CN203216988U

CN203216988U - 多功能电力仪表

Info

Publication number: CN203216988U
Application number: CN 201320257001
Authority: CN
Inventors: 国际平; 张文瑞; 何经纬
Original assignee: HARBIN GUOLI ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: HARBIN GUOLI ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2023-05-13

Abstract

本实用新型涉及一种多功能电力仪表，包括单片机微处理器单元、电力参数测量和电能计量单元、数据及设置参数存储单元、人机交互单元、电源单元、RS485通讯单元、4-20mA模拟量输出单元和开关量输入输出单元，单片机微处理器单元与电力参数测量和电能计量单元连接，以微处理器为控制核心，以专用电能计量芯片为电气测量核心，具有三相电压，三相电流，有功、无功和视在功率，功率因数和频率的电量测量功能；同时具有电能计量和脉冲输出功能；并具有开关量测量，开关量报警输出，4-20mA模拟量输出功能。本实用新型具有可靠性高，方便安装，接线简单，工程量小，在失电情况下，数据保存不丢失，四象限电能计量的优点。

Description

多功能电力仪表

技术领域

本实用新型面对煤矿电力系统继电保护或微机保护测试领域，具体涉及一种多功能电力仪表。

背景技术

长期以来，电力系统中的各种参数都有相对应的专用仪表，一般只进行单一或少量电力参数的测量，使电力系统布线过于复杂，运行自动化程度低，故障查找及维修都比较困难。

本实用新型采用自主技术，以微处理器和专用电能芯片为核心，实现三相电压、三相电流、有功、无功和视在功率、功率因数和频率等电力参数测量，同时实现电能计量及电能脉冲输出功能；并具备4-20mA模拟量输出、开关量测量和RS485通讯等功能。具有安装方便、接线简单、维护便利、工程量小、现场可编程设置输入参数等特点，并且能够完成组网通信。多功能电力仪表可广泛应用与变电站自动化、配电自动化、智能建筑、企业内部的电能测量、管理、考核。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于变电站自动化、配电自动化、智能建筑、企业内部的电能测量、管理、考核的多功能电力仪表。

本实用新型的目的是这样实现的：一种多功能电力仪表，包括单片机微处理器单元、电力参数测量和电能计量单元、数据及设置参数存储单元、人机交互单元、电源单元、RS485通讯单元、4-20mA模拟量输出单元和开关量输入输出单元，电源单元为本电力仪表供电，其特征在于：单片机微处理器单元分别与电力参数测量和电能计量单元、数据及设置参数存储单元、人机交互单元、RS485通讯单元、4-20mA模拟量输出单元、开关量输入输出单元连接，电力参数测量和电能计量单元包括电压和电流互感器、取样电阻电路、第一低通滤波电路和电能计量芯片，被测三相电压和三相电流分别输入到电压和电流互感器的一次侧，电压和电流互感器的二次侧电流经取样电阻电路形成电压信号，电压信号再经第一低通滤波电路输出到电能计量芯片，单片机微处理器单元与电能计量芯片串行通讯，把接收的电力参数和电能进行处理和转换后，通过人机交互单元实时显示，并把更新的电能值写入数据及设置参数存储单元中；4-20mA模拟量输出单元包括高速光耦隔离电路、模拟开关、第二低通滤波电路、电压电流转换电路和电流放大电路，单片机微处理器根据4-20mA模拟量对应电力参数，把对应电力参数的实时值通过脉冲宽度调制方式通过高速光耦隔离电路后驱动模拟开关闭合关断，再经第二低通滤波电路把脉冲转换为电压平均值，再依次经过电压电流转换电路和电流放大电路后，输出4-20mA电流模拟量。

本实用新型还具有如下特征：

1、所述的电能计量芯片集成了二阶模数转换器, 数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进行有功、无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。

