CN2172478Y - 多功能电子电度表 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的多功能电子电度表包括：电压 变换部分，电流变换部分，模拟开关，采样保持电路； 模数转换器，处理和控制单元；时钟电路；存储器，输 入输出接口电路，电源部分；每一路的电压和电流经 电压变换部分和电流变换部分送入模拟开关，模拟开 关与二个采样保持电路相连，采保的输出端接入模数 转换器，经换后的数字信号送入处理和控制单元进行 计算、存储、显示和打印、传输。实现了全电子化，节 能、精度高，功能齐全。

Description

本实用新型涉及一种电力部门用的测量、计量仪表，特别是一种多功能电子式（微电脑）电度表。

电度表是电力部门和电力用户之间进行联系的一个重要的测量仪表。它的性能优劣能直接影响到电力部门和电力用户。我国目前大量采用的感应式机械电度表，它是通过在电表中产生交变磁场来达到测量电能的目的。当电表中电压线圈加上电压，电流线圈流过电流时，随着电流大小的改变，产生的交变磁场强弱不同，使处于磁场中的铝圆盘上感应出的涡流大小随着改变，使铝圆盘按照与功率成正比率的速率旋转，通过机械传动方法传给计数器，实现电能的计量，这种产品耗能高，计量精度低，适用性及抗干扰性差，管理不便；

国内从87年开始，科研人员不断在电表的改型方面推出各种方案。有的提出利用可控硅的开关特性，控制电表电压线圈的通断，使得用户电器不工作时，电压线圈不耗能。有的提出在电表上加装筹码盒，使用户在用电前必须投入一定的筹码从而使先用电后交费，变成先买电后用电。有的提出加装单片机，进行智能控制，监测用户状况，分时计价平衡负荷等等。

国内现已有几家工厂生产出多功能电度表，它根据机械式无功、有功功率脉冲表的输入脉冲，在数据处理单元中进行处理、计算、记录、显示，它存在的主要问题是结构比较复杂，造价也高，也无法克服感应表本身带来的种种缺陷。

CN－2048590提出了一种智能卡式数字电度表，其中的电压、电流信号通过乘法器和V－F电路输出有功功率的脉冲，再经过CPU单元与密卡电路相连，该电度表只能检测有功功率，功能单一，依目前的科技水平，低价乘法器的温漂和精度都难满足需要，而且密卡的保密性也很差。

CN－86100655公开了一种智能化多功能电能计量仪，它把电压、电流信号送入一个A／D转换芯片转变为数字量再经光电隔离送入CPU进行计算、控制、显示，该表采用离散计算的方法计算有功、无功功率，但由于仅采用一个A／D转换芯片，检测到的电压和电流信号不是同时刻信号，在计算后必然存在误差；另外，满足一定精度要求的A／D芯片的价格也很高。

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足而提供一种测量精度高、结构简单、价格低廉、具有分时计价即复费率功能而且能计算、记录需量并且复合现有控制柜中全部表计性能的多功能电度表或电能测量、记录仪。

本实用新型的多功能电子电度表包括：

电压变换部分，用于发出与所加的高电压相对应的低压信号；

电流变换部分，用于发出与输入的大电流相对应的小电流信号再转换成电压信号；

模拟开关，用于将电压和电流信号同时的导通；

采样保持电路；

模数转换器，用于将所述电压或电流变换部分输入的电压信号转换成数字信号；

处理和控制单元；

时钟电路；

存储器，包括程序存储器、数据存储器；

输入输出接口电路，包括显示电路，打印电路，传输电路；

电源部分；

每一路的电压和电流经电压变换部分和电流变换部分送入模拟开关，模拟开关与二个采样保持电路相连，采保的输出端接入模数转换器，转换后的数字信号送入处理和控制单元进行计算、存储、显示和打印、传输。

本实用新型的多功能电子电度表实现了全电子的测量、计算、存储、显示、打印、传输，采用了对交流电压、电流直接进行同步随机采样技术，省去了对其频率或周期的整步技术，所以该表具有以下的特点：

1、可一表多用，本表可通过按各个选择键来选择显示所需的各种电力参数，这些参数为三相的电压、电流、功率因素，峰／平／谷（可有更多时段）的有功电能、无功电能，有功功率、无功功率，需量，频率，断电起始、终了时间和断电时的供电状况，超容用电和低功率因素的状况，还可显示年月日、时分秒，所以一表可取代原配电柜上安装的全部表计。

