双向电能计量装置及双向电能计量系统的制作方法

本实用新型涉及电力测量技术领域，尤其涉及一种双向电能计量装置及双向电能计量系统。

背景技术：

目前，新能源发电应用越来越广泛，小型的家用光伏发电或风力发电等分布式新能源发电系统越来越普及，分布式新能源发电系统并网后存在功率和能量的双向流动。当分布式新能源发电系统无法满足用户的电力需求时，需要从公用电网接收电能，而当分布式新能源发电系统自身电力充足时，在满足用户电力需求的情况下，将剩余的电能反馈回公用电网，实现分布式新能源发电系统与公用电网之间能量的双向流动，此时需要一种双向电能计量装置，既可以计量用户从公用电网中获得的电量，又可以计量用户的分布式新能源发电系统向公用电网中反馈的电量，而传统的电能计量装置通常只能单向电能计量。

因此，有必要提供一种双向电能计量装置以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种双向电能计量装置及双向电能计量系统，以实现双向电能计量。

本实用新型提供一种双向电能计量装置，其包括双向电能计量芯片、微处理器、电流采样与调理模块、电压采样与调理模块、以及分别与所述微处理器电连接的显示模块、按键模块和非易失性存储器，所述双向电能计量芯片及所述非易失性存储器与所述微处理器之间双向通信连接，所述双向电能计量芯片通过所述电流采样与调理模块和所述电压采样与调理模块与公用电网和用户之间的输电线路相连。

在本实用新型提供的双向电能计量装置一较佳实施例中，还包括用于提供电源的电源模块，所述电源模块提供+5V和+3.3V的电源。

在本实用新型提供的双向电能计量装置一较佳实施例中，所述双向电能计量芯片采用BL6523A芯片，所述微处理器采用PIC16F877A单片机。

在本实用新型提供的双向电能计量装置一较佳实施例中，所述电流采样与调理模块包括火线电流采样与调理模块和零线电流采样与调理模块，所述双向电能计量芯片通过所述火线电流采样与调理模块与所述输电线路的火线L相连，所述双向电能计量芯片通过所述零线电流采样与调理模块与所述输电线路的零线N相连。

在本实用新型提供的双向电能计量装置一较佳实施例中，所述双向电能计量芯片包括输入端IAP、输入端IAN、输入端IBP和输入端IBN；

所述火线电流采样与调理模块包括第一电流互感器CT1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2，所述输电线路的火线L穿过所述第一电流互感器CT1的一次绕组的中心，所述第一电流互感器CT1的二次绕组的两端S1、S2分别通过所述第三电阻R3和第四电阻R4与所述双向电能计量芯片的输入端IAP和输入端IAN相连，所述第一电阻R1的一端连接在所述第一电流互感器CT1的二次绕组的一端S1与所述第三电阻R3的交汇处，所述第一电阻R1的另一端通过所述第二电阻R2连接在所述第一电流互感器CT1的二次绕组的另一端S2与所述第四电阻R4的交汇处，所述第一电容C1的一端连接在所述第三电阻R3与所述双向电能计量芯片的输入端IAP的交汇处，所述第一电容C1的另一端通过所述第二电容C2连接在所述第四电阻R4与所述双向电能计量芯片的输入端IAN的交汇处，所述第一电阻R1的另一端还与所述第一电容C1的另一端相连；

所述零线电流采样与调理模块包括第二电流互感器CT2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三电容C3和第四电容C4，所述输电线路的零线N穿过所述第二电流互感器CT2的一次绕组的中心，所述第二电流互感器CT2的二次绕组的两端S1、S2分别通过所述第七电阻R7和第八电阻R8与所述双向电能计量芯片的输入端IBP和输入端IBN相连，所述第五电阻R5的一端连接在所述第二电流互感器CT2的二次绕组的一端S1与所述第七电阻R7的交汇处，所述第五电阻R5的另一端通过所述第六电阻R6连接在所述第二电流互感器CT2的二次绕组的另一端S2与所述第八电阻R8的交汇处，所述第三电容C3的一端连接在所述第七电阻R7与所述双向电能计量芯片的输入端IBP的交汇处，所述第三电容C3的另一端通过所述第四电容C4连接在所述第八电阻R8与所述双向电能计量芯片的输入端IBN的交汇处，所述第五电阻R5的另一端还与所述第三电容C3的另一端相连。

