CN202737574U - 具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置 - Google Patents

Abstract

一种具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，它包括电压、电流采样电路、电测量芯片、ARM微处理器和Lonworks智能通信模块，所述的电压、电流采样电路采集相应的电力参数，输出端与电力测量芯片的对应信号输入端相连，电力测量芯片与ARM微处理器相连，所述的ARM微处理器用于计算相应的监控参数，ARM微处理器的通信信号端与智能通信模块双向连接，智能通信模块与远程端控制器进行通信。本实用新型可广泛应用于发电厂、变电站/开闭所/变电所、城市及农村配电网，以及公共机构、工业企业和建筑等能源系统的自动化管理，实现电能的质量监测、能耗计量、数据采集和远传、节能控制。本实用新型的具有如下功能。

Description

具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置

技术领域

本实用新型涉及能源与节能技术领域，尤其是一种集三相电能质量监测、能耗计量和节能控制于一体的多功能电力监控装置，具体地说是一种具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置。 

背景技术

电力自动化是工业自动化的一个重要的部分，在各种供电及配电控制系统中，需要对系统的各种参数进行监测，以适时调整控制动作，为了改变传统的变电所采用指针式仪表，依靠人工抄表数据来管理某些电的指标，用人工拉闸等落后的控制管理手段。在电力自动化控制系统中，已经有对用电的三相电力线路进行电力参数的实时监测，并具有监控功能的这类装置需求。 

目前，这类三相电力监测装置或电能表，要么只具有电能计量功能，要么只具有电压、电流、功率、功率因数电参数的测量；有少部分同时具有电能计量功能，又具备对电压、电流、功率、功率因数等电参数进行实时的测量功能 ；但很少具有上述电能计量和电参数测量功能，同时又具有电压、电流谐波测量功能，又能够进行远程开关控制和定时控制功能集一体的装置。 

目前同类装置绝大多数采用串口通信（RS485）接口和Modbus通信协议，从现场总线的角度分析，RS485还远远不能算是一种总线，它仅仅是网络物理层的一种规范，存在着以下的不足：RS485不支持多种通信介质；RS485只能是总线式拓扑结构；RS485通信距离短、节点容量小，抗干扰能力差；RS485通信一般只能是主从式通信；RS485开放性差，不同厂家的产品很难在一个网络上工作。 

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的上述的问题，提出一种具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置。即能电能计量，又能测量电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等电参数，同时又具有能测量电压、电流2～21次各次的谐波含量及总谐波畸变率的电测量装置，且能够远程开关控制和定时控制功能及干触点状态检测功能，及远程集中抄表功能，支持双绞线或电力线的通信介质。 

本实用新型的技术方案是： 

一种具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，它包括电压、电流采样电路、电测量芯片、ARM微处理器和Lonworks智能通信模块，所述的电压、电流采样电路作为用于三相多功能电力监控装置的信号输入端采集相应的电力参数，电压、电流采样电路的信号输出端与电力测量芯片的对应信号输入端相连，电力测量芯片的SPI通信接口与ARM微处理器的SPI接口相连，通过SPI接口将电参数数据发送到ARM微处理器，所述的ARM微处理器用于计算相应的监控参数，ARM微处理器的通信信号端与Lonworks智能通信模块双向连接，Lonworks智能通信模块与远程端控制器进行通信。

本实用新型的Lonworks智能通信模块为Lonworks双绞线智能通信模块或Lonworks电力线智能通信模块，Lonworks智能通信模块与远程端控制器进行双绞线或电力线载波通信。 

本实用新型的监控装置还包括干触点状态检测电路、继电器输出控制电路和光电隔离电路，所述的干触点状态检测电路用于检测继电器干触点的状态即外部控制器的干触点反馈状态，干触点状态检测电路的输出通过光电隔离电路与ARM微处理器的对应检测信号输入端相连，ARM微处理器的控制信号输出端通过光电隔离电路连接继电器输出控制电路，继电器输出控制电路用于控制外部控制器。 

本实用新型的外部控制器包括接触器和断路器。 

本实用新型的监控装置还包括存储单元、LCD显示单元和实时时钟单元，所述的存储单元、LCD显示单元和实时时钟单元与ARM微处理器的对应信号端相连。 

本实用新型的监控装置的ARM微处理器通过I/O口与按键相连。 

本实用新型的有益效果： 

本实用新型即能电能计量，又能测量电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等电参数，同时又具有能测量电压、电流2～21次各次的谐波含量及总谐波畸变率的电测量装置，且能够远程开关控制和定时控制功能及干触点状态检测功能，及远程集中抄表功能，支持双绞线或电力线的通信介质。

