統計型電壓監測儀的制作方法

專利名稱：統計型電壓監測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種對電網電壓進行監測的統計型電壓監測儀，屬于電力系統設備的技術領域。
背景技術：
電力系統中，電壓質量是電能質量的重要指標之一，目前，為了提高電壓質量，保 持無功平衡、電網穩定，對各電壓等級的用戶受電端的電壓監測點裝設統計型電壓監測儀。 但是，目前市場上的統計型電壓監測儀存在很多問題1、統計型電壓監測儀安裝使用的環境復雜，信號以及噪音等干擾因素的不確定性 及裝置自身的測量誤差，會使某些監測點的數據無法實時準確獲取。2、監測裝置本身的高功耗也導致了當出現斷電情況是終端的數據無法及時保存 與發送。3、在某些惡劣的天氣條件下，終端由于工作溫度范圍的限制甚至不能運行。4、統計型電壓監測儀的遠程通信問題也一直沒有好的解決方案，導致依舊有不少 地方需要靠人工抄表的方式進行，極大的降低了工作效率。等等這些問題及因素都影響電力系統中對電壓監測的準確性和可靠性，從而對電 力系統無功管理以及電壓質量的管理與考核帶來很多麻煩。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種處理能力大、功能多、精確度高和實 時性較強的統計型電壓監測儀。為解決上述技術問題本實用新型的技術方案是一種統計型電壓監測儀，由CPU主控芯片單元、電源單元、電壓采集單元、存儲單 元、顯示單元、數據通訊單元構成，電源單元、電壓采集單元、存儲單元、顯示單元、數據通訊 單元的輸出端與CPU主控芯片單元的輸入端連接，其特征在于(1)、CPU主控芯片單元包括時鐘控制部分和CPU主控芯片，時鐘控制部分包括時 鐘芯片，時鐘芯片接入CPU主控芯片；(2)、電源單元通過電壓互感器與整流橋連接電源芯片，提供兩路單獨電源，電源 單元還連接有充電電池的備用電源電路；(3)、電壓采集單元包括電壓互感器和A/D轉換芯片，電壓采樣信號經電壓互感 器、A/D轉換芯片傳輸至CPU主控芯片；(4)、存儲部分包括外部FRAM和FLASH。作為本實用新型的進一步改進，所述的CPU主控芯片為由μ COSII操作系統的ARM 微控制器構成。作為本實用新型的進一步改進，在電源芯片與CPU主控芯片間連接有 SP6205EM5-33 芯片。作為本實用新型的進一步改進，所述顯示單元使用液晶IXD顯示。上述的數據通訊單元第一個實現方案是，所述數據通訊單元利用GPRS無線通信模塊通信。上述的數據通訊單元第二個實現方案是，所述數據通訊單元利用紅外數據通訊模 塊通{曰ο上述的數據通訊單元第三個實現方案是，所述數據通訊單元利用485/232數據通 訊模塊通信。上述的數據通訊單元第四個實現方案是，所述數據通訊單元利用GPRS無線通信 模塊和紅外數據通訊模塊結合通信。上述的數據通訊單元第五個實現方案是，所述數據通訊單元利用485/232數據通 訊模塊和紅外數據通訊模塊結合通信。作為本實用新型的更進一步改進，所述數據通訊單元利用紅外數據通訊模塊通信 時，統計型電壓監測儀配置有可進行紅外數據傳輸的紅外掌上電腦。本實用新型的統計型電壓監測儀的優點在于1. ARM+μ COSII組成強內核，使統計型電壓監測儀具有快速性、準確性、實時性及
穩定性。2.低功耗、寬工作范圍的系統設計。ARM處理器的分主頻、降低工作電流及采用睡 眠模式等一系列手段都是的系統的功耗降到最低程度。同時配合集成度、穩定性高的芯片 讓終端能夠在_25°C +75°C的環境正常運行，適用于各種現場環境。3.采用兩路電源芯片使用雙路分模塊的供電體制，外加備用電池，確保供電的可 靠性，使得在電源斷電的情況下統計型電壓監測儀數據依舊不會丟失，能夠實時的與主站
通{曰。4.采集，統計，無線數據遠專于一體；大容量數據存儲，雙重數據備份。5.高精度的ADC、多重濾波設計使終端對于所監視的信號有很高的精度。6.模塊化結構設計，通訊接口豐富具有1個RS232 口、1個RS485 口、1個紅外口和 1 個 GPRS 接 口。
