CN215728502U - 一种电能质量分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电能质量分析仪，包括主板、采样板、功能板、显示按键单元和电源板，主板、采样板、功能板和显示按键单元均分别与电源板电信号连接。本实用新型电能质量分析仪，能精确可靠地采集、记录各相线中各电量参数如电压、电流的情况，根据采集、记录的各相线的电量参数，可自动构造电网谐波图形，分析电网谐波畸变率、三相平衡度等的情况，进而判断电网质量，电网电能异常时，还可发出警报，便于电能管理；且，根据采集、记录的各相线中各电量参数以及电能的累积量，可监测电网用电量的同时，在设置费率后，还可进行贸易结算。

Description

一种电能质量分析仪

技术领域

本实用新型涉及电力监测仪表领域，尤其涉及一种电能质量分析仪。

背景技术

随着国民经济和科学技术的蓬勃发展，冶金、化学等现代化大工业和电气化铁路大量兴起，电网负荷加大的同时，电力系统中的非线性负荷及冲击性、波动性负荷使得电网出现波形畸变（谐波）、电压波动、闪变、三相不平衡等问题，电网的非对称性（负序）和负荷波动性日趋严重。电能质量下降，严重影响供用电设备的安全和经济运行，电能质量的管理越发的迫切，极需监测解决。现阶段各大电力行业大多采用电网监测系统对电能质量进行采集与分析，需要建立专用的监测环境，配备大量人力物力进行监测与管理，同时监测数据的备份还需要建立专有数据库进行定期保存，耗时耗力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供涉及一种电能质量分析仪。

实现本实用新型目的的技术方案是：一种电能质量分析仪，包括主板、采样板、功能板、显示按键单元和电源板，主板、采样板、功能板和显示按键单元均分别与电源板电信号连接； 主板上具有MCU处理器、外部时钟电路、存储单元、看门狗、AD转换电路、收发器和通讯电路，外部时钟电路、存储单元、看门狗、AD转换电路、收发器和通讯电路均分别与MCU处理器电信号连接；

采样板上具有相线电压采样电路和相线电流采样电路，采样板上相线电压采样电路和相线电流采样电路各自的数量均分别与电网相线数量相一致，采样板上各相线电压采样电路和各相线电流采样电路均分别与主板上的AD转换电路电连接；

功能板上具有DI输入电路、DO输出电路和累积电能脉冲输出电路，功能板上的DI输入电路、DO输出电路和累积电能脉冲输出电路均分别与主板上的MCU处理器电信号连接；

显示按键单元与主板上的收发器电信号连接；

其中，采样板上相线电压采样电路与电网相线一一对应，相线电压采样电路用于实时采集与其对应的电网相线的电压信号；采样板上相线电流采样电路与电网相线一一对应，相线电压采样电路用于实时采集与其对应的电网相线的电流信号；累积电能脉冲输出电路用于接收主板上MCU处理器发送来的累积电能的脉冲信号，并将该累积电能的脉冲信号输出。

进一步地，MCU处理器为32位处理器。32位处理器接口丰富，具有串口、I2C总线接口、PWM接口等众多接口，考虑到其应用要求及成本，MCU处理器较佳为32位处理器。

进一步地，主板上的存储单元包括NAND存储器和F-RAM存储器。其中，NAND存储器用于存储采集信号（如各相线对应的电压信号和电流信号）的历史数据以及存储各硬件电路初始化参数，具有掉电后数据不会丢失，仍能保持数据的功能；F-RAM存储器为Flash存储器，用于记录临时事件，配合MCU处理器，进行后台事件管理。

进一步地，收发器为八位元收发器。如型号为74LV245的八位元收发器，由于本实用新型电能质量分析仪的显示数据量相对较少，考虑到需求与成本，驱动显示按键单元的收发器为八位元收发器即可。

进一步地，通讯电路包括以太网通讯电路和RS485通讯电路。通讯电路主要用于与外部通讯，通讯电路中以太网通讯电路采用标准RJ45接口，连接的外设是广域网的路由器，该接口插入网线，配制设备的IP地址及网关信息即可连入网络，其通讯没有距离限制，可进行远程通讯；而RS485通讯电路为半双式的异步串行通讯，其只需要二芯线即可与外部设备（如上位机、DCS、PLC等设备）组网实现通讯，且支持多机通讯，但相对于太网通讯电路实现的远程通讯，RS485通讯电路则通常只能实现近距离的通讯。通讯电路同时包括以太网通讯电路和RS485通讯电路，可使本实用新型电能质量分析仪的应用更为活灵。

进一步地，主板上设有USB接口，所述USB接口与MCU处理器电信号连接。USB接口用于数据转存与在线升级产品使用，具体地，通过USB接口可以将历史数据拷贝到外部U盘上，并在上位机配套对应软件打开查看，或将升级软件通过USB接口拷贝到MCU处理器上进行升级。

进一步地，主板上设有SD卡槽。SD卡槽用于插SD卡，以便进行数据存储扩容，增加本实用新型电能质量分析仪存储容量。

进一步地，相线电压采样电路包括电压互感器PT和运算放大器Q1，电压互感器PT初级线圈串联有输入电阻，电压互感器PT次级线圈同名端与运算放大器Q1的反向输入端连接，电压互感器PT次级线圈异名端与运算放大器Q1的同向输入端连接后接地，运算放大器Q1的反向输入端与运算放大器Q1的输出端间串联有采样电阻R3，采样电阻R3的两端并联有电容C1，运算放大器Q1的输出端与相线电压采样电路的输出端间串联有电阻R4，相线电压采样电路的输出端与地间还串联有电容C2。采样时，输入的电压加到电压互感器PT的初级线圈侧后，经电压互感器PT初级线圈上的输入电阻的转换后，得到电流信号，该电流信号在电压互感器PT的作用下，电压互感器PT的次级线圈侧产生一定变比的电流，输入到运算放大器Q1的输入端，而后经运算放大器Q1和采样电阻R3的整流转换后，得到采样输出电压，该采样输出电压经过电容C1以及由电阻R4和电容C2组成的低通滤波电路的滤波作用后，由相线电压采样电路的输出端稳定输出。

