專利名稱：數字式多功能網絡電測儀表的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種數字式多功能網絡電測儀表，屬于電力自動化測量技術領域。
背景技術：
我國電力事業(yè)隨著國民經濟的高速發(fā)展而快速發(fā)展，電能質量對國民經濟的影響逐步增大，對電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配及用電量的采集也提出了更高的要求。配電系統(tǒng)逐步向自動化、智能化、網絡化方向發(fā)展，而電量采集測量產品作為電力系統(tǒng)實時控制、監(jiān)測、調度自動化的前提環(huán)節(jié)對配電系統(tǒng)的發(fā)展有重要作用。目前市場上電測儀器儀表種類很多，有指針式和數字式，在功能上有單參數測量、綜合參數測量和電力監(jiān)控等等。而一般的電測儀表都是單獨使用，沒有通訊接口，也不能對電路中發(fā)生過流、過壓、欠壓或三相不平衡等故障時做保護控制處理，從而無法與遠端的管理計算機進行通訊，無法實現(xiàn)電量參數和設備狀態(tài)的遠程監(jiān)測和自動保護控制，在使用和管理上不方便，且應用領域存在局限性。而功能全面的電測儀器如智能電力監(jiān)控裝置則內部結構復雜，體積龐大，且成本高昂。而本實用新型針對配電系統(tǒng)的發(fā)展方向，在小型化、多功能、高精度、智能化等方面具有更多的優(yōu)勢。
發(fā)明內容本實用新型的主要目的是在低成本高性能的前提下解決現(xiàn)有電測儀表存在的缺陷，提供一種數字式多功能網絡電測儀表，能與遠端管理計算機進行數據通訊，完成多功能電量參數和狀態(tài)信息的監(jiān)測與遙訊、遙控，同時在監(jiān)測到主回路和遠端保護控制設備發(fā)生故障時能依據程序中的邏輯判斷方案自動作出保護控制處理，便于系統(tǒng)設備的使用和管理，確保運行安全。 本實用新型所述的數字式多功能網絡電測儀表，包括了中央處理單元23、顯示單
元22、信號處理單元21、鍵盤輸入單元24、EEPR0M存儲單元25、脈沖輸出單元26、開關量輸
入輸出單元27和M0DBUS通訊單元28以及為整個儀表供電的電源模塊29。中央處理單元
23除了存貯有多功能電測軟件，還包含了通訊接收發(fā)送程序和開關量控制程序。 所述的中央處理單元23通過芯片通用10 口模擬IIC總線來連接EEPR0M存儲單
元26和開關量輸入輸出單元27。 所述的中央處理單元23通過芯片特定脈沖輸出端口連接脈沖輸出單元26，以固定脈沖率通過有線或者紅外的方式向電能脈沖計量設備30發(fā)送脈沖信息；[0007] 所述的中央處理單元23是帶有高精度電能計量模塊231、通訊接口 、紅外接口 、多路控制接口、多路數據接口和LCD顯示驅動接口單片機。所述的電能計量模塊231，其特征在于配備了 1個21位delta-sigma( △ - E )ADC、6個模擬輸入、數字溫度補償、精密參考電壓和32位計算引擎。 所述的信號處理單元21的輸入端連接電網主回路中的三相電量信號源10，由三路分壓電阻網絡和三路電流互感器配合不同的采樣電阻來實現(xiàn)獨立的三相電壓和電流信號的采樣，然后經過RC低通濾波和雙二極管正負極限幅處理后輸入電能計量模塊231的對應采樣端。 所述的顯示單元22可選LCD液晶顯示或者LED數碼管顯示。LCD液晶顯示作為優(yōu)選時可通過中央處理單元23的LCD驅動端口直接連接LCD來完成；LED數碼管顯示作為優(yōu)選時，中央處理單元23通過通用10 口模擬的二線串行連接來控制數碼管驅動芯片，并由四個通用10 口來進行片選操作，從而配合完成對數碼管和發(fā)光二極管的動態(tài)掃描。[0010] 所述的開關量輸入輸出單元27由10擴展芯片來連接中央處理單元23、開關量輸入電路和開關量輸出電路。中央處理單元23通過通用10 口模擬IIC總線來驅動10擴展芯片，以專用程序對其進行讀取和寫入操作。