专利名称：三相数字式智能电表的制作方法
技术领域：
本发明涉及智能家居、智能电表和智能电网领域，尤其涉及一种三相数字式智能电表。
背景技术：
目前，随着国家经济快速增长，智能电网被列入未来发展的战略决策。智能电表作为智能电网的重要组成部分，是电力部门优化用电管理过程的重要环节之一，也是实现数据互动、准确计量及智能调度的关键。智能电网中智能仪表应具有以下功能更注重信息处理、互动、计量和通信，以实现用户负荷信息的详细记录和负荷相应。然而现有的智能电表显然还不能满足这种要求。各行各业，尤其是工业用电广泛、用电量大、耗电多，要求供电安全可靠，可以满足用户对电力网络实时监控的要求，并根据监控的结果，进行有效地控制，提高供电的安全可靠性，帮助用户提高用电效率，节约能源、降低成本等要求。因此，设计一种安全可靠，运行状态良好，兼容性强，能对供电网络进行实时监控，包括全电气测量、电能质量、掉电不丢失、事件记录、通讯、数字量输入输出和模拟量输入输出等功能的新型智能电表显得更加的迫切和具有重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种安全可靠，运行状态良好，兼容性强，能对供电网络进行实时监控，注重信息处理、互动、计量和通信的三相数字式智能电表，以满足智能电网的要求。本发明提供了一种三相数字式智能电表，包括输入输出模块、最小系统模块、人机界面模块和通信模块；所述输入输出模块、人机界面模块及通信模块分别与所述最小系统模块连接；所述最小系统模块包括电源模块、复位单元、微处理器和存储单元；所述电源模块设有防雷电路和开关电源，外部交流电经所述防雷电路和开关电源后产生两路隔离的5V直流电压，一路为所述通信模块供电，另一路为输入输出模块、微处理器、存储单元和人机界面模块供电。作为本发明的进一步改进，所述输入输出模块包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块；所述数字量输入模块包括光电耦合电路、滤波去抖电路、防雷隔离电路，用于检测电力设备的开关状态；所述数字量输出模块包括隔离电路和驱动电路，用于与电力网络的中继电器连接，并实时保护电力网络；所述模拟量输入模块包括电压/电流互感器、滤波电路、增益电路、A/D采样电路，根据采样数字信号，计算得出电力网络的状态信息；所述模拟量输出模块包括磁隔离电路、驱动放大电路、信号处理电路，用于输出4-20mA电流或0-5V电压，实现变送器功能。作为本发明的进一步改进，所述电源模块还设有DC/DC转换器和低压差线性稳压器；所述另一路5V直流电压分别经DC/DC转换器、低压差线性稳压器产生电压值为24V和3.3V的两路直流电压；所述24V的直流电压为所述数字量输入模块供电，所述3. 3V直流电压为所述微处理器、存储单元、模拟量输入模块和人机界面模块供电
作为本发明的进一步改进，所述通信模块为采用标准Modbus-RTU通信协议的RS485通信模块。作为本发明的进一步改进，所述存储单元包括电可擦可编程只读存储器和铁电存储器；所述铁电存储器用于存储三相数字式智能电表的设置参数和校准参数。作为本发明的进一步改进，所述人机界面模块包括实时显示电力网络状态信息的LCD屏幕、查看和设置三相数字式智能电表运行参数的按键单元，和实时显示电力网络电流大小的LED电流棒。作为本发明的进一步改进，所述LCD屏幕实时显示电力网络的参数设置、电能质量、测量查询、参数查询、装置维护和事件记录，所显示的菜单采取树型结构设计。作为本发明的进一步改进，所述按键单元包括左右方向键、上下方向键、设定键和返回键四个按键。作为本发明的进一步改进，所述LED电流棒包括多个依次排列的LED灯，被测设备的实时电流直接决定亮灯数量
当被测设备的实时电流大于零且小于或等于被测设备的额定电流时，亮灯数量为y=[xl*I/In]；
当被测设备的实时电流大于被测设备的额定电流且小于或等于1. 2倍被测设备的额定电流时，亮灯数量为y=[xl+(x2*I/(l. 2*In))]；
当被测设备的实时电流大于1. 2倍被测设备的额定电流时，亮灯数量为y=xl+x2+x3 ；其中，I为亮灯的数量，Xl为第一种颜色LED灯的数量，x2为第二种颜色LED灯的数量，x3为第三中颜色LED灯的数量，I为被测设备的实时电流，In为被测设备的额定电流。作为本发明的进一步改进，所述最小系统模块还设有备用电池，所述备用电池分别与所述通信模块、DC/DC转换器及低压差线性稳压器连接，当外部交流电掉电时所述备用电池为该三相数字式智能电表供电。本发明的有益效果是本发明提供的三相数字式智能电表更加安全可靠，运行状态良好，兼容性强，能对供电网络进行实时监控，包括全电气测量、电能质量、掉电不丢失、事件记录、通讯、数字量输入输出和模拟量输入输出等功能，并可根据监控的结果，进行有效地控制，提高供电的安全可靠性，帮助用户提高用电效率，节约能源、降低成本，能满足智能电网的要求。
