專利名稱：一種三相電參數(shù)采集裝置及對(duì)三相電信號(hào)分析處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)處理方法，具體地說(shuō)是一種三相電參數(shù)采集裝置及對(duì)三相電信號(hào)分析處理的方法。
背景技術(shù)：
三相多功能電能表是針對(duì)電力系統(tǒng)、工礦企業(yè)、公共設(shè)施、智能大廈的電力監(jiān)控需求而設(shè)計(jì)的，它能測(cè)量所有的常用電力參數(shù)，如三相電流、電壓，有功、無(wú)功功率，電度、諧波
坐寸o
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電能表的集成度越來(lái)越高。現(xiàn)在的三相多功能電表主要是采用電能計(jì)量芯片加微控制器結(jié)構(gòu)，這種方案所有的電參數(shù)都是由電能計(jì)量芯片自行分析，雖然降低了對(duì)微控制器處理數(shù)據(jù)的要求，但是計(jì)算的電參數(shù)種類，完全取決于電能計(jì)量芯片的功能，往往不能全面的分析電參數(shù)，更不具備諧波分析功能，同時(shí)受A/D位數(shù)和A/D采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間的限制，測(cè)量精度不高，應(yīng)用不靈活。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述不足，本發(fā)明提供了一種三相電參數(shù)采集裝置及對(duì)三相電信號(hào)分析處理的方法，其根據(jù)采集的信號(hào)能夠直接計(jì)算出各種電參數(shù)，不但計(jì)算的電參數(shù)種類豐富，而且具備諧波分析功能。為了解決上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種三相電參數(shù)采集裝置，其特征是，包括信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控單元、存儲(chǔ)單元和通信單元，所述信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述主控單元分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)單元和通信單元連接；其中，信號(hào)采集單元用以采集三相電的信號(hào)并發(fā)送給信號(hào)調(diào)理電路，所述信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集的三相電信號(hào)進(jìn)行初步調(diào)理處理，并將初步調(diào)理處理后的三相電信號(hào)發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將采集到的三相電的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將三相電的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給主控單元，所述主控單元對(duì)接收到的三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理，計(jì)算各種電參數(shù)，并將分析處理后的三相電參數(shù)通過(guò)通信單元發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元。上述三相電參數(shù)采集裝置中，所述信號(hào)采集單元包括電壓互感器和電流互感器。上述三相電參數(shù)采集裝置中，所述主控單元包括微控制器以及分別與之連接SPI接口、RS485 接口和 IIC 接口。上述三相電參數(shù)采集裝置中，所述存儲(chǔ)單元包括EEPROM存儲(chǔ)器。上述三相電參數(shù)采集裝置中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括16位6通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。一種對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，包括以下過(guò)程系統(tǒng)初始化；對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算三相電參數(shù)；
上傳三相電參數(shù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。上述對(duì)三相電進(jìn)行分析處理的方法中，還包括采樣中斷過(guò)程，所述采樣中斷過(guò)程包括以下過(guò)程判斷是否到達(dá)一個(gè)采樣周期，如果是，則計(jì)算三相電參數(shù)，然后結(jié)束采樣中斷過(guò)程；如果不是，則直接結(jié)束采樣中斷過(guò)程。上述對(duì)三相電進(jìn)行分析處理的方法中，還包括通信中斷過(guò)程，所述通信中斷過(guò)程包括以下過(guò)程是否中斷指令，如果沒(méi)有，則結(jié)束通信中斷過(guò)程；如果有中斷指令，則根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)操作，如果是設(shè)置參數(shù)指令，則對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如果是讀取數(shù)據(jù)指令，貝IJ返回采集的三相電參數(shù)。上述對(duì)三相電進(jìn)行分析處理的方法中，還包括定時(shí)中斷過(guò)程，所述定時(shí)中斷過(guò)程包括以下過(guò)程是否進(jìn)行定時(shí)中斷，如果是，則對(duì)累加數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并將最新的累加數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元，然后結(jié)束定時(shí)中斷過(guò)程；如果否，則直接結(jié)束定時(shí)中斷過(guò)程。