專利名稱：帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及供電或配電的電路裝置或系統(tǒng)，尤其是一種帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器。
背景技術(shù)：
目前，為了保證低壓供配電系統(tǒng)的電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，預(yù)防電機(jī)在使用中燒毀或引發(fā)重大安全事故，低壓供配電系統(tǒng)的電機(jī)配電回路大都安裝了智能低壓電機(jī)保護(hù)器?，F(xiàn)在的電機(jī)保護(hù)器主要以單片機(jī)作為控制器，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能化綜合保護(hù)?？刂破鲗?duì)前端采集的電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)過壓、欠壓、過流、斷相、電流不平衡等多種故障現(xiàn)象進(jìn)行判別處理，對(duì)電機(jī)實(shí)行保護(hù)和故障報(bào)警。
有的還具有遠(yuǎn)程通信功能，可在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)實(shí)現(xiàn)在線
綜合監(jiān)視與控制。電機(jī)保護(hù)器按照功能主要?jiǎng)澐譃閿?shù)據(jù)采集計(jì)算模塊、保護(hù)模塊、通信模塊、人機(jī)接口模塊。
隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力能源的短缺已成為全國的普遍形勢(shì)，"限電"已經(jīng)成為絕大多數(shù)企業(yè)面臨的實(shí)際情況，電力短缺要求企業(yè)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行更嚴(yán)格的控制，對(duì)電力消耗進(jìn)行更有效的監(jiān)控。因此，對(duì)低壓供配電系統(tǒng)的電機(jī)配電回路的電能消耗進(jìn)行監(jiān)控計(jì)量也被很多企業(yè)提到議事日程上來，每一回路再安裝一臺(tái)電能表是解決問題的一種方式。電能表是主要以單片機(jī)作為控制器，控制器對(duì)前端采集的電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算出電能消耗。電能表按照功能主要?jiǎng)澐譃閿?shù)據(jù)采集計(jì)算模塊、通信模塊、人機(jī)接口模塊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，在實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓供配電回路的電機(jī)進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，也計(jì)量了該回路設(shè)備消耗的電能。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，其特征在于由主
機(jī)模塊和與此主機(jī)模塊相連接的通信網(wǎng)絡(luò)，通過RS-232接口與主模塊連接的顯示單元所組成，所述的主機(jī)模塊由總線板，插接在此總線板上的測(cè)量插件即前端采集子板、控制插件即CPU子板和通信插件和電源繼電器子板所組成，所述的通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控機(jī)和遠(yuǎn)程抄表裝置相連接。
所述的CPU子板為高速，高可靠性的數(shù)據(jù)處理和通信模件MC9S12D64，此CPU子板的PTC腳通過光電隔離器與繼電器相連接、SCII腳通過光電隔離器與RS-485接口 、MSCAN腳通過光電隔離器與CAN接口、 SCIO腳通過光電隔離器與RS_232接口相連接，IIC腳與4-20mADC電流模擬信號(hào)輸出接口相連接，SPI腳與前端采集子板相連接， 一個(gè)開關(guān)電源與此CPU子板相連接。
所述的CPU子板通過AD5321模件與4-20mA.DC電流模擬信號(hào)輸出才妄口相連才妄。
所述的CPU子板通過MAX485模件與RS-485接口相連接，通過PCA82c251模件與CAN接口相連接，通過MAX232模件與RS-232接口相連接。
所述的測(cè)量插件為數(shù)據(jù)采集芯片ADE7758，此數(shù)據(jù)采集芯片ADE7758分別與精密小型電壓互感器、精密小型電流互感器相連接，此精密小型互感器與前置信號(hào)處理電路相連接。