在本实用新型提供的双向电能计量装置一较佳实施例中，所述双向电能计量芯片还包括输入端VP和输入端VN；

所述电压采样与调理模块包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第五电容C5，所述输电线路的火线L依次通过所述第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12与所述双向电能计量芯片的输入端VP相连，所述输电线路的零线N与所述双向电能计量芯片的输入端VN相连并接地，所述第十三电阻R13和所述第五电容C5并联连接在所述双向电能计量芯片的输入端VP与输入端VN之间。

在本实用新型提供的双向电能计量装置一较佳实施例中，所述第一电流互感器CT1和第二电流互感器CT2为AKH-0.66G计量型电流互感器。

本实用新型还提供一种双向电能计量系统，其包括公用电网、分布式新能源发电系统、用户、并网开关和双向电能计量装置，所述双向电能计量装置为上文所述的双向电能计量装置，所述公用电网和所述分布式新能源发电系统通过所述并网开关连接所述用户，所述双向电能计量装置与所述公用电网和所述并网开关之间的输电线路相连，所述并网开关自动切换实现所述公用电网与所述分布式新能源发电系统之间电能的双向流动。

本实用新型同时提供一种双向电能计量系统，其包括如上所述的双向电能计量装置。

在本实用新型提供的双向电能计量系统一较佳实施例中，所述分布式新能源发电系统为小型的家用光伏发电系统或风力发电系统。

与相关技术相比较，本实用新型提供的双向电能计量装置及双向电能计量系统具有以下有益效果：

一、能实现双向电能计量；

二、具有掉电存储保护功能，所述非易失性存储器在掉电时能自动保存相关电能参数，下次重启时，能自动从所述非易失性存储器中读取相关电能参数；

三、能够测量单相电能、有功功率、线频率、功率因子、电流有效值、电压有效值等参数，而且还具备过零检测、检测电流及电压峰值、监测失压和过压等智能化功能；

四、能指示线电压跌落现象、电压有效值超限、电流两通道电流不平衡、有功功率计算发生正负号变化四种状态；

五、精度高、体积小、价格便宜、操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本实用新型提供的双向电能计量系统的结构示意图；

图2为本实用新型提供的火线电流采样与调理模块的电路图；

图3为本实用新型提供的零线电流采样与调理模块的电路图；

图4为本实用新型提供的电压采样与调理模块的电路图；

图5为本实用新型提供的双向电能计量芯片的结构框图；

图6为本实用新型提供的双向电能计量芯片的外围电路图；

图7为本实用新型提供的按键模块的电路图；

图8为本实用新型提供的非易失性存储器的电路图；

图9为本实用新型提供的电源模块的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型提供一种双向电能计量系统100，其包括公用电网10、分布式新能源发电系统20、用户30、并网开关40和双向电能计量装置50。所述公用电网10和所述分布式新能源发电系统20通过所述并网开关40连接所述用户30，所述双向电能计量装置50与所述公用电网10和所述并网开关10之间的输电线路60相连。当所述分布式新能源发电系统20无法满足所述用户30的电力需求时，需要从所述公用电网10接收电能；或者当所述分布式新能源发电系统20自身电力充足时，在满足所述用户30电力需求的情况下，将剩余的电能反馈回所述公用电网10，所述并网开关40自动切换实现所述公用电网10与所述分布式新能源发电系统20之间电能的双向流动。所述双向电能计量装置50可以精准测量所述公用电网10与所述分布式新能源发电系统20之间的双向电能、有功功率、线频率、功率因子、电流有效值、电压有效值等参数信息。所述分布式新能源发电系统20可以是小型的家用光伏发电系统或风力发电系统。

所述双向电能计量装置50包括双向电能计量芯片51、微处理器52、电流采样与调理模块53、电压采样与调理模块54、分别与所述微处理器52电连接的显示模块55、按键模块56和非易失性存储器57、以及提供电源的电源模块58。所述双向电能计量芯片51及所述非易失性存储器57与所述微处理器52之间双向通信连接，所述双向电能计量芯片51通过所述电流采样与调理模块53和所述电压采样与调理模块54与所述公用电网10和所述用户30之间的输电线路相连。

所述电流采样与调理模块53包括火线电流采样与调理模块531和零线电流采样与调理模块532，所述双向电能计量芯片51通过所述火线电流采样与调理模块531与所述输电线路60的火线L相连，所述双向电能计量芯片51通过所述零线电流采样与调理模块532与所述输电线路60的零线N相连。

具体地，所述双向电能计量芯片51设有多个输入端用于连接所述火线电流采样与调理模块531、零线电流采样与调理模块532及电压采样与调理模块54，多个所述输入端包括输入端IAP、输入端IAN、输入端IBP、输入端IBN、输入端VP和输入端VN。