上述對(duì)三相電進(jìn)行分析處理的方法中，所述數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括以下過(guò)程采集多個(gè)周期的三相電壓、電流瞬時(shí)值；通過(guò)數(shù)字積分公式計(jì)算三相相電壓、線電壓，三相相電壓平均值，三相線電壓平均值，三相不平衡電壓，三相電壓不平衡度，三相電流值，三相不平衡電流，三項(xiàng)電流不平衡度，周波，功率因素，三相有功功率，三相無(wú)功功率和三相視在功率等電參數(shù)； 通過(guò)功率值和累積的時(shí)間計(jì)算出正向有功總電能，反向有功總電能，正向無(wú)功總電能，反向無(wú)功總電能；對(duì)電壓、電流瞬時(shí)值做傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域分析三相電壓各次諧波及總畸變率，三相電流各次諧波及總畸變率等。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用了 A/D轉(zhuǎn)換芯片加微處理器，微處理器根據(jù)采集的信號(hào)能夠直接計(jì)算出各種電參數(shù)，不但計(jì)算的電參數(shù)種類豐富，而且具備諧波分析功能。本發(fā)明能夠進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，不僅完成更多的電參數(shù)測(cè)量，且測(cè)量精度高，而且裝置體積小、設(shè)置簡(jiǎn)便。


圖I是本發(fā)明的原理框圖；圖2是本發(fā)明所述微控制器的電原理圖；圖3是本發(fā)明所述信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的電原理圖；圖4是本發(fā)明所述存儲(chǔ)單元的電原理圖；圖5是本發(fā)明所述通信單的元電原理圖；圖6是本發(fā)明的方法流程圖；圖7是本發(fā)明所述采樣中斷過(guò)程的流程圖；圖8是本發(fā)明所述通信中斷過(guò)程的流程圖；圖9是本發(fā)明所述定時(shí)中斷過(guò)程的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
如圖I至圖5所示，本發(fā)明的一種三相電參數(shù)采集裝置，包括信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控單元、存儲(chǔ)單元和通信單元。所述主控單元包括微控制器以及分別與之連接SPI接口、RS485接口和IIC接口，所述信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述微控制器分別通過(guò)SPI接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接、通過(guò)IIC接口與存儲(chǔ)單元連接、通過(guò)RS485接口與通信單元連接，所述存儲(chǔ)單元包括EEPROM存儲(chǔ)器；其中，信號(hào)采集單元用以采集三相電的信號(hào)并發(fā)送給信號(hào)調(diào)理電路，所述信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集的三相電信號(hào)進(jìn)行初步調(diào)理處理，并將初步調(diào)理處理后的三相電信號(hào)發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將采集到的三相電的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將三相電的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給微控制器，所述微控制器對(duì)接收到的三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理，并將分析處理后的三相電參數(shù)通過(guò)通信單元發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM存儲(chǔ)器。圖2是本發(fā)明所述微控制器的電原理圖。如圖2所示，所述微控制器U3采用的32位ARM芯片STM32F103，運(yùn)算速度快，性價(jià)比高，并提供豐富的常用外設(shè)接口。圖3是本發(fā)明所述信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的電原理圖。如圖3所示，所述信號(hào)采集單元包括電壓互感器和電流互感器，Tl、T3、T5電流互感器和T2、T4、T6電壓互感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理后發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將采集到的三相電的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送給微控制器。其中數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊U4為一片高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS5451，該芯片集成了 6個(gè)A-2 A/D轉(zhuǎn)換器、濾波器和一個(gè)與微控制器相聯(lián)接的串行接口，分辨率為16位，為高精度計(jì)算提供了保障。圖4是本發(fā)明所述存儲(chǔ)單元的電原理圖。如圖4所示，所述存儲(chǔ)單元為外部掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，主要由一片EEPROM組成，將系統(tǒng)運(yùn)行的保護(hù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存，完成一些累積參數(shù)的累積功能。