在進行開關量輸入采集時，10擴展芯片的輸入采集端經光耦隔離器組來采集遠端保護控制設備40的分合閘狀態(tài)信息。在進行開關量輸出控制時，根據中央處理單元23的寫入命令，10擴展芯片的輸出控制端首先進行雙NPN三極管的電流放大，通過繼電器升壓后連接遠端保護控制設備40，并控制其進行分合閘操作。[0011] 經過上述設計后的本實用新型技術，與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點[0012] 1.通 過選用性價比較高且集成了高精度電能計量模塊231的MPU來實現(xiàn)中央處理單元23的電參量采集換算和其他各項輔助功能，從而在硬件結構上相比于其他電測儀表省去了外置的高精度電量采集模塊并保持了高精度的信號采集效果，同時電能計量模塊231的應用也降低了對信號處理單元21的處理要求，使得信號采集部分硬件結構更加簡練，同時信號換算和處理功能更加強勁。 2.通過中央處理單元23的芯片紅外接口和通訊接口可連接外部通訊模塊，在更
為簡單的硬件基礎上實現(xiàn)與遠端管理計算機便捷的無線連接和網絡互聯(lián)，既可將現(xiàn)場實時
監(jiān)測的故障信息和告警信息上傳到遠端管理計算機，又可接收遠端管理計算機指令，將現(xiàn)
場實時監(jiān)測的電量數據、控制設備狀態(tài)信息上傳，或執(zhí)行對故障門限值等參數的整定操作。 3.數碼管顯示驅動芯片和10擴展芯片的選用使得顯示單元22在應用數碼管時需
要使用的通用10 口數量以及開關量輸入輸出單元27需要使用的通用10 口數量都大大減
少，從而大大降低了對系統(tǒng)芯片的通用10 口數量的要求，減輕了芯片成本要求。 4.本實用新型的各個模塊間具有高度的集成性，在提高性能的同時結構上將更加
簡練緊湊，對于抗電磁干擾的能力有更好的表現(xiàn)，系統(tǒng)運行也更加穩(wěn)定。 5.本實用新型具有數字化采集、電參量實時監(jiān)測、電能脈沖輸出、智能化全自動保
護控制、遠程通訊等多種功能，功能更全面，成本優(yōu)勢更明顯，具有廣闊的市場前景。
圖1是本實用新型數字式多功能網絡電測儀表的組成原理框圖。 圖2是本實用新型數字式多功能網絡電測儀表實施例中顯示單元中應用數碼管
的電路原理框圖。 圖3是本實用新型數字式多功能網絡電測儀表實施例中開關量輸入輸出單元的電路原理框圖。 圖4是本實用新型數字式多功能網絡電測儀表實施例中信號采集處理部分的電路原理框圖。 圖3中701-開關量信號處理電路，702-開關量信號輸出電路，703-開關量信號輸入電路 圖4中801-三相電壓采樣電路，802-三相電流采樣電路，803-采樣信號處理電路
具體實施方式下面通過實施例，并結合附圖，對本實用新型的技術方案作進一步具體的說明。[0024] 本實施例的數字式多功能網絡電測儀表，其組成如圖1所示，由電源模塊29為整個系統(tǒng)提供工作電源，作為系統(tǒng)核心的中央處理單元23依次分別連接信號處理單元21、顯示單元22、鍵盤輸入單元24、 EEPROM存儲單元25、脈沖輸出單元26、開關量輸入輸出單元27、 MODBUS通訊單元28，以上各個單元均安裝于儀表線路板20。中央處理單元23存貯器內則存貯有多功能電測軟件、通訊軟件和開關量輸入輸出軟件。 所述的中央處理單元在本實例中選用了 TERIDIAN公司的71M6513芯片，該芯片是一個高度集成的SOC(系統(tǒng)芯片)，結構上包括了 MPU、 FLASH、 RTC和LCD驅動器。MPU中集成了兩個UART模塊更為系統(tǒng)進行無線紅外通訊和網絡通訊提供了保障。另外芯片還配備了一個22位的A - E ADC、六個模擬輸入、數字溫度補償、精密參考電壓和32位的數字計算引擎，從而構成了電能計量模塊。 所述的鍵盤輸入單元在本實例中采用了通用IO端口掃描的方式來判斷是否有有效按鍵操作產生。每個按鍵經3. 3V上拉并通過串接電阻進行限流保護后分別連接一個CPU通用10 口，系統(tǒng)通過固定定時器的中斷處理來不間斷地對此四個通用10 口進行端口值掃描，進而判斷四個按鍵是否產生有效操作。 