CN211785733U - 一种三相多功能计量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三相多功能计量系统，包括依次连接的采集模块、计量模块及微处理器模块；所述采集模块包括电压采集单元和电流采集单元；所述计量模块包括三相电能计量芯片；所述三相电能计量芯片接收来自所述采集模块的信号，处理后输出信号至所述微处理器模块；所述微处理器模块对输入的信号处理后输出电力数据。本实用新型可以同时计量电流、电压、频率、有功功率、无功功率、正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流、零序电流、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、2～31次电压谐波及2～31次电流谐波等多种电力数据，全面反映电力系统的运行及电能输出情况。

Description

一种三相多功能计量系统

技术领域

本实用新型涉及一种电力计量系统，特别涉及一种三相多功能计量系统。

背景技术

电力计量系统是用于测量、记录发电量、供(互供)电量、厂用电量、线损电量和用户用电量等有关电力计量的系统。电力计量系统包括用于测量有功、无功电能表，最大需量表，复费率电能表等的多功能表。传统多功能表是指能对电力系统的电流、电压、有功、电能等参数检测计量的设备，传统多功能表的显示界面与表身是一体的，显示部分通常为液晶屏或数码管，不同型号的多功能表功能范围不同，但不会同一型号的多功能表能采集很多种电力参数，目前的电力计量系统接入电网并分别对电网相电压和相电流取样，由MCU控制器对取样的相电压和相电流进行计量，其计量的数据只涵盖电流、电压、功率、功率因数等几个电力参数，不能全面反映电力系统的运行及电能输出情况。

发明内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可同时计量多种电力数据的三相多功能计量系统。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种三相多功能计量系统，包括依次连接的采集模块、计量模块及微处理器模块；所述采集模块包括电压采集单元和电流采集单元；所述计量模块包括三相电能计量芯片；所述三相电能计量芯片接收来自所述采集模块的信号，处理后输出信号至所述微处理器模块；所述微处理器模块对输入的信号处理后输出电力数据。

进一步地，所述三相电能计量芯片为RN7302型三相电能计量芯片。

进一步地，所述三相电能计量芯片的CF1～2引脚与所述微处理器模块的信号输入端之间串接COSMO357NT光耦合器。

进一步地，所述三相电能计量芯片的XO和XI引脚之间并联接入一个8.192MHz晶体振荡器和一个10MΩ的电容；XO引脚与接地极之间接入15pF电容，XI引脚与接地极间接入15pF电容。

进一步地，所述三相电能计量芯片的三相电压采样通道的正、负模拟输入引脚与接地极间均并联一个电阻和一个电容。

进一步地，所述三相电能计量芯片的SDI引脚，其与SPI串行数据输入端之间串接一个100Ω的电阻，其与接地极间串接一个10PF的电容。

进一步地，所述三相电能计量芯片的RSTN引脚，其与电源正极之间串接10KΩ电阻，其与接地极间串接一个0.1uF的电容。

进一步地，所述三相电能计量芯片的SCLK引脚，其与SPI串行时钟输入端之间串接一个100Ω的电阻，其与接地极间串接一个10PF的电容。

进一步地，所述微处理器模块包括单片机，所述单片机为STM32f407型单片机；所述三相电能计量芯片的电能校验脉冲输出引脚与所述STM32f407型单片机的输入引脚之间串接一个三极管放大器和一个COSMO357NT光耦合器。

进一步地，所述微处理器模块输出的电力数据包括：电流、电压、频率、有功功率、无功功率、正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流、零序电流、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、2～31次电压谐波及2～31次电流谐波。

本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型由采集模块、计量模块及微处理器模块搭建一个三相多功能计量系统，可以同时计量电流、电压、频率、有功功率、无功功率、正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流、零序电流、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、2～31次电压谐波及2～31次电流谐波等多种电力数据，全面反映电力系统的运行及电能输出情况。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构示意图；

图2是本实用新型的一种三相电能计量芯片工作原理图；

图3是本实用新型的一种三相电能计量芯片外围电路工作原理图；

图4是本实用新型的一种电压采集单元工作原理图；

图5是本实用新型的一种电流采集单元工作原理图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图5，一种三相多功能计量系统，包括依次连接的采集模块、计量模块及微处理器模块；所述采集模块包括电压采集单元和电流采集单元；所述计量模块包括三相电能计量芯片；所述三相电能计量芯片接收来自所述采集模块的信号，处理后输出信号至所述微处理器模块；所述微处理器模块对输入的信号处理后输出电力数据。

优选地，所述三相电能计量芯片可为RN7302型三相电能计量芯片。所述三相电能计量芯片可采用三相多功能的RN7302型三相电能计量芯片对电压采集单元和电流采集单元采集的信号进行计量处理；所述三相电能计量芯片也可以采用现有技术中的其他适用三相电能计量芯片。比如钜泉光电科技(上海)股份有限公司生产的ATT7022E以及HT7038等。

