CN201060235Y - 电能计量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种电能计量装置，包括：输入电压信号的电压信号输入端，输入电流信号的电流信号输入端，对电压信号进行电压等级变换的电压互感器，对电流信号进行电平变换的电流互感器，对电压信号进行整形、滤波和电气隔离的第一电平变换电路，对电流信号进行整流、滤波和电气隔离的第二电平变换电路，对电压信号和电流信号进行实时采集、存储、分析和运算的电能测量芯片，控制数据的逻辑运算、传输、通讯和存储的微控制器，存储数据的存储器和显示数据的液晶显示屏，其中电压信号输入端和电流信号输入端分别通过电压互感器与第一电平变换电路和电流互感器与第二电平变换电路连接到电能测量芯片，微控制器与电能测量芯片、存储器和液晶显示屏相连接。

Description

电能计量装置

技术领域

本实用新型涉及到一种电能计量装置，尤其是一种安装在电力机车、电动车组上的轨道机车专用电能计量装置。

背景技术

电力机车、电动车组上所用的电能计量装置主要是用于计量轨道交通设备牵引运行时所消耗的电能，以及再生制动时所回馈的电能，作为供电部门对运输部门的用电考核依据，以及运输成本核算的依据。

较早前的电能计量装置主要是电动式计量仪表，从其机械性能和电气性能来说技术比较落后，功能比较简单，可靠性和计量精度较差。近年来，随着电子技术的发展和应用，出现了电子式电能计量装置，应用在电力机车或电动车组的供电系统中，主要采用数码管显示，功能上来说高于电动式计量仪表，但综合性能还不能满足轨道交通技术发展的需要，智能化程度不高。在欧洲的电力机车技术发展上，也是采用电子式电能计量装置来实现轨道设备的电能计量，比如ALSTOM公司采用LEM公司的系列产品来实现多流制机车的电能计量，但从其性能指标来说还存在不足之处，比如显示上没有背光功能，可视性差等。

本设计基于单片机技术和液晶显示技术的成熟应用，结合国内外电力机车和电动车组电能计量装置的技术现状而研制出来的，适合于电力机车和电动车组上使用的新型的电子式电能计量装置。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种采用液晶屏显示的、专用芯片控制的、低温特性良好的电能计量装置。

为此，本实用新型的电力机车或电动车组用电能计量装置，包括：一输入电压信号的电压信号输入端、一输入电流信号的流信号输入端、一对电压信号进行电压等级变换的电压互感器、一对电流信号进行电平变换的电流互感器、一对电压信号进行整形、滤波和电气隔离的第一电平变换电路、一对电流信号进行整流、滤波和电气隔离的第二电平变换电路、一对电压信号和电流信号进行实时采集、存储、分析和运算的电能测量芯片，一控制数据的逻辑运算、传输、通讯和存储的微控制器，一存储数据的存储器和一显示数据的液晶显示屏，其中电压信号输入端和电流信号输入端分别通过电压互感器与第一电平变换电路和电流互感器与第二电平变换电路连接到电能测量芯片，微控制器分别与电能测量芯片、存储器和液晶显示屏相连接。

本实用新型的电能计量装置的优点和特点是：

1、采用专用电能计量芯片实现有功功率和无功功率的参数分析、计算和存储；

2、采用低温特性良好的LCD液晶显示芯片实现输出信息的显示；

3、采用RS485通讯接口实现数据的对外传输和转储。

本实用新型的电能计量装置采用电压互感器和电流互感器信号作为标准的信号输入，采用电子技术和芯片技术作为应用基础，通过相应的硬件电路和软件编程实现其相关参数的检测、显示和记录。

本实用新型的电能计量装置能够测量、显示和记录机车运行时的有功功率和无功功率；机车再生制动时的有功功率和无功功率。上述数据在第一行显示，可以采用滚动循环显示，显示时间为5S。

