一种包含多次谐波测量的多功能三相电力仪表的制作方法

本发明涉及工业自动化测量控制技术领域，特别涉及一种包含多次谐波测量的多功能三相电力仪表。

背景技术：

当前的工业用三相电力仪表大多不具备谐波分析功能，而在实际应用中，工厂中发电机大量应用，发电机的三相绕组在制作上很难做到绝对对称，这样就会引入谐波；在输配电过程中，电力变压器是输配电过程中主要的谐波来源，由于变压器的设计需要考虑经济性，其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态，使得工作时的磁化电流为尖顶型的波形，因而产生奇次谐波；工厂的谐波最主要来源是用电设备，整流晶闸管设备，由于整流晶闸管广泛应用在开关电源、机电控制、充电装置等许多方面，给电网带来了相当多的谐波。据统计，由整流设备引起的谐波将近达到全部谐波的40％，是谐波的一个主要来源；

变频设备，电动机、电梯、水泵、风机等机电设备中常用的变频设备，因为大部分是相位控制，其谐波成分比较复杂，除了整数次的谐波成分外，还含有一定分数次的谐波成分，变频设备的功率一般较大，其广泛应用对电网造成的谐波也越来越多；气体放电类电光源。气体放电类电光源如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等，其伏安特性的非线性相当严重，有的电光源还具有负伏安特性，这些都会给输电网带来奇次谐波成分。

对旋转的发电机、电动机而言，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁心中产生附加损耗，从而降低发电、输电及用电设备的效率。更为严重的是，谐波振荡容易使汽轮发电机产生振荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳破坏。

谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致电机、变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以电机、变压器在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加，从而加速绝缘老化、缩短变压器等电气设备的使用寿命、浪费日趋宝贵的能源、降低供电可靠性。

由于电机、变压器、电力电容器、电缆等负载处于经常的变动之中，极易与电网中含有的大量谐波源构成串联或并联的谐振条件，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电机、变压器等负载及电力系统的安全运行，引发输配电事故的发生。

电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的开断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。

另外，由于谐波的存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动以及在通信系统内产生声频干扰，严重时将威胁通信设备及人身安全等。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种包含多次谐波测量的多功能三相电力仪表。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种包含多次谐波测量的多功能三相电力仪表，包括端子接线及与所述端子接线电连接的控制电路，所述控制电路包括供电系统电路、单片机控制电路、电压电流信号采样电路、显示及按键电路、铁电存储电路、测量运算电路、通信电路、变相输出电路、报警继电器控制电路及电能脉冲输出电路，所述供电系统电路、电压电流信号采样电路、显示及按键电路、铁电存储电路、测量运算电路、通信电路、变相输出电路、报警继电器控制电路及电能脉冲输出电路均与所述单片机控制电路电连接。

本发明采用高精度三相测量芯片，高速采样三相电压电流瞬时值，并利用高速32位risc指令集嵌入式单片机，对采样的三相电压电流有效值进行改进型傅里叶变换算法，精确计算三相电压的总谐波含量，三相电流总谐波含量，同时还计算每一相电压电流的2-31次谐波含量。谐波的精确测量为谐波的治理提供最可靠的理论支持。

具有测量和显示三相电压有效值，三相电流有效值，三相有功功率，三相无功功率，三相视在功率，三相总有功电能，三相总无功电能，三相总视在电能，复费率有功电能，本月峰谷平电能，上月峰谷平电能，三相电压总谐波含量，三相电流总谐波含量，每一相电压的2-31次谐波含量，每一相电流2-31次谐波含量功能。

具有两路变送功能，通过参数设置，可以实现三相相电压、三相线电压、三相电压平均值、三相电流、三相电流平均值、三相有功功率、合相有功功率、功率因数的变送输出，输出量程可以根据需要设定变送工业标准信号类型，可设置0-5v、0-10v、0-20ma、1-5v、2-10v、4-20ma直流标准信号输出，可以通过参数设置选择需要变送的参数，多种变送参数可选、输出量程可设定，组态方式非常灵活。

具有两路通信功能，可同时支持两路支持modbusrtu通信或者同时支持一路modbusrtu通信和一路modbustcp通信，可以实现远程读取测量数据以及工作状态信息、远程设定修改参数、远程切换控制器的工作状态等功能。具有两路报警继电器功能，两路报警方式可单独设定、报警方式可设置为多种方式，各自独立的报警参数，灵活方便，最大限度的适应现场各种报警情况。

