一种高分辨率的间谐波在线检测电路
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种高分辨率的间谐波在线检测电路。
背景技术
在工商业配用电系统中，间谐波源容易放大电压闪变和音频干扰，影响电视机画面及增大收音机噪音，造成感应电动机振动及异常。对于由电容、电感和电阻构成的无源滤波器电路，间谐波可能会被放大，严重时会使滤波器因谐波过载而不能正常运行，甚至造成损坏。间谐波的影响和危害等同整数次谐波电压的影响和危害；有必要精确检测间谐波，为电能质量分析与管控提供精确的数据。
一般的三相电力参数检测电路采用常规的电能计量芯片，采样频率和运算速度较慢，采样精度不高，无法为间谐波检测系统提供高精度高采样频率的电流、电压序列。目前，现有技术中为了解决前述问题，多采用高精度ADC与高速DSP结合的计量方案，但此类方案存在诸多缺点，其不能准确、快速地为其他电能质量分析系统提供间谐波数据；同时缺少满足数据量大的无线通讯功能，无法满足偏远地区的通讯需求。
例如，中国专利公开号CN公开了一种基于DSP间谐波检测仪器，其结构为，三相电压和三相电流分别通过电压互感器和电流互感器连接滤波电路；滤波电路的输出端分别连接过零比较电路和A/D采样电路；过零比较电路的输出端连接选相合闸电路，选相合闸电路的输出端连接锁相倍频电路，锁相倍频电路的输出端连接A/D采样电路，A/D采样电路的输出端连接DSP芯片。该专利通过采用DSP芯片对电网的间谐波进行测试，其缺少数据量大的无线通讯功能，无法满足需求。
因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种高采样频率、高采样精度且能进行大数据无线通讯的间谐波在线检测技术显得尤为重要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足之处，而提供一种高分辨率的间谐波在线检测电路，该电路能实现采样频率到达1.024MHz，采样精度到达0.2S级的电压电流间谐波检测，且实现频密间谐波数据的4G无线传输。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：
一种高分辨率的间谐波在线检测电路，所述检测电路包括电源模块、ABC相电压采样电路、ABC相电流采样电路、计量模块、ARM微处理器模块、时钟模块、复位模块、存储模块、4G通讯模块、SIM接口模块、天线和USB接口模块。
所述电源模块与计量模块、ARM微处理器模块连接，电源模块配置为向所述计量模块、ARM微处理器模块供电；
所述计量模块与ABC相电压采样电路、ABC相电流采样电路、ARM微处理器模块连接；
所述时钟模块、复位模块、存储模块、USB接口模块、4G通讯模块均与ARM微处理器模块连接；
所述SIM模块、天线、USB接口模块与4G通讯模块连接；
所述ABC相电压采样电路配置为接收三相交流电的电压，并对电压进行分压后转换为低电压信号，并传输至所述计量模块；
所述ABC相电流采样电路配置为接收三相交流电的电流，并将电流经过电流互感器转换为小电流信号，所述小电流信号流经过采样电阻转换为电压信号，并传输至所述计量模块；
所述计量模块配置为接收来自ABC相电压采样电路、ABC相电流采样电路的电压信号，对电压信号波形进行采样后获得离散波形数据，并将所述离散波形数据发送至ARM微处理器模块；
所述ARM微处理器模块配置为接收离散波形数据，并对离散波形数据提取间谐波；
所述4G通讯模块配置为将ARM微处理器模块发送的间谐波数据发送至外部系统，例如电能质量检测系统；
所述时钟模块配置为向ARM微处理器模块提供实时时钟信号；
所述复位模块配置为对ARM微处理器模块进行复位；
所述存储模块配置为向ARM微处理器模块提供数据存储及运算；
所述USB接口模块配置为对ARM微处理器模块进行通讯、配置、编程。
以上的，所述电源模块包括多个电压调节器；所述电源模块与+5V电源连接，+5V电源电压经电压调节器输出3.3V电压，为计量模块、ARM微处理器模块供电。