本实用新型的电能计量装置能够实时监测和显示机车运行时的电压、电流有效值，以及功率因数和电源频率等参数、上述数据在第二行显示，可以采用滚动循环显示，显示时间为5S。

本实用新型的电能计量装置具有RS-485标准串行电气接口，设有光电耦合脉冲输出端，输出电量脉冲信号，实现数据的转储。

本实用新型的电能计量装置采用LCD显示方式，具有背光功能，汉字/数字显示，电能计量显示位数为10位数字显示，分度值为1kW.h和1kvar.h，最大计度容量为9999999999kW.h和9999999999kvar.h。电压、电流有效值显示单位为kV和A，分度值为1；功率因数的分度值为0.01，以上三项数据显示位数为^***.**。

本实用新型的电能计量装置能在不低于-30℃的环境中，在工作电源接入的情况下，进入正常的显示状态，即使没有电流信号和电压信号的送入也能显示电能计量的累计记忆值。

本实用新型的电能计量装置具有满足TB/T3034-2002中相关条款规定的电磁兼容性以及良好的潜动性能，电流线路无电流而参比电压在80％-110％之间任一值变换变化时，计量数值不发生变动。

本实用新型的电能计量装置具有以下主要技术参数：

标准参比电压：AC100V，例外值AC 127V；

标准参比电流；5A；

基本电流(Ib)：1A；

最大电流：5A；

起动电流：0.004Ib；

标准参比频率：50Hz；

精度等级：有功计量1级，无功计量2级，其它计量1.5级；

额定工作电压：110V(波动范围为77V-137V)；

功率损耗：电压回路功耗＜0.1W，电流回路功耗＜0.3VA；

基本误差：

有功误差

负载电流(Ib)	功率因数	基本误差极限％
			0.05Ib	1.0	±1.5
0.1Ib～Imax	1.0	±1.0

0.1Ib	0.5(滞后)0.8(超前)	±1.5±1.5
			0.2Ib～Imax	0.5(滞后)0.8(超前)	±1.0±1.0

无功误差

负载电流(Ib)	SinΦ(感性或容性)	基本误差极限％
			0.05Ib	1.0	±2.5
0.1Ib～Imax	1.0	±2.0
			0.1Ib	0.5(滞后)0.25(超前)	±2.5±7
0.2Ib～Imax	0.5(滞后)0.25(超前)	±2.0±7

电压\电流及功率因数检测误差等级为1.5级。

附图说明

图1本实用新型电能计量装置的结构示意图。

图2本实用新型电能计量装置的操作流程图。

图3本实用新型电能计量装置中外部中断的流程图。

图4本实用新型电能计量装置中串口中断的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的结构和功能更加清楚易懂，现结合附图详细说明如下：

首先说明本实用新型电能计量装置的电参数测量原理。其中包括电压有效值、电流有效值和其余电参数的测量原理三个部分，下面分别进行说明：

电压有效值的获得方式是，在1s的时间内，对电压回路连续采样4096次，分别得到V₀、V₁、V₂......V_N-1(N＝4096)，则电压有效值V_RMS通过式(1)计算求得：

$V_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vn}}{N}}---\left(1\right)$

电流有效值的获得方式是，在1s的时间内，对电流回路连续采样4096次，分别得到I₀、I₁、I₂......I_N-1(N＝4096)，则电压有效值I_RMS通过式(2)计算求得：

$I_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{In}}{N}}---\left(2\right)$

至于其余电参数可以根据上面两个测量结果求得。其他电参数及其获得方式分别如下所列及各式表达：

视在功率：S＝V_RMS×I_RMS    (3)

有功功率： $P=\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n\mathrm{In}}{N}---\left(4\right)$

功率因数： $\mathrm{PR}=\frac{P}{S}---\left(5\right)$

平均无功功率： $Q=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n}{N}---\left(6\right)$