具有隔离电能脉冲输出功能，可以方便电能的校验。

傅里叶运算过程：傅里叶运算过程：

s(x)表示实变量x的一个函数，且s在[x0，x0+p]上可积，x0和p为实数。我们将尝试用谐波关系的正弦函数的无穷和或级数来表示该区间内的s。在区间外，级数以p为周期(频率为1/p)。若s也具有该性质，则它的近似在整个实数线上有效。我们可以从有限求和(或部分和)开始：

sn(x)为周期为p的周期函数。运用恒等式：

我们还可以用这些等价形式书写这个函数：

其中：

当系数(即傅里叶系数)以下面方式计算时：

sn(x)在[x0，x0+p]近似了s(x)，该近似程度会随着n→∞逐渐改善。这个无穷和s∞(x)叫做s的傅里叶级数。在工程应用中，一般假定傅里叶级数除了在不连续点以外处处收敛，原因是工程上遇到的函数比数学家提供的这个假定的反例表现更加良好。特别地，傅里叶级数绝对收敛且一致收敛于s(x)，只要在s(x)的导数(或许不会处处存在)是平方可积的。如果一个函数在区间[x0，x0+p]上是平方可积的，那么此傅里叶级数在几乎所有点都收敛于该函数。傅里叶级数的收敛性取决于函数有限数量的极大值和极小值，这就是通常称为傅里叶级数的狄利克雷条件。

采用上述技术方案，本发明提供的一种包含多次谐波测量的多功能三相电力仪表，具有以下有益效果：该多功能三相电力仪表具有测量和显示三相电压有效值，三相电流有效值，三相有功功率，三相无功功率，三相视在功率，三相总有功电能，三相总无功电能，三相总视在电能，复费率有功电能，本月峰谷平电能，上月峰谷平电能，三相电压总谐波含量，三相电流总谐波含量，每一相电压的2-31次谐波含量，每一相电流2-31次谐波含量功能；具有两路modbusrtu通讯或者一路modbusrtu通讯和一路modbustcp通讯功能；具有变送功能，可以实现将多种电量测量值变送为工业标准信号输出功能；具有两路报警继电器输出，可以将多种测量的电量值作为报警参数进行单独设定，满足不同报警场合应用；仪表设置灵活，组态方便，操作简单，便于系统集成。

附图说明

图1是本发明的端子接线图；

图2是本发明中供电系统电路原理图；

图3是本发明中单片机控制电路原理图；

图4是本发明中电压电流信号采样电路原理图；

图5是本发明中显示及按键电路原理图；

图6是本发明中铁电存储电路原理图；

图7是本发明中测量运算电路原理图；

图8是本发明中rs485通信电路原理图；

图9是本发明中变送输出电路原理图；

图10是本发明中报警继电器控制电路原理图；

图11是本发明中电能脉冲输出电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在图1中，是端子接线说明，端子号(1～2)对应供电电源，端子号(3～6)对应报警继电器输出，端子号(7～8)第一路modbusrtu通讯端子。端子号(9～10)电能脉冲输出端子。端子号(11～12)两路变送输出的正极。端子号(13～16)对应电压信号输入端。端子号(19～24)对应电流采样信号输入端。端子号(25～26)第二路modbusrtu通讯端子。端子号(27～33)6路io输入输出端子。网口为，连接以太网的通讯端口，与第二路modbusrtu功能二选一。

在图2中，u1是整流桥元件、u2是开关电源控制元件，控制220v经过变压器t1转换成20vh，20vq和-15v。电源20vh给后级输出控制、报警继电器、通信、变送输出等供电，u8实现20v转换为3.3v，给两线制485提供电源。u5实现20v转换为5v，给单片机以及显示电路提供工作电源。前后级电源电气上完全隔离，安全系数高，抗干扰能力强。

在图3中，u9是高速risc指令集嵌入式单片机，是整个系统的核心部分，全数字式运算，实现测量、运算、输出、显示、报警等各种功能。

在图4中，t2、t4和t7是电流互感器，通过电流互感器对输入的电流信号进行采样，通过采样电阻将电流信号转换为电压信号，经rc滤波完成电流信号采样。t3、t4和t6是电压互感器，通过限流电阻和电压互感器对输入的电压信号转化为微小交流电流信号，通过采样电阻将电流信号转换为电压信号，经rc滤波完成电流信号采样。

在图5中，u13是按键和显示控制mcu，用来控制lcd彩屏和按键，与主运算处理mcu分开单独运行，运行速度快，显示稳定、抗干扰能力强。key1、key2、key3和key4是4个按键，实现测量控制参数的设置。d12是电源指示灯，供电电源正常指示灯常亮。