进一步地，电压互感器PT初级线圈串联的输入电阻包括电阻R1和电阻R2。电压互感器的PT初级线圈串联的输入电阻可以是一个，也可以是串联后总阻值相同的若干个（如比两个，电阻R1和电阻R2），相比前者，输入电阻采用多个电阻串联的方式，可减小体积和发热。

进一步地，相线电流采样电路包括电流互感器CT和运算放大器Q2，电流互感器CT次级线圈同名端与运算放大器Q2的反向输入端连接，电流互感器CT次级线圈异名端与运算放大器Q2的同向输入端连接后接地，运算放大器Q2的反向输入端与运算放大器Q2的输出端间串联有采样电阻R5，采样电阻R5的两端并联有电容C3，运算放大器Q2的输出端与相线电流采样电路的输出端间串联有电阻R6，相线电流采样电路的输出端与地间还串联有电容C4。电流互感器CT用于进行电磁感应，将待采集变送的电流信号感应到电流互感器CT次级线圈上，感应到电流互感器CT次级线圈上的电流输入到运算放大器Q2的输入端，经运算放大器Q2和采样电阻R5的整流转换后，得到采样输出电压，得到的采样输出电压经过电容C3以及由电阻R6和电容C4组成的低通滤波电路的滤波作用后，由相线电流采样电路的输出端稳定输出。

进一步地，DI输入电路包括瞬态二极管TVS1、光耦U1、二极管D1、电阻R7、电阻R8和电容C5；DI输入电路输入端与光耦U1发光侧负极连接，光耦U1发光侧正极与电源VCC1间串联电阻R7，瞬态二极管TVS1和二极管D1并联于电源VCC1和DI输入电路输入端间，其中，二极管D1的正极与DI输入电路输入端连接；光耦U1受光侧集电极与DI输入电路输出端连接，光耦U1受光侧发射极接地，光耦U1受光侧集电极与光耦U1受光侧发射极间串联电容C5，光耦U1受光侧集电极与电源VCC2间串联电阻R8。正常无外部事件输入时，光耦U1不导通，DI输入电路输出端被电源VCC2上拉为高电平；当有外部事件输入时，DI输入电路输入端被拉为低电平，电源VCC1、电阻R7、光耦U1发光侧、DI输入电路输入端间形成回路，光耦U1发光侧发光，光耦U1受光侧导通，因光耦U1受光侧发射极接地，DI输入电路输出端被拉为低电平。DI输入电路输出端连接主板上MCU处理器，主板上MCU处理器即是通过DI输入电路输出端的高、低电平，来判断是否有外部事件输入。本实用新型电能质量分析仪，一方面，光耦U1的设置让DI输入电路输入端与主板上MCU处理器的IO口没有直接的物理连接，可防止DI输入电路输入端输入的信号夹杂的强电干扰或反串电压损坏MCU处理器；另一方面，电源VCC1和DI输入电路输入端并联的间瞬态二极管TVS1和二极管D1起保护作用，使DI输入电路不会因输入信号过大而损坏。

进一步地，DO输出电路包括继电器K、NPN型三极管T1、NPN型三极管T2、二极管D2和若干电阻，DO输出电路输入端与NPN型三极管T1的基极间串联电阻R9，NPN型三极管T1的基极与电源VCC3间串联电阻R10，NPN型三极管T1的发射极接地，NPN型三极管T1的集电极与电源VCC3间串联电阻R11，NPN型三极管T1的集电极与NPN型三极管T2的基极间串联电阻R12，NPN型三极管T2的发射极接地，NPN型三极管T2集电极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电源VCC3连接，继电器K的线圈并联于二极管D2的两端，继电器K的开关端为DO输出电路的输出端。本实用新型电能质量分析仪，继电器K的开关为常开开关，DO输出电路的输入端与主板上MCU处理器连接，具体地，如当采集到的电能异常，主板上MCU处理器产生报警控制信号时，DO输出电路接收来自主板上MCU处理器的报警控制信号，该报警控制信号为低电平控制信号，此时，NPN型三极管T1的基极被拉低为零，根据NPN型三极管的饱合特性，NPN型三极管T1的集电极与发射极导通，而NPN型三极管T1的发射极接地，则NPN型三极管T1的集电极也变成低电平；同理，NPN型三极管T2的基极电位也被拉低到零，NPN型三极管T2的发射极接地，NPN型三极管T2的集电极被拉低到零，继电器K的线圈与二极管D2正极连接的一端被拉低为零，继电器K的线圈与二极管D2负极连接的一端连接电源VCC3，电源VCC3、继电器K、地间形成回路，继电器K的线圈得电，继电器K的开关吸合导通，DO输出电路的输出端输出控制信号，以驱动外部设备报警。相反，主板上MCU处理器未产生报警控制信号时，MCU处理器输送给DO输出电路输入端的信号为高电平，继电器K的线圈的两端均为高电平，继电器K不得电，继电器K的开关断开，DO输出电路的输出端不会输出控制信号。本实用新型电能质量分析仪，通过继电器K、结合NPN型三极管T1和NPN型三极管T2设置，实现主板上MCU处理器输出的小电流对外部设备大电流的控制。