2、本表可对高次谐波的电力信号进行处理，因而计量精确度高。

3、能存储多月的用户的用电情况。

4、有自动调零、自动校准之功能。

5、有较高的过电压、过电流能力，可以自动进行量程切换。

6、能分区、分时、分价自动计费，能记录超容和低功率因素的情况，使电力部门能按电力这个不能储存的特殊商品的供求矛盾来调整价格，最终尽可能实现移峰填谷。

7、可利用串行口与上位机或手掌机或类似手掌机的取数器进行通讯，实现参数的预置、修改以及提取所有存储的电力计量数据，也可利用微型打印机直接打印出用电报表。

8、耗电省，属于节能型产品，并且节省有色金属。

9、扩展功能容易，进一步开发出无线遥测等新品种。

为详细介绍本实用新型，下列结合附图对其电路原理及技术特征作进一步的说明：

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为类似图1的另一个实施例的电路原理框图；

图3为类似图1的又一个实施例的电路原理框图；

图4为类似图1的再一个实施例的电路原理框图；

图5是一路的电压变换部分的详细线路图；

图6是一路的电流变换部分的详细线路图；

图7是采样保持电路与模数转换电路之间的信号处理电路；

图8是类似图7功能的电路简图；

图9是另一个类似图7功能的电路简图。

参见图1、2、3、4，本实用新型的多功能电子电度表，包括组装各种电路板用的外壳（图上未示），其特征在于：

电压变换部分1，用于发出与所加的高电压（例如220V、380V或更高的电压）相对应的低压信号，一般为±5V，参见图5，它由电压互感器PT11，分压电阻R11，R12，滤波电容C11，钳位稳压管DZ11，DZ12，高精度、低温漂的运算放大器IC11组成，其中的运放接成射随器方式，进行阻抗匹配；

电流变换部分2，用于发出与输入的大电流相对应的小电流信号，再通过一电阻变成电压信号，参见图6，它由电流互感器CT21，很低温度系数的小阻值电阻R21，接成差分放大方式的双运放IC21和高精度、低温漂的运算放大器IC22组成，为实现较宽量程内的高精度测量，上述的运算放大器IC22可置外成可编程的运放，也可在模拟开关3与模数转换器41之间串接入一个可编程的运放；

模拟开关3，用于将相对应的每一路电压和电流信号同时导通；

采样保持电路41、42，以保证采样到的电压和电流信号是同相位的；

模数转换器51、52，用于将所述电压或电流变换部分输入的所述电压信号转换成数字信号；

处理和控制单元6，它为一微处理器，较好的是各种型号的单片机；

时钟电路7，一般采用工控日历钟，例如MSM5832；

存储器8，包括程序存储器（EPROM）81，数据存储器，例如静态存储器（SRAM）82和／或长期非易失性存储器（EEPROM）83；

输入输出接口电路，包括显示电路91，打印接口电路92，串行通讯传输电路93，这些部分与CPU的各种组合属于现有技术中通用的设计，包括必要的译码器、锁存器、缓冲器及并行口扩展电路94；

电源部分，负责向全部电路的供电。

图上示出的触发电路根据电压信号的频率高低产生一方波信号，输入到单片机的高速输入口，用来计算对电压、电流信号的采样间隔。

图2中的电路原理图与图1中的电路原理图的主要区别在于只有一个模数转换器5，采样保持器41、42保持下来的同一相位某一时刻的电压和电流信号Vi、Ii经过一个模拟开关3’输入模数转换器5，其中的模拟开关3’可以与模拟开关3进行合并。