圖1為本實用新型的統計型電壓監測儀的系統結構圖；圖2為本實用新型的統計型電壓監測儀CPU主控芯片單元的原理圖；圖3為本實用新型的統計型電壓監測儀電源部分的原理圖；圖4為本實用新型的統計型電壓監測儀電壓采樣部分的原理圖；圖5為本實用新型的統計型電壓監測儀A/D轉換部分的原理圖；圖6為本實用新型的統計型電壓監測儀存儲單元的原理圖；圖7為本實用新型的統計型電壓監測儀485/232數據通訊單元的原理圖；圖8為本實用新型的GPRS通信原理圖；圖9為本實用新型的顯示部分原理圖。
具體實施方式
本實用新型的統計型電壓監測儀是以ARM芯片為系統核心，集成了對外部電壓采 集，外部開關量輸入、輸出，通過RS232、RS485實現現場總線，鍵盤輸入、液晶輸出實現人機 接口，還有與日歷/時鐘芯片，電源管理等功能集成電路。圖1為統計型電壓監測儀的系統模塊原理圖，其結構特點是由以下幾部分組成1、CPU主控芯片單元；2、電壓采集單元3、電源單元；4、存儲單元；5、顯示單元；5、由GPRS數 據通訊、紅外數據通訊、485/232數據通訊構成的通訊單元。監測點的采樣電壓信號輸入電壓采集單元中，如圖4所示，經由電壓互感器將采 樣電壓變為信號量輸入至A/D轉換芯片的采樣口，得到采樣電壓的數字信號傳輸至CPU對 其進行處理，CPU通過得到的電壓信號按預定的程序統計出每天或每月的最大電壓值、最小 電壓值以及這些電壓值發生的時刻，統計出每天或每月的電壓合格率、超上限率與超下限 率等統計值送入存儲單元、顯示單元以做相應的存儲、顯示工作。數據通信部分則將存儲好 的數據在規定的時間內發送給主站或者其它能夠與之進行數據通信的設備。從而完成電壓 監測的無人化與自動化的實時監測管理。如圖2所示，CPU主控芯片采用飛利浦公司的LPC2138芯片，該芯片為 ARM7-TDMI-S核微處理器。該部分的硬件模塊主要由主控制芯片電源部分、時鐘控制部分構 成。主控芯片的時鐘信號由表貼的時晶芯片提供11.0592MHz的時鐘信號輸入。系統電源部分，如圖3所示，其通過PT與整流橋將采樣的交流電源轉換成直流的 電源給電源芯片LM2576T、TL750L05CLP供電，使之能夠給系統上的所有需要+5V電源的芯 片提供兩路單獨的+5V電源。在裝置設計時還考慮到了裝置斷電時的情況，所以特別設計 了使用充電電池的備用電源電路，以防止當裝置斷電時也能夠保證存儲數據的不丟失及正 常的通訊功能。由于目前使用的ARM微控制器需要提供的電源電壓為3. 3V，因此在電源部 分還需使用SP6205EM5-33芯片為ARM微控制器提供需要的3. 3V電源。如圖5所示，電壓采集部分則通過電壓互感器將電壓轉換為數字芯片可接受的電 壓輸入專用的AD芯片CS5460A進行采樣電壓的采樣轉換。CS5460是CRYSTAL公司最新推 出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片，具有結構簡單，功能齊全，性 能優良的特點，這些特點使其更便于與微處理器接口并能方便地實現電壓、電流、功率的測 量和用電量累積等功能。圖6為本實用新型的存儲單元原理圖，數據存儲部分則采用外部FRAM與FLASH存 儲數據，由于FRAM讀寫時間短的特性，將系統參數、終端當天、當月的數據存儲其中，而將 各歷史數據存放于存儲容量相對較大的FLASH中。通過這種機制，使得終端具有數據存儲 量大且讀寫時間短的優點。終端顯示部分，其原理圖如圖9所示，采用了 2*16帶漢字庫液晶IXD，儀表啟動后， 界面開始進入輪顯頁面。如用戶需要查看或設置統計型電壓監測儀其它參數則還可配合 上、下、左、右四個按鍵進行相應操作。對于重要的參數還進行了密碼保護，需要輸入相應密 碼才能進行處理。圖8為GPRS通信原理圖，GPRS無線通訊模塊通過串口與儀表進行通訊，通訊規約 一般采用AT命令，根據通訊模塊所提供的AT命令集與之通訊，同時提供模塊所必須的電 源，時鐘等信號后儀表即可進行無線網絡通訊。