进一步地，累积电能脉冲输出电路包括光藕U2、瞬态二极管TVS2和电阻R13，累积电能脉冲输出电路输入端与光藕U2发光侧正极间串联电阻R13，光藕U2发光侧负极接地，光藕U2受光侧的两端间串联有瞬态二极管TVS2，光藕U2受光侧的两端为累积电能脉冲输出电路输出端的正负极。具体工作时，主板上MCU处理器将采样板上相线电压采样电路和相线电流采样电路采集到的电信号实时进行累积，并根据实时累积的用电量产生累积电能的脉冲信号，同时将产生的累积电能的脉冲信号输送到累积电能脉冲输出电路的输入端，电能脉冲输出电路的输入端为高电平时，光藕U2导通；电能脉冲输出电路的输入端为低电平时，光藕U2不导通，累积电能脉冲输出电路将输入端输入的累积电能的脉冲信号转换成另一种形式的脉冲信号输出，一个脉冲代表一定的量，通过对累积电能脉冲输出电路输出端输出的脉冲的数量进行计数，即可得到累积的用电量。上述设置中，光藕U2起物理隔离作用，提高电路的抗干扰能力；瞬态二极管TVS2则起保护作用，使电能脉冲输出电路的后端不会因信号过大而损坏。本实用新型电能质量分析仪，除了上述设置可将累积用电量信号输出，进行异地查看外，还可通过通讯电路，对主板上MCU处理器内存储的累积用电量进行读取，相比后者，前者更符合行业内流行做法。本实用新型电能质量分析仪，两种用电量查看方式同时设置，可使本实用新型电能质量分析仪使用更为灵活，灵活抄表。

进一步地，显示按键单元包括LCD显示屏和按键。LCD显示屏与收发器连接，不断获取收发器发送来的控制信号，刷新显示菜单内容；配合按键事件，获取相对应的菜单刷新，以进行人机交互。本实用新型电能质量分析仪，按键通常具有6个按键，确定键、取消键、上键、下键、减键、加键，不同按键对应不同的操作功能，按键事件不同，主板上MCU处理器的IO口分别连接着这6个按键，并扫描按键信号，检测是否有按键输入信号，当有按键按下，则对按键事件进行解码判断，对不同的按键作操作响应，刷新对应的显示菜单，修改对应参数。

本实用新型电能质量分析仪，能精确可靠地采集、记录各相线中各电量参数如电压、电流的情况，根据采集、记录的各相线的电量参数，可自动构造电网谐波图形，分析电网谐波畸变率、三相平衡度等的情况，进而判断电网质量，电网电能异常时，还可发出警报，便于电能管理；且，根据采集、记录的各相线中各电量参数以及电能的累积量，可监测电网用电量的同时，在设置费率后，还可进行贸易结算。本实用新型电能质量分析仪，提供了一种集基本电量测量、电能计量、电能质量分析、电量监视与记录、事件报警与事件记录于一体的多功能智能电量监控与记录设备，能测量和监视低压配电系统中的几乎所有相关配电网参数，为评估工厂状态和配电网质量提供重要数据，其既可用于单相电网电能的测量，也可用于三线制或四线制配电网中的多相电网电能的测量。本实用新型电能质量分析仪，实现了现阶段电网质量分析与记录系统中的绝大多数功能，一定程度上可替代现阶电力系统对电网的监视测量及分析记录，且因为其将对电网的监视、测量、分析、记录集中在一台产品中实现，具有较高的灵活性和经济性，结构上相较于现阶段的系统，也具有体积小巧、安装方便的优点。

附图说明

图1是本实用新型电能质量分析仪的功能结构示意图；

图2是本实用新型电能质量分析仪的相线电压采样电路的电路图；

图3是本实用新型电能质量分析仪的相线电流采样电路的电路图；

图4是本实用新型电能质量分析仪的DI输入电路的电路图；

图5是本实用新型电能质量分析仪的DO输出电路的电路图；

图6是本实用新型电能质量分析仪的累积电能脉冲输出电路的电路图；

图7是本实用新型电能质量分析仪MCU处理器内程序运行方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型电能质量分析仪的较佳实施方式作详细的说明：

如图1所示，一种电能质量分析仪，包括主板1、采样板2、功能板3、显示按键单元4和电源板5，主板1、采样板2、功能板3和显示按键单元4均分别与电源板5电信号连接；

主板1上具有MCU处理器11、外部时钟电路12、存储单元13、看门狗14、AD转换电路15、收发器16和通讯电路17，外部时钟电路12、存储单元13、看门狗14、AD转换电路15、收发器16和通讯电路17均分别与MCU处理器11电信号连接；

采样板2上具有相线电压采样电路21和相线电流采样电路22，采样板2上相线电压采样电路21和相线电流采样电路22各自的数量均分别与电网相线数量相一致，采样板2上各相线电压采样电路21和各相线电流采样电路22均分别与主板1上的AD转换电路15电信号连接；

功能板3上具有DI输入电路31、DO输出电路32和累积电能脉冲输出电路33，功能板3上的DI输入电路31、DO输出电路32和累积电能脉冲输出电路33均分别与主板1上的MCU处理器11电信号连接；

显示按键单元4与主板1上的收发器16电信号连接；

其中，采样板2上相线电压采样电路21与电网相线一一对应，相线电压采样电路21用于实时采集与其对应的电网相线的电压信号；采样板2上相线电流采样电路22与电网相线一一对应，相线电压采样电路21用于实时采集与其对应的电网相线的电流信号；累积电能脉冲输出电路33用于接收主板1上MCU处理器11发送来的累积电能的脉冲信号，并将该累积电能的脉冲信号输出。