图1是本发明实施例中三相数字式智能电表的硬件功能模块 图2是本发明实施例中三相数字式智能电表的硬件结构框 图3是本发明实施例中三相数字式智能电表的电源结构框 图4是本发明实施例中数字量输入模块结构框 图5是本发明实施例中数字量输出模块结构框 图6是本发明实施例中模拟量输入模块结构框 图7是本发明实施例中模拟量输出模块结构框图； 图8是本发明实施例中人机界面模块的结构框 图9是本发明实施例中LCD屏幕显示的树形菜单结构 图10是本发明实施例中按键单元的结构 图11是本发明实施例中LCD屏幕显示的主菜单；
图12是本发明实施例中LCD屏幕显示的按键切换显示信息；
图13是本发明实施例中LED电流棒的状态 图14是本发明实施例中三相数字式智能电表与其他电表对比图。图中标识1-输入输出模块；11-数字量输入模块(DI) ;111_光电I禹合电路；112-滤波去抖电路；113-防雷隔离电路；12-数字量输出模块(DO); 121-隔离电路；122_驱动电路；13_模拟量输入模块(AI);131-电压/电流互感器；132_滤波电路；133_增益电路；134- A/D采样电路；14-模拟量输出模块(A0); 141-隔离电路；142-驱动放大电路；143_信号处理电路；2-最小系统模块；21_电源模块；211-防雷电路；212-开关电源；213_DC/DC转换器；214_低压差线性稳压器(LDO) ；22-复位单元；23_微处理器(C0RTEX-M3) ;24_存储单元；25_备用电池；3_人机界面模块；31-1XD屏幕；32_按键单元；321_左右方向键；322-上下方向键；323_设定键；324_返回键；33_LED电流棒；4_通信模块。
具体实施例方式下面结合
及具体实施方式
对本发明进一步说明。如图1、图2、图3所不,一种三相数字式智能电表,包括输入输出模块1、最小系统模块2、人机界面模块3和通信模块4 ;所述输入输出模块1、人机界面模块3及通信模块4分别与所述最小系统模块I连接；所述最小系统模块2包括电源模块21、复位单元22、微处理器(C0RTEX-M3)23和存储单元24 ;所述输入输出模块I包括数字量输入模块(DI) 11、数字量输出模块(DO) 12、模拟量输入模块(Al) 13和模拟量输出模块(AO) 14 ;所述人机界面模块3包括实时显示电力网络状态信息的LCD屏幕31、查看和设置三相数字式智能电表运行参数的按键单元32，和实时显示电力网络电流大小的LED电流棒33。STM32的工作电压(Vdd)为2. 0—3. 6V，该智能电表微处理器(C0RTEX-M3) 23采用
3.3V直流电源供电。电源质量在数据通讯的安全和质量方面起着至关重要的作用，一旦出现因电力系统的故障造成的数据通信线路和通讯设备的损毁，对电网安全运行造成极大的危害。因此，本发明的电源模块21设有防雷电路211和开关电源212，外部220V或IlOV交流电经所述防雷电路211和开关电源212后产生两路隔离的5V直流电压，一路为所述通信模块4供电，另一路5V电源分别经DC/DC转换器213、低压差线性稳压器(LD0)214产生er两路直流电压，分别为24V和3. 3V ；3. 3V直流电压为模拟量输入模块(AI)ll、微处理器23、存储器单元24、IXD屏幕31、LED电流棒33和按键单元32供电；24V直流电压为数字量输入模块(DI) 11供电。同时本发明的三相数字式智能电表还设有备用电池25，所述备用电池25分别与所述通信模块4、DC/DC转换器213及低压差线性稳压器214连接；当主电源Vdd掉电时，通过备用电池25 (Vbat)为实时时钟(RTC)和备份寄存器提供电源，以保证在电网严重损坏的情况下继续通信。这不仅使电网更加安全可靠，而且降低维护成本和工作人员的工作量。