以上的，所述电压调节器具有三个，分别为第一电压调节器、第二电压调节器和第三电压调节器；所述第一电压调节器配置为接收+5V电压，并将+5V电压转换输出3.3V电压以进行内部供电；所述第二电压调节器配置为接收+5V电压并输出3.3V电压至ARM微处理器模块，第二电压调节器的输出引脚与第三电压调节器连接，所示第三电压调节器配置为接收3.3V电压，并输出3.3V工作电压至计量模块。
具体的，所述电源模块为各个功能模块提供一个稳定、可靠的工作电源。
优选的，所述第一电压调节器的型号为MIC29302；所述第二电压调节器的型号为AMS1117-3.3；所述第三电压调节器的型号为SPX3819M5-L。
以上的，所述ABC相电压采样电路包括三路相同电路构造的子电路；其中，每个子电路包括电压输入端，以及串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；所述第一电阻未连接的一端接电压输入端，第四电阻未连接的一端接零线N；所述第三电阻与第四电阻连接处引线与计量模块连接；所述ABC相电压采样电路将采集到的三相电压的高电压信号转为低电压信号传输至计量模块；
优选的，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻均为精密采样电阻，其温度系数为10PPm/℃，精度0.1%。
具体的，ABC相电压采样电路有三路相同电路构造的子电路，具体分别为A相电压电路、B相电压电路和C相电压电路，用于接收三相交流电的三相电压；而第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻串联组成电阻分压网络，将电压进行分压后转为低电压信号输入到计量模块。
以上的，所述ABC相电流采样电路包括三路相同电路构造的子电路；其中，每个子电路包括电流输入端、精密电流互感器和两个采样电阻，两个采样电阻分别为第一采样电阻、第二采样电阻；所述精密电流互感器包括P1、P2、S1和S2端；所述精密电流互感器的P1和P2端与电流输入端连接，精密电流互感器的S1端接第一采样电阻，第一采样电阻的另一端接第二采样电阻，第二采样电阻另一端接精密电流互感器S2端；
所述第一采样电阻和第二采样电阻连接处引线接地，第一采样电阻与精密电流互感器S1端连接处引线接计量模块，第二采样电阻与精密电流互感器S2端连接处引线接计量模块，以使ABC三相电流采样电路将电压信号传输至计量模块。
具体的，ABC三相电流采样电路有三路相同电路构造的子电路，具体分别为A相电流电路、B相电流电路和C相电流电路，用于接收三相交流电的三相电流；电流信号经过电流输入端后流经精密电流互感器转为小电流信号后，再经过采样电阻转为低电压信号后传输至计量模块。
具体的，所述精密电流互感器为非穿芯式电流互感器。
以上的，所述计量模块包括计量芯片和脉冲校验电路；所述计量芯片包括第一电压接口、第二电压接口、脉冲校验接口和输出接口；所述第一电压接口与ABC三相电流采样电路连接，用于接收ABC三相电流采样电路的电压信号；所述第二电压接口与ABC三相电压采样电路连接，用于接收ABC三相电压采样电路的电压信号；所述输出接口通过HSDC总线（High Speed Data Capture，高速数据捕获）与ARM微处理器模块连接，以传输离散波形数据至ARM微处理器模块；
所述脉冲校验接口与所述脉冲校验电路连接，以实现对脉冲的精准校验。
优选的，所述计量芯片的型号为ADE7878。
具体的，计量芯片的型号采用ADE7878，其数据采集的精度等级高达0.2S精度，且为24位采样值输出，具有极高分辨率。计量芯片将采集到的电压信号经过芯片内部模数转换模块将模拟量转换为数字量，再经过芯片的DSP模块计算，后将数据通过计量芯片的HSDC总线与ARM微处理器模块进行实时数据的传输。
以上的，所述脉冲校验电路包括两路相同构造的子电路，其中，每个子电路包括第一PMOS管，第二PMOS管，NMOS管和光耦合器；所述第一PMOS管栅极接微处理器的脉冲校验接口，第一PMOS管源极接电源模块，第一PMOS管漏极接地，所述NMOS管栅极接第一PMOS管漏极，NMOS管源极接地，NMOS管漏极与第二PMOS管栅极，第二PMOS管漏极接电源模块，第二PMOS管接光耦合器二极管阳极，光耦合器二极管阴极接地，光耦合器集电极、发射极作为输出端使用。