本实用新型在通信技术方面采用LonWorks控制网络技术，LonWorks控制网络技术是一种完整的、全开放的、互操作性强、可靠性高、成熟的分布式控制网络技术,它支持多种通信介质包括双绞线，电力线等；LonWorks控制网络技术的核心是LonTalk通讯协议，该协议提供一整套完善的通信服务，使装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无须知道网络拓扑、名称、地址或其他装置的功能,所有采用LonWorks技术的产品都是遵循LonTalk通讯协议，因此不同厂家生产的带LonWorks接口的产品都可以很方便的接入同一个LonWorks网络系统中去。 

本实用新型可广泛应用于发电厂、变电站/开闭所/变电所、城市及农村配电网，以及公共机构、工业企业和建筑等能源系统的自动化管理，实现电能的质量监测、能耗计量、数据采集和远传、节能控制。本实用新型的具有如下功能： 

1、能够测量各相有功电能和正向、反向总有功电能及正向、反向总无功电能；

2、能实时测量三相相的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等电参数；

3、能够测量出电压、电流2～21次各次的谐波含量及总谐波畸变率；

4、能通过远程发送命令进行继电器输出控制；

5、可以设置定时时间来进行继电器输出控制；

6、可检测外部干触点输入状态；

7、能进行远程集中抄表；

8、Lonworks电力载波技术，窄带双频（低压电力线双载波）通讯，信号可以直接耦合在AC220V电力线上传输，无需铺设专用电缆；

9、Lonworks双绞线技术，支持总线型、星型、自由型拓朴结构；不使用中继的最远通信距离达2700m，传输速率78Kbps。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图。 

图2-1是本实用新型的电流采样电路图。 

图2-2是本实用新型的电压采样电路图。 

图2-3是本实用新型的电测量芯片电路图。 

图3是本实用新型的电力线智能通信模块电路图。 

图4是本实用新型的双绞线智能通信模块电路图。 

图5是本实用新型的载波通信耦合电路图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。 

如图1所示，一种具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，它包括电压、电流采样电路、电测量芯片、ARM微处理器和Lonworks智能通信模块，所述的电压、电流采样电路作为用于三相多功能电力监控装置的信号输入端采集相应的电力参数，电压、电流采样电路的信号输出端与电力测量芯片的对应信号输入端相连，电力测量芯片的SPI通信接口与ARM微处理器的SPI接口相连，通过SPI接口将电参数数据发送到ARM微处理器，所述的ARM微处理器用于计算相应的监控参数，ARM微处理器的通信信号端与Lonworks智能通信模块双向连接，Lonworks智能通信模块与远程端控制器进行通信。 

本实用新型的ARM微处理器(以下简介MCU)采用飞利浦的LPC2138，该MCU是32 位ARM7TDMI-S 核，具有512KB Flash、32KB SRAM、2个32位定时器/计数器、1个SPI接口、2个I2C接口、2个UART接口、多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚、47个通用I/O；由微处理器通过SPI接口读取电力测量芯片各电参数对应寄存器的数据，并对数据进行换算、增益校准、偏移增益等处理后，得到各电参数和电能的实际值；通过对电压、电流的原始数据进行傅里叶变换计算后，得到电压、电流2～21次各次的谐波含量及总谐波畸变率；通过I2C接口读取实时时钟芯片的日期和时间；通过I2C接口读写铁电存储器的数据；通过I/O口检测按键输入并执行相应的显示和控制命令；根据命令或定时设置对继电器输出进行控制；通过I/O口检测干触点的状态输入；通过并行口控制LCD的显示内容，可显示所有电参数数值和设置参数及输出控制和输入状态；通过UART口与Lonworks通信模块进行数据传输，所有电参数和设置参数及输出控制和输入状态都可通过Lonworks通信模块读取和控制。 

电力参数的测量是通过电压、电流信号取样电路将信号接至专用电测量芯片的相应引脚上，MCU通过SPI接口从电测量芯片读取各电参数对应寄存器的数据，并对数据进行换算、增益校准、偏移增益等处理后后得出当前的电压、电流、有功功率、无功功率，频率，有功、无功电能等电参数；并通过对电压、电流的原始数据进行傅里叶变换计算，得出电压、电流2～21次各次的谐波含量及总谐波畸变率参数。 

