電能質量在線分析監控裝置的製作方法
2023-12-09 17:22:16
專利名稱：電能質量在線分析監控裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電能質量監控裝置，尤其是用於電力用戶配電網的電能質量在線分析與監控裝置。
背景技術：
電能質量是電力系統運行的重要指標，對電網和用戶都具有十分重要的作用，隨著國民經濟的迅速發展，對電能質量的要求也日趨提高，當前大部分的電能質量監控產品都在實時在線應用方面考慮的較少，雖有一些監測設備能實現在線監測功能，如中國專利號CN01257838.X」電能質量在線監控裝置「，但它在處理器方面採用的是雙數位訊號處理器，諧波也只能計算到25次，其A/D轉換部分也是採用的外接電路，結構比較複雜；在信號輸入方面也僅限於三相電壓電流輸入和按鍵輸入，在通訊方面採用的是單一的RS485通訊方式，功能比較簡單、傳輸速度也較慢。因此不能滿足日益增長的複雜的電能質量檢測要求。
發明內容
本實用新型克服了現有技術的不足，提供了一種結構簡單、功能齊全的電能質量在線分析監控裝置。它採用單個高性能數位訊號處理器(DSP)，引入了Profibus通訊，可以就地監控、顯示相關電能質量參數，同時通過通訊把數據實時傳送到監控中心，實現遠方實時監控。
本實用新型包括信號輸入單元、處理單元、存儲單元、通訊單元和輸出單元。輸入信號單元包括三相電壓電流信號、直流量信號、數字量信號和按鍵信號；存儲單元包括程序存儲器、RAM和Flash存儲器；處理單元是單個高性能數位訊號處理器(DSP)；通訊單元包括Profibus模塊和RS485模塊；輸出單元包括繼電器輸出、模擬量輸出和液晶顯示。所述的三相電壓電流信號、直流量信號、數字量信號、按鍵信號、程序存儲器、RAM、Flash存儲器、Profibus模塊、RS485模塊、繼電器輸出、液晶顯示、模擬量輸出分別與數位訊號處理器相連。
本實用新型採用高性能單數位訊號處理晶片，諧波計算可達到63次，其內部自帶A/D轉換器，減少了系統複雜程度，降低了成本，可以大範圍推廣應用；首次帶有Profibus接口，同時帶有基於RS485的MODBUS/DNP3.0通訊接口，可以方便的接入現有的各種配電系統。
圖1為本實用新型的原理框圖。
圖2為本實用新型的實施電路圖。
圖3為本實用新型的主程序工作流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述本實用新型如圖1和圖2所示，輸入信號單元包括三相電壓電流信號1、直流量信號3、數字量信號4和按鍵輸入5，其中三相電壓電流信號1、直流量信號3與DSP7的ADC輸入管腳相連，數字量信號4通過光電隔離電路401連接於DSP7的IO埠，按鍵信號5直接輸入到DSP7的IO埠；存儲單元6包括Flash存儲器61、NVRam62和程序存儲器63，其中Flash存儲器61通過SPI接口與DSP7相連，NVRam62、程序存儲器63通過數據總線與DSP相連；通訊單元包括Profibus模塊8和RS485模塊9，其中Profibus模塊8通過數據總線與DSP7相連，RS485模塊9通過光電隔離電路901與DSP7相連；輸出單元包括繼電器輸出10、液晶顯示11和模擬量輸出12，其中繼電器輸出10通過繼電器驅動電路101連接於DSP7的IO埠，液晶顯示11通過數據總線與DSP7相連，模擬量輸出12連接於DSP7的IO埠。