RN7302型三相电能计量芯片具有与单片机通讯的双向接口，其计量提供全波、基波有功电能，5000:1动态范围内，非线性误差<0.1％,满足0.5S和0.2S级有功电能表精度要求；提供全波、基波RMS、PQS视在电能数据；具有潜动启动功能，启动阈值可调；测量上提供全波、基波和谐波三相电压电流有效值，2000：1动态范围内，测量误差<0.2％，提供6路相角，测量误差<0.020；提供7路ADC瞬时采样数据，典型应用下采样率8Khz；提供灵活地ADC同步采样数据缓存768x24bit，64或128点每周波，便于谐波分析；提供电压矢量和有效值，2种电流矢量和有效值；提供7路过零检测，过零阈值可设置；提供电压相序错检测；提供失压指示，失压阈值可设置；提供电压暂降检测；提供过压、过流检测；提供谐波、三相不平衡度、闪变和电压波动、电压骤升骤降、电压中断等电能质量参数软件库。

优选地，所述RN7302型三相电能计量芯片的CF1、CF2引脚与所述微处理器模块的信号输入端之间可串接COSMO357NT光耦合器。用于阻断计量电路的干扰信号进入运算控制电路，提高了电路的抗干扰能力。

优选地，所述RN7302型三相电能计量芯片的XO和XI引脚之间可并联接入一个8.192MHz晶体振荡器和一个10MΩ的电容；石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

XO引脚与接地极之间可接入15pF电容，XI引脚与接地极之间可接入15pF电容。用于滤掉干扰信号，提高了电路的抗干扰能力。

优选地，所述RN7302型三相电能计量芯片的三相电压采样通道的正、负模拟输入引脚与接地极之间均可并联一个电阻和一个电容。用于滤掉干扰信号，提高了电路的抗干扰能力。

优选地，所述RN7302型三相电能计量芯片的SDI引脚，其与SPI串行数据输入端之间可串接一个100Ω的电阻，其与接地极间可串接一个10PF的电容。用于滤掉干扰信号，提高了电路的抗干扰能力。

优选地，所述RN7302型三相电能计量芯片的RSTN引脚，其与电源正极之间可串接10KΩ电阻，其与接地极间可串接一个0.1uF的电容。用于滤掉干扰信号，提高了电路的抗干扰能力。

优选地，所述RN7302型三相电能计量芯片的SCLK引脚，其与SPI串行时钟输入端之间可串接一个100Ω的电阻，其与接地极之间可串接一个10PF的电容。用于滤掉干扰信号，提高了电路的抗干扰能力。

优选地，所述微处理器模块可包括单片机，所述单片机可采用STM32系列单片机，比如所述单片机可为STM32F407型单片机；所述RN7302型三相电能计量芯片的电能校验脉冲输出引脚，可与所述STM32 F 407型单片机的输入引脚之间串接一个三极管放大器和一个COSMO357NT光耦合器。用于放大信号及阻断计量电路的干扰信号进入运算控制电路，提高了电路的抗干扰能力。所述微处理器模块也可采用现有技术中的其他品牌适用的单片机及微处理器模块。

优选地，所述微处理器模块输出的电力数据可包括：电流、电压、频率、有功功率、无功功率、正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流、零序电流、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、2～31次电压谐波及2～31次电流谐波。便于全面反映电力系统的运行及电能输出情况。

下面结合本实用新型的一个优选实施例来说明本实用新型的工作原理：

一种三相多功能计量系统，包括依次连接的采集模块、计量模块及微处理器模块；所述采集模块包括电压采集单元和电流采集单元；所述计量模块包括三相电能计量芯片；所述三相电能计量芯片接收来自所述采集模块的信号，处理后输出信号至所述微处理器模块；所述微处理器模块对输入的信号处理后输出电力数据。

三相电能计量芯片采用锐能微生产的RN7302型三相电能计量芯片；所述微处理器模块采用STM32F407型单片机。

图4是电压采集单元的三相电压采集的工作原理图；电压采集单元包括三相电压采集电路，每相电压采集电路都由电阻网络组成，为保证采样精度，选用6支390K精度0.1％的高稳定度、高精密的金属膜电阻串联，并且采用GSOT05C系列ESD保护管进行保护。

图5是电流采集单元三相电流采集的工作原理图。电流采集单元包括三相电流采集电路，每相电流采集电路主要由电流互感器、电阻和去抖动电容组成。电流互感器变比采用5A/2.5mA的ZEMCT131型互感器，其线性较好，并可以起到将外部电路与内部电路进行隔离的作用，并且采用GSOT05C系列ESD保护管进行保护，最终将检测到的电流信号转变为电压信号，再通过限流电阻和电容滤波后输人到RN7302芯片的电流检测引脚。

被测电力系统的电流和电压信号通过电压采集单元和电流采集单元采集，经过外部电路处理后送给三相电能计量芯片RN7302，RN7302型三相电能计量芯片接收到电流信号和电压信号后，进行检测、分析得到数字信号，再将得到的数字信号通过SPI接口发送给单片机STM32F407，单片机STM32F407负责主要该系统的运算和控制，最终将处理好的电力数据经过数据传输装置发送出去，数据传输装置除无线通讯接口外，还设计有RS485通讯接口和以太网接口。