2、所述的人机交互单元包括四个按键、三组高亮4位LED数码管及显示芯片，显示芯片与三组高亮4位LED数码管连接。

3、所述的电源单元采用失电保护电路。

本实用新型的有益效果有：

本实用新型的可直接从电流、电压互感器接入信号，可任意设定PT/CT变比，具有方便安装，接线简单，工程量小，在失电情况下，数据保存不丢失，恢复电源后，仪表继续运行，四象限电能计量的优点。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图；

图2为本实用新型的电压通道采样原理图；

图3为本实用新型的电流通道采样原理图；

图4为本实用新型的主控板电路图；

图5为本实用新型的主流程图；

图6为三相四线接线图；

图7本实用新型的4-20mA模拟输出板电路图；

图8本实用新型的4-20mA模拟量输出原理框图。

其中1、电力参数测量和电能计量单元，2、单片机微处理器单元，3、电流互感器A、B、C三相， 4、电压互感器A、B、C三相，5、低通滤波电路，6、人机交互单元，7、两隔离变送输出，8、RS485通讯单元， 9、四路继电器开出，10、四路隔离开入，11、数据及设置参数存储单元，12、接线端口，13、高速光耦隔离电路，14、模拟开关，15、第二低通滤波电路，16、电压电流转换电路，17、电流放大电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明：

实施例1

如图1-5所示，一种GLM300多功能电力仪表，包括单片机微处理器单元、电力参数测量和电能计量单元、数据及设置参数存储单元、人机交互单元、电源单元、RS485通讯单元、4-20mA模拟量输出单元和开关量输入输出单元，电源单元为本电力仪表供电，单片机微处理器单元分别与电力参数测量和电能计量单元、数据及设置参数存储单元、人机交互单元、RS485通讯单元、4-20mA模拟量输出单元、开关量输入输出单元连接，电力参数测量和电能计量单元采用ADE7758芯片，包括电压和电流互感器、取样电阻电路、第一低通滤波电路和电能计量芯片，被测三相电压和三相电流分别输入到电压和电流互感器的一次侧，电压和电流互感器的二次侧电流经取样电阻电路形成电压信号，电压信号再经第一低通滤波电路输出到电能计量芯片，单片机微处理器单元采用C8051F023芯片与电能计量芯片串行通讯，把接收的电力参数和电能进行处理和转换后，通过人机交互单元实时显示，并把更新的电能值写入数据及设置参数存储单元中；4-20mA模拟量输出单元包括高速光耦隔离电路、模拟开关、第二低通滤波电路、电压电流转换电路和电流放大电路，单片机微处理器根据4-20mA模拟量对应电力参数，把对应电力参数的实时值通过脉冲宽度调制方式通过高速光耦隔离电路后驱动模拟开关闭合关断，再经第二低通滤波电路把脉冲转换为电压平均值，再依次经过电压电流转换电路和电流放大电路后，输出4-20mA电流模拟量。所述的电能计量芯片集成了二阶模数转换器, 数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进行有功、无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。所述的人机交互单元包括四个按键、三组高亮4位LED数码管及显示芯片，显示芯片与三组高亮4位LED数码管连接。所述的电源单元采用失电保护电路。

