一種配電監測系統和監測方法
2023-06-04 10:55:41 3
專利名稱：一種配電監測系統和監測方法
技術領域：
本發明涉及配電領域，特別涉及配電監測系統和監測方法。
背景技術：
在配電系統中監測開關狀態和開關輸出電流是非常有意義的，可以有效的發現配電系統中的開關是否誤合閘或故障脫扣，並且可以提前預防分支過流引起的故障。現常用的開關狀態檢測方法是通過開關的輔助幹接點控制信號燈指示，這種方法既佔用空間，也無法滿足目前的遠程數字傳輸要求；而現常用的開關輸出電流檢測方法是通過電流互感器將二次電流反饋給電流表，一般的指針電流表只能顯示一路電流，智能電流表最多顯示四路電流。如果要想監測三相的多分路電流，就需要很多的電流表，增加了監測成本，監測可靠性也將降低。
上述兩種做法同時還有一定的局限性採用開關輔助觸點判斷法
採用電流檢測法
隨著科技發展，各用電部門對供電的質量和要求不斷提高，只有對負載配電迴路進行有效的實時監測，才能保證用電的可靠性。尤其在信息系統IDC機房中，每個配電櫃要給幾十甚至上百路伺服器類重要負載供電，每次斷電都意味著重大的損失。合理分配負載，監測每個開關和負載狀態，提前或及時發現故障和隱患，就顯得尤為緊迫和重要。
發明內容
為解決現有技術存在的上述問題，本發明提供一種配電監測系統，用於監測配電系統的狀態，包括處理單元和將處理單元處理分析的結果輸出的輸入輸出單元，其中處理單元包括對配電系統進行信號採集的信號採集模塊；對採集到的信號進行處理分析的算法模塊；從信號採集模塊傳輸信號至算法模塊的總線模塊。其中信號採集模塊包括電壓通路，電壓通路包括採集電壓信號的電壓採集模塊；對採集到的電壓信號進行電平匹配的電平匹配模塊和分別與總線模塊和電壓匹配模塊相連接，控制電壓通路通斷的開關。信號採集模塊包括電流通路，電流通路包括採集電流信號的電流採集模塊；兼容多種電流量程，對採集到的電流信號進行測量的量程選擇模塊；切換電流量程的切換模塊；對採集到的電流信號進行電平匹配的電平匹配模塊和分別與總線模塊和電壓匹配模塊相連接，控制電流通路通斷的開關。而算法模塊包括對由信號採集模塊採集到的信號進行選通的信號選擇模塊；監測信號採集模塊是否接通的監測模塊；對經信號選擇模塊選通的信號進行處理的處理模塊和將處理模塊產生的處理結果發送到輸入輸出單元的輸出模塊。
本發明還提供一種配電監測方法，包括對配電系統進行採樣的步驟和根據採樣信號分析配電系統狀態的步驟。其中採樣信號包括配電系統中開關的前端電壓和後端電壓，將開關的前端電壓與後端電壓比較判斷開關狀態，還包括電流，開關的前端電壓、後端電壓和電流結合判斷迴路帶負載情況、迴路電壓和/或漏電狀況。上述配電監測方法還包括採樣信號選通的步驟，對採樣取得的至少一採樣信號進行選擇，選取其中至少一採樣信號用於分析配電系統狀態。
本發明提供的配電監測系統和監測方法可以有效地發現配電系統中的開關是否誤合閘或故障脫扣，並可提前預防分支過流引起的故障，以及實時監測負載電流變化，監測負載狀態是否正常；本發明還具有智能化的管理功能，可提前告知配電系統可能出現的風險，便於用戶及早發現安全隱患，有效規避風險。本發明對原來配電系統進行突破性的升級，可適用於多種供電場合，尤其符合信息中心、IDC機房、金融中心、證券、政府機要等部門的精密配電要求，同時也可擴展到其他對電力使用要求較高的場所。本發明應用在信息系統IDC機房，可提供全面的電源管理功能，將配電系統完全納入機房監測系統，消除機房動力系統監測方面最後一個盲點，使用戶更清楚了解機房動力系統運行狀況，了解每一個迴路的運行和電能狀況，便於對機房進行更有效的管理。
圖1是本發明一實施例的配電監測系統的結構示意圖；圖2是本發明一實施例的處理單元的的結構示意圖；圖3是本發明一實施例的信號採集模塊的結構示意圖；圖4是本發明一實施例的算法模塊的結構示意圖；圖5是本發明一實施例的信號採集模塊的結構示意圖；圖6是本發明一實施例的輸入輸出單元的結構示意圖；圖7是本發明另一實施例的算法模塊的結構示意圖；圖8是本發明一實施例的監測工作流程示意圖；圖9是本發明又一實施例的配電監測流程示意圖；圖10是本發明又一實施例的分析過程流程示意圖。