所述的顯示單元由MC681HC980AZ32顯示模塊，與此顯示模塊相連接的開關(guān)電源、與此顯示模塊的KB0-4腳相連接的鍵盤、與此顯示模塊的PTD、 PTB腳相連接的LCD、與此顯示模塊的PTFO-4腳相連接的報(bào)警指示燈，通過和光電隔離器與此顯示模塊SCI腳相連接的MAX232模塊所組成，此MAX232模塊通過RS-232接口與主機(jī)模塊相連接。
所述的ADE7758和MC9S12D64芯片之間采用各自的SPI接口進(jìn)行聯(lián)接。
本發(fā)明的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控和遠(yuǎn)程抄表功能；顯示單元采用RS-232接口與主模塊連接，用戶可以通過顯示模塊就地查看對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)、電能計(jì)量值，報(bào)警情況和修改設(shè)定參數(shù)。
主機(jī)單元分三個(gè)插板，即CPU子板，前端采集子板和電源繼電器子板。這三個(gè)子板平行的插入底板的總線插槽中完成整個(gè)低壓電機(jī)保護(hù)器 主機(jī)系統(tǒng)的連才妄。
測(cè)量部分由精密小型互感器接入，采集三相電流和三相電壓。通過
前置信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集芯片ADE7758，從中獲取電壓、電流、頻 率、相位、功率、電能等多種實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)?？刂撇糠忠愿咚?，高可靠 性的MC9S12D64為核心，完成數(shù)據(jù)處理和通信任務(wù)。RS-232為標(biāo)準(zhǔn)配置， 同時(shí)也可以根據(jù)用戶需求，另外安裝一個(gè)通信選件如RS-485， 4-20mA.DC 電流信號(hào)輸出。電源采用高頻開關(guān)電源，采取了多項(xiàng)電磁兼容性保護(hù)措 施，使得儀器更加節(jié)能，更能適應(yīng)惡劣的電源環(huán)境。 系統(tǒng)工作原理是
ADE7758的采集模塊可分為電流電壓的A/D轉(zhuǎn)換以及電壓有效值、 電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率的DSP計(jì)算。至于各部分 的增益及偏差寄存器是用來校正ADE7758的輸出精度的，可通過儀表校 準(zhǔn)步驟完成這些寄存器的配置。
(1)電流有效值在周，誶續(xù)信號(hào)的情況下,電流有效值可定義為
在實(shí)際應(yīng)用中，是按時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)取樣，這時(shí)，求積分相當(dāng)于對(duì) 離散量的累加，于是公式可^_
1 w
ADE7758芯片中集成Y電,u有效值的獲取路徑，電流有效值保存在 無符號(hào)32位寄存器中(AIRMS 、 BIRMS 、 CIRMS) ， LFP3是一個(gè)低通 濾波器，去除高頻干擾，AIRMSOS是A相電流有效值偏差修正寄存器， 在表校準(zhǔn)時(shí)可編程。
(2)電壓有效值《義如同電流有效值,在離散系統(tǒng)中
1 ，
在ADE7758中，電血有數(shù)值的采集模塊也有相應(yīng)的電壓有效值寄存 器(AVRMS ， BVRMS ， CVRMS)。 (3)有功功率
電壓和電流的瞬時(shí)值可表示為
v(O = x r麵x si咖,-p)
/(0 =々x /歸x sin(紐) 其中V咖s是電壓有效值
lRMS是電流有效值 所以，瞬時(shí)功率/;(,) = v(/)x/(,)
南=J感x 7鵬x cosp - /腿x K鵬x cos(2" -伊) 則平均功率即有功功率或?qū)嵐β?br> P(O = f W)力=「麗x ,鵬x c，
(4)無功功率無^功率的計(jì)算是將電流向后移9(f相位，公式定義
如下
其中Vrms為電壓有效值，Irms為電流有效值，？為電壓超前于電流的 相位角。
瞬時(shí)無功功率
"0 = ^W鵬cos(-^ -- y鵬/歸cos(20/ _ "》 柳=K鵬；sin(P) + ;J鵬sin(2w - p)
所以，無功功率
2 = f <'M = ^鵬x /鵬x 一^ 上式中，T為信號(hào)的周"期。
ADE7758中無功功率累積計(jì)算的實(shí)現(xiàn)如同有功功率部分。
(5) 視在功率視在功率是用來表示某些電氣設(shè)備容量的，在數(shù)值上 等于電壓與電流有效值的乘積。
也可寫成
上式中，P為有功功率，Q是無功功率。
(6) 功率因數(shù)功率因數(shù)定義為cos ， ？是電壓超前電流的相位角。 有下列關(guān)系
戶
cos伊=—
