CN101710153A - 一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表及其检测方法，其特征在于包括；电力计量模块，对外部三相电压电流进行采集测量，并将计量数据传送给微处理器模块；LCD驱动模块，驱动LCD显示屏；LCD显示屏，显示微处理器模块输出的计量数据和谐波分量；存储模块，***设置参数、累计电度值和电力计量模块标准校验值的存储需求；微处理器模块，读取电量数据、通过傅里叶变换计算出谐波电压和谐波电流。采用上述结构和方法，采用快速傅里叶变换，将电力计量模块采集到的电压电流经微处理模块进行处理，得到3-31次谐波电压、谐波电流，并将其显示在液晶屏上。该电能表可以将电量仪表的谐波测量精度提高到1％，同时简化了硬件设计结构，提高了产品的使用可靠性能。

Description

一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表及其测量方法

技术领域

本发明所要保护的技术方案涉及一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表及其测量方法。

背景技术

一个理想的电力***是以单一恒定频率与规定幅值的稳定电压供电的。但实际上，由于近年来随着科学技术的不断发展，在电力***中大功率换流设备和调压装置的利用、高压直流输电的应用、大量非线性负荷的出现以及供电***本身存在的非线性元件等，使得***中的电压波形畸变越来越严重，对电力***造成了很大的危害，如：使供电***中的元件损耗增大、降低用电设备的使用寿命、干扰通讯***等。严重时甚至还能使设备损坏，自动控制失灵，继电保护误动作，因而造成停电事故等及其它问题。所谓″知己知彼，百战不殆″，因此，要实现对电网谐波的综合治理，就必须搞清楚谐波的来源及电网在各种不同运行方式下谐波潮流的分布情况，以采取相应的措施限制和消除谐波，从而改善供电***供电质量和确保***的安全经济运行。现有内嵌式电能表不具有谐波测量功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为了解决传统设计的电力测量仪表不具有谐波测量功能的问题，提供一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表及其测量方法，将电能表采集到的电压电流经微处理器进行处理，得到3-31次谐波电压、谐波电流，并将其显示在液晶屏上。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表，其特征在于包括；电力计量模块，用于对外部三相电压电流进行采集测量，并将计量数据传送给微处理器模块；LCD驱动模块，用于驱动LCD显示屏；LCD显示屏，用于显示微处理器模块输出的计量数据和谐波分量；输入模块，用于向微处理器模块采集输入开关量的值和/或按键输入值；输出模块，用于向继电器输出并执行合闸、分闸、CT过流报警等；存储模块，用于***设置参数、累计电度值和电力计量模块标准校验值的存储需求；微处理器模块，用于初始化***、响应定时器中断、读取电量数据、通过傅里叶变换计算出谐波电压和谐波电流、存储设置数据、显示电量数据等控制操作。

所述电能表还包括：通信接口模块，采用RS485电平，MODBUS协议，实现上述电能表与上位机的数据通信。

所述的微处理器模块通过SPI接口读取电力计量模块的数据，包括：外部的电压、电流、功率、功率因数和电度值。

所述的微处理器模块型号为LPC2136，电力计量模块型号为ATT7022C。

一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表的测量方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

初始化设备步骤，用于对LPC2136输入输出口分配及定义，全局变量的初始化赋值，定时器0中断初始化，通讯向量中断初始化，波特率初始化设置，电量芯片读取初始化及EEPROM驱动初始化等；

定时器中断步骤，用于定时读键盘采集值，读取输入开关量采集值，电度值的读取及实时累加，面板运行指示灯的控制；

电量数据的读取步骤，通过微处理器模块LPC2136的SPI输入输出口，对电量计量芯片ATT7022C控制从而读取其内部计算好的电压、电流、功率、功率因数、电度及电压电流A/D采样值等参数值；

EEPROM存储器的驱动步骤，通过微处理器模块LPC2136的I2C平方总线对EEPROM CAT1025J控制，从而将设置的电压、电流变比，通讯地址、通讯波特率等值，以及累计电度值，电力计量芯片ATT7022标准校验值存入，以便于失电永久保存。

