一种电能计量系统的制作方法
【专利摘要】一种电能计量系统，涉及计量电能领域。本实用新型是为了解决现有电网信号中存在非稳态畸变信号，导致测量的电能准确性差的问题。本实用新型一路标准正弦信号通过输入端子作为整形电路的整形信号输入端，另一路标准正弦信号通过输入端子作为乘法型D/A转换器的转换信号输入端，一路标准正弦信号依次经过整形电路、锁相环电路、分频器电路、ROM存储器和乘法型D/A转换器，乘法型D/A转换器输出端连数据采集模块输入端，数据采集模块输出端连ARM控制器输入端，ARM控制器输出端连DSP输入端，DSP输出端连通信接口输入端，通信接口通过输出端子连上位机。它用于电能计量。
【专利说明】
一种电能计量系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种可以合理准确计量电能的仪器，特别涉及一种在谐波、间谐波、连续频谱与冲击性干扰畸变条件下合理准确计量电能的高精度仪器。【背景技术】
[0002]随着工业自动化水平的不断提高，非线性负载不断增加，电网信号中包含越来越多的谐波、间谐波等稳态畸变信号与冲击性强时变的非稳态畸变信号。畸变的电网信号必然导致电网与负荷之间复杂的功率潮流，因此如何对畸变信号条件下的电能进行合理准确的计量是亟需解决的问题。【实用新型内容】
[0003]本实用新型是为了解决现有电网信号中存在非稳态畸变信号，导致测量的电能准确性差的问题。现提供一种电能计量系统。
[0004]—种电能计量系统，它包括壳体、控制面板、触摸屏控制器、输入端子、输出端子、 供电电源、模拟信号发生器、数据采集模块和主控单元，
[0005]供电电源、触摸屏控制器、模拟信号发生器、数据采集模块和主控单元均安装在壳体内，控制面板、输入端子和输出端子均嵌在壳体的上表面，
[0006]模拟信号发生器包括整形电路、锁相环电路、分频器电路、ROM存储器和乘法型D/A 转换器，
[0007]主控单元包括ARM控制器、DSP和通信接口，
[0008]控制面板连接触摸屏控制器的驱动信号输出端，触摸屏控制器的控制信号输入端连接ARM控制器的控制信号输出端，
[0009]供电电源用于为整个系统供电，
[0010]—路标准正弦信号通过输入端子作为整形电路的整形信号输入端，
[0011]另一路标准正弦信号通过输入端子作为乘法型D/A转换器的转换信号输入端，
[0012]整形电路的整形信号输出端连接锁相环电路的整形信号输入端，
[0013]锁相环电路的锁存信号输出端连接分频器电路的锁存信号输入端，
[0014]分频器电路的分频信号输出端连接ROM存储器的分频信号输入端，
[0015]ROM存储器的缓存信号输出端连接乘法型D/A转换器的缓存信号输入端，ROM存储器，用于输出与一路标准正弦信号同频同步的数字信号，
[0016]乘法型D/A转换器，用于同时接收与一路标准正弦信号同频同步的数字信号和另一路标准正弦信号，对两个信号进行模拟数字混合乘法运算，合成畸变信号，
[0017]乘法型D/A转换器的转换信号输出端连接数据采集模块的转换信号输入端，
[0018]数据采集模块的采集信号输出端连接ARM控制器的采集信号输入端，[〇〇19] ARM控制器的控制信号输出端连接DSP的控制信号输入端，[〇〇2〇] DSP的控制信号输出端连接通信接口的控制信号输入端，
[0021]DSP，用于接收ARM控制器的控制信号并读取数据进行小波分解、重构和功率值计算的数据处理，实现对畸变信号条件下的电能计量；
[0022]通信接口的通信信号输出端通过输出端子连接上位机，通信接口，用于将得到的电能传给上位机。[〇〇23]本实用新型的有益效果为:一路标准正弦信号作为整形电路的整形信号输入端， 经过整形电路输出与一路标准正弦信号同频的方波信号，然后将方波信号加至锁相环电路的输入端，锁相环电路输出端作为分频器电路输入端的时钟控制信号，分频器电路的输出作为ROM存储器的地址发生器加至ROM存储器，从而实现锁相环电路控制ROM存储器发出与标准正弦信号同频同步的数字信号cos co t，另一路标准正弦信号与获得的数字信号cos cot 在乘法型D/A转换器中实现模拟数字混合乘法运算，合成畸变信号，将得到的畸变信号通过数据采集模块转换为数字信号，然后传给ARM控制器，ARM控制器控制DSP对畸变信号进行小波分析和重构运算，根据具体情况把畸变电网信号分解为不同的频带进行电能的合理准确计量，采用该系统实现电能的计量准确性强。
[0024]1.本实用新型可以在畸变信号条件下完成负载合理准确的电能计量，结构简单、 硬件资源少。
