CN201540330U - 数字式多功能网络电测仪表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字式多功能网络电测仪表，它以内嵌有电能计量模块的高速数字信号处理器为核心，利用处理器高速的运算能力和电能计量模块高精度的信号采样能力，实现对各个电参量的精确测量和远端操控设备的准备控制。系统存储器中除了多功能电测软件外还包含了通讯程序和开关量控制程序，既可用于本地操作，也能通过远端管理计算机对电参量和系统状态进行遥测、遥讯与遥控，并在系统发生故障时作出自动保护控制。作为电力指示仪表、控制器和数字化采集设备的结合体，该实用新型简化了系统结构，提高了系统的性能和稳定性，可广泛应用于电力自动化领域。

Description

数字式多功能网络电测仪表

技术领域

本实用新型涉及一种数字式多功能网络电测仪表，属于电力自动化测量技术领域。

背景技术

我国电力事业随着国民经济的高速发展而快速发展，电能质量对国民经济的影响逐步增大，对电力系统发、输、配及用电量的采集也提出了更高的要求。配电系统逐步向自动化、智能化、网络化方向发展，而电量采集测量产品作为电力系统实时控制、监测、调度自动化的前提环节对配电系统的发展有重要作用。目前市场上电测仪器仪表种类很多，有指针式和数字式，在功能上有单参数测量、综合参数测量和电力监控等等。而一般的电测仪表都是单独使用，没有通讯接口，也不能对电路中发生过流、过压、欠压或三相不平衡等故障时做保护控制处理，从而无法与远端的管理计算机进行通讯，无法实现电量参数和设备状态的远程监测和自动保护控制，在使用和管理上不方便，且应用领域存在局限性。而功能全面的电测仪器如智能电力监控装置则内部结构复杂，体积庞大，且成本高昂。而本实用新型针对配电系统的发展方向，在小型化、多功能、高精度、智能化等方面具有更多的优势。

发明内容

本实用新型的主要目的是在低成本高性能的前提下解决现有电测仪表存在的缺陷，提供一种数字式多功能网络电测仪表，能与远端管理计算机进行数据通讯，完成多功能电量参数和状态信息的监测与遥讯、遥控，同时在监测到主回路和远端保护控制设备发生故障时能依据程序中的逻辑判断方案自动作出保护控制处理，便于系统设备的使用和管理，确保运行安全。

本实用新型所述的数字式多功能网络电测仪表，包括了中央处理单元23、显示单元22、信号处理单元21、键盘输入单元24、EEPROM存储单元25、脉冲输出单元26、开关量输入输出单元27和MODBUS通讯单元28以及为整个仪表供电的电源模块29。中央处理单元23除了存贮有多功能电测软件，还包含了通讯接收发送程序和开关量控制程序。

所述的中央处理单元23通过芯片通用IO口模拟IIC总线来连接EEPROM存储单元26和开关量输入输出单元27。

所述的中央处理单元23通过芯片特定脉冲输出端口连接脉冲输出单元26，以固定脉冲率通过有线或者红外的方式向电能脉冲计量设备30发送脉冲信息；

所述的中央处理单元23是带有高精度电能计量模块231、通讯接口、红外接口、多路控制接口、多路数据接口和LCD显示驱动接口单片机。所述的电能计量模块231，其特征在于配备了1个21位delta-sigma(△-∑)ADC、6个模拟输入、数字温度补偿、精密参考电压和32位计算引擎。

所述的信号处理单元21的输入端连接电网主回路中的三相电量信号源10，由三路分压电阻网络和三路电流互感器配合不同的采样电阻来实现独立的三相电压和电流信号的采样，然后经过RC低通滤波和双二极管正负极限幅处理后输入电能计量模块231的对应采样端。

所述的显示单元22可选LCD液晶显示或者LED数码管显示。LCD液晶显示作为优选时可通过中央处理单元23的LCD驱动端口直接连接LCD来完成；LED数码管显示作为优选时，中央处理单元23通过通用IO口模拟的二线串行连接来控制数码管驱动芯片，并由四个通用IO口来进行片选操作，从而配合完成对数码管和发光二极管的动态扫描。

所述的开关量输入输出单元27由IO扩展芯片来连接中央处理单元23、开关量输入电路和开关量输出电路。中央处理单元23通过通用IO口模拟IIC总线来驱动IO扩展芯片，以专用程序对其进行读取和写入操作。在进行开关量输入采集时，IO扩展芯片的输入采集端经光耦隔离器组来采集远端保护控制设备40的分合闸状态信息。在进行开关量输出控制时，根据中央处理单元23的写入命令，IO扩展芯片的输出控制端首先进行双NPN三极管的电流放大，通过继电器升压后连接远端保护控制设备40，并控制其进行分合闸操作。

经过上述设计后的本实用新型技术，与现有技术相比，具有以下优点：

1.通过选用性价比较高且集成了高精度电能计量模块231的MPU来实现中央处理单元23的电参量采集换算和其他各项辅助功能，从而在硬件结构上相比于其他电测仪表省去了外置的高精度电量采集模块并保持了高精度的信号采集效果，同时电能计量模块231的应用也降低了对信号处理单元21的处理要求，使得信号采集部分硬件结构更加简练，同时信号换算和处理功能更加强劲。