数据显示步骤，通过微处理器模块LPC2136对液晶显示器的控制，可以将从计量芯片ATT7022C中读取的电能数据经过计算处理正确地显示在面板上，同时将电压电流1.2K速率的A/D采样值通过快速傅里叶变换，计算出31次电压电流的谐波分量，并将其显示出来；

串口中断判定执行步骤：用于判定是否执行通讯，若是执行通讯，当上位机唤醒本机，则本机相应的立即保存现场，接收完一帧数据后，微处理器对接收数据进行CRC校验，倘若校验结果正确，说明接收数据完全正确，微处理器响应上位机指令，查询功能码，根据功能码去执行遥信、遥测、遥控等功能。

一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表及其测量方法，由于采用上述结构和方法，将电力计量模块ATT7022C采集到的电压电流经微处理模块LPC2136进行快速傅里叶变换(FFT)软件处理，得到3-31次谐波电压、谐波电流，并将其显示在液晶屏上。该电能表可以将电量仪表的谐波测量精度提高到1％，同时简化了硬件设计结构，提高了产品的使用可靠性能。

附图说明

图1为本发明一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表电路结构框图；

图2为本发明一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表的测量方法主程序流程图；

图3为图2所示的初始化程序流程图；

图4为图2所示的读取电量计量芯片程序流程图；

在图1中，1、微处理器模块；2、电力计量模块；3、通信接口模块；4、LCD驱动模块；5、LCD显示屏；6、存储模块；7、输入模块；8、输出模块。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表，以及一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表的测量方法作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确的理解。

如图1所示，本发明采用微处理器模块1配合电力计量模块2设计成内嵌式电能表，本内嵌式电能表以微处理器为核心通过其SPI输入输出口，读取计量芯片ATT7022C中已算好的采集外部的电压、电流、功率、功率因数、电度等值，并将这些值经过数据处理，通过LCD驱动模块4将其显示在LCD显示屏5上，同时微处理器分别连接四个按键，用于显示数据的屏幕翻转以及调整参数的设置并将这些参数存储于存储模块6中，微处理器通过通讯接口模块3与上位机相连，网络通讯采用RS485电平，MODBUS协议，此外微处理器直接与输入模块7和输出模块8连接，采集输入的开关量的值，同时执行合闸、分闸、CT过流报警等。

本发明内嵌式电能表的技术方案采用的是经过快速傅里叶变换(FFT)，将非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数，谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相***中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，所以，此内嵌式电能表主要通过FFT，将测量的电力参数值通过FFT变换分解出高达31次谐波分量的电压电流值通过LCD显示屏显示出来。

如图2所示，图2为本发明主程序流程图，步骤1为开始动作，步骤2为初始化动作，即微处理器输入输出口的定义、中断寄存器、全局变量、定时器0、EEPROM中断、串口通讯中断、波特率设置等进行初始化。在步骤3中判断开中断信号，若开中断为是，则进入步骤4执行中断子程序，若为否或执行完步骤3进入步骤5读计量芯片值及对读出的值进行数据处理，从而得到正确的电压、电流、功率、电度等值，在步骤5中读计量芯片ATT7022C中的电量值及电压电流的A/D转换值，在步骤6中对读出的各电量值进行计算同时对A/D转换值进行快速傅里叶变换，从而算出电压电流的高达31次的谐波分量，在步骤7中将读出各电量值的及FFT转换后的谐波的数值显示出来，同时在步骤8中判断是否按了参数设置键，若是，则进入步骤9中的参数设置及参数存储，若否，则返回步骤3循环执行此***程序。

如图3所示，图3为初始化程序流程图，步骤11为开始动作，在步骤12中首先定义微处理器的输入输出管脚，在步骤13中对EEPROM CAT1025JI中断进行初始化设置及定义，然后在步骤14中设置定时器的时间常数，在步骤15中对串口通讯进行设置，同时定义通讯波特率。在步骤16中从EEPROM中读取计量芯片的校验值，电度的存储值及参数设置值等，在步骤17中设置中断的优先级开中断，最后到步骤18主程序。