请结合参阅图2，为本实用新型提供的火线电流采样与调理模块的电路图，所述火线电流采样与调理模块531包括第一电流互感器CT1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2，所述输电线路的火线L穿过所述第一电流互感器CT1的一次绕组的中心，所述第一电流互感器CT1的二次绕组的两端S1、S2分别通过所述第三电阻R3和第四电阻R4与所述双向电能计量芯片的输入端IAP和输入端IAN相连，所述第一电阻R1的一端连接在所述第一电流互感器CT1的二次绕组的一端S1与所述第三电阻R3的交汇处，所述第一电阻R1的另一端通过所述第二电阻R2连接在所述第一电流互感器CT1的二次绕组的另一端S2与所述第四电阻R4的交汇处，所述第一电容C1的一端连接在所述第三电阻R3与所述双向电能计量芯片的输入端IAP的交汇处，所述第一电容C1的另一端通过所述第二电容C2连接在所述第四电阻R4与所述双向电能计量芯片的输入端IAN的交汇处，所述第一电阻R1的另一端还与所述第一电容C1的另一端相连。其中所述第一电阻R1和第二电阻R2组成分压网络，所述第三电阻R3和所述第四电阻R4为限流电阻，所述第一电容C1和所述第二电容C2为滤波电容。

请结合参阅图3，为本实用新型提供的零线电流采样与调理模块的电路图，所述零线电流采样与调理模块532包括第二电流互感器CT2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三电容C3和第四电容C4，所述输电线路的零线N穿过所述第二电流互感器CT2的一次绕组的中心，所述第二电流互感器CT2的二次绕组的两端S1、S2分别通过所述第七电阻R7和第八电阻R8与所述双向电能计量芯片的输入端IBP和输入端IBN相连，所述第五电阻R5的一端连接在所述第二电流互感器CT2的二次绕组的一端S1与所述第七电阻R7的交汇处，所述第五电阻R5的另一端通过所述第六电阻R6连接在所述第二电流互感器CT2的二次绕组的另一端S2与所述第八电阻R8的交汇处，所述第三电容C3的一端连接在所述第七电阻R7与所述双向电能计量芯片的输入端IBP的交汇处，所述第三电容C3的另一端通过所述第四电容C4连接在所述第八电阻R8与所述双向电能计量芯片的输入端IBN的交汇处，所述第五电阻R5的另一端还与所述第三电容C3的另一端相连。其中所述第五电阻R5和第六电阻R6组成分压网络，所述第七电阻R7和所述第八电阻R8为限流电阻，所述第三电容C3和所述第四电容C4为滤波电容。

优选地，所述第一电流互感器CT1和第二电流互感器CT2为AKH-0.66G计量型电流互感器，其型号：AKH-0.66-G-100II-1200～2000/5-A，变比为500:1。

请结合参阅图4，为本实用新型提供的电压采样与调理模块的电路图，所述电压采样与调理模块54包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第五电容C5，所述输电线路的火线L依次通过所述第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12与所述双向电能计量芯片的输入端VP相连，所述输电线路的零线N与所述双向电能计量芯片的输入端VN相连并接地，所述第十三电阻R13和所述第五电容C5并联连接在所述双向电能计量芯片的输入端VP与输入端VN之间。

进一步地，所述双向电能计量芯片51采用BL6523A芯片，其内部结构框图如图5所示，该芯片是由上海的贝岭公司研制生产，它是一个单相智能化电子计量芯片，精度高，稳定性强。与普通电能计量芯片不同的是，它具有双向计量功能，BL6523A芯片不仅能够准确地测量单相电能、有功功率、线频率、功率因子、电流有效值、电压有效值等参数，而且它还具备过零检测、检测电流及电压峰值、监测失压和过压等智能化功能。同时它还可以提供可编程增益调整、相位补偿、按需要提供中断请求信号等功能，该芯片内部集成的SPI接口可以方便与所述微处理器52进行数据通信。

