CN203275517U - 多功能三相谐波电能表 - Google Patents

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彭显刚
邓小康
聂一雄
戴乔旭
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Abstract

本实用新型公开了一种用于配电系统基波和谐波能量计量以及电能质量谐波参数实时检测、分析与显示的多功能电能计量仪表。它包括有信号传变电路模块、信号预处理电路模块、模数转换电路模块、信号分析与处理电路模块、人机对话键盘与显示电路模块和信号输出接口电路模块,本实用新型在设计中采用低功耗的嵌入式微处理器STM32F407作为信号分析与处理芯片,应用了满足实时性要求的快速分析计算方法,具有高性价比、低功耗、高精度、易操作、人机界面友好、高稳定性、高可靠性的特点,完全满足现场长期稳定可靠计量谐波电能及电能质量谐波参数分析检测的要求。

Description

多功能三相谐波电能表
技术领域
本实用新型涉及电力电子设备,具体是一种三相谐波电能表。
背景技术
随着大功率电力电子设备的大规模应用,谐波已成为严重影响电能质量的最重要原因,对配电系统负载的电能使用量的计量采用传统的计量方式将导致对线性负载用户计费的不公正,已不再能满足时代的发展。根据不同电力用户的负载在消耗电能时,在不同阶次的谐波频率下谐波能量的发出和吸收情况采取相应的收费方法已是电力行业产业政策制定的迫在眉睫的大势,而满足电力系统电能计量精度要求的谐波电能表则是该产业政策出台的基础。
有鉴于此,近年来谐波电能表的研制已成为电力系统能量计量研究的热门课题,先后有专利号为200720039181.4的“三相多功能电能表”,专利号为200820159518.X的“基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波电能表”、专利号为201120483085.1的“三相谐波电能表”、专利号为201120160431.6的“一种三相谐波电能表”等公开与授权,这些专利或专利申请文献均能实现对三相配电系统谐波能量的计量,但存在或者对暂态冲击能量计量精度不高缺陷、或者性价比不高、或者实时性不够的不足,并且,没有考虑对于谐波源的检测判定技术的应用研究。
发明内容
本实用新型的目的在于给出一种集基波和谐波能量计量、电能质量谐波参数分析、谐波源检定于一体的高精度实用化的多功能三相谐波电能表。
本实用新型采用下述技术方案:多功能三相谐波电能表,包括有信号传变电路模块、信号预处理电路模块、模数转换电路模块、信号分析与处理电路模块、人机对话键盘与显示电路模块和信号输出接口电路模块,所述信号传变电路模块的输出端与信号预处理电路模块的输入端连接,信号预处理电路模块的输出端与模数转换电路模块的输入端连接,模数转换电路模块的输出端与信号分析与处理电路模块的输入端连接,信号分析与处理电路模块分别与相应的人机对话键盘与显示电路模块和信号输出接口电路模块连接。
所述信号传变电路模块由电阻R0、电流互感器CT1、运算放大器A1、电阻R1和电容C1构成,其中,相串联的电阻R0和电流互感器CT1的原方线圈构成传感原方输入回路,运算放大器A1串联在电流互感器CT1的副方线圈中,并且同时与电阻R1和电容C1相并联,构成一阶副方转换回路。
所述信号预处理电路模块包括由电阻R7、电阻R8及同相跟随器A3构成的同相跟随器阻抗变换电路以及由电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4、运算放大器A4、电阻R5和电阻R6构成的二阶有源滤波电路。该信号预处理电路模块,用以使信号传变电路的输出信号转换成满足采样要求的电压范围。
所述模数转换电路模块采用AD7606-6作为转换芯片,以DMA串行中断请求方式输出采样数据至所述信号分析与处理电路模块。
所述信号分析与处理电路模块采用嵌入式微处理器STM32F407型芯片,利用该芯片对采样数据经FFT运算后的谐波谱采用基于“重心法”原理的校正插值算法实现各谐波成分的幅值、频率和相位的精确校正计算;并利用功率流向法,依据计算获得的各次谐波瞬时功率与基波瞬时功率计算的比值的符号与大小判定用户负载是否是谐波源及其严重度。
所述信号输出接口电路模块采用基于RS485接口的四线制半双工主从通讯方式的接口电路。
所述显示电路模块采用内置控制器ILI9320芯片的LCD模块。
本实用新型的有益效果:由于采用上述的结构形式,是一种高可靠性的适用于工业现场谐波能量计量及电能质量谐波参数分析使用的电能表,它能实现对三相交流负载的基波及2-49次谐波有功电能和无功电能的分时段、分谐波次数实时计量;并同时实现对各次谐波的有功功率与无功功率、电压总谐波畸变率、电流总谐波畸变率、各次电流谐波含有率、各次电压谐波含有率、电压有效值、电流有效值、功率因素、相移功率因素、畸变功率等电能质量谐波参数的实时检测动态显示与通信;且能对该三相交流负载是否是谐波源及影响严重程度进行判别和指示。该表具有设计巧妙,功能丰富,人机界面友好,方便实用,低功耗,高稳定性的特点。