紅外數據通訊模塊用于實現與掌機的數據交換，該部分通過紅外發射與接受管實 現數據的傳輸功能，使得用戶可以通過掌機方便的進行終端參數讀取與設置。如圖7所示，485/232數據通訊則通過DB9 口與電腦及其它兼容的終端進行通訊， 為終端與其它設備的數據交換提供更多合適的通道，用戶可以根據現場情況進行相應配置 以決定是否需要采用。[0055]統計型電壓監測儀的用途是將統計型電壓監測儀安裝于監測點附近的符合安裝 條件的場合，終端可按用戶要求分別采集廣3路(100V/220V/380V可選)的母線或出線的 電壓量，如要求進行單路采集則將終端的電源采樣一的輸入端和工作電源端子連接監測點 采樣輸出端，采樣點的輸入端將采集到的電壓量輸入到交流互感器，交流互感器將得到的 電壓輸入AD芯片的VIN+引腳，AD芯片的另一輸入端VIN-引腳接地，AD芯片轉換的電壓 VIN+與VIN-之差即交流互感器的輸出電壓。AD芯片的DIN與DOUT引腳則負責與LPC2138 處理器進行通信，從而按要求的將轉換后得到的電壓數據傳給LPC2138處理器。工作電 源端子則將電源輸入給PT，并通過整流橋將交流電壓變成直流電壓以供電給LM2576T、 TL750L05CLP芯片。該裝置采用兩路+5V電源分立供電技術，既增強了供電的可靠性，也降 低了系統的整體功耗。LPC2138得到電壓數據后，將根據用戶要求儲存1天至3個月的瞬時電壓值。采集 間隔從5分鐘至1個小時可選擇。同時進行按用戶要求統計日、月電壓平均值，最大/小值 及出現時刻，超上/下限時間，電壓合格率，超上/下限率、統計時間等數據，采用秒級采集 分鐘平均值算法統計。由于ARM芯片本身的存儲空間有限，但是裝置本身需存儲的數據量十分大，因此 需要增加片外FRAM與FLASH來保證有足夠的數據存儲空間。對FRAM空間的讀寫通過SO 與SI引腳，當需要存儲當日、當月的統計數據時，處理器首先對FRAM芯片進行寫命令的下 發，然后再將需要寫的日、月統計數據寫入FRAM即可。對于FLASH芯片K9F5608U則通過并 口通信的方式，DB0-DB7引腳為數據為，一次即可傳輸一字節的數據量，因此能夠加快處理 器對FLASH空間的讀寫速度，保證存儲的實時性。對于終端的顯示部分使用2*16的IXD液晶模塊，具有液晶顯示功能，輪顯終端參 數及最近五日和五月的統計數據。該功能將十分方便現場維護人員對終端裝置的問題及原 因的發現與分析。統計型電壓監測儀的通信方式也是該產品的特色之一。由于在數據傳輸時考慮了 多種傳輸手段，因此通過SIM300模塊、MAX3232芯片、SN65LBC184D芯片實現無線GPRS、拔 號、RS485、RS232和以太網與主站進行通訊，響應主站讀數據請求，并可主動上送設置內容。 當主站通訊方式采用無線方式時，采用可變模塊設計，更換通信方式時只需更換SIM300通 信模塊，不需更換整個儀表；并具有數據加密和壓縮處理，通訊速率在信道支持的前提下滿 足30(Tl9200bps，通訊規約采用HRJDT600規約。終端還支持遠程升級功能，當用戶的要求或者功能需進行相應的增減時，通過此 功能可以方便對目前投放到現場的終端遠程升級，而不用再次趕到現場，提高了投運后對 終端的維護效率。使用手掌機通過紅外接口進行配置和維護，更可方便現場作業；掌機能夠 讀單項或批量讀取終端各權限統計數據并保存為EXCEL文件，可以方便查看掌機內已保存 的數據并支持按文件數據回寫或即讀掌機更改即寫功能。本實用新型的統計型電壓監測儀的主要技術參數1.監測儀供電電壓由監測電壓來定，要求監測電壓范圍限定在額定電壓的 士 30%。2.監測儀表時鐘穩定度滿足ls/d，掉電后可保持50000小時以上。3.備用電源在失去交流電源的條件下，儀表可保持數據，并維持工作2、小時(根據無線網絡情況而定)，此時儀表不再進行采集，其它功能正常工作，直至電源恢復。4.