如图2、图4、图5、图6和图7所不,所述输入输出模块I包括数字量输入模块11、数字量输出模块12、模拟量输入模块13和模拟量输出模块14 ;所述数字量输入模块11包括光电耦合电路111、滤波去抖电路112、防雷隔离电路(TVS管)113，用于检测电力设备的开关状态；所述数字量输出模块12包括隔离电路121和驱动电路122，用于与电力网络的中继电器连接，并实时保护电力网络；所述模拟量输入模块13包括电压/电流互感器131、滤波电路132、增益电路133、A/D采样电路134，根据采样数字信号，计算得出电力网络的状态信息；所述模拟量输出模块14包括隔离电路141、驱动放大电路142、信号处理电路143，用于输出4—20mA电流或0—5V电压，实现变送器功能。工作过程当中，数字量输入信号通过防雷隔离电路(TVS管)113、光电耦合电路111和滤波去抖电路112，检测电力设备的开关状态；数字量输出信号经隔离电路121和驱动电路122，与电力网络中继电器相连，对电力网络进行实时保护；模拟量输入包括电压和电流信号，分别经电压/电流互感器131、滤波电路132、增益电路133、A/D采样电路134，根据采样数字信号，采用软件计算，得出电力网络的状态信息；模拟量输出信号采用PWM(脉冲宽度调制)技术，经磁隔离电路141、驱动放大电路142、信号处理电路143，输出4-_20mA电流或0-5V电压，实现变送器功能，用户可以根据实际需求进行配置，得出电力网络的状态息。如图2所示，所述通信模块4采用RS485通信模块，实现微处理器23与其他硬件模块、设备以及系统进行数据交换，并采用标准的Modbus-RTU通信协议实现设备与设备、设备与系统、系统与系统的网络化通信。良好的兼容性易于组网，可实现多节点、长距离的可靠通讯，方便接入智能配电系统，实现遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”的功能，上位机可以远方读取每个智能电表节点处的测量数据，修改参数，远程控制，实现对用电设备集中监控有效管理的目的。还可以利用Modbus-RTU通讯协议实现带电情况下通过通讯接口实现在线升级的功能，在不破坏现场电力运行的情况下进行维护升级，更经济更安全。在本发明的三相数字式智能电表中，复位单元22主要用于完成系统上电初始化和系统运行时用户的按键复位功能，Cortex-M3内核的复位方式包括系统复位、上电/掉电复位和备份区域复位三种。系统复位将复位除时钟控制寄存器(CSR)中的复位标志和备份区域中的寄存器以外的所有寄存器。NRST管脚(异步复管脚)上的低电平(外部复位)、窗口看门狗计数终止(WWDG复位)、独立看门狗计数终止(IWDG复位)、软件复位(SW复位)和低功耗管理复位都可以产生系统复位,通过查看复位状态标志位来确认复位源。上电/掉电复位(P0R/PDR复位)和从待机模式返回都可以产生电源复位，复位源最终作用于复位管脚，并在复位过程中保持低电平。备份区域拥有两个专门的复位，它们只影响备份区域。备份区域复位可通过设置备份区域控制器产生，也可由工作电源和备用电池上电引发备份区域复位。在本发明的三相数字式智能电表中，所述存储单元24包括电可擦可编程只读存储器(EEPROM)和铁电存储器(FRAM);所述铁电存储器用于存储三相数字式智能电表的设置参数和校准参数，这些参数进行主区和备份区的双区保存；同时存储单元24在软件上实现了故障自检功能，运行中对双区数据进行校验和核查，判定数据是否正确，如数据丢失或遭到破坏，则提示错误，导入默认参数恢复初始设置，大大提高了智能电表运行的可靠性。如图2、图8、图9所示，所述人机界面模块3包括实时显示电力网络状态信息的IXD屏幕31、查看和设置三相数字式智能电表运行参数的按键单元32，和实时显示电力网络电流大小的LED电流棒33。所述人机界面模块3采取模块化的设计方法，LCD屏幕31、LED电流棒33、按键单元32都是独立的模块结构，模块本身的更改不影响其他模块。所述IXD屏幕31实时显示电力网络的参数设置、电能质量、测量查询、参数查询、装置维护和事件记录；其中常规电气参量包括三相电流和中性线电流la、lb、Ic、In，相电压和线电压Ua、Ub、Uc、Un, Uab, Ubc, Uca,频率F，功率因数PFa、PFb、PFc, PF,有功功率和无功功率Pa、Pb、Pc、P，Qa、Qb、Qc、Q，视在功率Sa、Sb、Sc、S，有功电度Wp、无功电度Wq ;事件记录包括掉电、断相、失压、断流、电压电流不对称/不平衡、过压、欠相、电网谐波等状态信息。所述LCD屏幕31显示的菜单采取树 型结构设计，不但适应不同的系统需求，页面本身也是独立的个体，不互相耦合，另外，LCD屏幕31字模的字体和大小可以选择，支持中英文字幕一键切换。而且菜单与菜单之间采用分级方式，一个菜单下面可以有多个子菜单，最后一级菜单也可以称之为页面，用户显示或者设置参数。