設(shè)計(jì)上ADE7758 SPI接口與MC9S12D64的SPI接口相連，ADE7758 采集計(jì)算后，與MC9S12D64進(jìn)行SPI通信，將計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)送給 MC9S12D64。 MC9S12D64完成電機(jī)保護(hù)、電量存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳等功能。 由于采用了三相電能表而專門研制的專用ASIC ，保證了帶電能計(jì)量功能 的智能低壓電機(jī)保護(hù)器的電機(jī)參數(shù)測(cè)量和電機(jī)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，還 保證了對(duì)該低壓供配電回路的電能測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)，而且具有電能計(jì)量精度高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器采用數(shù)據(jù)采集計(jì)算 與控制器相互分離的工作模式。對(duì)前端采集的電壓、電流信號(hào)的測(cè)量計(jì)
算工作由為三相電能表而專門研制的專用ASIC完成。智能低壓電機(jī)保護(hù) 器的保護(hù)模塊、通信模塊、人機(jī)接口模塊的功能工作由另一塊MCU控制 器完成。
我們采用ADE7758作為數(shù)據(jù)采集計(jì)算的專用ASIC，采用MC9S12D64 芯片作為MCU控制器。二者之間采用各自的SPI接口進(jìn)行相互通信。
MC9S12D64是Motorola公司的專用于工業(yè)控制的芯片。MC9S12D64 是一個(gè)16位的MCU,它是以HCS12 CPU為內(nèi)核，內(nèi)部含有64K的 FLASH EEPROM , 4K的RAM , 1K的EEPROM ， 2個(gè)SCI異步串行通 信口，l個(gè)同步串行口 SPI，8通道的增強(qiáng)型輸入捕捉輸出比較定時(shí)器，2個(gè) 8通道10 bit ADC, —個(gè)8通道的PWM模塊， 一個(gè)MSCAN12，以及一個(gè) IIC總線。它可運(yùn)行在單片模式下或擴(kuò)展模式下，由于其獨(dú)特的分頁機(jī)制, CPU可以訪問到超過64K的空間。內(nèi)部含有PLL模塊，最大可倍頻到 內(nèi)核50MHz ,總線25M Hz的時(shí)鐘頻率。它利用其SPI接口完成與 ADE7758通信工作，將采集計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存區(qū)，對(duì)過壓、欠壓、過 流、斷相、電流不平衡等多種故障現(xiàn)象進(jìn)行判別處理，對(duì)電機(jī)實(shí)行保護(hù) 和故障凈艮警。同時(shí)利用該芯片的SCI異步串行通信口，采用RS232/RS485 通信方式與上位機(jī)或操作配置器進(jìn)行通信。
ADE7758是ADI公司為三相電能表而專門研制的專用ASIC ，它將6 通道模擬通道、ADC轉(zhuǎn)換器和專用計(jì)算的DSP集成一體，完成周期電 壓、電流有效值、有功和無功的累積值(功率、電能)，通過外部輔助 的數(shù)字計(jì)算可完成電網(wǎng)全部電量參數(shù)的測(cè)量，ADE7758的測(cè)量精度等級(jí) 可達(dá)到在1000: 1的0.1%精度；它支持三相三線制、三相四線制等美國 ANSIC12.10標(biāo)準(zhǔn)三相電機(jī)的接法，片內(nèi)集成高精度的基準(zhǔn)和溫度測(cè)量單 元。采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI完成同外圍MCU (即MC9S12D64) 接口 ，通過SPI 可實(shí)現(xiàn)對(duì)ADE7758的編程配置、電量數(shù)據(jù)的采集、校準(zhǔn)等多種功能，完 成了系統(tǒng)中計(jì)量要求的低成本、系統(tǒng)簡潔、測(cè)量精度高、可靠性高的要 求。芯片內(nèi)集成了溫度傳感器，有利于在不同環(huán)境下的溫度補(bǔ)償。