圖5是本發(fā)明所訴通信單元的電原理圖。如圖5所示，通信單元為485通信電路部分，該部分主要由一片SP485芯片組成，R22、R23、D4、D5共同組成485接口防浪涌保護(hù)電路，提聞電路的可罪性。圖6是本發(fā)明的方法流程圖。如圖6所示，一種對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，包括以下步驟工作開始。系統(tǒng)初始化微控制器初始化外設(shè)電路，讀取EEPROM中的保護(hù)數(shù)據(jù)，恢復(fù)掉電數(shù)據(jù)，初始化累積數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)處理對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算三相電參數(shù)。上傳數(shù)據(jù)定時(shí)或者根據(jù)上位機(jī)的指令,上傳三相電參數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)定時(shí)將需要累積的數(shù)據(jù)更新到外部掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中。采樣中斷進(jìn)行采樣中斷事件處理。通信中斷進(jìn)行通斷中斷事件處理。定時(shí)中斷進(jìn)行采樣中斷事件處理。返回輸出處理步驟，進(jìn)行循環(huán)操作。圖7是本發(fā)明所述采樣中斷過(guò)程的流程圖。如圖7所示，所述采樣中斷過(guò)程包括以下過(guò)程判斷是否到達(dá)一個(gè)采樣周期，如果是，則計(jì)算三相電參數(shù)，然后結(jié)束采樣中斷過(guò)程；如果不是，則直接結(jié)束采樣中斷過(guò)程。
圖8是本發(fā)明所述通信中斷過(guò)程的流程圖。如圖8所示，所述通信中斷過(guò)程包括以下過(guò)程是否中斷指令，如果沒(méi)有，則結(jié)束通信中斷過(guò)程；如果有中斷指令，則根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)操作，如果是設(shè)置參數(shù)指令，則對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如果是讀取數(shù)據(jù)指令，則返回采集的三相電參數(shù)。圖9是本發(fā)明所述定時(shí)中斷過(guò)程的流程圖。如圖9所示，所述定時(shí)中斷過(guò)程包括以下過(guò)程是否進(jìn)行定時(shí)中斷，如果是，則對(duì)累加數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并將最新的累加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元，然后結(jié)束定時(shí)中斷過(guò)程；如果否，則直接結(jié)束定時(shí)中斷過(guò)程。本發(fā)明所述數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括以下過(guò)程采集多個(gè)周期的三相電壓、電流瞬時(shí)值；通過(guò)數(shù)字積分公式計(jì)算三相相電壓、線電壓，三相相電壓平均值，三相線電壓平均值，三相不平衡電壓，三相電壓不平衡度，三相電流值，三相不平衡電流，三項(xiàng)電流不平衡度，周波，功率因素，三相有功功率，三相無(wú)功功率和三相視在功率等電參數(shù)；通過(guò)功率值和累積的時(shí)間計(jì)算出正向有功總電能，反向有功總電能，正向無(wú)功總電能，反向無(wú)功總電能；對(duì)電壓、電流瞬時(shí)值做傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域分析三相電壓各次諧波及總畸 變率，三相電流各次諧波及總畸變率。本發(fā)明測(cè)量計(jì)算的參數(shù)涉及了三相相電壓、線電壓，三相相電壓平均值，三相線電壓平均值，三相不平衡電壓，三相電壓不平衡度，三相電流值，三相不平衡電流，三項(xiàng)電流不平衡度，周波，功率因素，三相有功功率，三相無(wú)功功率，三相視在功率，正向有功總電能，反向有功總電能，正向無(wú)功總電能，反向無(wú)功總電能，三相電壓各次諧波及總畸變率，三相電流各次諧波及總畸變率等。因此，本發(fā)明測(cè)量計(jì)算參數(shù)豐富，可以達(dá)到高精度測(cè)量計(jì)算，不僅設(shè)置簡(jiǎn)便，成本低廉，而且滿足了多種應(yīng)用場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種三相電參數(shù)采集裝置，其特征是，包括信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控單元、存儲(chǔ)單元和通信單元，所述信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述主控單元分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)單元和通信單元連接；其中，信號(hào)采集單元用以采集三相電的信號(hào)并發(fā)送給信號(hào)調(diào)理電路，所述信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集的三相電信號(hào)進(jìn)行初步調(diào)理處理，并將初步調(diào)理處理后的三相電信號(hào)發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將采集到的三相電的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將三相電的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給主控單元，所述主控單元對(duì)接收到的三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理，計(jì)算各種電參數(shù)，并將分析處理后的三相電參數(shù)通過(guò)通信單元發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三相電參數(shù)采集裝置，其特征是，所述信號(hào)采集單元包括電壓互感器和電流互感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三相電參數(shù)采集裝置，其特征是，所述主控單元包括微 