STM32F407VET6单片机在不同阶段，控制采集模块、计量模块等各电路单元的有序工作，并通过程序运行，进行数据处理计算等。

STM32F407VET6单片机功能非常强大，其性能参数为：ARM32位Cortex-M4CPU与FPU，自适应实时加速器允许0等待状态从闪存执行，频率高达168MHz，内存保护单元，210DMIPS/125DMIPS/MHz，最多1M字节的闪存，高达192+4k字节的SRAM，包括64k字节的CCM数据RAM，4到26MHz晶体振荡器，32kHz振荡器为RTC校准。

采集模块、计量模块等输出的脉冲信号与STM32F407VET6单片机外部中断口相连，STM32F407VET6单片机对采集及处理后的信号进行计算处理。

STM32F407VET6单片机合理分配单片机的硬件资源以实现其与显示模块的有效连接。

STM32F407VET6单片机读写存储器内需要设定的指令参数；以及读取A/D转换器所转换的数字信号，并且通过对数据的处理，完成对模拟量信号的处理。

STM32F407VET6单片机对从外部中断口输入的数字信号下降沿变化进行检测，实现了对数字信号的测量。

RN7302型三相电能计量芯片具有与单片机通讯的双向接口，其计量提供全波、基波有功电能，5000:1动态范围内，非线性误差<0.1％,满足0.5S和0.2S级有功电能表精度要求；提供全波、基波RMS、PQS视在电能数据；具有潜动启动功能，启动阈值可调；测量上提供全波、基波和谐波三相电压电流有效值，2000：1动态范围内，测量误差<0.2％，提供6路相角，测量误差<0.020；提供7路ADC瞬时采样数据，典型应用下采样率8Khz；提供灵活地ADC同步采样数据缓存768x24bit，64或128点每周波，便于谐波分析；提供电压矢量和有效值，2种电流矢量和有效值；提供7路过零检测，过零阈值可设置；提供电压相序错检测；提供失压指示，失压阈值可设置；提供电压暂降检测；提供过压、过流检测；提供谐波、三相不平衡度、闪变和电压波动、电压骤升骤降、电压中断等电能质量参数软件库。

下表为RN7302型三相电能计量芯片的引脚功能说明：

表一、RN7302引脚功能

考虑到实际电网电压存在波动和负载电流可能超载，RN7302三相电能计量芯片的两个模拟通道的输入/输出电压一般都留有足够的超量程冗余。比如，通常设计为额定工作电压为允许最大电压的1/2。

RN7302型三相电能计量芯片的XO和XI引脚间接8.192MHz晶体；RN7302型三相电能计量芯片的XO和XI引脚与接地极间各接入1个15pF电容。RN7302型三相电能计量芯片的CF1引脚与STM32F407VET6单片机PE7引脚之间，RN7302型三相电能计量芯片的CF2引脚与STM32F407VET6单片机PE8引脚之间分别用COSMO357NT光耦合器相连，从而阻断计量电路的干扰信号进入运算控制电路，提高了电路的抗干扰能力。

以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用新型的专利范围，即凡本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用新型的专利范围内。

Claims (10)

1.一种三相多功能计量系统，其特征在于，包括依次连接的采集模块、计量模块及微处理器模块；所述采集模块包括电压采集单元和电流采集单元；所述计量模块包括三相电能计量芯片；所述三相电能计量芯片接收来自所述采集模块的信号，处理后输出信号至所述微处理器模块；所述微处理器模块对输入的信号处理后输出电力数据。

2.根据权利要求1所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述三相电能计量芯片为RN7302型三相电能计量芯片。

3.根据权利要求2所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述三相电能计量芯片的CF1～2引脚与所述微处理器模块的信号输入端之间串接COSMO357NT光耦合器。

4.根据权利要求2所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述三相电能计量芯片的XO和XI引脚之间并联接入一个8.192MHz晶体振荡器和一个10MΩ的电容；XO引脚与接地极之间接入15pF电容，XI引脚与接地极间接入15pF电容。

5.根据权利要求2所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述三相电能计量芯片的三相电压采样通道的正、负模拟输入引脚与接地极间均并联一个电阻和一个电容。

6.根据权利要求2所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述三相电能计量芯片的SDI引脚，其与SPI串行数据输入端之间串接一个100Ω的电阻，其与接地极间串接一个10PF的电容。

7.根据权利要求2所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述三相电能计量芯片的RSTN引脚，其与电源正极之间串接10KΩ电阻，其与接地极间串接一个0.1uF的电容。

8.根据权利要求2所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述三相电能计量芯片的SCLK引脚，其与SPI串行时钟输入端之间串接一个100Ω的电阻，其与接地极间串接一个10PF的电容。

9.根据权利要求2所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述微处理器模块包括单片机，所述单片机为STM32F407型单片机；所述三相电能计量芯片的电能校验脉冲输出引脚与所述STM32F407型单片机的输入引脚之间串接一个三极管放大器和一个COSMO357NT光耦合器。

10.根据权利要求1所述的三相多功能计量系统，其特征在于，所述微处理器模块输出的电力数据包括：电流、电压、频率、有功功率、无功功率、正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流、零序电流、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、2～31次电压谐波及2～31次电流谐波。

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