专利名称：配电电能综合测量仪及测量方法
技术领域：
本发明属于用电领域，特别涉及一种可有效测量配电电能的测量仪器及测量方 法。
背景技术：
20世纪六七十年代以来，由于大功率变流设备和电子调压设备的广泛应用，大量 家用电器普遍采用晶闸管以及其它各种非线性负荷，导致电力系统波形畸变日益严重，再 加上竞争和充分利用电工材料，对电工设备日益倾向于采用在其磁化曲线临界情况下甚至 在饱和区段工作，导致这些电力设备的励磁电流波形严重畸变，严重危及电力系统安全运 行，从而使谐波问题倍受各国的重视和关心。在我国，随着经济的迅猛发展，电气化铁道的 发展、化工、冶金、煤炭等工业部门中大量应用电力电子技术和引进国外的先进设备，以及 在节能工程中电力电子技术的应用等等，在带来技术经济上一系列效益的同时，也使电网 的谐波含量大大增加，电网波形畸变越来越严重。谐波对电力系统电磁环境的污染不仅危 害系统本身的安全，而且对广大电力用户的危害面也是十分广泛。为了保障电子设备的可靠运转，加速推广节能高效的电力电子技术的应用，亟需 能够对电力系统中的谐波进行测量的自动化装置，为了满足这种需要，本案发明人对谐波 测量及分析装置进行深入研究，本案由此产生。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种配电电能综合测量仪及测量方法，其可实时测 量三相电流、三相电压的相关参数，并进行分析处理，判断数据是否越界，确保电网稳定运 行。为了达成上述目的，本发明的解决方案是一种配电电能综合测量方法，包括如下步骤(1)检测三相电流、电压输入是否有 信号，若无，重复步骤(1)，若有，进入步骤(2) ； (2)判断时钟定时采集的时刻是否已到，若 未到，重复步骤(2)，若已到，进入步骤(3) ；(3)采集数据，滤波；(4)判断本次采集是否需 要校验，若需要，进入步骤(5)，若不需要，进入步骤(6) ； (5)将前述采集的数据乘以校正因 子；(6)利用基于复序列FFT算法进行计算；(7)与限定值比较判断是否越界，并将越界数 据存储。—种配电电能综合测量仪，包括AD采集模块、计算模块、显示模块、键盘模块、通 讯模块、存储模块、时钟模块和逻辑控制模块;AD采集模块采样三相电流、电压后，送入计 算模块；计算模块对前述三相电流、电压进行数据处理后，在逻辑控制模块的控制下，一方 面将计算结果送入显示模块进行显示，另一方面将越界数据送入存储模块；逻辑控制模块 还通过通讯模块与外界进行通讯；键盘模块和时钟模块均与计算模块连接。上述AD采集模块包括电流变换器、电压变换器、滤波电路和ADC模块，三相电流、 三相电压分别经电流变换器、电压变换器后，再经滤波电路、ADC模块，进入计算模块。
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上述显示模块采用IXD显示模块。上述通讯模块采用RS232/485通讯模块。采用上述方案后，本发明通过采样三相电流、三相电压，并进行相关处理后，与标 准值进行比较后，一方面将比较结果进行显示，同时存储越界数据，具有以下优点(1)测量三相电流、电压的幅值，有效值，可防止电压过高对用电设备造成危害。用 电设备设计在额定电压时性能最好、效率最高，但当电压偏离额定值时，其性能和效率都会 降低，有的还会减少使用寿命，当电压偏差超过一定值时，会引起设备的损坏；(2)鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所 有谐波源用户的设备投运时的测量；(3)可对电气设备在调试、投运过程中的谐波进行测量，以确保设备投运后电力系 统和设备的安全经济运行；(4)可进行谐波故障或异常原因的测量，谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐 波谐振和放大等；(5)通过测量相位，有功功率，无功功率和视在功率的测量计算，可以优化配置电 力设备，提高功率因素；(6)通过测量检测出电力系统不稳定的原因，从而通过必要的手段，如继电保护， 电网滤波，反馈控制等使电网稳定运行。
图1是本发明较佳实施例的系统框图；图2是本发明较佳实施例中AD采集模块的结构示意图；图3是本发明较佳实施例的流程图。
