阅读说明：本技术 一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表 (A kind of high accuracy three-phase standard electric energy meter with harmonic measure ) 是由 徐燕明 冷学道 顾葳 姜文辉 姚元其 吴彦奇 周焱磊 王驰予 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表,其三相电压信号取样电路、三相电流信号取样电路分别经过信号隔离电路与采样部分CPU的输入端相连,所述三相电流信号取样电路包括有源补偿电流互感器和程控运放电路,所述采样部分CPU的输出端分别与误差计算器、标准表脉冲输出电路相连,所述人机界面CPU、误差计算器通过过串口转RS-485通信线与采样部分CPU连接,所述人机界面CPU与显示单元,键盘单元相连,所述被检表脉冲输入电路的输出端与误差计算器相连。该三相标准电能表扩展了小电流量程,能够提高小电流的测量精度,并且能够产生基波或谐波电能,可作为谐波电能表检验基波电能或谐波电能的标准。(The invention proposes a kind of high accuracy three-phase standard electric energy meter with harmonic measure, its three-phase voltage signal sample circuit, three-phase current signal sample circuit passes through signal isolation circuit respectively and is connected with the input terminal of sampling section CPU, the three-phase current signal sample circuit includes active compensation current transformer and program-controlled operational amplifier circuit, the output end of the sampling section CPU respectively with Error Calculator, standard scale impulse output circuit is connected, the man-machine interface CPU, Error Calculator passed through serial ports and turns RS-485 communication line to be connect with sampling section CPU, the man-machine interface CPU and display unit, keyboard unit is connected, the output end of the checklist pulse input circuit is connected with Error Calculator.The three-phase standard electric energy meter extends low current range, can be improved the measurement accuracy of low current, and can generate fundamental wave or harmonic electric energy, can be used as the standard that harmonic electric energy meter examines fundamental energy or harmonic electric energy.)

一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表

技术领域

本发明涉及三相电能表的技术领域，特别是一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表。

背景技术

目前技术比较先进的高等级三相标准电能表是基于数字式采样，根据捕获到的频率和一个周波的采样点数发生采样频率，通过采样时序CPU采样三相电压和三相电流的波形点，通过计算得到电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、相位等电量。在这个计算过程中得到的电量都是全波的，无法得到基波和各次谐波的电量。针对各种谐波电能表的使用，这类标准电能表无法作为检定谐波电能表的标准器，现提出一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表，扩展了小电流量程，能够提高小电流的测量精度，并且能够产生基波或谐波电能，可作为谐波电能表检验基波电能或谐波电能的标准。

为实现上述目的，本发明提出了一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表，包括三相电压信号取样电路、三相电流信号取样电路、信号隔离电路，采样部分CPU，人机界面CPU，显示单元，键盘单元，误差计算器、被检表脉冲输入电路、标准表脉冲输出电路，所述三相电压信号取样电路、三相电流信号取样电路分别经过信号隔离电路与采样部分CPU的输入端相连，三相电压信号和三相电流信号分别输入到三相电压信号取样电路、三相电流信号取样电路中，所述三相电流信号取样电路包括有源补偿电流互感器和程控运放电路，有源补偿电流互感器包括一次绕组N、二次绕组N1和N2、补偿绕组N3和励磁绕组N4，所述一次绕组N与电流输入端子相连，二次绕组N1和N2通过继电器切换连接有采样电阻R，取样信号输入程控运放电路，补偿绕组N3与励磁绕组N4之间连接有一个补偿电路，所述采样部分CPU的输出端分别与误差计算器、标准表脉冲输出电路相连，所述人机界面CPU、误差计算器通过过串口转RS-485通信线与采样部分CPU连接，所述人机界面CPU与显示单元，键盘单元相连，所述被检表脉冲输入电路的输出端与误差计算器相连。

作为优选，所述三相电压信号取样电路包括电阻分压电路、程控运放电路、ADC转换电路和ADC基准电压电路，分压后的信号通过程控运放电路实现信号的放大，以适应ADC输入信号的满量程输入。

作为优选，所述三相电流信号取样电路还包括ADC转换电路和ADC基准电压电路。

作为优选，所述三相电压信号取样电路的电阻、三相电流信号取样电路的采样电阻R均采用VISHAY 公司生产的低温漂箔电阻，温度系数为0.05ppm/℃，ADC转换电路采用18位AD转换芯片AD7634，数据宽度为18-bit；ADC基准电压电路选用温漂极低的LM399H，温漂参数为0.5ppm /℃。

作为优选，所述二次绕组N1的匝数为200、N2的匝数为1800。

作为优选，所述信号隔离电路用于减少模拟电路与数字电路之间的信号干扰，三相电压、三相电流的输入电路均使用单独的电源进行工作，以减少相与相之间的信号干扰。

作为优选，所述采样部分CPU具有单精度浮点运算单元，用以缩短离散傅里叶变换时的运算时间。

作为优选，三相电压信号和三相电流信号输入到三相电压信号取样电路、三相电流信号取样电路中，采样部分CPU根据捕获到的输入信号频率和一个周波的采样点数发生采样时序脉冲来控制ADC转换速率；采样部分CPU根据采样时序，在外部中断程序里读取三路电压和三路电流的采样点数据，分别存到六个数组中；在主循环程序里，用六个数组中的数据来分别计算电压、电流、有功功率、无功功率、相位。

作为优选，该高准确度三相标准表对谐波电能表进行谐波分析的方法为：把采样到的波形点进行离散傅里叶变换，计算得到该波形信号基波和各次谐波的有效值RMS和相位Phase；根据计算得到的电压谐波有效值和相位、电流谐波有效值和相位计算谐波有功功率和无功功率；计算公式如下：