图3中的电路原理图与图1中的电路原理图的主要区别在于只有二路的电压、电流信号输入，类似于机械式电度表中的三相三线制的二元件。

图4中的电路原理图与图1中的电路原理图的主要区别在于省去了一个长期非易失性存储器（EEPROM）和一个并行口扩展电路。

以上四个原理图中的各种方案可以根据实际需要进行任意的组合。

为了降低整机的造价，可以采用内部保成有模数转换器的单片机，例如8098，8096等，其中8098是美国intel公司1988年推出的产品，具有比其它单片机性能高、功能全、价格低、使用方便的优点，它有一个高性能6位RALU、高速输入／输出口（HSI／HSO），带有采样保持（S／H）电路的4路10位A／D，一个串行口，两个16位的定时器，一个自复位电路（WATCHDOG）只需很少的硬件支撑就可组成一个完整的微型计算机，由于这片内的A／D只能检测正半周的信号，从采样保持器输出的信号在送入单片机内的A／D之前，需要对信号进行预处理，参见图7、8、9，图7的方案是充分利用片内的4路A／D，其中二路用于电压信号的检测，另二路用于电流信号的检测，不管是反应电压变化的信号还是反应电流变化的信号，对于正半周的信号，通过接入运放的正向端，再从运放的输出端接入A／D，对于负半周的信号，通过接入运放的反向端反向，再从运放的输出端接入A／D；图8的方案是先把±5V的信号通过运放抬高5V，最通过二个运放分离出正负半周的信号；图9的方案是用一个运放信号根据信号处于正负半周的情况利用模拟开关的切换来抬高5V否。以上的任一种接法都展宽了量程，即把10位的A／D变成11位。

本机的片内A／D采样到任一相的同时刻的电压、电流离散值，就可计算出每一相的电压、电流、有功功率、无功功率，有功电能、无功电能B，其中计算的公式如下：

电压值V＝ $\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Vi}}^2}$

电流值I＝ $\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Ii}}^2}$

有功功率P＝ 1/(N) $-\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vi}/\mathrm{AIi}$

无功功率Q＝ $\sqrt{V^2\×I^2-P^2}$

功率因素COS

＝P／（V×I）

有功电能W＝P×ΔT

无功电能A＝Q×ΔT

其中×ΔT为时间间隔。

有了以上的结果，不难计算出整机的用电参数，对于图3所示的二路测量电路的情况，也可计算出整机的用电参数，而且根据所检测时的时间（和日期）及此时所处的峰／谷／平状态，分别按复费率的要求记录用电情况，同时可计算出需量，频率，记录断电起始、终了时间和断电时的供电状况，超容用电和低功率因素的状况，还可显示年月日、时分秒，上述的全部数据或部分数据可根据需要累计、刷新、在整点时刻或规定的时间进行存储，还可根据数据的重要性分别记存在SRAM或EEPROM中，当然可实时显示、打印、传输。

其中复费率时段的设置，超容用电和低功率因素的限值，需量的计量时间等参数可通过串行口传输预置，也可设置必要的拨码开关来实现。

为了提高整机的测量精度，除了上面提及的利用差分放大、采用低温漂运放外，还可通过选择合适的单片机以及电路结构安排，另外的措施是充分利用单片机微电脑的优势，运用数字滤波技术和自动调零技术，以及自动误差补偿或修正技术。

为了使整机的结构性好，便于生产、安装、调试和维修，可以把电压变换部分，电流变换部分，模拟开关，采样保持电路和电源部分等模拟电路部分制作在一块电路板上，把模数转换部分，处理和控制单元，存储器，输入输出接口电路制作在一块电路板上，二块电路板之间以及机壳上的硬件接口之间通过插接件相互连接。

Claims (10)

1、一种多功能电子电度表，包括组装容留电路板的外壳，其特征在于由以下部分组成：

电压变换部分，用于发出与所加的高电压相对应的低压信号；

电流变换部分，用于发出与输入的大电流相对应的小电流信号，再转变为电压信号；

模拟开关，用于将电压和电流信号同时的导通；

采样保持电路；

模数转换器，用于将所述电压或电流变换部分输入的所述低压或低电流信号转换成数字信号；

处理和控制单元；

时钟电路；

存储器，包括程序存储器，数据存储器；

输入输出接口电路，包括显示电路，打印电路，传输电路；

电源部分；

每一路的电压和电流经电压变换部分和电流变换部分送入模拟开关，模拟开关与二个采样保持电路相连，采保的输出端接入模数转换器，转换后的数字信号送入处理和控制单元，时钟电路、存储器、输入输出接口电路与处理和控制单元相连接。

2、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于上述的电压变换部分由电压互感器和电阻式分压器组成。

3、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于上述的电流变换部分由电流互感器和变换电阻组成。

4、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于上述的处理和控制单元是一微处理器。

5、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于上述的模数转换器集成在处理和控制单元中。

6、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于上述数据存储器包括静态存储器SRAM和长期非易失性存储器EEPROM。

7、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于电压变换部分，电流变换部分，模拟开关，采样保持电路和电源部分制作在一块电路板上。

8、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于模数转换部分，处理和控制单元，存储器，输入输出接口电路制作在一块电路板上。

9、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于还包括有时段设置拨码开关。

10、根据权利要求1所述的多功能电子电度表，其特征在于上述的模数转换器与采样保持器之间接有一信号预处理电路。

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