所述的EEPROM存儲單元在本實例中選用了鐵電公司的FM24CL04作為存儲芯片，系統(tǒng)通過對兩個CPU通用10 口進行模擬IIC總線的方式，完成了此存儲芯片與系統(tǒng)CPU的數據讀寫任務，同時該存儲芯片較普通EEPROM模塊具備更好的讀寫速率和更高的使用壽命，所以更加適合電能數據的實時存儲。 所述的MODBUS通訊單元在本實例中通過CPU固定通訊接口 SCI_RX、 SCI_TX和SCI_RE，連接外部通訊芯片ADM2483，通過ADM2483的交換處理以實現(xiàn)與上位機的MODBUS通訊。而電能脈沖輸出單元則由CPU的脈沖輸出端口 DI06、DI07分別對應連接兩組光耦隔離器組來實現(xiàn)對外部的脈沖輸出。 如圖2所示為系統(tǒng)的顯示單元，該單元中選用了三組共陰數碼管和發(fā)光二極管組合的顯示方式，圖2中例舉了一組數碼管和對應發(fā)光二極管的結構原理圖。由于芯片10 口數量有限，在本實例中選用了移位寄存器74HC164來完成對數碼管和發(fā)光二極管顯示內容的數據驅動，該移位寄存器可由3. 3V供電，對應每片移位寄存器，芯片只需用兩個通用10口來作為時鐘端L—CLK和數據傳輸端L—DAx即可實現(xiàn)對顯示內容的有效控制。同時芯片使用四個10 口 L_CSx來完成對整個顯示單元的片選，由于一個L—CS端口需要完成對最大四個8段顯示位的的控制，需要較大的電流方可帶動整個顯示功能，故所有四個芯片片選端口均通過NPN三極管F匪T4123進行了電流放大后才連接數碼管和發(fā)光二極管的片選端口 。[0030] 如圖3所示為系統(tǒng)的開關量輸入輸出單元，該單元中主要由開關量控制處理電路701、開關量輸出電路702和開關量輸入電路703構成。其中開關量控制處理電路701主要運用了 10 口串改并的擴展芯片PCF8574，該芯片由3. 3V供電，具備一個IIC總線接口和
5一個8位雙向數據接口， CPU的三個通用10 口 I0_IIC1、 I0_IIC2、 10JNT經3. 3V上拉和電阻限流后分別連接PCF8574的三個IIC總線接口，系統(tǒng)通過10 口模擬IIC總線來完成對PCF8574的數據讀取與寫入，從而實現(xiàn)對開關量輸入端口 DINx的數據采集和開關量輸出端口 RL_0x的數據寫入。在開關量輸出電路702中，例舉了一路開關量輸出電路的結構圖，由于PCF8574數據輸出端口輸出電流有限，無法有效驅動繼電器準確的分合閘動作，所以每路輸出電路均使用了兩個NPN三極管組合構成的放大回路來對PCF8574輸出的控制信號進行電流放大，并在繼電器輸入端口并接了二極管D1防止出現(xiàn)電流倒灌，同時將壓敏電阻RV1并接于繼電器輸出端口實現(xiàn)高壓保護功能。在開關量輸入電路703中，例舉了一路開關量輸入電路的結構圖，系統(tǒng)通過光藕隔離器組來實現(xiàn)對外部開關量輸入信號的采集，有效地對外部開關量信號進行了隔離和降壓降流處理。 如圖4所示為系統(tǒng)的模擬信號采集單元，由電壓采樣回路801、電流采樣回路802和信號處理回路803構成，圖中分別例舉了某一相電壓和電流的信號采集結構圖。電網主回路的三相電量信號源由接線端對該單元進行三相電流電壓信號的輸入。電壓采樣回路801主要使用分壓電阻網絡法，首先通過三個高精度大電阻R1、 R2、 R3串聯(lián)進行分壓處理，然后經一個高精度采樣電阻R4來將原始電壓信號轉換為弱電壓信號來進行采樣，同時在原始電壓輸入口 UA、UN串入穿線磁珠L1、L2來增強抗電磁干擾性能。電流采樣回路802主要運用高精度電流互感器CT1配合高精度采樣電阻R16來將電流信號轉為弱電壓信號進行采集，同時在互感器輸出端分別串入穿線磁珠L3、 L4來增強抗電子干擾性能。而信號處理回路803則主要通過兩個瞬態(tài)電壓吸收二極管D1、D2進行正負極限幅處理，并通過R15、C2進行低通RC濾波處理，從而實現(xiàn)對三相電壓采樣信號和三相電流采樣信號的先期處理。[0032] 本實用新型數字式多功能網絡電測儀表作為電力監(jiān)測儀表可應用于電力輸配電系統(tǒng)及機電儀器、電源設備、高低成套開關設備和控制設備，作為電量控制器可應用于本地電網電量的過流、過壓、欠壓、三相不平衡的故障檢測和控制系統(tǒng)，作為數字化采集設備可應用于現(xiàn)代化智能管理系統(tǒng)現(xiàn)場總線網絡，是實現(xiàn)變電站自動化、配電自動化、小區(qū)電力監(jiān)控、智能成套開關設備、智能建筑等系統(tǒng)的"遙測"、"遙訊"、"遙調"和"遙控"功能的重要部件。