优选的，第一PMOS管的型号为SI2301，第二PMOS管的型号为BSS84-7-F，NMOS管的型号为SI2302。
以上的，所述ARM微处理器模块包括微处理器，所述微处理器包括与计量芯片连接的输入端口，以及与复位模块、时钟模块、USB接口模块、存储模块、4G通讯模块连接的传输端口；所述微处理器的输入端口通过HSDC总线与计量芯片连接。
所述微处理器对接收到的离散波形数据提取间谐波后，通过与4G通讯模块连接的传输端口发送至4G通讯模块，以实现间谐波数据的传送。
优选的，所述微处理器的型号为STM32F407V。
具体的，ARM微处理器模块对计量芯片提供的离散波形数据提取间谐波；时钟模块为ARM芯片提供实时时钟，复位模块能对处于错误逻辑状态下的微处理器进行复位，使电路从错误逻辑中跳出，保障了电路的正常运行。
以上的，所述存储模块包括Flash芯片和SD卡，所述Flash芯片、SD卡均与微处理器的传输端口连接，以实现为微处理器提供数据的运算和存储。
以上的，所述微处理器通过USB总线与4G通讯模块、USB接口模块连接，实现双向连接。
具体的，SIM接口模块、天线均与4G通讯模块连接；4G通讯模块实现了无线联网功能，可将间谐波检测结果发送到电能质量监测系统，实现频密间谐波数据的4G无线传输。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的高分辨率的间谐波在线检测电路，其设置有与微处理器连接的多种功能模块，丰富了检测电路的功能，并提高其工作效率。计量芯片的采用，使检测电路具有高采样分辨率和高采样精度；4G通讯模块和存储模块的设置，使电路具备通讯功能，实现大数据的无线传输及存储；微处理器通过对计量芯片输出的离散波形数据提取间谐波信息，再通过通讯模块发送至外部，实现信息的传输。该电路结构简单，功能丰富，具有高采样分辨率、高采样精度、高工作效率的优点，使电路更加节能。
附图说明
图1为本实用新型提供的检测电路的电路模块连接示意图；
图2为本实用新型提供的检测电路的电源模块电路连接示意图；
图3为本实用新型提供的检测电路的ABC相电压采样电路连接示意图；
图4为本实用新型提供的检测电路的ABC相电流采样电路连接示意图；
图5为本实用新型提供的检测电路的计量模块电路连接示意图；
图6为本实用新型提供的检测电路的ARM微处理器模块电路连接示意图；
图7为本实用新型提供的检测电路的时钟模块电路连接示意图；
图8为本实用新型提供的检测电路的复位模块电路连接示意图；
图9为本实用新型提供的检测电路的存储模块电路连接示意图；
图10为本实用新型提供的检测电路的4G通讯模块电路连接示意图；
图11为本实用新型提供的检测电路的SIM接口模块电路连接示意图；
图12为本实用新型提供的检测电路的USB接口模块电路连接示意图；
图13为本实用新型提供的检测电路的微处理器部分引脚示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
如图1~13所示，一种高分辨率的间谐波在线检测电路，所述检测电路包括电源模块1、ABC相电压采样电路2、ABC相电流采样电路3、计量模块4、ARM微处理器模块5、时钟模块6、复位模块7、存储模块8、4G通讯模块9、SIM接口模块10、天线11和USB接口模块12。
所述电源模块1与计量模块4、ARM微处理器模块5连接，电源模块1配置为向所述计量模块4、ARM微处理器模块5供电；所述计量模块4与ABC相电压采样电路2、ABC相电流采样电路3、ARM微处理器模块5连接；所述时钟模块6、复位模块7、存储模块8、USB接口模块12、4G通讯模块9均与ARM微处理器模块5连接；所述SIM模块、天线11、USB接口模块12与4G通讯模块9连接；
所述ABC相电压采样电路2配置为接收三相交流电的电压，并对电压进行分压后转换为低电压信号，并传输至所述计量模块4；
如图3所示，所述ABC相电压采样电路2包括三路相同电路构造的子电路；其中，每个子电路包括电压输入端，以及串联的第一电阻R30、第二电阻R31、第三电阻R32、第四电阻R39；所述第一电阻R30未连接的一端接电压输入端，第四电阻R39未连接的一端接零线N；所述第三电阻R32与第四电阻R39连接处引线与计量模块4连接；所述ABC相电压采样电路2将采集到的三相电压的高电压信号转为低电压信号传输至计量模块4；