2.通过中央处理单元23的芯片红外接口和通讯接口可连接外部通讯模块，在更为简单的硬件基础上实现与远端管理计算机便捷的无线连接和网络互联，既可将现场实时监测的故障信息和告警信息上传到远端管理计算机，又可接收远端管理计算机指令，将现场实时监测的电量数据、控制设备状态信息上传，或执行对故障门限值等参数的整定操作。

3.数码管显示驱动芯片和IO扩展芯片的选用使得显示单元22在应用数码管时需要使用的通用IO口数量以及开关量输入输出单元27需要使用的通用IO口数量都大大减少，从而大大降低了对系统芯片的通用IO口数量的要求，减轻了芯片成本要求。

4.本实用新型的各个模块间具有高度的集成性，在提高性能的同时结构上将更加简练紧凑，对于抗电磁干扰的能力有更好的表现，系统运行也更加稳定。

5.本实用新型具有数字化采集、电参量实时监测、电能脉冲输出、智能化全自动保护控制、远程通讯等多种功能，功能更全面，成本优势更明显，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本实用新型数字式多功能网络电测仪表的组成原理框图。

图2是本实用新型数字式多功能网络电测仪表实施例中显示单元中应用数码管的电路原理框图。

图3是本实用新型数字式多功能网络电测仪表实施例中开关量输入输出单元的电路原理框图。

图4是本实用新型数字式多功能网络电测仪表实施例中信号采集处理部分的电路原理框图。

图3中：701-开关量信号处理电路，702-开关量信号输出电路，703-开关量信号输入电路

图4中：801-三相电压采样电路，802-三相电流采样电路，803-采样信号处理电路

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

本实施例的数字式多功能网络电测仪表，其组成如图1所示，由电源模块29为整个系统提供工作电源，作为系统核心的中央处理单元23依次分别连接信号处理单元21、显示单元22、键盘输入单元24、EEPROM存储单元25、脉冲输出单元26、开关量输入输出单元27、MODBUS通讯单元28，以上各个单元均安装于仪表线路板20。中央处理单元23存贮器内则存贮有多功能电测软件、通讯软件和开关量输入输出软件。

所述的中央处理单元在本实例中选用了TERIDIAN公司的71M6513芯片，该芯片是一个高度集成的SOC(系统芯片)，结构上包括了MPU、FLASH、RTC和LCD驱动器。MPU中集成了两个UART模块更为系统进行无线红外通讯和网络通讯提供了保障。另外芯片还配备了一个22位的△-∑ADC、六个模拟输入、数字温度补偿、精密参考电压和32位的数字计算引擎，从而构成了电能计量模块。

所述的键盘输入单元在本实例中采用了通用IO端口扫描的方式来判断是否有有效按键操作产生。每个按键经3.3V上拉并通过串接电阻进行限流保护后分别连接一个CPU通用IO口，系统通过固定定时器的中断处理来不间断地对此四个通用IO口进行端口值扫描，进而判断四个按键是否产生有效操作。

所述的EEPROM存储单元在本实例中选用了铁电公司的FM24CL04作为存储芯片，系统通过对两个CPU通用IO口进行模拟IIC总线的方式，完成了此存储芯片与系统CPU的数据读写任务，同时该存储芯片较普通EEPROM模块具备更好的读写速率和更高的使用寿命，所以更加适合电能数据的实时存储。

所述的MODBUS通讯单元在本实例中通过CPU固定通讯接口SCI_RX、SCI_TX和SCI_RE，连接外部通讯芯片ADM2483，通过ADM2483的交换处理以实现与上位机的MODBUS通讯。而电能脉冲输出单元则由CPU的脉冲输出端口DIO6、DIO7分别对应连接两组光耦隔离器组来实现对外部的脉冲输出。

如图2所示为系统的显示单元，该单元中选用了三组共阴数码管和发光二极管组合的显示方式，图2中例举了一组数码管和对应发光二极管的结构原理图。由于芯片IO口数量有限，在本实例中选用了移位寄存器74HC164来完成对数码管和发光二极管显示内容的数据驱动，该移位寄存器可由3.3V供电，对应每片移位寄存器，芯片只需用两个通用IO口来作为时钟端L_CLK和数据传输端L_DAx即可实现对显示内容的有效控制。同时芯片使用四个IO口L_CSx来完成对整个显示单元的片选，由于一个L_CS端口需要完成对最大四个8段显示位的的控制，需要较大的电流方可带动整个显示功能，故所有四个芯片片选端口均通过NPN三极管FMMT4123进行了电流放大后才连接数码管和发光二极管的片选端口。