權利要求數字式多功能網絡電測儀表，包括了中央處理單元(23)、顯示單元(22)、信號處理單元(21)、鍵盤輸入單元(24)、EEPROM存儲單元(25)、脈沖輸出單元(26)、開關量輸入輸出單元(27)和MODBUS通訊單元(28)以及為整個儀表供電的電源模塊(29)，中央處理單元(23)除了存貯有多功能電測軟件，還包含了通訊接收發(fā)送程序和開關量控制程序，所述的中央處理單元(23)通過芯片通用IO口模擬IIC總線來連接EEPROM存儲單元(26)和開關量輸入輸出單元(27)，所述的中央處理單元(23)通過芯片特定脈沖輸出端口連接脈沖輸出單元(26)，以固定脈沖率通過有線或者紅外的方式向電能脈沖計量設備(30)發(fā)送脈沖信息。
2. 根據權利要求l所述的數字式多功能網絡電測儀表，其特征在于所述的中央處 理單元(23)是帶有高精度電能計量模塊(231)、通訊接口、紅外接口、多路控制接口、多 路數據接口和LCD顯示驅動接口單片機，所述的電能計量模塊(231)，配備了 1個21位 delta-sigma(A- E )ADC、6個模擬輸入、數字溫度補償、精密參考電壓和32位計算引擎。
3. 根據權利要求1或2所述的數字式多功能網絡電測儀表，其特征在于所述的信號處 理單元(21)的輸入端連接電網主回路中的三相電量信號源(IO)，由三路分壓電阻網絡和 三路電流互感器配合不同的采樣電阻來進行獨立的三相電壓和電流信號的采樣，然后經過 RC低通濾波和雙二極管正負極限幅處理后輸入電能計量模塊(231)的對應采樣端。
4. 根據權利要求1或2所述的數字式多功能網絡電測儀表，其特征在于所述的顯示單 元(22)可選LCD液晶顯示或者LED數碼管顯示，LCD液晶顯示作為優(yōu)選時可通過中央處理 單元(23)的LCD驅動端口直接連接LCD來完成；LED數碼管顯示作為優(yōu)選時，中央處理單 元(23)通過通用10 口模擬的二線串行連接來控制數碼管驅動芯片，并由四個通用10 口來 進行片選操作。
5. 根據權利要求1或2所述的數字式多功能網絡電測儀表，其特征在于所述的開關量 輸入輸出單元(27)由IO擴展芯片來連接中央處理單元(23)、開關量輸入電路和開關量輸 出電路，中央處理單元(23)通過通用10 口模擬IIC總線來驅動IO擴展芯片，以專用程序 對其進行讀取和寫入操作。
專利摘要本實用新型公開了一種數字式多功能網絡電測儀表，它以內嵌有電能計量模塊的高速數字信號處理器為核心，利用處理器高速的運算能力和電能計量模塊高精度的信號采樣能力，實現(xiàn)對各個電參量的精確測量和遠端操控設備的準備控制。系統(tǒng)存儲器中除了多功能電測軟件外還包含了通訊程序和開關量控制程序，既可用于本地操作，也能通過遠端管理計算機對電參量和系統(tǒng)狀態(tài)進行遙測、遙訊與遙控，并在系統(tǒng)發(fā)生故障時作出自動保護控制。作為電力指示儀表、控制器和數字化采集設備的結合體，該實用新型簡化了系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，可廣泛應用于電力自動化領域。
文檔編號G01R22/10GK201540330SQ20092019030
公開日2010年8月4日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權日2009年7月30日
發(fā)明者李月軍, 楊利峰, 段韓路, 王青青 申請人:杭州之江開關股份有限公司