菜单和页面都对应独立的函数，每一个菜单或者页面分别对应一个功能，这符合面向对象的设计方法。相同功能的页面可能使用相同的模板，例如确认页面、查看页面等，这种模板的特性符合面向对象设计的继承特性。另外，树型菜单的管理采用队列结构管理，队列保存当前位置的一级菜单、二级菜单、三级菜单和当前菜单或页面。如果要返回父级菜单，队列长度减少；如果要进入子菜单，则将要进入的菜单或者页面添加到队列末尾。如图10所示，所述按键单元32包括左右方向键321、上下方向键322、设定键323和返回键324四个按键，按键采取消抖操作方式，支持长按操作。按键单元触发按键进入参数设置模式，通过按键进行运行参数的查看和设置，其功能说明如下
左右方向键321，表示翻页，或光标左右移动；
上下方向键322，表示光标上下移动，或整定时修改数字；
设定键323，可进入主菜单，或各个子菜单，修改参数或确认修改时使用，或退出背光模
式；
返回键324，可返回上级页面或取消修改。在测量界面,按设定键323可以切换显示内容,按返回键324可返回测量界面，主菜单显示如图11所示。按左右方向键321或上下方向键322可将光标移至相应的子菜单，按设定键323可进入子菜单，按左右方向键321可以切换显示内容，如图12所示。如图13所示，所述LED电流棒33用于实时显示电力网络电流的大小，包括13个绿灯、4个黄灯和3个红灯；当被测设备的实时电流大于零且小于或等于被测设备的额定电流时，LED电流棒33亮绿灯；当被测设备的实时电流大于被测设备的额定电流且小于或等于1. 2倍被测设备的额定电流时，LED电流棒33亮绿灯和黄灯两种颜色的灯；当被测设备的实时电流大于1. 2倍被测设备的额定电流时，LED电流棒33绿、黄、红三种颜色的灯全亮；亮灯的数量由以下公式确定
y=o, 1=0；
y=[13*I/In](取整)，0〈Ι〈=Ιη; y=[13+(4*I/(l. 2*In))](取整)，Ιη〈Ι〈=1· 2*In;y=20, 1>1·2*1η;
其中，y为亮灯的数量，I为被测设备的实时电流，In为被测设备的额定电流。测量时，亮灯的数量与颜色可以实时显示出电流的大小，直观可靠，精度等级高。当然，灯的颜色也可以采用别的颜色，灯的数量也可以根据需要再做调整。目前的智能电表的液晶界面设计普遍采用过程式编程方法，页面与页面之间不能有效的区分，代码移植性差，扩展性和兼容性都很难满足要求，新增功能往往需要很大的工作量，而且往往引入新的问题。本发明的三相数字式智能电表在软件系统方面采用分层设计和面向对象设计的思想，模块之间的调用采用单向调用方式，不存在模块双向调用，减少模块之间的耦合。面向对象的设计方法将模块按照硬件的实际构成分类，相同对象提供标准的接口，增加软件的可移植性和可继承性。其中，本发明的三相数字式智能电表液晶界面采用嵌入式点阵液晶树型菜单设计，借鉴面向对象的设计思想，模块化和可维护性都有非常大的提高，有效的 提高的嵌入式显示的效率。本发明的三相数字式智能电表软件系统的模块化、标准化和规范化设计，减少冗余代码，提高软件系统的可维护性。如图14所示，相比于现有的其他电表，本发明的三相数字式智能电表不仅更加安全可靠，运行状态良好，兼容性强，能对供电网络进行实时监控，还具备以下优点
计量方式采用A/D采样和软件算法，通过采用面向对象的设计思想，方便功能扩展； 结构软件模块化设计，硬件插拔式结构，扩展灵活方便；
电流显示LED电流棒实时显示电流大小，精度等级高，直观可靠；
传输协议统一传输协议(Modbus—RTU),实现设备与设备、设备与系统、系统与系统的网络化通讯；
液晶显示支持中英文字幕一键切换，字模双备份存储，可靠性很高。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种三相数字式智能电表，其特征在于包括输入输出模块、最小系统模块、人机界面模块和通信模块；所述输入输出模块、人机界面模块及通信模块分别与所述最小系统模块连接；所述最小系统模块包括电源模块、复位单元、微处理器和存储单元；所述电源模块设有防雷电路和开关电源，外部交流电经所述防雷电路和开关电源后产生两路隔离的5V 直流电压，一路为所述通信模块供电，另一路为输入输出模块、微处理器、存储单元和人机界面模块供电。