具体实施例方式参考图1所示，是本发明一种配电电能综合测量仪的结构连接框图，包括AD采 集模块1、计算模块2、显示模块3、键盘模块4、通讯模块5、存储模块6、时钟模块7和逻 辑控制模块8，在本文所示的较佳实施例中，采用高速数字信号处理器DSP2407，其中综 合了 AD采集模块1、计算模块2、显示模块3、键盘模块4、通讯模块5、存储模块6和时 钟模块7，而逻辑控制模块8采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)，具体选用ALTERA公司的 EPM7128AETC100-10，它属于MAX7000A系列，以第二代多阵列矩阵结构为基础，是一种高性 能、高密度的COMS EEPROM器件。AD采集模块1包括电流变换器11、电压变换器12、滤波电路13和ADC模块14，参 考图2所示，待测线路上的三相交流电压和交流电流分别经过电流变换器(CT) 11、电压变 换器(PT) 12后变成范围在-5V +5V的交流电压信号，送入ADC模块14，ADC模块14完成 采样保持、模数转换，结果送入计算模块2。计算模块2对前述三相电流、电压进行数据处理 后，在逻辑控制模块8的控制下，一方面将计算结果送入显示模块3进行显示，另一方面将 越界数据送入存储模块6 ；逻辑控制模块8还通过通讯模块5与外界进行通讯；键盘模块4 和时钟模块7均与计算模块2连接。显示模块3用于直观查询装置记录的各项不合格电能质量指标数据，其液晶屏幕选用为128X64点阵液晶，绿色背光显示。键盘模块4和显示模块2 —起作为现场的 人机界面，可以对该装置的电能质量参数进行设置、调整以及查询。显示模块3具体采用 MGLS12864T-HT模块，它是内藏东芝公司的T6963C控制芯片的128X64点阵的LCD。在LCD 控制板中有行列驱动器、8KBRAM、控制电路和时序电路等。通过对控制器的编程，实现点阵 式LCD的各种应用，显示本实施例需要的文本、图形、数字、字母、特殊字符及汉字。在保证能完成各种功能的情况下，为了使操作简单，选用尽量少的按键数(本实 施例选用4个)，采用独立式按键结构，实行功能复用。本装置的按键部分直接采用DSP的 I/O 口作为输入。按键扫描方式采用查询方式，即在程序中对相应I/O 口状态进行查询，确 认是否有键按下，然后调用相应的按键处理程序。为了实现装置与外部进行不同方式的数据通信，设计多种通信接口。通过RS-232 方式可以实现装置与GPRS MODEM之间的通信；RS-485方式使得本装置能够同其他电表设 备进行现场通信；本系统采用专门的异步通信芯片TLIUC550来扩展LF2407A的串口，可以 避开采用MCBSP来实现串行通信的缺点，使DSP器件实现稳定、准确的串行通信。TLIUC550 的主要功能是接收外设或者调制解调器来的串行数据，并将它们转换成并行数据送给DSP ； 接收从DSP来的并行数据，并将它们转换成串行数据发送出去。为节省电路板资源，逻辑控制模块8采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)，CPLD在整 个电路中的逻辑控制包括对DSP中断的管理，对DSP存储空间的选择和读写控制，对AD采 样和采样数据传输的控制，对外部扩展存储器访问的控制，对LCD显示的控制，对键盘输入 的响应控制，对通信接口的控制。另外，本实施例还在DSP设置许多外围电路，如电平转换电路，由于LF2407A的 接口电源为3. 3V，其输入引脚不能与5V TTL、CMOS电路连接。且本实施例中的存储器、 A/D转换、通信、显示器等电路是5V TTL/CM0S逻辑电平，信号不能直接送入LF2407A，因 此在LF2407A与其它电路之间需设计电平转换电路。数据总线电平转换采用TI公司的 SN74LVTH16245，其是16bit或2X8bit的三态放大电平转换器件，可以为3. 3V CMOS电路 和5VTTL/CM0S电路提供双向电平转换；再者，还包括地址缓冲电路，由于FLASH的访问时间 为70ns，所以在DSP读、写FLASH时，必须在其中设置地址缓冲驱动器，本实施例中采用TI 公司的SN74LVTH16244，其是一款3. 3V供电的16bit缓冲器，能为5V TTL电路系统提供接 入的能力，有效的总线保持电路可以使输入的信号维持在有效的电平。本实施例还扩展有若干外部存储器，以下分别进行说明。(I)FLASH 存储器DSP片内存储器容量是有限的，故采用分页方式扩展DSP数据存储空间，FLASH选 用M29W404BT芯片，其访问速度为70ns，在DSP访问FLASH时需要设置7个软件等待状态， 写入速度为10 μ s每字节，可重复擦写100000次，其存储容量为256KX16bit，可以在掉电 情况下，保存数据长达20年。(2) EEI3ROM 存储器系统外扩一片512Kbit的EEPR0M，用来存储固定数据参数电压变比、电流变比、 出厂时间参数、密码等。EEPROM采用ATMEL公司的AT24C512，是ATMEL公司新近推出的具 有I2C总线，容量达512Kbit (64KX8)的EEPROM。本系统采用8引脚PDIP封装的T24C512 ； 3. 3V供电，通过串口与DSP的串口 MCBSPS1实现互连，它们之间以I2C总线协议进行数据传输，数据可保存40年。(3) SRAM 存储器除FLASH和EEPROM以外，DSP处理器还外扩两片64KX 16bit SRAM存储器，一片 作为外部程序运行空间，一片作为外部数据空间。