如图2-1、2-2、2-3所示，是电压和电流采样电路，电压采样电路是通过电压互感器和采样电阻的方法进行采样，将高电压信号降至电测量芯片允许的电压信号范围内的小电压信号；电流采样电路是采用电流互感器和采样电阻的方法将电流信号转换为电压信号进行采样，采样的电压信号分别接入电测量芯片的电压和电流测量通道，再由微处理器通过SPI接口从电测量芯片读取各电参数，然后再通过运算和处理得到有功、无功电能、电压、电流、有功功率、无功功率、频率等电参数及电压、电流2～21次各次的谐波含量及总谐波畸变率。 

本实用新型的数据存储采用铁电存储器FM24CL16，铁电存储器具有读写速度快，无限次的读写次数，10年的掉电数据保存期限，非常适合仪表电能数据及其它数据的存储；MCU通过I2C接口从铁电存储器读取和写入数据。 

本实用新型的实时时钟采用RX8025T，该时钟芯片内部集成晶振且具有自动温补功能，从而确保了时钟在不同环境温度下走时的准备性，MCU通过I2C接口读取和校准时钟芯片内日期和时间信息。 

本实用新型的远程通讯接口是采用Lonworks双绞线智能通信模块或Lonworks电力线智能通信模块，Lonworks双绞线智能通信模块与Lonworks电力线智能通信模块设计成接口完全兼容的结构，使接口之间的切换方便灵活；Lonworks智能通信模块的串行口与微处理器的串行口接口连接，通过串行口进行通信和数据传输。 

如图3所示，是本实用新型电力线智能通信模块电路图；Lonworks电力线智能通信模块由Lonworks智能电力线载波芯片PL –3150微处理器（CPU），包括窄带电力线收发器、一个用于运行应用程序和管理网络通信的8位神经元处理器核心、可选择的片内或片外存储器、特有的双频调制、低开销的前向纠错（FEC）算法。 还包括数字信号处理、噪声消除以及失真校验算法、高输出、低失真外部放大器。 

如图4所示，是本实用新型双绞线智能通信模块电路图； Lonworks双绞线智能通信模块主要包括Lonworks智能芯片FT5000微处理器，双绞线收发器FT-X3，及保护电路和复位电路。Lonworks双绞线智能通信模块支持总线型、星型、自由型等多种拓朴结构，传输距离达2700m，传输速率为78Kbps。 

本实用新型还包括载波通信耦合电路，如图5所示，通过电容C11和耦合变压器TR2的一次侧组成高通滤波器，对载波通信信号进行处理，同时变压器TR2 起到一个隔离作用，TXOUT为信号输出接口，RXIN为信号输入接口，处理过的信号接入信号的处理电路，经过多次滤波、放大接入CPU进行D/A处理分析。 

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 

Claims (6)

1.一种具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，其特征是它包括电压、电流采样电路、电测量芯片、ARM微处理器和Lonworks智能通信模块，所述的电压、电流采样电路作为用于三相多功能电力监控装置的信号输入端采集相应的电力参数，电压、电流采样电路的信号输出端与电力测量芯片的对应信号输入端相连，电力测量芯片的SPI通信接口与ARM微处理器的SPI接口相连，通过SPI接口将电参数数据发送到ARM微处理器，所述的ARM微处理器用于计算相应的监控参数，ARM微处理器的通信信号端与Lonworks智能通信模块双向连接，Lonworks智能通信模块与远程端控制器进行通信。

2.根据权利要求1所述的具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，其特征是所述的Lonworks智能通信模块为Lonworks双绞线智能通信模块或Lonworks电力线智能通信模块，Lonworks智能通信模块与远程端控制器进行双绞线或电力线载波通信。

3.根据权利要求1所述的具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，其特征是该监控装置还包括干触点状态检测电路、继电器输出控制电路和光电隔离电路，所述的干触点状态检测电路用于检测继电器干触点的状态即外部控制器的干触点反馈状态，干触点状态检测电路的输出通过光电隔离电路与ARM微处理器的对应检测信号输入端相连，ARM微处理器的控制信号输出端通过光电隔离电路连接继电器输出控制电路，继电器输出控制电路用于控制外部控制器。

4.根据权利要求3所述的具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，其特征是所述的外部控制器包括接触器和断路器。

5.根据权利要求1所述的具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，其特征是该监控装置还包括存储单元、LCD显示单元和实时时钟单元，所述的存储单元、LCD显示单元和实时时钟单元与ARM微处理器的对应信号端相连。

6.根据权利要求1所述的具有谐波测量功能的三相多功能电力监控装置，其特征是该监控装置的ARM微处理器通过I/O口与按键相连。

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