本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施例方式
參照圖1，示出本發明第一實施例的配電監測系統，該監測系統1包括輸入輸出單元10、處理單元20和電源單元30。處理單元20採集配電系統的信息，分析判斷配電系統的狀態，通過輸入輸出單元10輸出；電源單元30為監測系統1提供電源。
參照圖2，其中處理單元20包括信號採集模塊201、總線模塊202和算法模塊203，信號採集模塊201通過總線模塊202與算法模塊203相連接。
參照圖3，信號採集模塊201包括至少一條電壓通路和至少一條電流通路，分別採集電壓信號和電流信號。電壓通路包括電壓採集模塊2011、電平匹配模塊2012和開關2013。電流通路包括電流採集模塊2014、量程選擇模塊2015、切換模塊2016、電平匹配模塊2017和開關2018。
參照圖4，算法模塊203包括信號選擇模塊2031、處理模塊2032、監測模塊2034和輸出模塊2033。處理模塊2032分別與信號選擇模塊2031、監測模塊2034和輸出模塊2033相連接。
參照圖5，信號採集模塊201的每一路電壓通路分別通過各自的開關與總線模塊202相連，從而分別與算法模塊203相連接。信號採集模塊201的每一路電流通路分別通過各自的開關與總線模塊202相連。總線模塊202與算法模塊203的處理模塊2032相連接，從而將信號採集模塊201採集的電壓、電流信號傳送給處理模塊2032。
信號採集模塊201電壓通路的電壓採集模塊2011採集電壓信號，將其輸入至電平匹配模塊2012，通過電平匹配模塊2012轉化成算法模塊203能夠接受的0-3V的電平。開關2013由算法模塊203上的信號選擇模塊2031控制閉合/斷開，從而控制電壓信號是否輸入算法模塊203，開關2013閉合時算法模塊203才能接受該路電壓信號的輸入。信號採集模塊201電流通路的電流採集模塊2014採集電流信號輸入至量程選擇模塊2015。量程選擇模塊包含多個不同量程的電流表，從而兼容多個電流測量量程。本實施例優選兩種電流表，分別測量5A和10mA兩種量程的電流。切換模塊2016將大電流切換到5A量程的電流表，將小電流切換到50mA量程的電流表。優選地，本實施例切換模塊2016採用跳線裝置。電平匹配模塊2017根據需要將電流表測得的電流信號匹配成處理模塊2032接受的電平。本實施例優選地，電流信號通過電平匹配模塊2017轉化為算法模塊203能夠接受的0-3V的電平。開關2018由算法模塊203上的信號選擇模塊2031控制閉合/斷開，從而控制電流信號是否輸入算法模塊203，開關2018閉合時算法模塊203才能接受該路電流信號的輸入。
算法模塊203上的監測模塊2034監測信號採集模塊201是否接通。處理模塊2032根據監測信號判斷哪些信號採集模塊201已經接通，哪些還未接通。處理模塊2032判斷哪些信號採集模塊201接通後，通過發出控制命令至信號選擇模塊2031，對已接通的信號採集模塊201上的電壓信號和電流信號進行選通。信號選擇模塊2031根據控制命令控制信號採集模塊201上被選中的電壓通路的開關2013和電流通路的開關2018閉合，使該路信號輸入至總線模塊202，該路電壓信號和電流信號分別通過總線模塊202進入處理模塊2032，處理模塊2032對從總線模塊202輸入的電壓信號和電流信號進行分析，並將分析結果通過輸出模塊2033輸出至輸入輸出單元10。
參照圖6，輸入輸出單元10包括顯示器101、顯示器驅動模塊102、顯示處理模塊103、鍵盤105和電平轉換模塊104。顯示器101通過顯示器驅動模塊102與顯示處理模塊103相連接，鍵盤105與顯示處理模塊103相連接，監測處理模塊103與電平轉換模塊104相連接。