在图6中，u7是铁电存储芯片，可以对仪表设置参数进行掉电保护，存储各电能量和精确计时。仪表能够实时显示当前时间。

在图7中，u12是三相测量芯片，能够实现对经采样电路变换后的信号进行测量运算，精确计量各电量参数。

在图8中，u1是rs485通信芯片，u2和u3实现通信总线系统与主控mcu的光电隔离，抗干扰能力强。

在图9中，u2是精密参考电压模块为da芯片提供5v参考电压；u6是高精度da转换芯片，实现数字量到模拟量的转换，产生输出电压；u3～u5实现输出与主控mcu的光电隔离；u1是低温漂精密运算放大器，将u6输出的模拟量电压信号转换为电流信号。

在图10中，k1和k2是报警继电器，实现报警开关动作。u2和u3是光电隔离器，实现继电器端与主控mcu的光电隔离。

在图11中，u6实现输出与主控mcu的光电隔离，d9是脉冲指示led，每有一个电能脉冲产生时，led就会亮一次，这样就能比较直观的看到电能累计的快慢。cf是脉冲输出端与外接端子相连以便对电能进行校验。

可以理解的，本发明设计合理，构造独特，该多功能三相电力仪表采用模块化设计，支持三相三线制，三相四线制输入接法，具有两路通信、两路变送、两路报警继电器功能，具有显示界面和按键输入，具有一路隔离的电能脉冲输出电路，通过输入采样、变送输出、供电电源三端隔离；可测量三相电压有效值，三相电流有效值，三相有功功率，三相无功功率，三相视在功率，三相总有功电能，三相总无功电能，三相总视在电能，复费率有功电能，本月峰谷平电能，上月峰谷平电能，三相电压总谐波含量，三相电流总谐波含量，每一相电压的2-31次谐波含量，每一相电流2-31次谐波含量；具有两路变送输出功能；具有两路标准modbusrtu通信功能(或一路modbusrtu通信功能和modbustcp通信功能)；具有两路继电器报警输出功能；具有操作简单的人机界面；具有隔离的电能脉冲输出功能；具有方便快捷的校表方式。

具体地，系统电源采用输入采样、变送输出、供电电源三端隔离设计，减少输入信号对变送输出、输入信号对通讯、供电电源对变送输出、供电电源对通讯的串级干扰，抗干扰能力强，安全系数高。

具体地，该多功能三相电力仪表可兼容三相三线制接法和三相四线制接法，可以高精度测量三相电压有效值，三相电流有效值，三相有功功率，三相无功功率，三相视在功率，三相总有功电能，三相总无功电能，三相总视在电能，复费率有功电能，本月峰谷平电能，上月峰谷平电能，三相电压总谐波含量，三相电流总谐波含量，每一相电压的2-31次谐波含量，每一相电流2-31次谐波含量。

具体地，该多功能三相电力仪表具有两路变送功能，通过参数设置，可以实现三相相电压、三相线电压、三相电压平均值、三相电流、三相电流平均值、三相有功功率、合相有功功率、功率因数的变送输出，输出量程可以根据需要设定变送工业标准信号类型，可设置0-5v、0-10v、0-20ma、1-5v、2-10v、4-20ma直流标准信号输出，同时可设置变送输出的上下限，变送输出具有带负载能力强，方便系统集成及远程dcs监控的优势。

具体地，该多功能三相电力仪表具有两路通信功能，可同时支持两路支持modbusrtu通信或者同时支持一路modbusrtu通信和一路modbustcp通信，可以实现远程读取测量数据以及工作状态信息、远程设定修改参数、远程切换控制器的工作状态等功能。

具体地，该多功能三相电力仪表具有两路报警继电器输出，可以实现对三相相电压、三相线电压、三相电压平均值、三相电流、三相电流平均值、三相有功功率、合相有功功率、功率因数等参数的报警输出；报警方式可以单独定义，报警参数各自独立，灵活方便，能适应大部分现场报警情况。

具体地，该多功能三相电力仪表具有操作简单的人机界面，可以方便的设置仪表工作参数，显示仪表的当前测量值信息，两路变送输出信息，两路报警状态信息。

具体地，该多功能三相电力仪表具有隔离的电能脉冲输出功能，根据脉冲输出可方便校表和对仪表测量精度的检测。该多功能三相电力仪表具有方便快捷的校表流程，通过通讯实现一键通讯校表，大大方便仪表批量生产的出厂校表环节。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。