三角无功功率： $Q=\sqrt{S^2-P^2}---\left(7\right)$

下面将结合附图详细说明本实用新型的电能计量装置的装置结构及操作过程。

如图1所示，本实用新型的电能计量装置包括：

电度表的电压信号输入端，输入取自电力机车高压电压互感器的二次输出的56V-124V交流电压，标称值应为100V，考虑到接触网电压的最大波动范围折合到电压互感器二次为77V-124V；

电度表的电流信号输入端，输入取自电力机车主变压器原边低压侧电流互感器输出的0-6A交流电流，标称值应为5A，考虑到机车发挥最大功率时电流互感器的最大输出应小于6A；

电压互感器，主要用于完成输入电压信号的电压等级变换，满足本装置电路设计的要求，同时实现外部输入信号与装置内部电路的电气隔离；

电流互感器，主要用于完成输入电流信号的电平变换，满足本装置电路设计的要求，同时实现外部输入信号与装置内部电路的电气隔离；

电平变换电路，用于完成对电流信号和电压信号的整流、滤波和电压变换，以达到专用电能计量芯片CS5463对输入信号电平的要求；

CS5463电能测量IC，实现输入电压信号和输入电流信号的实时采集和存储，完成电压和电流信号的实时分析和运算，包括相位、频率、有功功率、无功功率、功率因数等，具有电能-脉冲转换功能，能够实现对外通讯完成数据的传输等；

C8051F314微控制器，作为整个电能计量装置的功能控制中心，能够通过相应的软件，完成各种数据的运算和逻辑控制，实现与外设装置数据的传输、通讯和存储等；

24C512存储器作为C8051F314微控制器的外部存储器，用于完成各种数据的记忆和存储；

128X64液晶显示屏，可以工作在-30℃环境中的、具有背光功能的、性能稳定的显示屏，用于实现各种功能数据的对外显示；

RS485串行通讯接口，可以通过此接口，实现内部数据的对外传输，以及应用软件的装载等；

DC110V-DC5V电源作为DC/DC电源变换装置，用于完成外部输入的DC110V变换成内部电路所需要的DC5V电源，以为各种芯片和电路供电。

其中，电度表的电压信号输入端和电度表的电流信号输入端分别通过电压互感器与一电平变换电路和电流互感器与另一电平变换电路连接到CS5463电能测量IC，C8051F314微控制器分别与CS5463电能测量IC、24C512存储器、128X64液晶显示屏、RS485串行通讯接口和DC110V-DC5V电源相连接。外部输入的电压信号和电流信号分别经电度表的电压信号输入端和电度表的电流信号输入端输入，再分别经电压互感器与一电平变换电路和电流互感器与另一电平变换电路进行电气隔离、整形和电平变换，变换为符合电能计量芯片CS5463标准要求的信号后，由C8051F314微控制器控制在CS5463内部运算处理并将结果存入芯片内的存储器里，然后C8051F314微控制器与CS5463的通讯和寻址，将所需的数据取出，根据功能要求，通过128X64液晶显示屏实现数据的对外显示，或者通过RS485通讯口实现数据的对外传输，或者存储在24C512存储器里。整个装置的外部供电电源为DC110V电力机车标准的控制电源，通过DC/DC变换器，变换为所需的电压等级，为内部电路供电。

其中在通过128X64液晶显示屏实现数据对外显示的过程中，实行C8051F314、CS5463等的初始化，液晶显示屏的管理和中断的管理，如图2所示。包括以下步骤：依次对C8051F314和CS5463进行初始化(S201)，对24C512和RS485进行初始化(S202)，读取存储器电能数据(S203)，液晶屏初始化(S204)，设置CS5463连续测量方式(S205)；然后判断CS5463的数据是否更新(S206)，如果否则重新判断，如果是则判断有功电能显示时间是否到了(S207)，如果否则关中断读取有功电能，然后开中断、刷新显示(S208)并返回到判断CS5463的数据是否更新(S206)，如果是则判断无功电能显示时间是否到了(S209)，如果否则关中断读取无功电能，然后开中断、刷新显示(S210)并返回到判断CS5463的数据是否更新(S206)，如果否则判断其他参数显示时间是否到了(S211)，如果否则关中断读取有功电能，然后开中断、刷新显示(S212)并返回到判断CS5463的数据是否更新(S206)，如果是则显示时间记数器清零(S213)并返回到判断CS5463的数据是否更新(S206)。各种参数的显示方式是一种轮讯方式，数据刷新以后，先读取有功电能的数据进行显示，在有功电能的显示时间到了之后才读取无功电能的数据进行显示，依此类推，当所有的数据读取和显示完成后，进行数据更新，再重复上述过程。