分析結果通過輸出模塊2033發送至輸入輸出單元10的電平轉換模塊104，並轉換成顯示處理模塊103能夠接受的電平。顯示處理模塊103進行計算並發送至顯示驅動模塊102，經其驅動顯示器101顯示分析結果。輸入輸出單元10上的鍵盤105用於輸入修改顯示設置的命令。
優選地，參照圖7，算法模塊203還包括幹接點輸入模塊2036和幹接點輸出模塊2035，幹接點輸入模塊2036可以作為得到的機櫃的溫度、溼度等參數的接口。外部設備對溫度、溼度等參數進行檢測，檢測結果通過幹接點輸入模塊2036輸入至處理模塊2032並最終輸出在顯示器101上顯示。幹接點輸出模塊2035可以作為控制外部設備的接口。例如外部設備為空氣開關，處理模塊2032將控制命令通過幹接點輸出模塊2035輸出至空氣開關，控制空氣開關閉合。
本實施例中，切換模塊2016除跳線之外，還可採用多種切換方式，根據實際需求和配電系統可選擇繼電器、晶片控制等方式。而信號採集模塊201的電流通道和電壓通道，可同時採樣8路電壓信號和8路電流信號，本實施例的配電監測系統可設置16個信號採集模塊。隨著科技發展和應用需求變化，本實施例的配電監測系統還可設置更多信號採集模塊，每個信號採集模塊也可進行更多路電壓信號、電流信號的採樣。
本實施例的處理單元20作為配電監測系統的核心部件，完成大部分的信號處理、數據計算和數據傳遞工作，對數據運算、傳輸速度等要求很高。本實施例採用TMS320F2808PZA晶片實現處理單元20，從資源和可讀性考慮，工作邏輯全部採用C語言實現。
本實施例的監測工作流程如圖8所示，包括步驟S11，配電監測系統初始化，讀取設置信息，確定信號選通方案；S12，監測模塊2034監測信號採集模塊201的接通情況；
S13，算法模塊203根據設置信息和信號採集模塊201的接通情況發出選通命令；S14，信號選擇模塊2031根據選通命令選通部分或全部電壓通路和/或電流通路；S15，選通的電壓通路和/或電流通路採集電壓信號、電流信號；S16，電壓信號、電流信號通過總線模塊202傳給算法模塊203；S17，算法模塊203根據電壓信號、電流信號分析配電系統狀態；S18，分析結果通過輸入輸出單元10輸出，監測流程結束。
上述流程中，設置信息是預先設定好，存儲在處理模塊中的。設置信息包括本實施例的配電監測系統的工作參數和用於信號選通和分析的預設信息。
上述流程中步驟S17是根據電壓信號、電流信號監測開關狀態，以及對電流進行監測，進而分析配電系統狀態。其中，根據電壓信號、電流信號監測開關狀態的邏輯是利用開關之前和之後的電壓判斷開關狀態，將開關前端的母線電壓Vp作為基準值，開關後端的輸出電壓Vo與基準值Vp比較，若兩者有效值相差不超過5V，則判為開關閉合，否則為開關斷開。開關後端的輸出電壓V0是對開關後端的輸出電壓V在一個監測流程中進行K次採樣測量後計算出的輸出電壓有效值，計算公式如下Vo=V12+V22+V32+......+Vk2k---(3)]]>上述公式表示開關後端的輸出電壓Vo為k個採樣點的電壓V的方均根。
而開關前、後端的電壓差有效值Δ的計算公式為Δ＝|Vo|-|Vp| (4)結合採樣取得的電流信號和開關前、後端的電壓差有效值Δ，比照下表判斷開關狀態。
而為了更好地反映配電系統狀態，本實施例還計算配電系統的功率，輸出給用戶。總功率的計算邏輯為PT=i=1kPi---(1)]]>上述公式表示總功率為所有採樣點的瞬間功率總和，其中k是一次監測流程中共進行的採樣次數。進行k次採樣將取得k個瞬間功率Pi。
計算瞬間功率Pi使用的公式為Pi＝V*I (2)其中，V為一次採樣得到的電壓信號，I為一次採樣得到的電流信號。