请结合参阅图6，为本实用新型提供的双向电能计量芯片的外围电路图，所述火线电流采样与调理模块531的输出端VA_P、VA_N以差分形式分别接到双向电能计量芯片U1的输入端IAP和输入端IAN。所述零线电流采样与调理模块532的输出端VB_P、VB_N以差分形式分别接到双向电能计量芯片U1的输入端IBP和输入端IBN。所述电压采样与调理模块54的输出端VIN、VIN_GND以差分形式分别接到所述双向电能计量芯片U1的输入端VP和输入端VN。以上信号接入所述双向电能计量芯片U1之后完成两路电流信号和一路电压信号的输入。将所述双向电能计量芯片U1的复位引脚接一个接地的第七电容C7，上电后，起始时刻第七电容C7没有电是低电平，然后开始对第七电容C7进行充电，等到第七电容C7充电完成以后，所述双向电能计量芯片U1的复位脚/RST就变为高电平，这样就完成了上电复位。为实现所述双向电能计量芯片U1与所述微处理器52之间的通信，把所述双向电能计量芯片U1的SPI接口的四个管脚DIN、DOUT、SCLK、/CS通过SPI0_MISO、SPI0_MOSI、SPI0_CLK、SPI0_CSN与所述微处理器52的SPI0接口相连。根据所述双向电能计量芯片U1的管脚定义，CF是校验脉冲输出脚，该管脚对应输出的是有功功率的信息，输出的信号经过光电耦合器U2的处理可以直接连接到标准表上进行误差校正，发光二极管LED5指示校验脉冲状态。所述双向电能计量芯片U1的管脚AT0～AT3是选择输出端，可以配置U1的输出选择寄存器AT_SEL来实现AT0～AT3的对应输出。然后将AT0～AT3的输出接到发光二极管LED1～LED4，用来指示不同的现象。本实用新型中的可指示四种状态：1)AT0指示线电压跌落现象；2)AT2指示电压有效值超过了设定值VPKLVL；3)AT3指示电流两通道电流不平衡，它们间的差值大于某设定值；4)AT4指示有功功率计算发生正负号变化。

所述微处理器52采用Microchip公司的PIC16F877A单片机，采用精简指令，编程简单，同步串行通信端口有SPI(主模式)和I2C(主/从)两种模式，具有通信方便、低功耗、高速闪存/EEPROM、宽工作电压范围(2.0V至5.5V)等优点。

所述显示模块55采用LCD12864液晶显示模块，型号为FYD12864-0402B，主要用于显示单相电能、有功功率、线频率、功率因子、电流有效值、电压有效值等参数。所述显示模块55与所述微处理器52有串行和并行两种通信模式，本实用新型采用并口通信模式。所述显示模块55内部附有字符显示RAM缓冲区，该缓冲区为在液晶屏上显示汉字或字符提供了保障，它是通过向字显示RAM地址写入所要显示字符的ASCII码来实现的，该液晶显示模块共有20个引脚。可调电位器VR1用来调节液晶显示的背光。

请结合参阅图7，为本实用新型提供的按键模块的电路图。所述按键模块56是人机交互模块中必不可少的输入设备，可以通过按键模块来实现对一些参数的设置，满足对系统的控制要求，使所述微处理器52及时处理用户30所进行的操作。在本实施例中，所述按键模块56采用独立式键盘，共5个键，K1为复位键、K2为校正键、K3为功能键、K4为“+”键、K5为“-”键。

请结合参阅图8，为本实用新型提供的非易失性存储器的电路图。所述非易失性存储器57与所述微处理器52之间双向通行连接。当所述公用电网10或分布式新能源发电系统20停电时，所述非易失性存储器57自动保存电能、有功功率、线频率、功率因子、电流有效值、电压有效值等参数，系统重启后，可以从所述非易失性存储器57读取掉电时保存的参数。优选地，所述非易失性存储器57与所述微处理器52的同步串行通信方式采用I2C(主/从模式)。更优地，所述非易失性存储器57采用型号为AT24C02芯片。

请结合参阅图9，为本实用新型提供的电源模块的电路图。所述电源模块58为所述双向电能计量装置50的各个模块提供电源。所述电源模块58为所述双向电能计量装置50提供+5V和+3.3V的电源，所述电源模块58主要由三端稳压器U4(型号为LM7805)得到+5VA电源，经L1电感后得到另一路+5V电源；+3.3V电源由+5V电源经三端稳压器U5(型号为AMS117)得到；发光二极管LED6～LED8为电源指示灯，分别指示+5VA、+5V、+3.3V电源的状态。

与相关技术相比较，本实用新型提供的双向电能计量装置及双向电能计量系统具有以下有益效果：

一、能实现双向电能计量；

二、具有掉电存储保护功能，所述非易失性存储器在掉电时能自动保存相关电能参数，下次重启时，能自动从所述非易失性存储器中读取相关电能参数；

三、能够测量单相电能、有功功率、线频率、功率因子、电流有效值、电压有效值等参数，而且还具备过零检测、检测电流及电压峰值、监测失压和过压等智能化功能；

四、能指示线电压跌落现象、电压有效值超限、电流两通道电流不平衡、有功功率计算发生正负号变化四种状态；

五、精度高、体积小、价格便宜、操作方便。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。