利用ADE7758在完成智能低壓電機(jī)保護(hù)器的數(shù)據(jù)采集計(jì)算工作的同時(shí)，也完成了電能測(cè)量工作。這使智能低壓電機(jī)保護(hù)器在實(shí)現(xiàn)原有功能 的情況下，實(shí)現(xiàn)了電能測(cè)量功能。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓供配電回路的電機(jī)進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，也計(jì)量了 該回路設(shè)備消耗的電能。企業(yè)為實(shí)現(xiàn)低壓供配電系統(tǒng)的電機(jī)配電回路的 電能消耗進(jìn)行監(jiān)控計(jì)量時(shí)不需要再另外添加安裝電能表，幫助企業(yè)節(jié)約 成本、減少投資本。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示，按照本發(fā)明的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器， 其特征在于由主機(jī)模塊I和與此主機(jī)模塊相連接的通信網(wǎng)絡(luò)，通 過RS-232接口與主機(jī)模塊I連接的顯示單元II所組成，所述的 主機(jī)模塊I由總線板，插接在此總線板上的測(cè)量插件4即前端 采集子板、控制插件即CPU子板8和通信插件和電源繼電器子板所 組成，所述的通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控機(jī)和遠(yuǎn)程抄表裝置相連 接。
所迷的CPU子板8為高速，高可靠性的數(shù)據(jù)處理和通信模件 MC9S12D64,此CPU子板8的PTC腳通過光電隔離器10與繼電器11 相連接、SCII腳通過光電隔離器10與RS-485接口 15、 MSCAN腳通過 光電隔離器10與CAN接口 16相連接、SCIO腳通過光電隔離器10與 RS-232接口 17相連接，IIC腳與4-20mADC電流模擬信號(hào)輸出接口 6相連接，SPI腳與前端采集子板4相連接， 一個(gè)開關(guān)電源9與此 CPU子板8相連接。
所迷的CPU子板8通過AD5321模件7與4-20mA.DC電流模擬信 號(hào)輸出接口 6相連接。
所述的CPU子板8通過MAX485模件12與RS-485 *接口 15相連4妄， 通過PCA82C251模件13與CAN接口 16相連接，通過MAX232模件14 與RS-232接口 17相連接。
所迷的測(cè)量插件4為數(shù)據(jù)采集芯片ADE7"758，此數(shù)據(jù)采集芯 片ADE7758與精密小型電壓互感器3、精密小型電流互感器2
9分別相連4妾。這兩個(gè)互感器分別與電動(dòng)機(jī)1的三相電壓、三相 電流相連4妄。
所述的顯示單元II由MC681HC980AZ32顯示模塊22，與此 顯示模塊22相連接的開關(guān)電源18、與此顯示模塊22的KB0-4 腳相連接的鍵盤25、與此顯示模塊22的PTD、 PTB腳相連接的 LCD24、與此顯示模塊22的PTF0-4腳相連接的報(bào)警指示燈20， 通過和光電隔離器21與此顯示模塊SCI腳相連接的MAX23219模塊 19所組成，此MAX23219模塊19通過RS-232 ^妄口 17與主機(jī)模塊I 相連接。
所述的ADE7758和MC9S12D64芯片之間采用各自的SPI 4妾口 5進(jìn) 行聯(lián)接。
本發(fā)明的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器通過網(wǎng)絡(luò)通信的 方式，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控和遠(yuǎn)程抄表功能；顯示單元采用 RS-232接口與主模塊連接，用戶可以通過顯示單元就地查看對(duì) 電機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)、電能計(jì)量值，報(bào)警情況和修改設(shè)定參數(shù)。
主機(jī)單元分三個(gè)插板，即CPU子板，前端采集子板和電源繼電器子 板。這三個(gè)子板平行的插入底板的總線插槽中完成整個(gè)低壓電機(jī)保護(hù)器 主機(jī)系統(tǒng)的連接。
測(cè)量部分由精密小型互感器接入，采集三相電流和三相電壓。通過
前置信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集芯片ADE7758,從中獲取電壓、電流、頻
率、相位、功率、電能等多種實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。控制部分以高速，高可靠
性的MC9S12D64為核心，完成數(shù)據(jù)處理和通信任務(wù)。RS-232為標(biāo)準(zhǔn)配置，
同時(shí)也可以根據(jù)用戶需求，另外安裝一個(gè)通信選件如RS-485， 4-20mA.DC
電流信號(hào)輸出。電源采用高頻開關(guān)電源，采取了多項(xiàng)電磁兼容性保護(hù)措
施，使得儀器更加節(jié)能，更能適應(yīng)惡劣的電源環(huán)境。