控制器以及分別與之連接SPI接口、RS485接口和IIC接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三相電參數(shù)采集裝置，其特征是，所述存儲(chǔ)單元包括 EEPROM存儲(chǔ)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三相電參數(shù)采集裝置，其特征是，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括16位6通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，包括以下過(guò)程 系統(tǒng)初始化； 對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算三相電參數(shù)； 上傳三相電參數(shù)數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，還包括采樣中斷過(guò)程，所述采樣中斷過(guò)程包括以下過(guò)程判斷是否到達(dá)一個(gè)采樣周期，如果是，則計(jì)算三相電參數(shù)，然后結(jié)束采樣中斷過(guò)程；如果不是，則直接結(jié)束采樣中斷過(guò)程。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，還包括通信中斷過(guò)程，所述通信中斷過(guò)程包括以下過(guò)程是否中斷指令，如果沒(méi)有，則結(jié)束通信中斷過(guò)程；如果有中斷指令，則根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)操作，如果是設(shè)置參數(shù)指令，則對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如果是讀取數(shù)據(jù)指令，則返回采集的三相電參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，還包括定時(shí)中斷過(guò)程，所述定時(shí)中斷過(guò)程包括以下過(guò)程是否進(jìn)行定時(shí)中斷，如果是，則對(duì)累加數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并將最新的累加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元，然后結(jié)束定時(shí)中斷過(guò)程；如果否，則直接結(jié)束定時(shí)中斷過(guò)程。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，所述數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括以下過(guò)程 采集多個(gè)周期的三相電壓、電流瞬時(shí)值； 通過(guò)數(shù)字積分公式計(jì)算三相相電壓、線電壓，三相相電壓平均值，三相線電壓平均值，三相不平衡電壓，三相電壓不平衡度，三相電流值，三相不平衡電流，三項(xiàng)電流不平衡度，周波，功率因素，三相有功功率，三相無(wú)功功率和三相視在功率等電參數(shù)；通過(guò)功率值和累積的時(shí)間計(jì)算出正向有功總電能，反向有功總電能，正向無(wú)功總電能， 反向無(wú)功總電能； 對(duì)電壓、電流瞬時(shí)值做傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域分析三相電壓各次諧波及總畸變率，三相電流各次諧波及總畸變率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三相電參數(shù)采集裝置，它包括信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控單元、存儲(chǔ)單元和通信單元，所述信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述主控單元分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)單元和通信單元連接。還公開了一種對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，它包括以下過(guò)程系統(tǒng)初始化；對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算三相電參數(shù)；上傳三相電參數(shù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本發(fā)明采用了A/D轉(zhuǎn)換芯片加微處理器，能夠進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，不僅完成更多的電參數(shù)測(cè)量，且測(cè)量精度高，而且裝置體積小、設(shè)置簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01R31/00GK102721887SQ201210222259
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月30日
發(fā)明者李鋼 申請(qǐng)人:李鋼