该多功能电力仪表，以微处理器为控制核心，以专用电能计量芯片为电气测量核心，用非易失铁电进行数据存储，并配备电压、电流互感器、显示芯片、按键和LED数码管外围电路，来实现三相电压，三相电流，有功、无功和视在功率，功率因数、频率测量和电能计量及显示；采用RS485接口芯片，采用光耦电器隔离，实现异步半双工RS485串行通讯；采用脉冲宽度调制技术并经光耦隔离及模拟开关，再经滤波及电压电流转换驱动电路，输出4-20mA模拟量信号；当微处理器检测到设定的测量信号越限时，用继电器接点输出越限报警开关量信号。本仪表接线方式采用3相4线制和3相3线制2种，其频率精度为0.05Hz，无功1级，其它 0.5级；额定电流输入为AC1A、5A，电流变比可设定，过载能力 1.2倍持续，瞬时10倍/10秒，负荷＜0.2VA，阻抗＜0.1Ω；额定电压输入为AC100V、400V 电压变比可设定，过载能力1.2倍持续，瞬时2倍/1秒，功耗＜0.2VA，阻抗＞200kΩ；频率输入范围为40～60Hz，脉冲输出方式为集电极开路的光耦脉冲，2路输出，脉冲常数: 10000、40000、160000 imp/kWh；通讯网络标配1路RS485通讯接口，MODBUS-RTU通讯协议，波特率38400、19200、9600、4800可设定；工作电源为交流或直流供电均可，工作范围AC85-264V、DC120-350V，功耗＜1W，开关量输入为2或4路干接点输入，内置+12V电源，开关量输出为2或4路继电器常开触点输出，触点容量为AC 250V/3A、DC 30V/3A，模拟量输出为1或2路输出，0～20mA、4～20mA可编程，负载能力≤500Ω，适用环境的工作温度为-10℃～+55℃，储存温度在-20℃～+70℃之间，相对湿度5%～95%不结露，无腐蚀性气体，海拔≤2500m，工频耐压电源、电压输入回路、电流输入回路两两之间AC2kV/1min，电源与开关量输入回路、通讯回路、变送输出回路之间AC1.5kV/1min，绝缘电阻为输入、输出端对机壳>5MΩ。

实施例2

多功能电力仪表原理：

电力参数测量和电能计量原理说明，被测三相电压和三相电流分别输入到电压和电流互感器的一次侧，互感器的二次侧电流经取样电阻形成电压信号，电压信号再经低通滤波输出到电能计量芯片。电能计量芯片集成了二阶模数转换器, 数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进行有功，无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。微处理器与电能计量芯片串行通讯，把接收的电力参数和电能进行处理和转换后，通过LED数码管实时显示，并把更新的电能值写入非易失铁电存储器中。

RS485通讯原理说明，多功能电力仪表与外部通讯采用RS485通讯专用的接口芯片，通过接口芯片把RS485电平信号转换为TLL电平，再通过高速光耦电气隔离后与微处理器进行通讯。

如图8所示，4-20mA模拟量输出原理说明，微处理器根据4-20mA模拟量对应电力参数，把对应电力参数的实时值通过脉冲宽度调制方式(脉冲宽度的大小与电力参数值线性对应)通过高速光耦隔离后驱动模拟开关闭合关断，再经滤波电路把脉冲转换为电压平均值，再经电压电流转换和电流放大后，输出4-20mA电流模拟量。

实施例3

1、人机交互单元：以C8051微处理器为核心，并配备四个按键和三组高亮4位LED数码管及显示芯片，被测三相电压和三相电流分别输入到电压和电流互感器的一次侧，互感器的二次侧电流经取样电阻形成电压信号，电压信号再经低通滤波输出到电能计量芯片；

2、电力参数测量和电能计量部分，主要由专用电能计量芯片，电压、电流互感器和低通滤波电路构成；

3、RS485通讯单元：多功能电力仪表与外部通讯采用RS485通讯专用的接口芯片，通过接口芯片把RS485电平信号转换为TLL电平，再通过高速光耦电气隔离后与微处理器进行通讯。

实施例4

多功能电力仪表工作步骤如下：

在分布式控制系统中，如图2，被测三相电压和三相电流分别输入到电压和电流互感器的一次侧，互感器的二次侧电流经取样电阻形成电压信号，电压信号再经低通滤波输出到电能计量芯片。电能计量芯片集成了二阶模数转换器, 数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进行有功，无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。微处理器与电能计量芯片串行通讯，把接收的电力参数和电能进行处理和转换后，通过LED数码管实时显示，并把更新的电能值写入非易失铁电存储器中。多功能电力仪表与外部通讯采用RS485通讯专用的接口芯片，通过接口芯片把RS485电平信号转换为TLL电平，再通过高速光耦电气隔离后与微处理器进行通讯。如图8，微处理器根据4-20mA模拟量对应电力参数，把对应电力参数的实时值通过脉冲宽度调制方式（脉冲宽度的大小与电力参数值线性对应）通过高速光耦隔离后驱动模拟开关闭合关断，再经滤波电路把脉冲转换为电压平均值，再经电压电流转换和电流放大后，输出4-20mA电流模拟量。