權(quán)利要求
1、一種帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，其特征在于由主機(jī)模塊和與此主機(jī)模塊相連接的通信網(wǎng)絡(luò)，通過RS-232接口與主模塊連接的顯示單元所組成，所述的主機(jī)模塊由總線板，插接在此總線板上的測(cè)量插件即前端采集子板、控制插件即CPU子板和通信插件和電源繼電器子板所組成，所述的通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控機(jī)和遠(yuǎn)程抄表裝置相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，其特征在于所述的CPU子板為高速，高可靠性的數(shù)據(jù)處理和通信模件MC9S12D64,此CPU子板的PTC腳通過光電隔離器與繼電器相連接、SCII腳通過光電隔離器與RS-485接口 、MSCAN腳通過光電隔離器與CAN接口、 SCIO腳通過光電隔離器與RS-232接口相連接，IIC腳與4-20mADC電流模擬信號(hào)輸出接口相連接，SPI腳與前端采集子板相連接， 一個(gè)開關(guān)電源與此CPU子板相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，其特征在于所述的CPU子板通過AD5321模件與4-20mA.DC電流模擬信號(hào)輸出接口相連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，其特征在于所述的CPU子板通過MAX485模件與RS-485接口相連接，通過PCA82c251模件與CAN接口相連接，通過MAX232模件與RS-232接口相連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，其特征在于所述的測(cè)量插件為數(shù)據(jù)采集芯片ADE7758,此數(shù)據(jù)采集芯片ADE7758分別與精密小型電壓互感器、精密小型電流互感器相連接，此精密小型互感器與前置信號(hào)處理電路相連接，這兩個(gè)互感器分別與電動(dòng)機(jī)的三相電壓、三相電流相連才妄。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，其特征在于所述的顯示單元由MC681HC980AZ32顯示模塊，與此顯示模塊相連接的開關(guān)電源、與此顯示模塊的KB0-4腳相連接的鍵盤、與此顯示模塊的PTD、 PTB腳相連接的LCD、與此顯示模塊的PTF0-4腳相連接的報(bào)警指示燈，通過光電隔離器與此顯示模塊的SCI腳相連接的MAX232模塊所組成，此MAX232模塊通過RS-232接口與主機(jī)模塊連接。
7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，其特征在于所述的ADE7758和MC9S12D64芯片之間采用各自的SPI接口進(jìn)行聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明涉及供電或配電的電路系統(tǒng)，尤其是一種帶電能計(jì)量功能的智能低壓電機(jī)保護(hù)器，由主機(jī)模塊和與此主機(jī)模塊相連接的通信網(wǎng)絡(luò)，RS-232接口、顯示模塊所組成，主機(jī)模塊由總線板，測(cè)量插件即前端采集子板、控制插件即CPU子板和通信插件和電源繼電器子板所組成。CPU子板為高速，高可靠性的數(shù)據(jù)處理和通信模件MC9S12D64，此CPU子板光電隔離器與繼電器、RS-485接口、4-20mADC電流模擬信號(hào)輸出接口、CAN接口、RS-232接口相連接。測(cè)量插件為數(shù)據(jù)采集芯片ADE7758及精密小型互感器，顯示單元由顯示模塊及相關(guān)器件組成。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓供配電回路的電機(jī)進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，計(jì)量了該回路設(shè)備消耗的電能。
文檔編號(hào)G01R22/00GK101593965SQ20081001157
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2008年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月26日
發(fā)明者侯衛(wèi)剛, 張曉淼, 煜 邵 申請(qǐng)人:鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司