3与MC5A的负相输入端相连，通过电阻R7与MC6A的负相输入端相连。数字地G2通过电阻R5与MC5B的负相输入端相连，通过电阻R9与MC6B的负相输入端相连，放大器MC5A的输出端f1通过电阻R4与负相输入端相连，通过电阻R11、R12后至输出端O4，放大器MC5B的输出端f2通过电阻R6与负相输入端相连，通过电阻R13、R14至输出端O3，放大器MC6A的输出端f3通过电阻R8与负相端相连，通过电阻R15、R16至输出端O2，放大器MC6B的输出端f4通过电阻R10与负相端相连，通过电阻R17、R18至输出端O1，二极管D1、D3、D5、D7的N结分别与+5V电源相连，P结分别连到H1、H2、H3、H4点，保证H1、H2、H3、H4点电压不超过+5.2V，二极管D2、D4、D6、D8的P结分别与数字地G2相连，N结分别连到H1、H2、H3、H4点保证H1、H2、H3、H4点电压不低于-0.2V。

4、根据权利要求1所述的峰谷计量电子式电能表，其特征在于电平比较与数据封锁部分(8)的P1端与单片机部分(5)的HSI1端相连，可由HSI1端申请中断，实行数据封锁，时钟、贮存器可用MC146818芯片。

5、根据权利要求1所述的峰谷计量电子式电能表，其特征在于单片机应用部分(5)，可由8098、27C64、82C79、CD4515等芯片组成，多路模拟转换开关可用CD4052芯片。

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