在对24C512操作的过程中，执行外部中断对CS5463数据的读取，电能的累加和存储，如图3所示。包括以下步骤：从外部中断入口进入(S301)，保护现场数据(S302)，清除中断标志位(S303)，读取CS5463数据(S304)，然后进行有功电能累加(S305)，判断有功电能是否大于1度电(S306)，如果否则进行无功电能累加(S308)，如果是则存储有功电能数据(S307)，然后再进行无功电能累加(S308)，在无功电能累加(S308)后，判断无功电能是否大于1度电(S309)，如果否则恢复现场数据(S311)，如果是则存储无功电能数据(S310)，然后再恢复现场数据(S311)，在恢复现场数据(S311)后，中断返回。

在用户通过RS485输入的控制命令和数据的交互式传输的过程中，执行串口中断，如图4所示。包括以下步骤：从串口中断入口进入(S401)，保护现场数据(S402)，清除中断标志位(S403)，然后判断是否清楚电能基数(S404)，如果是则清除电能数据(S405)后判断是否预置电能基数(S406)，如果否则直接判断是否预置电能基数(S406)，如果预置电能基数的判断结果为是则预置电能基数(S407)后恢复现场数据(S408)，如果为否则直接恢复现场数据(S408)，在恢复现场数据(S408)后中断返回。

本实用新型电能计量装置的设计包括硬件和软件两个方面。硬件设计主要依据电力机车的实际使用工况，结合轨道交通设备的相关的国际IEC标准和国内TB标准的相关要求而设计，考虑到电力机车或电动车组的电磁兼容性EMC、冲击和振动特性，以及ROMS的要求；软件设计上主要根据电路原理及计算方法，考虑到运算速度，稳定性、逻辑性等要求而设计。

Claims (10)

1.一种电能计量装置，其特征在于，包括：输入电压信号的电压信号输入端；输入电流信号的电流信号输入端；对电压信号进行电压等级变换的电压互感器；对电流信号进行电平变换的电流互感器；对电压信号进行整形、滤波和电气隔离的第一电平变换电路；对电流信号进行整流、滤波和电气隔离的第二电平变换电路；对电压信号和电流信号进行实时采集、存储、分析和运算的电能测量芯片；控制数据的逻辑运算、传输、通讯和存储的微控制器；存储数据的存储器和显示数据的液晶显示屏，其中电压信号输入端和电流信号输入端分别通过电压互感器与第一电平变换电路和电流互感器与第二电平变换电路连接到电能测量芯片，微控制器分别与电能测量芯片、存储器和液晶显示屏相连接。

2.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于：所述的电能测量芯片是CS5463型电能测量芯片。

3.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于：所述的微控制器是C8051F314型微控制器。

4.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于：从所述的电压信号输入端输入的电压信号是56V-124V交流电压。

5.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于：从所述的电流信号输入端输入的电流信号是0-6A交流电流。

6.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于：还包括一传输数据的通讯接口，该通讯结构与所述的微控制器相连接。

7.根据权利要求6所述的电能计量装置，其特征在于：所述的通讯接口为RS485串行通讯接口。

8.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于：还包括一提供电源的DC/DC电源变换装置。

9.根据权利要求8所述的电能计量装置，其特征在于：所述的DC/DC电源变换装置是DC110V-DC5V电源。

10.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于：所述的液晶显示屏是低温特性可达-30℃的液晶显示屏。

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