本實發(fā)明涉及用電監(jiān)控領(lǐng)域，特別涉及一種電能檢測計量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，能夠進行電能質(zhì)量檢測的儀器很多，但大多數(shù)是對某一點的電能質(zhì)量進行檢測，無法對多點進行同步檢測。個別可以進行多點同時檢測的儀器，一個是價格昂貴，第二個是需要用傳輸線進行長距離組網(wǎng)，布線工作量大、易受到環(huán)境限制且無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。而煤礦進行電能質(zhì)量檢測需要同時對多個點進行電能的檢測，很顯然目前已有的檢測系統(tǒng)無法滿足這個要求。

針對這種情況，本申請?zhí)岢隽藷o需進行組網(wǎng)便可以進行多點同步檢測的方案。該方案可以大大簡化了測量系統(tǒng)，降低了成本，減輕了計量人員的勞動強度。電能平衡測試是節(jié)能技術(shù)服務(wù)站的常規(guī)工作，是節(jié)能技術(shù)服務(wù)的重要手段，因此具有很高的經(jīng)濟和社會意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電能檢測計量系統(tǒng)，簡化了測量系統(tǒng)，降低了成本，減輕了計量人員的勞動強度，以解決現(xiàn)有技術(shù)中導(dǎo)致的上述多項缺陷。

為實現(xiàn)上述目的，本實發(fā)明提供以下的技術(shù)方案：一種電能檢測計量系統(tǒng)，包括互感模塊、前端電壓電流采集模塊、電能質(zhì)量分析模塊、MCU處理器、系統(tǒng)供電模塊；

互感模塊和前端電壓電流采集模塊依次與電能質(zhì)量分析模塊通信連接；

電能質(zhì)量分析模塊和MCU處理器相互之間通信連接；

系統(tǒng)供電模塊與電能質(zhì)量分析模塊、MCU處理器電連接；

包括多個互感模塊和前端電壓電流采集模塊，互感模塊和前端電壓電流采集模塊一一對應(yīng)設(shè)置；

互感模塊包括電流互感器和電壓互感器；

前端電壓電流采集模塊包括電壓采集電路和電流采集電路；

電壓互感器和電壓采集電路相連接，電流互感器和電流采集電路。

優(yōu)選的，所述MCU處理器還連接有存儲模塊和通信模塊。

優(yōu)選的，所述MCU處理器還連接有同步模塊和時間模塊。

優(yōu)選的，所述電能質(zhì)量分析模塊為計量芯片ATT7022B。

優(yōu)選的，所述MCU處理器為LPC1114單片機。

采用以上技術(shù)方案的有益效果是：本實發(fā)明結(jié)構(gòu)的電能檢測計量系統(tǒng)為多點同時測試的電能質(zhì)量測試采樣器儀器及相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)處理軟件。

對局部網(wǎng)絡(luò)進行點能質(zhì)量及對能耗的影響分析，找出影響能耗的主要因素，簡化了測量系統(tǒng)，降低了成本，減輕了計量人員的勞動強度。

電流電壓互感器部分將電力線上的電流和電壓轉(zhuǎn)換成100V/5A的信號，完成電流和電壓的初步采集工作。然后通過電壓電流采集電路將從互感器得到的100V/5A工頻信號轉(zhuǎn)換成適合ATT7022B片內(nèi)A/D采集的交流信號。其中ATT7022B片內(nèi)集成了7路16位A/D轉(zhuǎn)換器，它主要完成對電壓和電流的采集、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、計算各種所需的參數(shù)。ATT7022B能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，并且對有功功率測量達到國家標準0.55，0.25、對無功功率測量精度均能達到國家2級、3級標準，同時該產(chǎn)品也是一款抗干擾能力強的低功耗產(chǎn)品。

附圖說明

圖1是本實發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是電壓采集電路的示意圖；

圖3是電流采集電路的示意圖；

圖4是供電電路圖。

其中，1--電壓互感器、2--電流互感器、3--電壓采集電路、4--電流采集電路、5--電能質(zhì)量分析模塊、6--MCU處理器、7--系統(tǒng)供電模塊、8--存儲模塊、9--通信模塊、10--同步模塊、11--時間模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本實發(fā)明的優(yōu)選實施方式。