如图6所示，多功能电力仪表测量的接线方式为三相四线或三相三线，电压测量信号可直接输入也可取电压互感器二次信号，电流测量信号一般取电流互感器二次信号。以交流电压为AC1140V的配电系统为例，电压互感器变比为1140V/100V，电流互感器变比为500A/5A，采用三相四线接法，接线如图8；使用前需进行以下设置，进入设置界面，设置接线方式三相四线，额定电压AC100V，额定电流AC5A，电压变比11.4，电流变比100，设置通讯地址和波特率，设置开关量输出对应的电气参数并设置其报警的上限或下限，设置4-20mA模拟量对应的电气参数并设置该电气量在满刻度输出所对应的输出参数。显示方式可以设置为循环显示，也可固定显示，比如三相电流或三相电压等。以上设置也可用上位机通过RS485远程通讯方式进行（通讯地址和波特率需预设）。设置完成后，多功能电力仪表就可投入使用了。

本实用新型的有益效果有：

本实用新型的设计充分考虑了成本效能化、智能性和可靠性，使得该设计可直接从电流、电压互感器接入信号，可任意设定PT/CT变比，仪表显示可滚动设置，I/O开关量，继电器报警输出，4~20mA模拟量等功能模块化设计，多块仪表可设置不同地址，可通讯接入SCADA、PLC系统中；可与业界多种软件通讯(Intouch, Fix, Citec，组态网等)，方便安装，接线简单，工程量小，仪表采用专用失电保护电路，在失电情况下，数据保存不丢失，恢复电源后，仪表继续运行，四象限电能计量的优点。

Claims

1.一种多功能电力仪表，包括单片机微处理器单元、电力参数测量和电能计量单元、数据及设置参数存储单元、人机交互单元、电源单元、RS485通讯单元、4-20mA模拟量输出单元和开关量输入输出单元，电源单元为本电力仪表供电，其特征在于：单片机微处理器单元分别与电力参数测量和电能计量单元、数据及设置参数存储单元、人机交互单元、RS485通讯单元、4-20mA模拟量输出单元、开关量输入输出单元连接，电力参数测量和电能计量单元包括电压和电流互感器、取样电阻电路、第一低通滤波电路和电能计量芯片，被测三相电压和三相电流分别输入到电压和电流互感器的一次侧，电压和电流互感器的二次侧电流经取样电阻电路形成电压信号，电压信号再经第一低通滤波电路输出到电能计量芯片，单片机微处理器单元与电能计量芯片串行通讯，把接收的电力参数和电能进行处理和转换后，通过人机交互单元实时显示，并把更新的电能值写入数据及设置参数存储单元中；4-20mA模拟量输出单元包括高速光耦隔离电路、模拟开关、第二低通滤波电路、电压电流转换电路和电流放大电路，单片机微处理器根据4-20mA模拟量对应电力参数，把对应电力参数的实时值通过脉冲宽度调制方式通过高速光耦隔离电路后驱动模拟开关闭合关断，再经第二低通滤波电路把脉冲转换为电压平均值，再依次经过电压电流转换电路和电流放大电路后，输出4-20mA电流模拟量。

2.根据权利要求1所述的一种多功能电力仪表，其特征在于：所述的电能计量芯片集成了二阶模数转换器, 数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进行有功、无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。

3. 根据权利要求1所述的一种多功能电力仪表，其特征在于：所述的人机交互单元包括四个按键、三组高亮4位LED数码管及显示芯片，显示芯片与三组高亮4位LED数码管连接。

4. 根据权利要求1所述的一种多功能电力仪表，其特征在于：所述的电源单元采用失电保护电路。