監測儀表精確度測量誤差≤ 0. 2%、靈敏度≤ 0. 5%、統計精確度0. 02%、信號輸入回路功耗≤ 0. 6VA、電源回路功耗≤ 3VA。5.存儲容量滿足(2、MB可選)1分鐘間隔、3(Γ90天存儲周期的要求，月統計數據 及季統計數據可保存一年以上，并具有可擴展性。掉電后數據存儲可在10年以上。6.使用氣候環境條件環境溫度范圍為-25 V +75°C，相對濕度10% 100%， 大氣壓70 106kPa。7.設備安全及抗干擾性能等電氣特性滿足《DL/T743-2001 電能量遠方終端》、 《DL/T698-1999 低壓電力用戶集中抄表系統技術要求》、《GB4793電子測量儀器安全要求》 和《GB6593電子測量儀器檢驗規則》中的要求。8.平均無故障工作時間(MTBF)≥50, 000小時。9.電源、RS485、RS232、拔號接口具有可靠的防雷擊措施。10.采用IP54防護等級全密封設計，防塵埃、防水濺，壁掛式，外形尺寸與多功能 電度表相仿。11.當采用GPRS無線遠傳時支持外接天線(增加信號強度)。
權利要求一種統計型電壓監測儀，由CPU主控芯片單元、電源單元、電壓采集單元、存儲單元、顯示單元、數據通訊單元構成，電源單元、電壓采集單元、存儲單元、顯示單元、數據通訊單元的輸出端與CPU主控芯片單元的輸入端連接，其特征在于(1)、CPU主控芯片單元包括時鐘控制部分和CPU主控芯片，時鐘控制部分包括時鐘芯片，時鐘芯片接入CPU主控芯片；(2)、電源單元通過電壓互感器與整流橋連接電源芯片，提供兩路單獨電源，電源單元還連接有充電電池的備用電源電路；(3)、電壓采集單元包括電壓互感器和A/D轉換芯片，電壓采樣信號經電壓互感器、A/D轉換芯片傳輸至CPU主控芯片；(4)、存儲部分包括外部FRAM和FLASH。
2 根據權利要求1所述的統計型電壓監測儀，其特征在于所述的CPU主控芯片為由 μ COSII操作系統的ARM微控制器構成。
3.根據權利要求2所述的統計型電壓監測儀，其特征在于在電源芯片與CPU主控芯 片間連接有SP6205EM5-33芯片。
4.根據權利要求1、2或3所述的統計型電壓監測儀，其特征在于所述數據通訊單元 利用GPRS無線通信模塊、紅外數據通訊模塊、485/232數據通訊模塊或紅外數據通訊模塊 與GPRS無線通信模塊、485/232數據通訊模塊結合通信。
5.根據權利要求1、2或3所述的統計型電壓監測儀，其特征在于所述顯示單元使用 液晶IXD顯示。
6.根據權利要求5所述的統計型電壓監測儀，其特征在于所述數據通訊單元利用 GPRS無線通信模塊、紅外數據通訊模塊、485/232數據通訊模塊或紅外數據通訊模塊與 GPRS無線通信模塊、485/232數據通訊模塊結合通信。
7.根據權利要求6所述的統計型電壓監測儀，其特征在于所述數據通訊單元利用紅 外數據通訊模塊通信時，統計型電壓監測儀配置有可進行紅外數據傳輸的紅外掌上電腦。
專利摘要本實用新型公開了一種統計型電壓監測儀，由CPU主控芯片單元、電源單元、電壓采集單元、存儲單元、顯示單元、數據通訊單元構成，電源單元、電壓采集單元、存儲單元、顯示單元、數據通訊單元與CPU主控芯片單元連接，(1)、CPU主控芯片單元的時鐘控制部分包括時鐘芯片，時鐘芯片接入CPU主控芯片；(2)、電源單元通過電壓互感器與整流橋連接電源芯片，提供兩路單獨電源，電源單元還連接有充電電池的備用電源電路；(3)、電壓采集單元包括電壓互感器和A/D轉換芯片，電壓采樣信號經電壓互感器、A/D轉換芯片傳輸至CPU主控芯片；(4)、存儲部分包括外部FRAM和FLASH；統計型電壓監測儀具有快速性、準確性、實時性及穩定性，其功能多，方便電壓質量管理與考核。
文檔編號G08C19/00GK201576047SQ20092023496
公開日2010年9月8日 申請日期2009年8月14日 優先權日2009年8月14日
發明者羅耀強, 陳俊長 申請人:南京華瑞杰自動化設備有限公司