圖1出示本實發(fā)明的具體實施方式：一種電能檢測計量系統(tǒng)，包括互感模塊、前端電壓電流采集模塊、電能質(zhì)量分析模塊5、MCU處理器6、系統(tǒng)供電模塊7；互感模塊和前端電壓電流采集模塊依次與電能質(zhì)量分析模塊5通信連接；電能質(zhì)量分析模塊5和MCU處理器6相互之間通信連接；系統(tǒng)供電模塊7與電能質(zhì)量分析模塊5、MCU處理器6電連接；包括多個互感模塊和前端電壓電流采集模塊，互感模塊和前端電壓電流采集模塊一一對應(yīng)設(shè)置；互感模塊包括電流互感器2和電壓互感器1；前端電壓電流采集模塊包括電壓采集電路3和電流采集電路4；電壓互感器1和電壓采集電路3相連接，電流互感器2和電流采集電路4。

MCU處理器6還連接有存儲模塊8和通信模塊，MCU處理器6還連接有同步模塊10和時間模塊11，電能質(zhì)量分析模塊5為計量芯片ATT7022B，MCU處理器6為LPC1114單片機。

電流電壓互感器部分將電力線上的電流和電壓轉(zhuǎn)換成100V/5A的信號，完成電流和電壓的初步采集工作。然后通過電壓電流采集電路將從互感器得到的100V/5A工頻信號轉(zhuǎn)換成適合ATT7022B片內(nèi)A/D采集的交流信號。其中ATT7022B片內(nèi)集成了7路16位A/D轉(zhuǎn)換器，它主要完成對電壓和電流的采集、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、計算各種所需的參數(shù)。ATT7022B能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，并且對有功功率測量達到國家標準0.55，0.25、對無功功率測量精度均能達到國家2級、3級標準，同時該產(chǎn)品也是一款抗干擾能力強的低功耗產(chǎn)品。時鐘模塊是為各個不同的測量模塊提供時間參考，配合同步信號就可以實現(xiàn)各個測量模塊的同步測量。MCU處理器是整個系統(tǒng)的信息交匯與命令控制的核心部分，主要負責(zé)控制ATT7O22B，從ATT7O22B讀取各種電能參數(shù)；從存儲芯片中讀取和存儲一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)；讀取時鐘模塊的時間參數(shù)；并且和上位控制端通過通信模塊進行數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)供電模塊為整個模塊提供了電能，通過選取低功耗器件和對各個部分功耗的分析，提出了從電力電壓互感器二次端取電的設(shè)計方案，實現(xiàn)了電能質(zhì)量分析模塊的無源化。減小了整個模塊的體積，使模塊適用于沒有220V供電的高壓環(huán)境中，并可以將模塊與電力互感器整體封裝，實現(xiàn)二者的無縫銜接。通信模塊是用來連接電腦終端讀取測量數(shù)據(jù)的。

時間模塊我們選用一款集成的時間芯片DS1302，它可以對年、月、周、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能。DS1302采用三線接口SPI與MCU進行同步通信，可以通過MCU對時鐘進行設(shè)置。如果各個測量模塊的時間芯片的初始值設(shè)置成一樣的話，則各個測量模塊就實現(xiàn)了時間上的同步，通過MCU和程序就可以實現(xiàn)各個測量模塊的同時測量了(這就相當(dāng)于多個人，由于各自的手表時間相同，這樣就可以在約定的時間采取統(tǒng)一行動)。同步模塊的作用就是為各個測量模塊的時間芯片同時賦一個相同的值，使它們實現(xiàn)同步(相當(dāng)于多個手表調(diào)整到統(tǒng)一時間)。具體過程是，將各個測量模塊的同步端口接在一起，在外部給一個觸發(fā)信號，各個測量模塊的MCU探測到這個信號后，就將約定好的初始值寫入各自的時間芯片，達到時間同步的目的。其實由于給DS1302提供時鐘信號的晶振，其誤差非常小，這樣即使工作一年，各個測量模塊的時間差也只是毫秒級。因此，時間同步操作只是剛開始同步一下即可，后面的使用則無需進行同步。