[0025]2.本实用新型在电路设计上，变换后的信号输入到模拟信号发生器完成畸变信号的合成，并利用小波分频带测量方法完成畸变信号的分离。
[0026]3.本实用新型采用了基于小波分频带和模拟信号发生器测量算法，可以实现谐波、间谐波、连续频谱和冲击性干扰条件下的电能合理准确计量。针对畸变信号条件下的电能计量的特点而设计的。
[0027]4.本实用新型的电能计量实验仪，采用基于模拟信号发生器与小波分频带测量。 被分析的畸变信号由模拟信号发生器合成，将得到的畸变信号通过数据采集模块转换为数字信号，通过小波分频带测量得到不同层的小波系数，利用电能计量的新方法就可以完成对电能的计量分析。仪器的实时性好、精度高、构成体积小、重量轻、结构简单，满足了畸变信号条件电能计量的实时高精度计量的需要。【附图说明】
[0028]图1为【具体实施方式】一所述的一种电能计量系统的原理示意图；
[0029]图2为【具体实施方式】三所述的锁相环与分频器组成的信号同步电路；
[0030]图3为模拟信号发生器的电路图；[0031 ]图4为【具体实施方式】四所述的乘法型D/A转换器的电路图；[〇〇32]图5为数据采集模块电路的电路图；[〇〇33]图6为触摸屏控制器的电路图。【具体实施方式】
[0034]【具体实施方式】一:参照图1、图5和图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种电能计量系统，它包括壳体、控制面板、触摸屏控制器、输入端子、输出端子、供电电源、模拟信号发生器1、数据采集模块2和主控单元3，
[0035]供电电源、触摸屏控制器、模拟信号发生器1、数据采集模块2和主控单元3均安装在壳体内，控制面板、输入端子和输出端子均嵌在壳体的上表面，
[0036] 模拟信号发生器1包括整形电路1 -1、锁相环电路1 -2、分频器电路1 -3、ROM存储器 1-4和乘法型D/A转换器1-5，[〇〇37]主控单元3包括ARM控制器3-1、DSP 3-2和通信接口 3-3，
[0038]控制面板连接触摸屏控制器的驱动信号输出端，触摸屏控制器的控制信号输入端连接ARM控制器3-1的控制信号输出端，[〇〇39]供电电源用于为整个系统供电，
[0040]—路标准正弦信号通过输入端子作为整形电路1-1的整形信号输入端，
[0041]另一路标准正弦信号通过输入端子作为乘法型D/A转换器1-5的转换信号输入端，
[0042]整形电路1-1的整形信号输出端连接锁相环电路1-2的整形信号输入端，
[0043]锁相环电路1-2的锁存信号输出端连接分频器电路1-3的锁存信号输入端，
[0044]分频器电路1-3的分频信号输出端连接ROM存储器1-4的分频信号输入端，
[0045]ROM存储器1-4的缓存信号输出端连接乘法型D/A转换器1-5的缓存信号输入端， ROM存储器1-4,用于输出与一路标准正弦信号同频同步的数字信号，
[0046]乘法型D/A转换器1-5,用于同时接收与一路标准正弦信号同频同步的数字信号和另一路标准正弦信号，对两个信号进行模拟数字混合乘法运算，
[0047]乘法型D/A转换器1-5的转换信号输出端连接数据采集模块2的转换信号输入端， [〇〇48]数据采集模块2的采集信号输出端连接ARM控制器3-1的采集信号输入端，
[0049]ARM控制器3-1的控制信号输出端连接DSP 3-2的控制信号输入端，
[0050]DSP 3-2的控制信号输出端连接通信接口3-3的控制信号输入端，
[0051]DSP 3-2,用于接收ARM控制器3-1的控制信号并读取数据进行小波分解、重构和功率值计算的数据处理，实现对畸变信号条件下的电能计量；
[0052]通信接口 3-3的通信信号输出端通过输出端子连接上位机，通信接口 3-3,用于将得到的电能传给上位机。[〇〇53]本实施方式中，ROM存储器采用两个型号均为2764的芯片实现，如图3所示;数据采集模块采用型号为AD7656的芯片实现;ARM控制器3-1采用型号为DM3730的芯片实现，如图5 所示。触摸屏控制器采用型号为TSC2046的芯片实现，如图6所示。[〇〇54]本实施方式中，一路标准正弦信号ui(t)分别经过整形电路1-1输出与ui(t)分别同频的方波信号U'i(t)，然后，将方波信号u'i(t)加至锁相环电路1-2的输入端，锁相环电路1 -2的输出端作为分频器电路1 -3的时钟控制信号，分频器电路1 -3的输出作为ROM的地址发生器加至ROM存储器1-4的地址输入端，实质上这样就实现了锁相环电路1-2控制ROM存储器1-4发出与ui(t)同频同步数字cos cot信号。另一路标准正弦信号ui(t)输入到乘法型D/A 转换器1-5的参考电压端，与数字量cos cot信号在乘法型D/A转换器1-5中实现模拟数字混合乘法运算，合成畸变信号，将得到的畸变信号通过数据采集模块转换为数字信号，然后传给ARM控制器，ARM控制器控制DSP对合成的畸变信号进行小波分析和重构获得畸变电压和电流，进而获得功率值，对功率值进行处理，从而实现对畸变信号条件下的电能计量，就是根据具体情况把畸变电网信号分解为不同的频带，得到不同层的小波系数，利用不同层的小波系数进行重构，进行电能的合理准确计量。