为了更好地说明ABC相电压采样电路的结构，具体如图3所示，一共有三个子电路，以其中第一个子电路A相电压电路为例进行说明，其包括电压输入端UA，以及串联的第一电阻R30、第二电阻R31、第三电阻R32、第四电阻R39；所述第一电阻R30未连接的一端接电压输入端UA，第四电阻R39未连接的一端接零线UN；所述第三电阻R32与第四电阻R39连接处引线与计量芯片的VAP引脚连接，以使电压信号由ABC相电压采样电路传输至计量芯片；另外两个子电路，即B相电压电路、C相电压电路与A相电压电路的结构一致，故在此不再赘述其具体连接关系。
在本实施例中，所述第一电阻R30、第二电阻R31、第三电阻R32、第四电阻R39均为精密采样电阻，其温度系数为10PPm/℃，精度0.1%。
具体的，ABC相电压采样电路2有三路相同电路构造的子电路，具体分别为A相电压电路、B相电压电路和C相电压电路，用于接收三相交流电的三相电压；而第一电阻R30/R33/R36、第二电阻R31/R34/R37、第三电阻R32/R35/R38、第四电阻R39/R40/R41串联组成电阻分压网络，将电压进行分压后转为低电压信号输入到计量模块4。
所述ABC相电流采样电路3配置为接收三相交流电的电流，并将电流经过电流互感器转换为小电流信号，所述小电流信号流经过采样电阻转换为电压信号，并传输至所述计量模块4；
如图4所示，所述ABC相电流采样电路3包括三路相同电路构造的子电路；其中，每个子电路包括电流输入端、精密电流互感器和两个采样电阻，两个采样电阻分别为第一采样电阻、第二采样电阻；所述精密电流互感器包括P1、P2、S1和S2端；所述精密电流互感器的P1和P2端与电流输入端连接，精密电流互感器的S1端接第一采样电阻，第一采样电阻的另一端接第二采样电阻，第二采样电阻另一端接精密电流互感器S2端；
所述第一采样电阻和第二采样电阻连接处引线接地，第一采样电阻与精密电流互感器S1端连接处引线接计量模块4，第二采样电阻与精密电流互感器S2端连接处引线接计量模块4，以使ABC三相电流采样电路将电压信号传输至计量模块4。
为了更好地说明ABC相电流采样电路的结构，具体如图4所示，一共有三个子电路，以其中第一个子电路A相电流电路为例进行说明，其包括电流输入端IA-、IA+，精密电流互感器T1，第一采样电阻R42和第二采样电阻R43；精密电流互感器T1包括P1、P2、S1和S2端；所述精密电流互感器T1的P1和P2端分别与电流输入端IA-、IA+连接，精密电流互感器T1的S1端接第一采样电阻R42，第一采样电阻R42的另一端接第二采样电阻R43，第二采样电阻R43另一端接精密电流互感器S2端；所述第一采样电阻R42和第二采样电阻R42连接处引线接地，第一采样电阻R42与精密电流互感器S1端连接处引线接计量模块4，第二采样电阻R43与精密电流互感器S2端连接处引线接计量模块4; 另外两个子电路，即B相电流电路、C相电流电路与A相电流电路的结构一致，故在此不再赘述其具体连接关系。
在本实施例中，所述精密电流互感器T1为非穿芯式电流互感器。
所述计量模块4配置为接收来自ABC相电压采样电路2、ABC相电流采样电路3的电压信号，对电压信号波形进行采样后获得离散波形数据，并将所述离散波形数据发送至ARM微处理器模块5；
如图5所示，所述计量模块4包括计量芯片ADE7878和脉冲校验电路；所述计量芯片包括第一电压接口（引脚7~14）、第二电压接口（引脚19、22、23）、脉冲校验接口（引脚33、34）和输出接口（引脚35~39）；所述第一电压接口（引脚7~14）与ABC三相电流采样电路连接，用于接收ABC三相电流采样电路的电压信号；所述第二电压接口（引脚19、22、23）与ABC三相电压采样电路连接，用于接收ABC三相电压采样电路的电压信号；所述输出接口（引脚35~39）通过HSDC总线与ARM微处理器模块5连接，以传输离散波形数据至ARM微处理器模块5；
所述脉冲校验接口（引脚33、34）与所述脉冲校验电路连接，以实现对脉冲的精准校验。具体的，计量芯片的型号采用ADE7878，其数据采集的精度等级高达0.2S精度，且为24位采样值输出，具有极高分辨率。计量芯片将采集到的电压信号经过芯片内部模数转换模块将模拟量转换为数字量，再经过芯片的DSP模块计算，后将数据通过计量芯片的HSDC总线与ARM微处理器模块5进行实时数据的传输。