電流電壓采集電路的作用是：通過電壓采集電路和電流采集電路，將從電力互感器二次端得到的l00V/5A工頻信號轉(zhuǎn)換成適合ATT7022B片內(nèi)AD采集的交流信號。其中ATT7O22B的電壓通道在10mV至1V時，線性誤差小于0.5％；電流通道在2mV至1V時，線性誤差小于0.5％。所以在AD轉(zhuǎn)換器接入輸入時，電壓的輸入額定值選擇0.4V；電流輸入額定值選擇0.1V。同時基于抗干擾和測量精準度的考慮，AD轉(zhuǎn)換的輸入方式為差分輸入。三相計量芯片的電壓采樣可以采用3種方式，第一種方法是電阻分壓的方式，把輸入的100V工頻進行分壓，然后再傳給計量芯片的AD接口；第二種是直接用電壓互感器進行變壓，得到需的交流信號后，輸出給計量芯片的AD接口；第三種方法是先將電壓信號通過電阻變成電流信號，再通過電流互感器進行電流的變換，最后通過精密電阻，將電流信號還原成電壓信號。這3種方式各有優(yōu)缺點，第一種方式成本很低，但因為是直接接到l00V工頻交流電，電路中所選元件均為大功率元件，而且無法對交流電干擾進行隔離，容易引入干擾；第二種方式，直接利用電壓互感器進行電壓變換，在確保隔離抗干擾的同時，也保證了準確性，但是l00V/0.4V的電壓互感器需要特別訂做，購買及其不方便，缺乏實用性；第三種方式，電壓先變成電流，再使用電流互感器的方法可以確保抗干擾性和準確性，所以選取了第三種電壓變換的方式為AD轉(zhuǎn)換提供合適的輸入電壓。根據(jù)采樣定理可知在對信號采樣時為避免高于折疊頻率的雜散頻譜進入采樣器造成頻譜混淆，采樣器前常常加一個保護性的前置低通濾波，阻止高頻率分量進入。在這里采用的是RC低通濾波電路對互感器后端的信號進行處理。由于AD輸入方式為差分輸入，根據(jù)ATT7022B片內(nèi)偏置放大的要求，輸入電壓為0到3V，所以在原有交流信號基礎(chǔ)上，再加入直流偏置電壓,確保了基準電壓的穩(wěn)定性和測量的精度。

根據(jù)以上對電壓采集電路的研究，設(shè)計出電壓采集電路如圖2所示。

同理，電流信號采樣使用電流互感器進行電流信號的采集，再將電流信號變?yōu)镺.1V的電壓信號，然后通過抗混疊電路并加入2.45V的偏置電壓，最后送入電流的A/D轉(zhuǎn)換口，電流采集電路如圖3所示。

電能質(zhì)量分析模塊，它主要完成對電壓和電流的采集、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、計算各種所需的參數(shù)。芯片的性能直接決定了計量模塊的各項性能指標，因此所選的電能計量芯片需要有較高的精準度。此外由于電能質(zhì)量分析模塊應(yīng)用的環(huán)境都比較復(fù)雜，因此需要電能計量芯片有較強的抗干擾能力。并且，由于整個系統(tǒng)采用了從電力互感器取電的電源設(shè)計，為了減少對電力互感器的影響，要選擇一款低功耗的電能計量芯片。綜合各種電能計量芯片的特性和功能，認為珠海炬力集成電路設(shè)計有限公司的ATT7022B比較適合該系統(tǒng)對于電能計量芯片的要求。ATT7022B能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，并且對有功功率測量達到國家標準0.55，0.25、對無功功率測量精度均能達到國家2級、3級標準，同時該產(chǎn)品也是一款抗干擾能力強的低功耗產(chǎn)品。

電能質(zhì)量分析模塊的電能計量值存放在計量芯片ATT7O22B內(nèi)部的寄存器中，以供MCU隨時讀取，十分方便。但是當(dāng)ATT7O22B復(fù)位或是掉電時，此寄存器內(nèi)的數(shù)值會被立刻清零，數(shù)據(jù)也會同時丟失，這就需要一個能夠掉電保存的存儲器，對電能計量值進行時刻的更新保存；在模塊運行時每隔一定的時間(由程序設(shè)定,假設(shè)這里設(shè)定為10s)，MCU就會對計量芯片讀取一次參數(shù)值，并把電能計量值重新寫入存儲器，這樣一個月就會存儲259200次，因此需要一款能夠反復(fù)讀寫多次、非易失的外部存儲器；本課題選擇基于FRAM技術(shù)的FM24C25。它的存儲時間短；而且可讀寫的次數(shù)在10億次以上，按每月259200次計算，可以使用100年以上同時也是一款低功耗芯片。它的性能指標完全達到設(shè)計要求，解決了電能質(zhì)量分析模塊在存儲方面的設(shè)計憂慮。