附图说明
图1为本实用新型的结构方框图;
图2、3为图1所示信号传变电路模块的电路图;
图4为图1所示的信号预处理电路模块的电路图;
图5为图1所示的模数转换电路模块的接线图;
图6为图1所示的信号输出接口电路模块的接线图;
图7为图1所示的显示电路模块的接线图。
具体实施方式
    如附图1所示,多功能三相谐波电能表,包括有信号传变电路模块1、信号预处理电路模块2、模数转换电路模块3、信号分析与处理电路模块4、人机对话键盘与显示电路模块5和信号输出接口电路模块6,所述信号传变电路模块1的输出端与信号预处理电路模块2的输入端连接,信号预处理电路模块2的输出端与模数转换电路模块3的输入端连接,模数转换电路模块3的输出端与信号分析与处理电路模块4的输入端连接,信号分析与处理电路模块4分别与相应的人机对话键盘与显示电路模块5和信号输出接口电路模块连接6。
如图2所示,所述信号传变电路模块1由电阻R0、电流互感器CT1、运算放大器A1、电阻R1和电容C1构成,其中,相串联的电阻R0和电流互感器CT1的原方线圈构成传感原方输入回路,运算放大器A1串联在电流互感器CT1的副方线圈中,并且同时与电阻R1和电容C1相并联,构成一阶副方转换回路。原方被测电压由①引脚和②引脚输入,经R0转换成电流量后与电流互感器CT1构成原方输入回路,在电流互感器CT1的副方经运算放大器A1和电阻R1、电容C1组成的一阶惯性环节转换回路,由③引脚和模拟地输出真实反映原方电压波形的模拟小电压信号;图3为所述信号传变电路模块采用电流传变电路的形式,它的原方被测电流由④和⑤输入,在副方经运算放大器A2和R2、C2组成的一阶惯性环节转换后,由⑥引脚和模拟地输出真实反映原方电流波形的模拟小电压信号,达到精确传变的目的。
如图4所示,所述信号预处理电路模块2包括由电阻R7、电阻R8及同相跟随器A3构成的同相跟随器阻抗变换电路以及由电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4、运算放大器A4、电阻R5和电阻R6构成的二阶有源滤波电路。该信号预处理电路模块,用以使信号传变电路的输出信号转换成满足采样要求的电压范围。同相跟随器的作用是阻抗变换,目的是保证信号变换电路与低通滤波电路彼此互不影响,R7和R8是保护电阻;二阶有源低通滤波电路为巴特沃斯型低通滤波器,设计目的是保证在通带内具有最平滑幅频特性,以确保电流、电压幅值计算的准确性,至于相位计算的准确性的保证则是利用功率计算需要的是相位差信息的特点,通过对每个信号采集通道采用相同结构的电路,采用同样的滤波参数使各个被处理信号具有相同相移的方式实现的。图4电路中,R5和R6具有比例放大和品质因数调整的功能。
如图5所示,为模数转换电路模块3,它将来自信号预处理电路的模拟输出转换成数字信号送微处理器芯片作信号分析与计算用。本发明设计采用了AD7606-6这款具有宽电源工作电压范围、多输入通道、高转换精度、16位串并两种数据输出方式、输入侧钳位保护、易于微处理器接口等功能的芯片作为模数转换主芯片,以保证采集系统能对三相电流、电压信号的每一相均能以10.24kSPS的采样速度完成模数转换。图5中,所有外围电阻和电容参数的选取按照器件手册的要求选取。由于本设计采用串行DMA方式输出,故芯片的引脚6接高电平;由于模数转换采用芯片内部自带参考电源,故引脚34接高电平;由于模拟电路处理采用的是5V电源,故所有的VACC引脚接+5V电压源,而数字电源VDRIVE则接由+5V电压源+3.3V电压。49/50、51/52、53/54三组引脚构成三相电流输入单元,57/58、59/60、61/62三组引脚构成三相电压输入单元,分别与图4中各相电流、电压经预处理后的输出信号相连接。
所述信号分析与处理电路模块4采用了新一代嵌入式微处理器STM32F407处理芯片,设计思想是充分利用其功耗低、运算速度快、性价比高、外围接口功能丰富的特点。该模块的主要价值是靠软件体现的,主要软件包括数据采样控制、快速傅立叶变换、数据插值校正、谐波参数计算、数据通信、人机对话、谐波源检定判断、实时时钟和数据输出显示等部分。
所述信号输出接口电路模块6,其数据通信采用基于RS485的四线制半双工主从通讯方式,其原理性接线图如图6所示。图6中,R9为保护电阻,R10为通信阻抗匹配电阻。数据发送时,由嵌入式微处理器STM32F407的25引脚(TXD2)在控制信号引脚CON_3485(24号引脚)的控制下,通过低功耗半双工收发器芯片SP3485按指定的波特率实现数据的远传;数据接收时,由嵌入式微处理器STM32F407的26引脚(RXD2)在控制信号引脚CON_3485(24号引脚)的控制下,通过SP3485按指定的波特率实现数据的接收。
另外,如图7所示,人机对话键盘与显示电路模块5中的显示电路模块采用采用内置控制器ILI9320芯片的LCD模块TFT BOTTOM V3.0实现。这款显示电路模块具有无需外加控制电路,通过编程即可直接与微处理器连接的特点。

