专利名称：多功能电能计量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电能计量技术，具体地将涉及一种多功能电能计量仪器。
背景技术：
多功能电度表是目前使用较广的一种计量用户一定时间内用电情况的电能计量设备。这类多功能电度表由采集芯片与运算芯片组成。前者按照一定频率采集供电网络的交流电信号，并将采集到的模拟信号利用模数转化器转化为数字信号；后者对该转化后的数字信号进行运算处理，进而确定某段时间内用户负载所消耗电能的各项指标。
由于用户用电负载情况变化多端，供电网络的电流、电压均不是理想的正弦，含有大量谐波。这些谐波电压、电流成分会对用户负载产生正向或反向的有功及无功电度。因此，精确计量该等谐波产生的电度，以便准确确定用电量，对供电部门及用户都具有十分重要的经济意义。
现有的电度表首先由于其组成芯片本身不具有分解谐波成分的功能，因此无法直接计算谐波成分造成的有功功率，而是采用一种间接的方法计算，即计量出总有功电度及基波有功电量，将两者之代数差视为谐波有功电量。这种计算方法实际上是一种粗略的估算，从本质上讲是将各次谐波有功电量以代数形式相加，从而未能区分正向谐波有功电量与反向谐波有功电量，造成总谐波有功电量计算出现极大的误差，严重少计了谐波有功电量，给电力公司带来损失；其次，现有的电度表采用类似对称正弦电路无功计算的方法进行无功计量，无法正确计量三相不对称非正弦情况下的无功电度，当电力负载为非正弦三相不对称时，无功电度计量会出现较大的偏差。
为了解决上述问题，提供一种多功能电能计量仪以克服现有技术的缺点十分必要。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种可准确计量谐波正反向有功及无功电度、非正弦三相不对称负载情况下的无功电度的多功能电能计量仪。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的一种多功能电能计量仪，用于计量负载电度参数，其包括模拟交流电信号采样及模数转换的数据采集模块、对数据采集模块中的谐波信号进行分解及对基波、各次谐波的正、反方向有功电度与无功电度测量、计算的数字信号处理器模块、含时钟、串口及LCD显示控制的微处理器模块。本实用新型通过对瞬时无功功率进行积分来得到无功电度。
本实用新型的优点在于能够分时段精确计量供电网络中基波及各次谐波的正、反向有功及无功电度，能够精确计量三相非正弦不对称负载情况下的无功电度。并且，由于采用数位较多的模数转换器，使得测量的数据更加准确，另外，该计量仪中加设滤波装置及防雷电路，避免了高频干扰及雷电的干扰。
图1为本实用新型多功能电能计量仪的结构框图；图2为利用图1所示结构对信号进行处理的局部流程图，在该流程图中，还包含有位于A/D转换器与数字信号处理器之间的光电耦合器，位于数字信号处理器与微处理器之间的数据缓存器及锁存器。
图3为图1中的微处理器的控制程序流程图。
具体实施方式
图1为本实用新型多功能电能计量仪的结构框图，由图可知，该多功能电能计量仪包括数据采集模块1、数字信号处理器模块2、显示模块3、微处理器模块4、多处理器接口模块5、通讯模块6及电源模块7。
该数据采集模块1用于采集供电量网络(图中未示)中的交流电电压及电流模拟信号，并将模拟信号转化为数字信号。其包括A/C相电流采样电路12、AB/CB线电压采样电路14、低通滤波及放大电路16、滤波过零检测电路18、A/D转换器13、锁相环电路15及防雷电路(图未示)。A/C相电流采样电路12、AB/CB线电压采样电路14对供电网络中的相电流及线电压进行采样，采集信号又经低通滤波及放大电路16将其中的高频成分滤掉，该滤波过零检测电路18检测AB/CB线电压在采样过程中的过零点，即一个完整的电压周期。之后由A/D转换器13将模拟信号转化为数字信号。在上述采样过程中，为保证不失真地反映被测信号，采样频率必须大于两倍被测信号的频率，考虑到被测信号含谐波，当考虑32次谐波时，采样频率取为32×2f(f为供电网络电压频率，即工频)，即一个周期内采样64点。
另外，为使采样频率能自动跟踪并随被测信号频率变化而变化，在该数据采集模块1中引入了锁相环电路15，其包括相位比较器(图未示)、压控振荡器(图未示)、及低通滤波器(图未示)。该锁相环电路15比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而引起误差电压来调整压控振荡器的频率，以达到输出信号和输入信号同频。
由数据采集模块1的A/D转换器13转换后形成的数字信号被数字信号处理器2进行数字处理。在该阶段中，数字信号处理器2利用快速付立叶变换(FFT)对电压，电流的各次谐波进行分解，并通过对瞬时功率、瞬时无功功率进行积分得到基波及各次谐波正反向有功、无功电度。在本实用新型中，该数字信号处理器2为较为常见的TMS320LF2407芯片。