本实用新型电能质量分析仪，主板1、采样板2、功能板3、显示按键单元4上的各电路由电源板5供电。电源板5上电源为开关电源，输入AC220V，通常可输出两组直流电压DC24V和DC8V，其中，DC8V通过电源芯片（型号TPS54560）还转换成DC5V输出，DC5V一方面通过电源芯片（型号WRA0512S）还转换成了+12V与-12V输出，另一方面通过电源芯片（型号SPX1117）还转换成DC3.3V输出，如此，获得本实用新型电能质量分析仪所需的各组电压。

本实用新型电能质量分析仪，采样板2上具有相线电压采样电路21和相线电流采样电路22，采样板2上相线电压采样电路21和相线电流采样电路22各自的数量均分别与电网相线数量相一致，如电网为三相电时，采样板2上相线电压采样电路21和相线电流采样电路22各自均具有三组，电网的每条相线均对应一相线电压采样电路21和一相线电流采样电路22。

本实用新型电能质量分析仪，每组相线电压采样电路21用于实时采集与其对应的电网相线的电压信号。

本实用新型电能质量分析仪，如图2所示，每组相线电压采样电路21均通常包括电压互感器PT和运算放大器Q1，电压互感器PT初级线圈串联有电阻R1和电阻R2，电压互感器PT次级线圈同名端（电压互感器PT的引脚2端）与运算放大器Q1的反向输入端连接，电压互感器PT次级线圈异名端（电压互感器PT的引脚3端）与运算放大器Q1的同向输入端连接后接地，运算放大器Q1的反向输入端与运算放大器Q1的输出端间串联有采样电阻R3，采样电阻R3的两端并联有电容C1，运算放大器Q1的输出端与相线电压采样电路21的输出端间串联有电阻R4，相线电压采样电路21的输出端与地间还串联有电容C2。

本实用新型电能质量分析仪，每组相线电压采样电路21用于实时采集与其对应的电网相线的电压信号时，电网相线上的电压加载到电压互感器PT的初级线圈侧后，经过电阻R1和电阻R2的电流常为0-1mA，该0-1mA电流信号在电压互感器PT的作用下，电压互感器PT的次级线圈侧产生一定变比的电流信号，其中，电压互感器PT的变比通常为1：1，电压互感器PT次级线圈上产生的电流信号通常也为0-1mA，该0-1mA的电流信号输入到运算放大器Q1的输入端，而后经运算放大器Q1和采样电阻R3的整流转换后，得到采样输出电压（采样输出电压通常为0-5.89V）；该采样输出电压经过电容C1的滤波、以及由电阻R4和电容C2组成的低通滤波电路的滤波作用后，由相线电压采样电路21的输出端稳定输出，输出给主板1上的AD转换电路15。

本实用新型电能质量分析仪，电压互感器的PT初级线圈串联的输入电阻可以是一个，也可以是串联后总阻值相同的若干个（如比两个，电阻R1和电阻R2），相比前者，输入电阻采用多个电阻串联的方式，可减小体积和发热。

本实用新型电能质量分析仪，每组相线电流采样电路22用于实时采集与其对应的电网相线的电流信号。

本实用新型电能质量分析仪，如图3所示，每组相线电流采样电路22通常包括电流互感器CT和运算放大器Q2，电流互感器CT次级线圈同名端（电流互感器CT的引脚2端）与运算放大器Q2的反向输入端连接，电流互感器CT次级线圈异名端（电流互感器CT的引脚1端）与运算放大器Q2的同向输入端连接后接地，运算放大器Q2的反向输入端与运算放大器Q2的输出端间串联有采样电阻R5，采样电阻R5的两端并联有电容C3，运算放大器Q2的输出端与相线电流采样电路22的输出端间串联有电阻R6，相线电流采样电路22的输出端与地间还串联有电容C4。

本实用新型电能质量分析仪，电流互感器CT用于进行电磁感应，将电网相线上待采集变送的电流信号感应到电流互感器CT次级线圈上，电流互感器CT的变比通常为5A：5mA，感应到电流互感器CT次级线圈上的电流信号通常为0-5mA，感应到电流互感器CT次级线圈上0-5mA的电流信号输入到运算放大器Q2的输入端，经运算放大器Q2和采样电阻R5的整流转换后，得到采样输出电压（采样输出电压通常为0-5V），得到的采样输出电压经过电容C3以及由电阻R6和电容C4组成的低通滤波电路的滤波作用后，由相线电流采样电路22的输出端稳定输出。

本实用新型电能质量分析仪，相线电压采样电路21中的运算放大器Q1和相线电流采样电路22中的运算放大器Q2，通常为OP07芯片。

本实用新型电能质量分析仪，每组相线电压采样电路21和每组相线电流采样电路22均分别与主板1上的AD转换电路15，即每组相线电压采样电路21输出端输出的采样输出电压和每组相线电流采样电路22输出端输出的采样输出电压均分别送入主板1上的AD转换电路15，由AD转换电路15进行模/数转换，将相线电压采样电路21输出的为模拟信号的采样输出电压和相线电流采样电路22输出的为模拟信号的采样输出电压转换成数字信号。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上的AD转换电路15通常为ADS8548芯片。