Claims (6)

1.一种多功能三相谐波电能表,其特征在于:它包括有信号传变电路模块、信号预处理电路模块、模数转换电路模块、信号分析与处理电路模块、人机对话键盘与显示电路模块和信号输出接口电路模块,所述信号传变电路模块的输出端与信号预处理电路模块的输入端连接,信号预处理电路模块的输出端与模数转换电路模块的输入端连接,模数转换电路模块的输出端与信号分析与处理电路模块的输入端连接,信号分析与处理电路模块分别与相应的人机对话键盘与显示电路模块和信号输出接口电路模块连接;所述信号传变电路模块由电阻R0、电流互感器CT1、运算放大器A1、电阻R1和电容C1构成,其中,相串联的电阻R0和电流互感器CT1的原方线圈构成传感原方输入回路,运算放大器A1串联在电流互感器CT1的副方线圈中,并且同时与电阻R1和电容C1相并联,构成一阶副方转换回路。
2.根据权利要求1所述的多功能三相谐波电能表,其特征在于:所述信号预处理电路模块包括由电阻R7、电阻R8及同相跟随器A3构成的同相跟随器阻抗变换电路以及由电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4、运算放大器A4、电阻R5和电阻R6构成的二阶有源滤波电路。
3.根据权利要求2所述的多功能三相谐波电能表,其特征在于:所述模数转换电路模块采用AD7606-6作为转换芯片,以DMA串行中断请求方式输出采样数据至所述信号分析与处理电路模块。
4.根据权利要求3所述的多功能三相谐波电能表,其特征在于:所述信号分析与处理电路模块采用嵌入式微处理器STM32F407型芯片。
5.根据权利要求4所述的多功能三相谐波电能表,其特征在于:所述信号输出接口电路模块采用基于RS485接口的四线制半双工主从通讯方式的接口电路。
6.根据权利要求4所述的多功能三相谐波电能表,其特征在于:所述显示电路模块采用内置控制器ILI9320芯片的LCD模块。
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