如图5所示，所述脉冲校验电路包括两路相同构造的子电路，其中，每个子电路包括第一PMOS管，第二PMOS管，NMOS管和光耦合器；所述第一PMOS管栅极接微处理器的脉冲校验接口，第一PMOS管源极接电源模块1，第一PMOS管漏极接地，所述NMOS管栅极接第一PMOS管漏极，NMOS管源极接地，NMOS管漏极与第二PMOS管栅极，第二PMOS管漏极接电源模块1，第二PMOS管接光耦合器二极管阳极，光耦合器二极管阴极接地，光耦合器集电极、发射极作为输出端使用。
为了更好地说明脉冲校验电路的子电路结构，具体如图5所示，一共有两个子电路，以其中第一个子电路为例进行说明，其包括第一PMOS管M1，第二PMOS管M6，NMOS管M2和光耦合器U9；第一PMOS管M1栅极接微处理器的脉冲校验接口，第一PMOS管M1源极接电源模块1，第一PMOS管M1漏极接地，所述NMOS管M2栅极接第一PMOS管M1漏极，NMOS管M2源极接地，NMOS管M2漏极与第二PMOS管M6栅极，第二PMOS管M6漏极接电源模块1，第二PMOS管M6接光耦合器U9二极管阳极，光耦合器U9二极管阴极接地，光耦合器U9集电极、发射极作为输出端使用。第二个子电路的电路结构一致，故在此不再赘述其具体连接关系。
在本实施例中，第一PMOS管的型号为SI2301，第二PMOS管的型号为BSS84-7-F，NMOS管的型号为SI2302。
所述ARM微处理器模块5配置为接收离散波形数据，并对离散波形数据提取间谐波；所述4G通讯模块9配置为将ARM微处理器模块5发送的间谐波数据发送至电能质量检测系统；所述时钟模块6配置为向ARM微处理器模块5提供实时时钟信号；所述复位模块7配置为对ARM微处理器模块5进行复位；所述存储模块8配置为向ARM微处理器模块5提供数据存储及运算；所述USB接口模块12配置为对ARM微处理器模块5进行通讯、配置、编程。
如图6所示，所述ARM微处理器模块5包括微处理器STM32F407V，所述微处理器STM32F407V包括与计量芯片连接的输入端口（引脚51、52、54、92、93），以及与复位模块7、时钟模块6、USB接口模块12、存储模块8、4G通讯模块9连接的传输端口（具体见图6）；所述微处理器的输入端口（引脚51、52、54、92、93）通过HSDC总线与计量芯片连接。
所述微处理器对接收到的离散波形数据提取间谐波后，通过与4G通讯模块9连接的传输端口发送至4G通讯模块9，以实现间谐波数据的传送。ARM微处理器模块5对计量芯片提供的离散波形数据提取间谐波；时钟模块6为ARM芯片提供实时时钟，复位模块7能对处于错误逻辑状态下的微处理器进行复位，使电路从错误逻辑中跳出，保障了电路的正常运行。
如图2所示，所述电源模块1包括三个电压调节器，分别为第一电压调节器U4、第二电压调节器U12和第三电压调节器U6；所述第一电压调节器U4配置为接收+5V电压，并将+5V电压转换输出3.3V电压以进行内部供电；所述第二电压调节器U12配置为接收+5V电压并输出3.3V电压至ARM微处理器模块5，第二电压调节器U12的输出引脚与第三电压调节器U6连接，所示第三电压调节器U6配置为接收3.3V电压，并输出3.3V工作电压至计量模块4。所述电源模块1为各个功能模块提供一个稳定、可靠的工作电源。
在本实施例中，所述第一电压调节器U4的型号为MIC29302；所述第二电压调节器U12的型号为AMS1117-3.3；所述第三电压调节器U6的型号为SPX3819M5-L。
如图9所示，所述存储模块8包括Flash芯片U8和SD卡，所述Flash芯片U8、SD卡均与微处理器的传输端口连接，以实现为微处理器提供数据的运算和存储。如图1所示，所述微处理器通过USB总线与4G通讯模块9、USB接口模块12连接，实现双向连接。SIM接口模块10、天线11均与4G通讯模块9连接；4G通讯模块9实现了无线联网功能，可将间谐波检测结果发送到电能质量监测系统，实现频密间谐波数据的4G无线传输。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