本实用新型电能质量分析仪，AD转换电路15对相线电压采样电路21输出的为模拟信号的采样输出电压和相线电流采样电路22输出的为模拟信号的采样输出电压进行模/数转换，转换得到的数字信号传送给主板1上MCU处理器11。MCU处理器11通常为32位处理器。32位处理器接口丰富，具有串口、I2C总线接口、PWM接口等众多接口，考虑到其应用要求及成本，MCU处理器较佳为32位处理器。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上的MCU处理器11用于接收相线电压采样电路21和相线电流采样电路22采集的、经AD转换电路15转换成数字信号后的电网相线上的电压信号和电流信号；及，用于对AD转换电路15传送来的电压信号和电流信号进行处理，分析电压信号和电流信号的质量，计算电压信号和电流信号各自的累积量；及，用于将AD转换电路15传送来的电压信号和电流信号、及电压信号和电流信号各自的累积量存储到存储单元13中；及，用于将AD转换电路15传送来的电压信号和电流信号、及电压信号和电流信号各自的累积量发送给收发器16，收发器16根据接收到MCU处理器11发送来的信号驱动显示按键单元4，使显示按键单元4对相线电压采样电路21采集的电压信号和相线电流采样电路22采集的电流信号、及电压信号和电流信号各自的累积量实时进行显示。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上MCU处理器11对AD转换电路15传送来的电压信号和电流信号进行处理，分析电压信号和电流信号的质量，计算电压信号和电流信号各自的累积量时，具体过程为，主板1上的MCU处理器11接收到相线电压采样电路21和相线电流采样电路22采集的、经AD转换电路15转换成数字信号后的电网相线上的电压信号和电流信号后，判断采样到电压信号和电流信号是否各为完整的周波，如若是完整的周波，则进行傅立叶插值法FFT运算，计算电网的各组参数，构造电网谐波图形，如若不是完整的周波，则放弃本次采集，消除AD转换标识事件，重新开启AD转换；而后，根据构造的电网谐波图形，分析电网谐波畸变率、三相平衡度等的情况，进而分析电压信号和电流信号的质量；同时，对接收到的、由相线电压采样电路21和相线电流采样电路22采集的、经AD转换电路15转换成数字信号后的电网相线上的电压信号和电流信号进行累积，计算电压信号和电流信号各自的累积量。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上的存储单元13通常包括NAND存储器131和F-RAM存储器132。其中，NAND存储器131用于存储采集信号的历史数据以及存储各硬件电路初始化参数，比如MCU处理器11将AD转换电路15传送来的电压信号和电流信号、及电压信号和电流信号各自的累积量即存储到NAND存储器131中，NAND存储器131具有掉电后数据不会丢失，仍能保持数据的功能；F-RAM存储器132为Flash存储器，用于记录临时事件，配合MCU处理器11，进行后台事件管理。

本实用新型电能质量分析仪，收发器16用于接收主板1上的存储单元13发送的相关信号；及，用于发送控制信号给显示按键单元4，驱动并刷新显示菜单内容。收发器16通常为八位元收发器。如型号为74LV245的八位元收发器，由于本实用新型电能质量分析仪的显示数据量相对较少，考虑到需求与成本，收发器16为八位元收发器即可。

本实用新型电能质量分析仪，显示按键单元4通常包括LCD显示屏41和按键42。LCD显示屏41与收发器16连接，不断获取收发器16发送来的控制信号，刷新显示菜单内容；配合按键事件，获取相对应的菜单刷新，以进行人机交互。

本实用新型电能质量分析仪，按键42通常具有6个按键，确定键、取消键、上键、下键、减键、加键，不同按键对应不同的操作功能，按键事件不同，主板1上MCU处理器11的IO口分别连接着这6个按键，并扫描按键信号，检测是否有按键输入信号，当有按键按下，则对按键事件进行解码判断，对不同的按键作操作响应，刷新对应的显示菜单，修改对应参数。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上MCU处理器11还用于通过通讯电路17与外部设置进行通讯。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上的通讯电路17通常包括以太网通讯电路171和RS485通讯电路172。其中，通讯电路17主要用于与外部通讯，通讯电路17中以太网通讯电路171采用标准RJ45接口，连接的外设是广域网的路由器，该接口插入网线，配制设备的IP地址及网关信息即可连入网络，其通讯没有距离限制，可进行远程通讯，如主板1上存储单元13内所有保存记录的电网参数，均可通过太网通讯电路171进行数据远传；而RS485通讯电路172为半双式的异步串行通讯，其只需要二芯线即可与外部设备（如上位机、DCS、PLC等设备）组网实现通讯，且支持多机通讯，但相对于太网通讯电路171实现的远程通讯，RS485通讯电路172则通常只能实现近距离的通讯。通讯电路17同时包括以太网通讯电路171和RS485通讯电路172，可使本实用新型电能质量分析仪的应用更为活灵。

本实用新型电能质量分析仪，以太网通讯电路171通常采用LAN8720A芯片，RJ45接口可采用HR911105A接口。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上的外部时钟电路12用于为MCU处理器11提供工作所需的时钟信号，外部时钟电路12通常采用PCF8563芯片；看门狗14用于防止MCU处理器11运行程序死机，其由MCU处理器11不断喂狗进行控制，当看门狗的计数值没有被MCU处理器11按时清除，累加满后，即触发看门狗复位事件，看门狗14通常采用MAX706芯片。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上还通常设有USB接口18，所述USB接口18与MCU处理器11电信号连接。USB接口18可用于数据转存与在线升级产品使用，具体地，通过USB接口18可以将历史数据拷贝到外部U盘上，并在上位机配套对应软件打开查看，或将升级软件通过USB接口18 拷贝到MCU处理器11上进行升级。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上还通常设有SD卡槽19。SD卡槽19用于插SD卡，以便进行数据存储扩容，增加本实用新型电能质量分析仪存储容量。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上的MCU处理器11还用于接收功能板3上DI输入电路31输入的开关量信号。