電力系統母線上的電壓、電流通過其自帶的PT、CT轉換為三相電壓電流信號1後輸入到儀表，儀表內部PT/CT2作為隔離並把信號再次縮小後通過調理電路14調理後輸入到處理器(採用DSP56F827)7的ADC埠進行處理，直流量信號3經過調理後輸入到DSP的ADC埠進行處理，數字量信號4通過光電隔離電路401後輸入到DSP的IO埠，這樣可以隔離外部的幹擾信號，使設備達到更高的抗幹擾性能，按鍵信號5直接輸入DSP的IO埠。
存儲單元6用來存儲數據，它包括Flash存儲器61、NVRam62和程序存儲器63，Flash存儲器61採用256M串行的大容量DATAFlash，可以存儲大量的歷史數據，包括波形數據、電壓波動曲線數據、電能參數趨勢圖數據等等。由於Flash寫入速度較慢，對于波形採集以及一些其他的高速應用不能適應，因此本裝置採用了帶有後備電池的低功耗Ram(簡稱NVRam)與之配合使用，通過DS1218實現對後備電池的切換，這樣在意外失電時可以保證當前狀態，再次上電可以恢復原有的數據。在採用NVRam後，實時波形採樣等功能通過NVRam的緩衝可以有效保證波形採樣的高速不間斷採集保存。
DSP7根據內部A/D變換得來的數據採用積分算法，實時計算三相電壓、三相電流、正序電壓、負序電壓、正序電流、負序電流、零序電壓、零序電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、累計有功電量、累計無功電量、四象限無功、有功電度累計、分時電度累計、直流量有效值，並通過FFT計算出三相電壓、電流信號的1～63次諧波分量的幅值和相位，具有故障錄波功能和一定的保護功能並能夠完成數據的就地顯示、存儲、比較、控制、通訊以及系統參數設置。
通訊單元包括Profibus模塊8和RS485模塊9。Profibus模塊8是一種成熟的總線系統，數據傳輸速度很快並可以很容易接入現有的系統中，在工業現場應用比較廣泛，但目前國外設備應用較廣而國內應用的比較少，在本實用新型中，Profibus模塊8採用西門子的ASIC專用控制晶片SPC3，該晶片可以實現Profibus-DP的協議標準。採用這種方案可以實現最高12M的現場通訊速率，既保證了通訊的高速性又對現場已有的總線設備具有很好的兼容性。
繼電器輸出10提供了10A/250AC的容量，這樣可以在需要時直接控制外部報警或斷路器的工作。在大部分情況下不需要外接中間繼電器，簡化了外部接線、安裝的複雜程度。
液晶顯示11能夠就地的顯示，完成顯示上述電能指標參數及實時波形、頻譜、狀態信息、儀表現場設置等工作，便於現場觀察，同時保證儀表在不組網狀態下可以單獨運行。
模擬量輸出12通過DSP7斬波輸出，經過低濾波產生0～5V或4～20mA信號。DSP7具有16位的PWM斬波輸出，經過低通濾波後可以線性的輸出。
圖3是本實用新型的主程序工作流程圖。具體地說，裝置開始工作後，先初始化硬體系統，系統自診斷，根據設置系統配置的參數，初始化各個採樣測量以及限值寄存器。初始化完成後，系統進入主循環，開始進行通訊應用層處理、諧波計算處理、部分實時參數計算、數據存儲處理和按鍵顯示處理。
整個監控裝置的工作過程是這樣的採樣電路將母線上經過其自帶的PT、CT變換的電壓電流信號1再經過內部PT/CT2隔離並濾除信號線上的有害信號並確保不損失有效測量信號，然後經過信號調理電路14調整成適合DSP 7內部AD採樣處理的信號。由於前端信號經過PT/CT2隔離，不存在共模信號，信號採用單端放大，這樣可以解決差分電路電阻阻值匹配問題，有效提高了測量精度以及一致性，簡化了加工生產的複雜度。