本實施例中判斷開關狀態的方法不僅限於上述方法和標準，還可取其他信息，根據其他標準來判斷，例如開關前、後端的電壓差有效值可根據開關和配電系統的配置而確定，不僅限於5V。而根據採樣信號計算功率和開關輸出電壓也不僅限於上述公式和邏輯。開關狀態的監測還可採用幹接點接入方式實現，具體來說，在本實施例的信號採集模塊201中設置幹接點採集板，在有幹接點板的情況下，利用幹接點進行擴展判斷。幹接點信號與一般數位訊號不同，不是進入算法模塊203的數字量接口的，而是轉換成0或者1.5V進入算法模塊203的A/D採樣通道，根據算法模塊203計算結果作出判斷。專用的幹接點板在幹接點為無源輸入時，把幹接點信號轉換為算法模塊203能接受的電平。上述方法這樣可以作為電壓測量方式的補充，以便於對未加電壓測量的開關迴路進行補充接入。
上述對電流進行監測是通過信號選擇模塊2031的電流通路實現的，同時滿足128路多迴路電流測量，而且額定電流對應於DSP採樣電壓都是1V，精度一致。
本實施例還可讓所有的開關配置輔助觸點，通過專用的幹接點板引入開關的關合信號，然後經過幹接點板上的電路進行信號處理，並傳輸給上端的智能表頭進行後臺傳輸或顯示。
本實施例還可利用副邊電流10mA小電流互感器接入專用的電流採集板，然後經過電流採集板上的電路進行信號處理，並傳輸給上端的智能表頭進行後臺傳輸或顯示。
本發明還提供一種配電監測方法，其配電監測流程如圖9所示
S21，讀取設置信息，確定信號選通方案；S22，根據信號選通方案判斷是否處理當前採樣單元的採樣信號，如果不需要處理當前採樣單元的採樣信號則進行步驟S26，否則進行步驟S23；S23，讀取當前採樣單元的至少一路採樣信號；S24，對讀取到的至少一路採樣信號，根據信號選通方案選用有用的部分路信號，拋棄無用的信號，實現信號選通；S25，進入分析過程，對有用信號進行分析；S26，從當前採樣單元轉到下一採樣單元；S27，判斷是否處理完了所有採樣單元，沒有處理完則回到步驟S22，若判斷為已處理完所有採樣單元，則配電監測流程完成一次循環。
上述配電監測流程中，設置信息是預先根據配電系統情況和監測需求而確定的；信號選通方案包括對選取一個或多個採樣單元進行採樣，和/或選用採樣單元傳送的一路或多路信號。例如採樣單元有16個，每個採樣單元都輸出16路採樣信號，則不僅可以選擇對一個、多個或所有採樣單元進行採樣，還可以針對每一個採樣單元，選取其中一路、多路或所有路信號進行分析。
上述配電監測流程中，採樣單元可以是配電監測系統中的採樣探頭、信號採集模塊或信號採集模塊中的採樣通路。上述流程是從默認的第一採樣單元開始，依次對各採樣單元進行判斷選擇，直到最後一採樣單元判斷選擇完畢，配電監測流程結束。隨著實際情況不同，也可依照其他順序分別對採樣單元判斷選擇。
上述步驟S25進入分析過程，分析過程流程如圖10所示S31，讀取時間；S32，判斷是否到達預定的採樣時間點，未到採樣時間點則重複步驟S31讀取時間，到採樣時間點則進行步驟S33；S33，讀取採樣信號，根據採樣信號計算瞬間功率，保存採樣信號和瞬間功率；S34，判斷是否完成所有預設採樣時間點的採樣，若已完成則進行步驟S35，否則回到步驟S31；S35，根據採樣信號判斷開關狀態，根據瞬間功率計算總功率；
S36，輸出開關狀態判斷結果和總功率，分析過程結束，返回配電監測流程。
上述分析流程中，計算瞬間功率Pi使用的公式為Pi＝V*I (2)其中，V為採樣得到的電壓信號，I為採樣得到的電流信號；設共進行k次採樣，取得k個瞬間功率Pi，計算總功率PT使用的公式為PT=i=1kPi---(1)]]>上述公式表示總功率為所有採樣點的瞬間功率總和。
上述根據採樣信號判斷開關狀態步驟是利用開關之前和之後的電壓判斷開關狀態，將開關前端的母線電壓Vp作為基準值，開關後端的輸出電壓Vo與基準值Vp比較，若兩者有效值相差不超過5V，則判為開關閉合，否則為開關斷開。開關後端的輸出電壓V0是對開關後端的輸出電壓V在一個監測流程中進行K次採樣測量後計算出的輸出電壓有效值，計算公式如下Vo=V12+V22+V32+......+Vk2k---(3)]]>上述公式表示開關後端的輸出電壓Vo為k個採樣點的電壓V的方均根。
而開關前、後端的電壓差有效值Δ的計算公式為Δ＝|Vo|-|Vp| (4)結合採樣取得的電流信號和開關前、後端的電壓差有效值Δ，比照下表判斷開關狀態。