本实用新型电能质量分析仪，如图4所示，功能板3上的DI输入电路31通常包括瞬态二极管TVS1、光耦U1、二极管D1、电阻R7、电阻R8和电容C5；DI输入电路31输入端与光耦U1发光侧负极连接，光耦U1发光侧正极与电源VCC1间串联电阻R7，瞬态二极管TVS1和二极管D1并联于电源VCC1和DI输入电路31输入端间，其中，二极管D1的正极与DI输入电路31输入端连接；光耦U1受光侧集电极与DI输入电路31输出端连接，光耦U1受光侧发射极接地，光耦U1受光侧集电极与光耦U1受光侧发射极间串联电容C5，光耦U1受光侧集电极与电源VCC2间串联电阻R8。

本实用新型电能质量分析仪，DI输入电路31的输入端连接功能开关（如“累积电能清零开关”或“报警确认开关”等），DI输入电路31的输出端连接MCU处理器11的IO口，MCU处理器11对每个外部事件的IO口定义了固定的功能，如通过DI输入电路31与“累积电能清零开关”连接的IO口为累积电能清零功能信号识别口；通过DI输入电路31与“报警确认开关”连接的IO口为报警确认信号识别口。

本实用新型电能质量分析仪，工作过程中，DI输入电路31输入端连接的功能开关未触发，无外部事件输入时，光耦U1不导通，DI输入电路31输出端被电源VCC2（3.3V）上拉为高电平；当有外部事件输入时，DI输入电路31输入端被拉为低电平0，电源VCC1（24V）、电阻R7、光耦U1发光侧、DI输入电路31输入端间形成回路，光耦U1发光侧发光，光耦U1受光侧导通，因光耦U1受光侧发射极接地，DI输入电路31输出端被拉为低电平0。DI输入电路31输出端连接主板1上MCU处理器11，主板1上MCU处理器11即是通过DI输入电路31输出端的高、低电平，来判断是否有外部事件输入。

本实用新型电能质量分析仪，一方面，光耦U1的设置让DI输入电路31输入端与主板1上MCU处理器11的IO口没有直接的物理连接，可防止DI输入电路31输入端输入的信号夹杂的强电干扰或反串电压损坏MCU处理器11；另一方面，电源VCC1和DI输入电路31输入端并联的间瞬态二极管TVS1和二极管D1起保护作用，使DI输入电路31不会因输入信号过大而损坏。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上的MCU处理器11还用于发送开关量信号给功能板3上的DO输出电路32。

本实用新型电能质量分析仪，如图5所示，功能板3上的DO输出电路32通常包括继电器K、NPN型三极管T1、NPN型三极管T2、二极管D2和若干电阻，DO输出电路32输入端与NPN型三极管T1的基极间串联电阻R9，NPN型三极管T1的基极与电源VCC3间串联电阻R10，NPN型三极管T1的发射极接地，NPN型三极管T1的集电极与电源VCC3间串联电阻R11，NPN型三极管T1的集电极与NPN型三极管T2的基极间串联电阻R12，NPN型三极管T2的发射极接地，NPN型三极管T2集电极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电源VCC3连接，继电器K的线圈并联于二极管D2的两端，继电器K的开关端为DO输出电路32的输出端。其中，继电器K的开关为常开开关。

本实用新型电能质量分析仪，DO输出电路32的输入端与主板1上MCU处理器11的IO口连接，DO输出电路32的输出端与外部设备连接。同上，MCU处理器11对每个IO口定义了固定的功能，如DO输出电路32的输出端连接的外部设备为警报设备的电源时，MCU处理器11的该IO口即为控制警报设备响应的接口。

本实用新型电能质量分析仪，工作过程中，如当采集到的电能异常，主板1上MCU处理器11产生报警控制信号时，DO输出电路32接收来自主板1上MCU处理器11的报警控制信号，该报警控制信号为低电平控制信号，此时，NPN型三极管T1的基极被拉低为零，根据NPN型三极管的饱合特性，NPN型三极管T1的集电极与发射极导通，而NPN型三极管T1的发射极接地，则NPN型三极管T1的集电极也变成低电平；同理，NPN型三极管T2的基极电位也被拉低到零，NPN型三极管T2的发射极接地，NPN型三极管T2的集电极被拉低到零，继电器K的线圈与二极管D2正极连接的一端被拉低为零，继电器K的线圈与二极管D2负极连接的一端连接电源VCC3（5V），电源VCC3（5V）、继电器K、地间形成回路，继电器K的线圈得电，继电器K的开关吸合导通，DO输出电路32的输出端输出控制信号，以驱动外部设备报警。相反，主板1上MCU处理器11未产生报警控制信号时，MCU处理器11输送给DO输出电路32输入端的信号为高电平，继电器K的线圈的两端均为高电平，继电器K不得电，继电器K的开关断开，DO输出电路32的输出端不会输出控制信号。

本实用新型电能质量分析仪，通过继电器K、结合NPN型三极管T1和NPN型三极管T2设置，实现了主板1上MCU处理器11输出的小电流对外部设备大电流的控制。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上的MCU处理器11还用于发送累积电能的脉冲信号给功能板3上的累积电能脉冲输出电路33。

本实用新型电能质量分析仪，如图6所示，累积电能脉冲输出电路33包括光藕U2、瞬态二极管TVS2和电阻R13，累积电能脉冲输出电路33输入端与光藕U2发光侧正极间串联电阻R13，光藕U2发光侧负极接地，光藕U2受光侧的两端间串联有瞬态二极管TVS2，光藕U2受光侧的两端为累积电能脉冲输出电路33输出端的正负极。