2.根据权利要求1所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述输入输出模块包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块；所述数字量输入模块包括光电耦合电路、滤波去抖电路、防雷隔离电路，用于检测电力设备的开关状态；所述数字量输出模块包括隔离电路和驱动电路，用于与电力网络的中继电器连接，并实时保护电力网络；所述模拟量输入模块包括电压/电流互感器、滤波电路、增益电路、A/D采样电路，根据采样数字信号，计算得出电力网络的状态信息；所述模拟量输出模块包括磁隔离电路、驱动放大电路、信号处理电路，用于输出4-20mA电流或0-5V电压，实现变送器功能。
3.根据权利要求2所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述电源模块还设有DC/ DC转换器和低压差线性稳压器；所述另一路5V直流电压分别经DC/DC转换器、低压差线性稳压器产生电压值为24V和3. 3V的两路直流电压；所述24V的直流电压为所述数字量输入模块供电，所述3. 3V直流电压为所述微处理器、存储单元、模拟量输入模块和人机界面模块供电。
4.根据权利要求3所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述通信模块为采用标准Modbus-RTU通信协议的RS485通信模块。
5.根据权利要求4所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述存储单元包括电可擦可编程只读存储器和铁电存储器；所述铁电存储器用于存储三相数字式智能电表的设置参数和校准参数。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述人机界面模块包括实时显示电力网络状态信息的LCD屏幕、查看和设置三相数字式智能电表运行参数的按键单元,和实时显示电力网络电流大小的LED电流棒。
7.根据权利要求6所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述LCD屏幕实时显示电力网络的参数设置、电能质量、测量查询、参数查询、装置维护和事件记录，所显示的菜单采取树型结构设计。
8.根据权利要求6所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述按键单元包括左右方向键、上下方向键、设定键和返回键四个按键。
9.根据权利要求6所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述LED电流棒包括多个依次排列的LED灯，被测设备的实时电流直接决定亮灯数量当被测设备的实时电流大于零且小于或等于被测设备的额定电流时，亮灯数量为 y=[xl*I/In]；当被测设备的实时电流大于被测设备的额定电流且小于或等于1. 2倍被测设备的额定电流时，亮灯数量为y=[xl+(x2*I/(l. 2*In))]；当被测设备的实时电流大于1. 2倍被测设备的额定电流时，亮灯数量为y=xl+x2+x3 ；其中，I为亮灯的数量，Xl为第一种颜色LED灯的数量，x2为第二种颜色LED灯的数量，x3为第三中颜色LED灯的数量，I为被测设备的实时电流，In为被测设备的额定电流。
10.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的三相数字式智能电表，其特征在于所述最小系统模块还设有备用电池，所述备用电池分别与所述通信模块、DC/DC转换器及低压差线性稳压器连接，当外部交流电掉电时所述备用电池为该三相数字式智能电表供电。
全文摘要
本发明提供了一种三相数字式智能电表，包括输入输出模块、最小系统模块、人机界面模块和通信模块；所述输入输出模块、人机界面模块及通信模块分别与所述最小系统模块连接；所述最小系统模块包括电源模块、复位单元、微处理器和存储单元；所述电源模块设有防雷电路和开关电源，外部交流电经所述防雷电路和开关电源后产生两路隔离的5V直流电压，一路为所述通信模块供电，另一路为输入输出模块、微处理器、存储单元和人机界面模块供电。本发明的三相数字式智能电表安全可靠，运行状态良好，兼容性强，能对供电网络进行实时监控，可满足智能电网的要求。
文档编号G01R22/10GK103018552SQ201210542219
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者李正国, 朱方来, 张凯, 赵特, 李群林 申请人:深圳职业技术学院