[0055]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种电能计量系统作进一步说明，本实施方式中，主控单元3还包括存储模块3-4，ARM控制器3-1的存储信号输出端连接存储模块3-4的存储信号输入端，DSP 3-2的存储信号输出端连接存储模块3-4的存储信号输入端。
[0056]【具体实施方式】三:参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种电能计量系统作进一步说明，本实施方式中，锁相环电路1-2包括型号为CD4046 的CMOS锁相环集成芯片A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2，[〇〇57]分频器电路1-3包括一号型号为74HC193的同步可逆计数器A2、二号型号为74HC193的同步可逆计数器A3和三号型号为74HC193的同步可逆计数器A4，[〇〇58]型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片A1的14号引脚连接整形电路1-1的整形信号输出端，[〇〇59]型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片A1的6号引脚连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片A1的7号引脚，
[0060]型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片A1的8号引脚连接电源地，[〇〇61 ]型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片A1的9号引脚同时连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片A1的13号引脚，电阻 R3的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端同时连接电阻R1的一端、型号为⑶4046的 CMOS锁相环集成芯片A1的5号引脚、一号型号为74HC193的同步可逆计数器A2的9号引脚和 10号引脚、二号型号为74HC193的同步可逆计数器A3的9号引脚和10号引脚、三号型号为 74HC193的同步可逆计数器A4的9号引脚和10号引脚、二号型号为74HC193的同步可逆计数器A3的一号引脚和8号引脚、三号型号为74HC193的同步可逆计数器A4的1号引脚和8号引脚，[〇〇62]型号为CD4046的CMOS锁相环集成芯片A1的4号引脚连接一号型号为74HC193的同步可逆计数器A2的5号引脚，[〇〇63]型号为CD4046的CMOS锁相环集成芯片A1的3号引脚连接三号型号为74HC193的同步可逆计数器A4的7号引脚，[〇〇64]一号型号为74HC193的同步可逆计数器A2的12号引脚连接二号型号为74HC193的同步可逆计数器A3的5号引脚，二号型号为74HC193的同步可逆计数器A3的12号引脚连接三号型号为74HC193的同步可逆计数器A4的5号引脚，[〇〇65]一号型号为74HC193的同步可逆计数器A2的16号引脚、二号型号为74HC193的同步可逆计数器A3的16号引脚和三号型号为74HC193的同步可逆计数器A4的16号引脚均连接供电电源，
[0066]—号型号为74HC193的同步可逆计数器A2的2号引脚、3号引脚、6号引脚、7号引脚、 二号型号为74HC193的同步可逆计数器A3的2号引脚、3号引脚、6号引脚、7号引脚、三号型号为74HC193的同步可逆计数器A4的2号引脚、3号引脚、6号引脚和7号引脚均连接ROM存储器 1-4的分频信号输入端。