本实用新型电能质量分析仪，具体工作时，主板1上MCU处理器11将采样板2上相线电压采样电路21和相线电流采样电路22采集到的电信号实时进行累积，并根据实时累积的用电量产生累积电能的脉冲信号，同时将产生的累积电能的脉冲信号输送到累积电能脉冲输出电路33的输入端，电能脉冲输出电路33的输入端为高电平时，光藕U2导通；电能脉冲输出电路33的输入端为低电平时，光藕U2不导通，累积电能脉冲输出电路33将输入端输入的累积电能的脉冲信号转换成另一种形式的脉冲信号输出，一个脉冲代表一定的量，通过对累积电能脉冲输出电路33输出端输出的脉冲的数量进行计数，即可得到累积的用电量。

本实用新型电能质量分析仪，累积电能脉冲输出电路33中，光藕U2起物理隔离作用，提高电路的抗干扰能力；瞬态二极管TVS2则起保护作用，使电能脉冲输出电路33的后端不会因信号过大而损坏。

本实用新型电能质量分析仪，除了上述设置可将累积用电量信号输出，进行异地查看外，还可通过通讯电路17，对主板1上MCU处理器11内存储的累积用电量进行读取，相比后者，前者更符合行业内流行做法。本实用新型电能质量分析仪，两种用电量查看方式同时设置，可使本实用新型电能质量分析仪使用更为灵活，灵活抄表。

本实用新型电能质量分析仪，能精确可靠地采集、记录各相线中各电量参数如电压、电流的情况，根据采集、记录的各相线的电量参数，可自动构造电网谐波图形，分析电网谐波畸变率、三相平衡度等的情况，进而判断电网质量，电网电能异常时，还可发出警报，便于电能管理；且，根据采集、记录的各相线中各电量参数以及电能的累积量，可监测电网用电量的同时，在设置费率后，还可进行贸易结算。

本实用新型电能质量分析仪，提供了一种集基本电量测量、电能计量、电能质量分析、电量监视与记录、事件报警与事件记录于一体的多功能智能电量监控与记录设备，能测量和监视低压配电系统中的几乎所有相关配电网参数，为评估工厂状态和配电网质量提供重要数据，其既可用于单相电网电能的测量，也可用于三线制或四线制配电网中的多相电网电能的测量。

本实用新型电能质量分析仪，实现了现阶段电网质量分析与记录系统中的绝大多数功能，一定程度上可替代现阶电力系统对电网的监视测量及分析记录，且因为其将对电网的监视、测量、分析、记录集中在一台产品中实现，具有较高的灵活性和经济性，结构上相较于现阶段的系统，也具有体积小巧、安装方便的优点。

本实用新型电能质量分析仪，还提供了主板1上MCU处理器11内程序运行方法，如图7所示，包括以下步骤：

S1. 本实用新型电能质量分析仪上电复位后，进行初始化作业的第一步，关闭定时器中断；

S2. BSP初始化；其中BSP初始化为硬件外设初始化，BSP初始化包括以下步骤：

S2.1. FSMC初始化，FSMC为可变静态存储控制器；

S2.2. 显示按键单元4中的显示驱动芯片初始化；

S2.3. AD转换电路15中的AD转换器初始化；

S2.4. 硬件接口初始化；

S2.5. 网络初始化；其中，网络初始化包括以下步骤：

S2.5.1. 通讯电路17处于串口监测的状态，等待MCU处理器11发出的信号；

S2.5.2. 通讯电路17判断是否收到有效数据帧；如若未收到有效数据帧，返回步骤S2.5.1；如若收到有效数据帧，则解析有效数据帧，并生成返回帧，实现数据发送，数据发送完成后，再返回步骤S2.5.1；

S2.6. 定时器初始化；

S2.7. 看门狗14设置；

S3. 数据初始化与自检：读取外部NAND存储器131数据并自检，显示自检报告；读取外部时钟电路12的时间，显示实时时间信息；

S4. 打开定时器中断；其中，打开定时器中断包括以下步骤：

S2.4.1. 消除事件标识；

S2.4.2. 启动AD转换电路15进行转换；

S2.4.3. 事件任务标识位处理；

S2.4.4. 判断采样点数据是否为一个周波；如若采样点数据是一个周波，则进行傅立叶插值法FFT运算，构造电网谐波图形，而后再消除AD转换标识事件；如若采样点数据不是一个周波，则直接消除AD转换标识事件；

S5. 菜单初始化和事件处理初始化；其中，菜单初始化和事件处理初始化由以下同一步骤完成：

S2.5.1. 刷新显示按键单元4的显示；

S2.5.2. 对按键响应进行处理；

S2.5.3. 对公共服务事件进行处理；

S2.5.4. 刷新系统信息。

本实用新型电能质量分析仪，FSMC初始化内容是根据不同外部存储器类型，发出相应的控制信号以匹配信号的速度，本实用新型电能质量分析仪因常包含两个不同类型的外部存储器（NAND存储器131和F-RAM存储器132），故常需进行FSMC初始化。

本实用新型电能质量分析仪，作为MODBUS（MODBUS为通讯协议）通讯终端（客户端），其通讯电路17虽然包括以太网通讯电路171和RS485通讯电路172，硬件上配置不同模块做选择，但软件处理方式即网络初始化步骤是一致的。

本实用新型电能质量分析仪，处于运行状态时，系统会自动扫描通讯电路17的数据接收，在收到相应的数据帧时作出响应，同时还会有信号检测机制，用来避免不同信号在相同时间发出，在总线上引起冲突，造成信号堵塞现象。