微处理器模块4与显示模块3、多处理器接口模块5、通讯模块6及实时时钟11连接，而电源模块7则对上述各模块提供合适的工作电压。经过数字信号处理器2处理后的信号再由微处理器模块4进行处理。上述模块共同实现对基波、谐波的正、反方向有功电度与无功电度的测量、显示及与外部设备通讯等功能。该实时时钟11实现了与真实时间的同步，以便可以根据负荷的“峰、谷、平”时间实现分时计量和收费。在本实用新型中该显示模块3为液晶显示器(LCD)，用于显示负载用电情况，供人工抄表。该通讯模块6包括红外接口、RS245接口、MODEM(调制解调器)及GPRS(通用无线分组业务)四部分。其中红外接口用于与抄表机进行连接，实现自动抄表的功能；RS245接口实现与外部设备比如计算机进行通讯；MODEM及GPRS部分用于无线通信，将各种计量数据传送到相关部门。且上述各种通讯均为双工通讯。在本实用新型的一个实施例中，该微处理器模块4为PIC16F877A芯片，而多处理器接口模块5则为IDT7134芯片。
图2为利用图1所示结构对信号进行处理的局部流程图。由图可知，在数据采集模块1的A/D转换器13与数字信号处理器2之间设置了一个光电耦合器8，一方面起隔离作用，另一方面将不合适的工作电压变成合适的工作电压。数字信号处理器2与微处理器4之间设置有数据缓存器9及锁存器10。由于该多功能计量仪是采用变周期采样的，而采样周期是由数字信号处理器2所决定的，所以数字信号经过各种控制算法变换后，除了进入到数据缓存器9，外还有一部分反馈到A/D转换器13来控制采样时刻。同时，由于数字信号处理器2与微处理器4数据处理速度存在差异，一般来说前者的运算速度大于后者，因此这里存在着数据容易丢失的问题。而在本计量仪中为了解决此问题采用了数据缓存器9(在本实用新型实施例中为双口RAM)及锁存器10，其中数据缓存器9的主要作用是将数据进行存贮，而锁存器10的作用是控制着从数据缓存器9出来数据的时序，避免发生时序混乱。
图3为图1中的微处理器的控制程序流程图。首先对微处理器4进行复位；其次对微处理器4延迟0.01秒；接着要判断外部是否有人在抄表，如果有的话就用红外发送传输数据，假若没有人在抄表的话就开始计时，若时间累计达三分钟就自动刷新显示模块里的数据，这里我们等待三分钟是由于通常电力系统负荷的变化都是比较缓慢的，如果刷新间隔的时间太短的话会导致显示失误。刷新以后需要重新等待0.01秒，重复上述的过程。
当总电度、基波电度参数已知时，谐波电度参数便可间接得到；当总电度及峰、谷期的电度参数确定后平期的电度参数便可确定。以下表格为显示模块的显示情况。
注三相三线制表计显示线电压；三项四线制表计显示相电压本计量仪能够分时段精确计量供电网络中基波及各次谐波的正反向有功及无功电度，能够精确计量非正弦三相不对称负载情况下的无功电度，并且由于采用数位较多的模数转换器，使得测量的数据更加准确，另外，该计量仪中加设滤波装置，避免了高频干扰。
权利要求1.一种多功能电能计量仪，用于计量负载电度参数，其特征在于包括模拟交流电信号采样及模数转换的数据采集模块、与该数据采集模块连接且对数据采集模块中的谐波信号进行分解及对基波、各次谐波的正、反方向有功电度与无功电度测量、计算的信号处理器模块、与该信号处理器模块连接且含时钟、串口及液晶显示LCD控制的微处理器模块。
2.如权利要求1所述的多功能电能计量仪，其特征在于所述信号处理器模块利用快速傅立叶变换FFT对电压电流进行谐波分解。
3.如权利要求1所述的多功能电能计量仪，其特征在于无功电度采用对瞬时无功进行积分来获得。
4.如权利要求1所述的多功能电能计量仪，其特征在于还包括与微处理器模块连接的显示模块、多处理器接口模块、通讯模块及电源模块。
5.如权利要求1所述的多功能电能计量仪，其特征在于该数据采集模块包括对相电流采样的A/C相电流采样电路、与该相电流采样电路连接且对线电压采样的AB/CB线电压采样电路、与AB/CB线电压采样电路连接且该对相电流、线电压中的高频成分滤除的低通滤波及放大电路、滤波及过零检测电路、模数转换器及锁相环电路、防雷电路。
6.如权利要求2所述的多功能电能计量仪，其特征在于该显示模块为液晶显示器。
7.如权利要求2所述的多功能电能计量仪，其特征在于该通讯模块为红外接口或RS245接口或调制解调器MODEM或通用无线分组业务GPRS。
8.如权利要求1或2所述的多功能电能计量仪，其特征在于该数字信号处理器模块与一实时时钟连接。
9.如权利要求1或2所述的多功能电能计量仪，其特征在于还包含有连接在模数转换器与数字信号处理器之间的光电耦合器。
10.如权利要求1或2所述的多功能电能计量仪，其特征在于还包含有连接于数字信号处理器与微处理器之间的数据缓存器及锁存器。
专利摘要一种多功能电能计量仪，用于计量负载电度参数，其包括对模拟交流电信号采样及模数转换的数据采集模块、对数据采集模块中的谐波信号进行分解及对基波、各次谐波的正、反方向有功电度与无功电度测量、计算的数字信号处理模块；含时钟、串口及LCD显示控制的微处理器模块。本计量仪能够分时段精确计量供电网络中基波及各次谐波的正反向有功及无功电度，能够精确计量非正弦三相不对称负载情况下的无功电度，并且由于采用数位较多的模数转换器，使得测量的数据更加准确。另外，该计量仪还对防雷、滤波进行了特殊的处理，避免了雷电及高频干扰。
文档编号G01R11/00GK2833607SQ20052006290
公开日2006年11月1日 申请日期2005年8月15日 优先权日2005年8月15日
发明者刘永强 申请人:刘永强