[0067]【具体实施方式】四:参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种电能计量系统作进一步说明，本实施方式中，乘法型D/A转换器1-5包括型号为 AD7845的乘法数模转换芯片、电阻R4、电阻R5和运算放大器0P，[〇〇68]型号为AD7845的乘法数模转换芯片的2号引脚至14号引脚均连接ROM存储器1-4的缓存信号输出端，
[0069]型号为AD7845的乘法数模转换芯片的12号引脚和18号引脚均连接电源地，[〇〇7〇]型号为AD7845的乘法数模转换芯片的1号引脚和23号引脚均连接数据采集模块2 的转换信号输入端，[0〇71 ]型号为AD7845的乘法数模转换芯片的22号引脚连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端同时连接电阻R5的一端和运算放大器的反向输入端，[〇〇72]电阻R5的另一端同时连接运算放大器的输出端和型号为AD7845的乘法数模转换芯片的17号引脚，
[0073]运算放大器0P的同相输入端连接供电电源，运算放大器0P的电源正极供电端子连接+5V供电电源，运算放大器0P的的电源负极供电端子连接-5V供电电源，[〇〇74]型号为AD7845的乘法数模转换芯片的19号引脚连接-5V供电电源，[〇〇75]型号为AD7845的乘法数模转换芯片的120号引脚连接+5V供电电源。
[0076]【具体实施方式】五:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种电能计量系统作进一步说明，本实施方式中，供电电源为锂电池。
【主权项】
1.一种电能计量系统，其特征在于，它包括壳体、控制面板、触摸屏控制器、输入端子、 输出端子、供电电源、模拟信号发生器(1)、数据采集模块(2)和主控单元(3)，供电电源、触摸屏控制器、模拟信号发生器(1)、数据采集模块(2)和主控单元(3)均安 装在壳体内，控制面板、输入端子和输出端子均嵌在壳体的上表面，模拟信号发生器(1)包括整形电路(1-1)、锁相环电路(1-2)、分频器电路(1-3)、ROM存 储器(1-4)和乘法型D/A转换器(1-5)，主控单元(3)包括ARM控制器(3-1)、DSP(3-2)和通信接口( 3-3)，控制面板连接触摸屏控制器的驱动信号输出端，触摸屏控制器的控制信号输入端连接 ARM控制器(3-1)的控制信号输出端，供电电源用于为整个系统供电，一路标准正弦信号通过输入端子作为整形电路(1-1)的整形信号输入端，另一路标准正弦信号通过输入端子作为乘法型D/A转换器(1-5)的转换信号输入端，整形电路(1-1)的整形信号输出端连接锁相环电路(1-2)的整形信号输入端，锁相环电路(1-2)的锁存信号输出端连接分频器电路(1-3)的锁存信号输入端，分频器电路(1-3)的分频信号输出端连接ROM存储器(1-4)的分频信号输入端，ROM存储器(1 -4)的缓存信号输出端连接乘法型D/A转换器(1 -5)的缓存信号输入端， ROM存储器(1-4)，用于输出与一路标准正弦信号同频同步的数字信号，乘法型D/A转换器(1-5)，用于同时接收与一路标准正弦信号同频同步的数字信号和另 一路标准正弦信号，对两个信号进行模拟数字混合乘法运算，合成畸变信号，乘法型D/A转换器(1-5)的转换信号输出端连接数据采集模块(2)的转换信号输入端， 数据采集模块(2)的采集信号输出端连接ARM控制器(3-1)的采集信号输入端，ARM控制器(3-1)的控制信号输出端连接DSP(3-2)的控制信号输入端，DSP(3-2)的控制信号输出端连接通信接口(3-3)的控制信号输入端，DSP(3-2)，用于接收ARM控制器(3-1)的控制信号并读取数据进行小波分解、重构和功 率值计算的数据处理，实现对畸变信号条件下的电能计量；通信接口(3-3)的通信信号输出端通过输出端子连接上位机，通信接口(3-3)，用于将 得到的电能传给上位机。2.根据权利要求1所述的一种电能计量系统，其特征在于，主控单元(3)还包括存储模 块(3-4)，ARM控制器(3-1)的存储信号输出端连接存储模块(3-4)的存储信号输入端，DSP (3-2)的存储信号输出端连接存储模块(3-4)的存储信号输入端。3.