整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要良好、穩(wěn)定的電源部分提供保障。一個設(shè)計優(yōu)良的系統(tǒng)供電模塊能確保整個檢測計量模塊的正常運行和測量的準確。一般的電能檢測分析設(shè)備采用的都是以下兩種方式：一是外接220V工頻電源，然后將220V工頻電源進行變壓、整流、濾波，最后變成可供系統(tǒng)工作的直流電，這樣設(shè)計的優(yōu)點是可以充分保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，和測量的精度；缺點是體積大，并且必須有外接電源的輸入點設(shè)備才能工作，而電力互感器大多放置在一些沒有220V電源的高壓配電柜中，很大程度上限制了設(shè)備的使用范圍。另外一種是采用電池的方法，對設(shè)備直接進行供電，這樣設(shè)計的優(yōu)點是取消了外接電源，擴大了檢測計量模塊的使用范圍，提高了設(shè)備的靈活性，缺點是需要定期更換電池，如果設(shè)備安放在一些不容易接近的地方，就格外麻煩，并且隨著電池電壓的下降，會對測量產(chǎn)生很大的誤差影響。本模塊電源部分采用從電力互感器的二次輸出端上取電，為檢測計量模塊提供電力支持，使電能質(zhì)量分析儀無源化。這樣的設(shè)計不僅取消了對外接220V工頻電源的依賴，同時又能保證整個模塊的良好供電和測量的準確性，擴大了電能質(zhì)量分析模塊的使用范圍，并且可以將模塊與電力互感器整體封裝，實現(xiàn)二者的無縫銜接。

從電力電壓互感器上取電必須滿足兩個要求：其一是供電電壓必須穩(wěn)定，波動不超過正負5％，這樣才能保證測量的精準。其二是功耗要盡可能的小，以減少檢測計量模塊對電力電壓互感器的反作用。在模塊中的各個芯片的功耗已經(jīng)基本恒定的情況下，這就要求AC-DC的轉(zhuǎn)換效率要盡可能得高，減少轉(zhuǎn)換時的能量損耗。AC-DC主要有兩種方法：其一是使用變壓器進行電壓變換，將高壓交流變換成低壓交流，再進行整流濾波，成為可供模塊使用的直流電，使用此方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉；缺點是體積較大，轉(zhuǎn)換效率較低，通常變壓器的轉(zhuǎn)換效率只能達到70％一80％，造成較多的能量損耗，而且變壓器的輸出電壓隨著電力電壓互感器的二次電壓變化而變化，進而造成較大的輸出電壓波動。另一種方法是采用開關(guān)系統(tǒng)供電模塊，采用開關(guān)系統(tǒng)供電模塊的優(yōu)點是體積小，轉(zhuǎn)換效率高，轉(zhuǎn)換效率可以達到90％以上，而且對輸入電壓的范圍比較寬，即使電力互感器的二次輸出電壓有較大范圍的變化，電源部分輸出的電壓仍然穩(wěn)定，缺點是價格較高。

從電源輸出電壓的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率二者綜合考慮，選取開關(guān)系統(tǒng)供電模塊的AC-DC設(shè)計，為無源電能質(zhì)量分析模塊進行供電。其中開關(guān)電源選用安時捷(ANSJ)公司的高品質(zhì)開關(guān)系統(tǒng)供電模塊，寬電壓輸入范圍75V～260V，輸出功率3W，輸出電壓波動范圍正負1％，完全可以滿足測計量模塊的電源要求。使用此模塊的電源部分電路圖如圖4所示。

MCU處理器是整個系統(tǒng)的信息交匯與命令控制的核心部分，主要負責(zé)控制ATT7022B，從ATT7O22B讀取各種電能參數(shù)；從存儲芯片中讀取和存儲一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將檢測的數(shù)據(jù)通過通信口與上位控制端進行通訊。此外，由于整個系統(tǒng)的供電采用了從電力電壓互感器二次端取電的設(shè)計，為了減少對電力電壓互感器的影響，MCU的功耗要盡可能的低。因此需要選擇一款滿足以上功能，抗干擾能力強并且低功耗的MCU。這里我們選擇PHLIPS公司的LPC1114單片機，、它的主要特點是處理速度快，低功耗等特點，并自帶USB、UART，SPI等串口。既能完成控制、計算、通信任務(wù)又能滿足低功耗的要求。

通信模塊的功能是用來完成電腦和測量模塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到傳輸數(shù)據(jù)的量和速度要求，本課題提出兩種方案，一種是采用RS232口，一種是USB口，這兩種接口均為LPC1114自帶，應(yīng)用十分方便。

以上所述的僅是本實發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實發(fā)明的保護范圍。