本實施例中判斷開關狀態的方法不僅限於上述方法和標準，還可取其他信息，根據其他標準來判斷，例如開關前、後端的電壓差有效值可根據開關和配電系統的配置而確定，不僅限於5V。而根據採樣信號計算功率和開關輸出電壓也不僅限於上述公式和邏輯。
本實施例中判斷開關狀態的方法是利用被測開關之前和之後的電壓差判斷開關狀態。同時還可利用幹接點進行擴展判斷，可以作為判斷開關狀態的方法的補充，以便於對未加電壓測量的開關迴路進行補充接入。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
權利要求
1.一種配電監測系統，用於監測配電系統的狀態，其特徵在於，包括處理單元和輸出分析結果的輸入輸出單元，其中處理單元包括對配電系統進行信號採集的信號採集模塊；對採集到的信號進行處理分析的算法模塊；從信號採集模塊傳輸信號至算法模塊的總線模塊。
2.如權利要求1所述的配電監測系統，其特徵在於，所述信號採集模塊包括電壓通路，所述電壓通路包括採集電壓信號的電壓採集模塊；對採集到的電壓信號進行電平匹配的電平匹配模塊；以及分別與總線模塊和電壓匹配模塊相連接，控制電壓通路通斷的開關。
3.如權利要求1所述的配電監測系統，其特徵在於，所述信號採集模塊包括電流通路，所述電流通路包括採集電流信號的電流採集模塊；對採集到的電流信號進行測量的量程選擇模塊；切換電流量程的切換模塊；對採集到的電流信號進行電平匹配的電平匹配模塊；分別與總線模塊和電壓匹配模塊相連接，控制電流通路通斷的開關。
4.如權利要求1至3任意一項所述的配電監測系統，其特徵在於，所述算法模塊包括對由信號採集模塊採集到的信號進行選通的信號選擇模塊；監測信號採集模塊是否接通的監測模塊；對經信號選擇模塊選通的信號進行處理的處理模塊；將處理模塊產生的處理結果發送到輸入輸出單元的輸出模塊。
5.如權利要求4所述的配電監測系統，其特徵在於，所述算法模塊還包括幹接點輸出模塊或幹接點輸入模塊，所述處理模塊分別與幹接點輸出模塊或幹接點輸入模塊相連接。
6.一種配電監測方法，包括對配電系統進行採樣的步驟和根據採樣信號分析配電系統狀態的步驟。
7.根據權利要求6所述的配電監測方法，其特徵在於，所述採樣信號包括配電系統中開關的前端電壓和後端電壓，將所述開關的前端電壓與後端電壓比較判斷開關狀態。
8.根據權利要求7所述的配電監測方法，其特徵在於，所述採樣信號還包括電流，所述開關的前端電壓、後端電壓和電流結合判斷迴路帶負載情況、迴路電壓和/或漏電狀況。
9.根據權利要求6或7所述的配電監測方法，其特徵在於，所述對配電系統進行採樣包括在至少一個採樣點進行至少一次採樣，產生至少一採樣信號。
10.根據權利要求9所述的配電監測方法，其特徵在於，還包括採樣信號選通的步驟，對採樣取得的至少一採樣信號進行選擇，選取其中至少一採樣信號用於分析配電系統狀態。
全文摘要
本發明提供一種配電監測系統，用於監測配電系統的狀態，包括處理單元和將處理單元處理分析的結果輸出的輸入輸出單元，其中處理單元包括對配電系統進行信號採集的信號採集模塊；對採集到的信號進行處理分析的算法模塊和從信號採集模塊傳輸信號至算法模塊的總線模塊，本發明還提供一種配電監測方法。本發明提供的配電監測系統和監測方法可以有效地發現配電系統中的開關是否誤合閘或故障脫扣，並可提前預防分支過流引起的故障，以及實時監測負載電流變化，監測負載狀態是否正常；本發明還具有智能化的管理功能，可提前告知配電系統可能出現的風險，便於用戶及早發現安全隱患，有效規避風險。
文檔編號H02J13/00GK101039044SQ20071009026
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月17日 優先權日2007年4月17日
發明者何勇, 黃坤振, 李軍波, 鍾世波, 丁麒鋼, 朱利偉 申請人:艾默生網絡能源有限公司