根据权利要求1所述的一种电能计量系统，其特征在于，锁相环电路(1-2)包括型号 为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2，分频器电路(1-3)包括一号型号为74HC193的同步可逆计数器(A2)、二号型号为 74HC193的同步可逆计数器(A3)和三号型号为74HC193的同步可逆计数器(A4)，型号为CD4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)的14号引脚连接整形电路(1-1)的整形信号 输出端，型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)的6号引脚连接电容C1的一端，电容C1的另 一端连接型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)的7号引脚，型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)的8号引脚连接电源地，型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)的9号引脚同时连接电阻R2的一端和电阻R3 的一端，电阻R2的另一端连接型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)的13号引脚，电阻 R3的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端同时连接电阻R1的一端、型号为⑶4046的 CMOS锁相环集成芯片(A1)的5号引脚、一号型号为74HC193的同步可逆计数器(A2)的9号引 脚和10号引脚、二号型号为74HC193的同步可逆计数器(A3)的9号引脚和10号引脚、三号型 号为74HC193的同步可逆计数器(A4)的9号引脚和10号引脚、二号型号为74HC193的同步可 逆计数器(A3)的一号引脚和8号引脚、三号型号为74HC193的同步可逆计数器(A4)的1号引 脚和8号引脚，型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)的4号引脚连接一号型号为74HC193的同步 可逆计数器(A2)的5号引脚，型号为⑶4046的CMOS锁相环集成芯片(A1)的3号引脚连接三号型号为74HC193的同步 可逆计数器(A4)的7号引脚，一号型号为74HC193的同步可逆计数器(A2)的12号引脚连接二号型号为74HC193的同 步可逆计数器(A3)的5号引脚，二号型号为74HC193的同步可逆计数器(A3)的12号引脚连接 三号型号为74HC193的同步可逆计数器(A4)的5号引脚，一号型号为74HC193的同步可逆计数器(A2)的16号引脚、二号型号为74HC193的同步可 逆计数器(A3)的16号引脚和三号型号为74HC193的同步可逆计数器(A4)的16号引脚均连接 供电电源，一号型号为74HC193的同步可逆计数器(A2)的2号引脚、3号引脚、6号引脚、7号引脚、 二号型号为74HC193的同步可逆计数器(A3)的2号引脚、3号引脚、6号引脚、7号引脚、三号型 号为74HC193的同步可逆计数器(A4)的2号引脚、3号引脚、6号引脚和7号引脚均连接ROM存 储器(1-4)的分频信号输入端。4.根据权利要求1所述的一种电能计量系统，其特征在于，乘法型D/A转换器(1-5)包括 型号为AD7845的乘法数模转换芯片、电阻R4、电阻R5和运算放大器(0P)，型号为AD7845的乘法数模转换芯片的2号引脚至14号引脚均连接ROM存储器(1-4)的缓 存信号输出端，型号为AD7845的乘法数模转换芯片的12号引脚和18号引脚均连接电源地，型号为AD7845的乘法数模转换芯片的1号引脚和23号引脚均连接数据采集模块(2)的 转换信号输入端，型号为AD7845的乘法数模转换芯片的22号引脚连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端同 时连接电阻R5的一端和运算放大器的反向输入端，电阻R5的另一端同时连接运算放大器(0P)的输出端和型号为AD7845的乘法数模转换 芯片的17号引脚，运算放大器(0P)的同相输入端连接供电电源，运算放大器(0P)的电源正极供电端子连 接+5V供电电源，运算放大器(0P)的的电源负极供电端子连接-5V供电电源，型号为AD7845的乘法数模转换芯片的19号引脚连接-5V供电电源，型号为AD7845的乘法数模转换芯片的120号引脚连接+5V供电电源。5.根据权利要求1所述的一种电能计量系统，其特征在于，供电电源为锂电池。
【文档编号】G01R22/10GK205581206SQ201620360313
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】张晓冰, 姜世超, 王保军, 姜军, 李军
【申请人】国网黑龙江省电力有限公司佳木斯供电公司, 哈尔滨理工大学, 国家电网公司