如图4所示，图4为计量芯片读取流程图，步骤21为开始动作，在步骤22中加标准信号对计量芯片进行校验，在步骤23中将校验值存入EEPROM中，在步骤24中读取计量芯片的值，然后进行数值转换，在步骤25中将转换数值快速傅里叶变换，在步骤26中将数值送面板显示。

鉴于上述的设计结构，本***将初始化设备、定时器中断响应、电量数据的读取、EEPROM存储设置数据、电量数据的显示、通讯串口中断的响应等有效地结合一体，从而实现电量仪表的所有功能，由于采用了的电量处理芯片ATT7022C及其1.2K的A/D转换速率功能，通过快速傅里叶变换，从而可以得到高达31次电压电流的谐波分量，同时使得测量精度得到很大的提高，而使用的ARM7微处理器型号为PHILIPS公司的LPC2136，大大提高了软件的处理速度特别是快速傅里叶运算速率，简化了设计结构，加强了芯片的抗干扰的功能，提高了产品的可靠性。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表，其特征在于包括；

电力计量模块，用于对外部三相电压电流进行采集测量，并将计量数据传送给微处理器模块；

LCD驱动模块，用于驱动LCD显示屏；

LCD显示屏，用于显示微处理器模块输出的计量数据和谐波分量；

输入模块，用于向微处理器模块采集输入开关量的值和/或按键输入值；

输出模块，用于向继电器输出并执行合闸、分闸、CT过流报警；

存储模块，用于***设置参数、累计电度值和电力计量模块标准校验值的存储需求；

微处理器模块，用于初始化***、响应定时器中断、读取电量数据、通过傅里叶变换计算出谐波电压和谐波电流、存储设置数据、显示电量数据控制操作。

2.根据权利要求1所述的一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表，其特征在于，所述电能表还包括：

通信接口模块，采用RS485电平，MODBUS协议，实现上述电能表与上位机的数据通信。

3.根据权利要求1所述的一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表，其特征在于，微处理器模块通过SPI接口读取电力计量模块的数据，包括：外部的电压、电流、功率、功率因数和电度值。

4.根据权利要求1所述的一种具有谐波测量功能的内嵌式电能表，其特征在于，所述的微处理器模块型号为LPC2136，电力计量模块型号为ATT7022C。

5.一种根据权利要求1-3所述的具有谐波测量功能的内嵌式电能表的测量方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

初始化设备步骤，用于对LPC2136输入输出口分配及定义，全局变量的初始化赋值，定时器0中断初始化，通讯向量中断初始化，波特率初始化设置，电量芯片读取初始化及EEPROM驱动初始化等；

定时器中断步骤，用于定时读键盘采集值，读取输入开关量采集值，电度值的读取及实时累加，面板运行指示灯的控制；

电量数据的读取步骤，通过微处理器模块LPC2136的SPI输入输出口，对电量计量芯片ATT7022C控制从而读取其内部计算好的电压、电流、功率、功率因数、电度及电压电流A/D采样值等参数值；

EEPROM存储器的驱动步骤，通过微处理器模块LPC2136的I2C平方总线对EEPROM CAT1025J控制，从而将设置的电压、电流变比，通讯地址、通讯波特率等值，以及累计电度值，电力计量芯片ATT7022标准校验值存入，以便于失电永久保存。

数据显示步骤，通过微处理器模块LPC2136对液晶显示器的控制，可以将从计量芯片ATT7022中读取的电能数据经过计算处理正确地显示在面板上，同时将电压电流1.2K速率的A/D采样值通过快速傅里叶变换，计算出31次电压电流的谐波分量，并将其显示出来；

串口中断判定执行步骤：用于判定是否执行通讯，若是执行通讯，当上位机唤醒本机，则本机相应的立即保存现场，接收完一帧数据后，微处理器对接收数据进行CRC校验，倘若校验结果正确，说明接收数据完全正确，微处理器响应上位机指令，查询功能码，根据功能码去执行遥信、遥测、遥控等功能。

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