SRAM芯片选用CY7C1021BV33-12ZC。采 用3. 3V供电，其访问时间为12ns，数据线和地址线可以实现和DSP直接连接，中间无需设置 软件等待时间或硬件缓冲器。本实施例中所示结构还设有其它功能模块，分别为实时时钟模块、电源和看门狗 电路。实时时钟模块选用DS1305，采用3. 3V供电，接有备用3. OV电源，保证在装置断电 后，时钟的正常走动；时间数据包括年、月、日、小时、分钟、秒。DS1305与外围设备的通信方 式有两种串口通信和3-WIRE通信，通过引脚SEMODE来选择，SEMODE接VCC时选择串口通 信，接地时选择后者。LF2407A利用MCBSPS0来实现与DS1305的通信，包括对时间的初始设 置和实时时钟数据的读取。整个系统需要的电源等级有+5V、_5V和3. 3V。装置内设一开关电源，开关电源输 入为单相交流220V电压(取自三相被测电压中的一相)，输出为双路隔离+5V电压，接线 时，将一路+5V输出正负反接，作为-5V输出。DSP的工作电源3. 3V、1. 8V通过专用的电源 芯片来提供，这里选用PS767D318，其是专门为DSP设计的，采用5V供电，具有双电压输出 3. 3V、1.8V，输出电流范围OmA IA可调。为了提高系统的可靠性和精确性，需设计看门狗电路。MAX705作为电源管理芯片， 内部有一个定时器，最大定时1. 6秒。这里将WDI接DSP的XF引脚，其值由软件编程来改 变，当软件进入死循环跑飞时，XF引脚的值将不能及时改变，当时间超过1. 6秒时，就会产 生复位。本发明还公开一种配电电能综合测量方法，参考图3所示，包括如下步骤(1)检测三相电流、电压输入是否有信号，若无，重复步骤(1)，若检测到有三相信 号，进入步骤(2)；(2)判断时钟定时采集的时刻是否已到，若未到，重复步骤(2)，若已到，进入步骤 ⑶；(3)采集数据，并进行软件滤波；(4)判断本次采集是否需要校验，若需要(表示当前输入信号是标准信号，电压 100V，电流5A)，进入步骤(5)，若不需要，进入步骤(6)；(5)将前述采集的数据乘以校正因子；(6)利用FFT算法进行计算；(7)与限定值比较判断是否越界，并将越界数据存储。
权利要求
一种配电电能综合测量方法，其特征在于包括如下步骤(1)检测三相电流、电压输入是否有信号，若无，重复步骤(1)，若有，进入步骤(2)；(2)判断时钟定时采集的时刻是否已到，若未到，重复步骤(2)，若已到，进入步骤(3)；(3)采集数据，滤波；(4)判断本次采集是否需要校验，若需要，进入步骤(5)，若不需要，进入步骤(6)；(5)将前述采集的数据乘以校正因子；(6)利用基于复序列FFT算法进行计算；(7)与限定值比较判断是否越界，并将越界数据存储。
2.一种采用前述配电电能综合测量方法的配电电能综合测量仪，其特征在于包括AD 采集模块、计算模块、显示模块、键盘模块、通讯模块、存储模块、时钟模块和逻辑控制模块； AD采集模块采样三相电流、电压后，送入计算模块；计算模块对前述三相电流、电压进行数 据处理后，在逻辑控制模块的控制下，一方面将计算结果送入显示模块进行显示，另一方面 将越界数据送入存储模块；逻辑控制模块还通过通讯模块与外界进行通讯；键盘模块和时 钟模块均与计算模块连接。
3.如权利要求2所述的配电电能综合测量仪，其特征在于所述AD采集模块包括电流 变换器、电压变换器、滤波电路和ADC模块，三相电流、三相电压分别经电流变换器、电压变 换器后，再经滤波电路、ADC模块，进入计算模块。
4.如权利要求2所述的配电电能综合测量仪，其特征在于所述显示模块采用LCD显 示模块。
5.如权利要求2所述的配电电能综合测量仪，其特征在于所述通讯模块采用 RS232/485通讯模块。
全文摘要
本发明公开一种配电电能综合测量方法，包括如下步骤(1)检测三相电流、电压输入是否有信号，若无，重复步骤(1)，若有，进入步骤(2)；(2)判断时钟定时采集的时刻是否已到，若未到，重复步骤(2)，若已到，进入步骤(3)；(3)采集数据，滤波；(4)判断本次采集是否需要校验，若需要，进入步骤(5)，若不需要，进入步骤(6)；(5)将前述采集的数据乘以校正因子；(6)利用基于复序列FFT算法进行计算；(7)与限定值比较判断是否越界，并将越界数据存储。此种测量方法可实时测量三相电流、三相电压的相关参数，并进行分析处理，判断数据是否越界，确保电网稳定运行。本发明还公开一种配电电能综合测量仪。
文档编号G01R21/00GK101957401SQ20091011217
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月13日 优先权日2009年7月13日
发明者何敏, 张嵩, 张晓晖, 杨冠鲁, 林升, 王华峰, 陈锦桂 申请人:厦门电力成套设备有限公司