如图3所示为系统的开关量输入输出单元，该单元中主要由开关量控制处理电路701、开关量输出电路702和开关量输入电路703构成。其中开关量控制处理电路701主要运用了IO口串改并的扩展芯片PCF8574，该芯片由3.3V供电，具备一个IIC总线接口和一个8位双向数据接口，CPU的三个通用IO口IO_IIC1、IO_IIC2、IO_INT经3.3V上拉和电阻限流后分别连接PCF8574的三个IIC总线接口，系统通过IO口模拟IIC总线来完成对PCF8574的数据读取与写入，从而实现对开关量输入端口DINx的数据采集和开关量输出端口RL_Ox的数据写入。在开关量输出电路702中，例举了一路开关量输出电路的结构图，由于PCF8574数据输出端口输出电流有限，无法有效驱动继电器准确的分合闸动作，所以每路输出电路均使用了两个NPN三极管组合构成的放大回路来对PCF8574输出的控制信号进行电流放大，并在继电器输入端口并接了二极管D1防止出现电流倒灌，同时将压敏电阻RV1并接于继电器输出端口实现高压保护功能。在开关量输入电路703中，例举了一路开关量输入电路的结构图，系统通过光藕隔离器组来实现对外部开关量输入信号的采集，有效地对外部开关量信号进行了隔离和降压降流处理。

如图4所示为系统的模拟信号采集单元，由电压采样回路801、电流采样回路802和信号处理回路803构成，图中分别例举了某一相电压和电流的信号采集结构图。电网主回路的三相电量信号源由接线端对该单元进行三相电流电压信号的输入。电压采样回路801主要使用分压电阻网络法，首先通过三个高精度大电阻R1、R2、R3串联进行分压处理，然后经一个高精度采样电阻R4来将原始电压信号转换为弱电压信号来进行采样，同时在原始电压输入口UA、UN串入穿线磁珠L1、L2来增强抗电磁干扰性能。电流采样回路802主要运用高精度电流互感器CT1配合高精度采样电阻R16来将电流信号转为弱电压信号进行采集，同时在互感器输出端分别串入穿线磁珠L3、L4来增强抗电子干扰性能。而信号处理回路803则主要通过两个瞬态电压吸收二极管D1、D2进行正负极限幅处理，并通过R15、C2进行低通RC滤波处理，从而实现对三相电压采样信号和三相电流采样信号的先期处理。

本实用新型数字式多功能网络电测仪表作为电力监测仪表可应用于电力输配电系统及机电仪器、电源设备、高低成套开关设备和控制设备，作为电量控制器可应用于本地电网电量的过流、过压、欠压、三相不平衡的故障检测和控制系统，作为数字化采集设备可应用于现代化智能管理系统现场总线网络，是实现变电站自动化、配电自动化、小区电力监控、智能成套开关设备、智能建筑等系统的“遥测”、“遥讯”、“遥调”和“遥控”功能的重要部件。

Claims (5)

1.数字式多功能网络电测仪表，包括了中央处理单元(23)、显示单元(22)、信号处理单元(21)、键盘输入单元(24)、EEPROM存储单元(25)、脉冲输出单元(26)、开关量输入输出单元(27)和MODBUS通讯单元(28)以及为整个仪表供电的电源模块(29)，中央处理单元(23)除了存贮有多功能电测软件，还包含了通讯接收发送程序和开关量控制程序，所述的中央处理单元(23)通过芯片通用IO口模拟IIC总线来连接EEPROM存储单元(26)和开关量输入输出单元(27)，所述的中央处理单元(23)通过芯片特定脉冲输出端口连接脉冲输出单元(26)，以固定脉冲率通过有线或者红外的方式向电能脉冲计量设备(30)发送脉冲信息。

2.根据权利要求1所述的数字式多功能网络电测仪表，其特征在于所述的中央处理单元(23)是带有高精度电能计量模块(231)、通讯接口、红外接口、多路控制接口、多路数据接口和LCD显示驱动接口单片机，所述的电能计量模块(231)，配备了1个21位delta-sigma(Δ-∑)ADC、6个模拟输入、数字温度补偿、精密参考电压和32位计算引擎。

3.根据权利要求1或2所述的数字式多功能网络电测仪表，其特征在于所述的信号处理单元(21)的输入端连接电网主回路中的三相电量信号源(10)，由三路分压电阻网络和三路电流互感器配合不同的采样电阻来进行独立的三相电压和电流信号的采样，然后经过RC低通滤波和双二极管正负极限幅处理后输入电能计量模块(231)的对应采样端。

4.根据权利要求1或2所述的数字式多功能网络电测仪表，其特征在于所述的显示单元(22)可选LCD液晶显示或者LED数码管显示，LCD液晶显示作为优选时可通过中央处理单元(23)的LCD驱动端口直接连接LCD来完成；LED数码管显示作为优选时，中央处理单元(23)通过通用IO口模拟的二线串行连接来控制数码管驱动芯片，并由四个通用IO口来进行片选操作。

5.根据权利要求1或2所述的数字式多功能网络电测仪表，其特征在于所述的开关量输入输出单元(27)由IO扩展芯片来连接中央处理单元(23)、开关量输入电路和开关量输出电路，中央处理单元(23)通过通用IO口模拟IIC总线来驱动IO扩展芯片，以专用程序对其进行读取和写入操作。

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