本实用新型电能质量分析仪，结合硬件设置，系统中采用了大量事件管理，用计数器标志位做事件的启动标识，不同事件分配不同的处理周期，当相应事件的标识位被置位后相应事件启动，保证每个事件有固定的处理周期并顺利执行，如电量测量、电能计量、电能质量分析、电量监视与记录、事件报警与事件记录等，这些事件的系统日志信息又保存于F-RAM存储器132中，供MCU处理器11随时调取使用，功能十分齐全。

本实用新型电能质量分析仪，主板1上MCU处理器11内的程序运行方法除了上述方法外，还可以是其它运行方法，如BSP初始化的步骤中，FSMC初始化、显示驱动芯片初始化、AD转换器初始化、硬件接口初始化、网络初始化的顺序可变动。

本实用新型对于其所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种电能质量分析仪，其特征在于：包括主板、采样板、功能板、显示按键单元和电源板，主板、采样板、功能板和显示按键单元均分别与电源板电信号连接；所述主板上具有MCU处理器、外部时钟电路、存储单元、看门狗、AD转换电路、收发器和通讯电路，所述外部时钟电路、所述存储单元、所述看门狗、所述AD转换电路、所述收发器和所述通讯电路均分别与所述MCU处理器电信号连接；

所述采样板上具有相线电压采样电路和相线电流采样电路，采样板上所述相线电压采样电路和所述相线电流采样电路各自的数量均分别与电网相线数量相一致，采样板上各所述相线电压采样电路和各所述相线电流采样电路均分别与主板上的所述AD转换电路电连接；

所述功能板上具有DI输入电路、DO输出电路和累积电能脉冲输出电路，所述功能板上的所述DI输入电路、所述DO输出电路和所述累积电能脉冲输出电路均分别与主板上的所述MCU处理器电信号连接；

所述显示按键单元与所述主板上的所述收发器电信号连接；

其中，采样板上所述相线电压采样电路与电网相线一一对应，所述相线电压采样电路用于实时采集与其对应的电网相线的电压信号；采样板上所述相线电流采样电路与电网相线一一对应，所述相线电压采样电路用于实时采集与其对应的电网相线的电流信号；所述累积电能脉冲输出电路用于接收主板上所述MCU处理器发送来的累积电能的脉冲信号，并将该累积电能的脉冲信号输出。

2.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：所述MCU处理器为32位处理器；所述收发器为八位元收发器；所述显示按键单元包括LCD显示屏和按键。

3.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：主板上的所述存储单元包括NAND存储器和F-RAM存储器。

4.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：所述通讯电路包括以太网通讯电路和RS485通讯电路。

5.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：所述主板上设有USB接口和SD卡槽，所述USB接口和所述SD卡槽均与MCU处理器电信号连接。

6.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：所述相线电压采样电路包括电压互感器PT和运算放大器Q1，电压互感器PT初级线圈串联有输入电阻，电压互感器PT次级线圈同名端与运算放大器Q1的反向输入端连接，电压互感器PT次级线圈异名端与运算放大器Q1的同向输入端连接后接地，运算放大器Q1的反向输入端与运算放大器Q1的输出端间串联有采样电阻R3，采样电阻R3的两端并联有电容C1，运算放大器Q1的输出端与相线电压采样电路的输出端间串联有电阻R4，相线电压采样电路的输出端与地间还串联有电容C2；电压互感器PT初级线圈串联的输入电阻包括电阻R1和电阻R2。

7.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：所述相线电流采样电路包括电流互感器CT和运算放大器Q2，电流互感器CT次级线圈同名端与运算放大器Q2的反向输入端连接，电流互感器CT次级线圈异名端与运算放大器Q2的同向输入端连接后接地，运算放大器Q2的反向输入端与运算放大器Q2的输出端间串联有采样电阻R5，采样电阻R5的两端并联有电容C3，运算放大器Q2的输出端与相线电流采样电路的输出端间串联有电阻R6，相线电流采样电路的输出端与地间还串联有电容C4。

8.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：所述DI输入电路包括瞬态二极管TVS1、光耦U1、二极管D1、电阻R7、电阻R8和电容C5；DI输入电路输入端与光耦U1发光侧负极连接，光耦U1发光侧正极与电源VCC1间串联电阻R7，瞬态二极管TVS1和二极管D1并联于电源VCC1和DI输入电路输入端间，其中，二极管D1的正极与DI输入电路输入端连接；光耦U1受光侧集电极与DI输入电路输出端连接，光耦U1受光侧发射极接地，光耦U1受光侧集电极与光耦U1受光侧发射极间串联电容C5，光耦U1受光侧集电极与电源VCC2间串联电阻R8。

9.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：所述DO输出电路包括继电器K、NPN型三极管T1、NPN型三极管T2、二极管D2和若干电阻，DO输出电路输入端与NPN型三极管T1的基极间串联电阻R9，NPN型三极管T1的基极与电源VCC3间串联电阻R10，NPN型三极管T1的发射极接地，NPN型三极管T1的集电极与电源VCC3间串联电阻R11，NPN型三极管T1的集电极与NPN型三极管T2的基极间串联电阻R12，NPN型三极管T2的发射极接地，NPN型三极管T2集电极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电源VCC3连接，继电器K的线圈并联于二极管D2的两端，继电器K的开关端为DO输出电路的输出端。

10.根据权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于：所述累积电能脉冲输出电路包括光藕U2、瞬态二极管TVS2和电阻R13，累积电能脉冲输出电路输入端与光藕U2发光侧正极间串联电阻R13，光藕U2发光侧负极接地，光藕U2受光侧的两端间串联有瞬态二极管TVS2，光藕U2受光侧的两端为累积电能脉冲输出电路输出端的正负极。

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