有功功率有效值

无功功率有效值，

该高准确度三相标准表将功率转化为标准电能脉冲通过标准表脉冲输出电路输出，作为被检电能表的检定标准；该高准确度三相标准表通过误差计算器计算被检电能表的电能误差，可完成对谐波电能表的基波电能、谐波电能的检定。

本发明的有益效果：本发明通过电流互感器二次绕组匝数的切换，扩展了小电流量程，并且能够通过离散傅里叶变换计算得到基波及各次谐波电量，产生基波或谐波电能，可作为谐波电能表检验基波电能或谐波电能的标准。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表的原理框图；

图2是本发明一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表的电量互感器原理。

具体实施方式

参阅图1和图2本发明一种具有谐波测量的高准确度三相标准电能表，包括三相电压信号取样电路1、三相电流信号取样电路2、信号隔离电路3，采样部分CPU4，人机界面CPU5，显示单元6，键盘单元7，误差计算器8、被检表脉冲输入电路9、标准表脉冲输出电路10，所述三相电压信号取样电路1、三相电流信号取样电路2分别经过信号隔离电路3与采样部分CPU4的输入端相连，三相电压信号和三相电流信号分别输入到三相电压信号取样电路1、三相电流信号取样电路2中，所述三相电流信号取样电路2包括有源补偿电流互感器和程控运放电路，有源补偿电流互感器包括一次绕组N、二次绕组N1和N2、补偿绕组N3和励磁绕组N4，所述一次绕组N与电流输入端子相连，二次绕组N1和N2通过继电器切换连接有采样电阻R，取样信号输入程控运放电路，补偿绕组N3与励磁绕组N4之间连接有一个补偿电路，用励磁绕组提取励磁电流，经过补偿电路，产生适当的补偿电流，注入补偿绕组。补偿电流在辅助铁芯中产生磁通，使主铁芯达到零磁通，从而减小误差，所述采样部分CPU4的输出端分别与误差计算器8、标准表脉冲输出电路10相连，所述人机界面CPU5、误差计算器8通过过串口转RS-485通信线与采样部分CPU4连接，所述人机界面CPU5与显示单元6，键盘单元7相连，所述被检表脉冲输入电路9的输出端与误差计算器8相连。

进一步地，所述三相电压信号取样电路1包括电阻分压电路、程控运放电路、ADC转换电路和ADC基准电压电路，分压后的信号通过程控运放电路实现信号的放大，以适应ADC输入信号的满量程输入，提高采样准确度。

进一步地，所述三相电流信号取样电路2还包括ADC转换电路和ADC基准电压电路。

进一步地，所述三相电压信号取样电路1的电阻、三相电流信号取样电路2的采样电阻R均采用VISHAY 公司生产的低温漂箔电阻，温度系数为0.05ppm/℃，ADC转换电路采用18位AD转换芯片AD7634，数据宽度为18-bit；ADC基准电压电路选用温漂极低的LM399H，温漂参数为0.5ppm /℃。保证了模拟输入信号的稳定性，提高了ADC转换的数字信号的分辨率，提高了标准电能表测量的稳定性和准确性。

进一步地，参阅图2，所述二次绕组N1的匝数为200、N2的匝数为1800。常规电流量程时二次绕组N1的K1接到电阻R，N1的K2通过S1切换接到N2的K3，N2的K4通过S1切换接到采样电阻R，采样电阻R接在N1的K1处和N2的K2处（2000T）。小电流20mA量程时，采样电阻R通过S1和S2的切换接在N1的K1和K2处（200），提高小电流测量时采样电阻R上取到的电压信号，以适应ADC输入信号的满量程输入，提高采样准确度。

进一步地，所述信号隔离电路3用于减少模拟电路与数字电路之间的信号干扰，三相电压、三相电流的输入电路均使用单独的电源进行工作，以减少相与相之间的信号干扰。

进一步地，所述采样部分CPU4选用STM32F4xx系列ARM核心，其主频高达168 MHz，内带32位乘法器和除法器，具有单精度浮点运算单元。离散傅里叶变换需要进行大量的浮点运算，CPU具有浮点运算单元大大缩短了离散傅里叶变换时的运算时间。

本发明工作过程：

三相电压信号和三相电流信号输入到三相电压信号取样电路1、三相电流信号取样电路2中，采样部分CPU4根据捕获到的输入信号频率和一个周波的采样点数发生采样时序脉冲来控制ADC转换速率；采样部分CPU4根据采样时序，在外部中断程序里读取三路电压和三路电流的采样点数据，分别存到六个数组中；在主循环程序里，用六个数组中的数据来分别计算电压、电流、有功功率、无功功率、相位等电量。

当需要进行谐波分析时，把采样到的波形点进行离散傅里叶变换，计算得到该波形信号基波和各次谐波的有效值RMS和相位Phase；根据计算得到的电压谐波有效值和相位、电流谐波有效值和相位计算谐波有功功率和无功功率；计算公式如下：

有功功率有效值

无功功率有效值，

该高准确度三相标准表将功率转化为标准电能脉冲通过标准表脉冲输出电路10输出，作为被检电能表的检定标准，标准电能脉冲输出可选择为全波有功电能脉冲输出、全波无功电能脉冲输出、基波有功电能脉冲输出、基波无功电能脉冲输出、谐波电能脉冲输出等方式。该高准确度三相标准表通过误差计算器8计算被检电能表的电能误差，可完成对谐波电能表的基波电能、谐波电能的检定。

本高准确度三相标准表扩展了小电流量程（20mA），提高小电流的测量精度。

本高准确度三相标准表产生基波或谐波电能，可作为谐波电能表检验基波电能或谐波电能的标准。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。