高性能處理器DSP7通過內部ADC把模擬信號轉換成數位訊號，採用積分算法實時計算電壓、電流、功率、功率因數、電壓波動閃變、電壓不平衡率、負序電壓、正序電壓、零序電壓、負序電流、正序電流、零序電流、電流不平衡率、頻率等，並高速緩存採樣數據，實時監測電壓電流狀態，在符合預設條件下啟動相應的動作包括故障錄波、繼電器輸出、實時數據保存、報警輸出等。在數據緩存到達預定點數後，進行FFT分析，計算出1～63次諧波分量的幅值和相位(每周波512個點，採樣頻率為每周波256個點)、總諧波失真、諧波功率、諧波功率因數等。為了諧波計算的精度，降低計算的複雜程度，系統採樣頻率採用頻率跟蹤方式，採用這種方式可以極大的提高各模擬量採集計算的精度。
需要保存的實時數據保存在NVRam62中，然後分塊的轉存到大容量FLASH存儲器61中，完成實時數據記錄，報警數據、波形數據的就地存儲，形成歷史數據，在需要顯示或通過通訊讀取這些數據時，由大容量FLASH存儲器61讀出數據到NVRam62的緩衝區中，然後再提供給通訊單元或者顯示單元。
外部輸入的直流量信號3通過高性能處理器DSP7內部的ADC轉換成數位訊號，該信號經過濾波處理，計算出對應的直流量值。通過檢測IO管腳狀態，經過濾波去抖動處理，形成數據量輸入狀態。
繼電器輸出10可以通過定值觸發(閉合，分開)，或者通過通訊來操作(閉合，分開)。
模擬量輸出12可以通過配置以對應某一前面計算出來的測量量(如電壓，電流等)，輸出的模擬量(0～5v或4～20mA)將與其對應量成線性關係。
通訊模塊接收遠程(遠方計算機、RTU或通訊處理器)通訊數據包，根據相應通訊協議解析數據包，完成數據包要求的操作，如上傳實時數據、上傳歷史數據、繼電器操作、寄存器配置、設備配置等操作。
系統通過檢測IO管腳狀態，經過濾波去抖動處理，形成數據按鍵狀態，根據按鍵狀態，將完成顯示項目切換、系統配置參數更改等。
液晶顯示11可以很容易的就地顯示實時數據，方便的用圖形方式配合字符顯示諧波數據，波形數據等。由於液晶足夠大，大部分常用的數據配置能夠同屏顯示，這樣使用者就地觀察、監測系統狀態變得更加方便。
權利要求1.一種電能質量在線分析監控裝置，包括輸入信號單元、處理單元、存儲單元、通訊單元和輸出單元，輸入信號單元包括三相電壓電流信號、按鍵信號，存儲單元包括程序存儲器，RAM，Flash存儲器，通訊單元為一RS485模塊，輸出單元為液晶顯示，其特徵在於所述的輸入信號單元還包括直流量信號和數字量信號；所述的處理單元是單個高性能數位訊號處理器；所述的通訊單元另有一Profibus模塊；所述的輸出單元還包括繼電器輸出、模擬量輸出；所述的三相電壓電流信號、直流量信號、數字量信號、按鍵信號、程序存儲器、RAM、Flash存儲器、Profibus模塊、RS485模塊、繼電器輸出、液晶顯示、模擬量輸出分別與高性能數位訊號處理器相連。
2.根據權利要求1所述的電能質量在線分析監控裝置，其特徵在於，所述的數位訊號處理器採用DSP56F827晶片。
3.根據權利要求1所述的電能質量在線分析監控裝置，其特徵在於，所述的Profibus模塊採用spc3控制晶片。
4.根據權利要求4所述的電能質量在線分析監控裝置，其特徵在於，所述的RAM採用低功耗RAM帶DS1218控制備用電池。
5.根據權利要求1所述的電能質量在線分析監控裝置，其特徵在於，所述的Flash存儲器採用串行的大容量DATAFlash。
專利摘要本實用新型公開了一種電能質量監控裝置，尤其是用於電力用戶配電網的電能質量在線分析與監控裝置。它包括三相電壓電流信號、直流量信號、數字量信號、按鍵信號、程序存儲器、RAM、Flash存儲器、單個高性能數位訊號處理器、Profibus模塊、RS485模塊、繼電器輸出、模擬量輸出和液晶顯示。所述的三相電壓電流信號、直流量信號、數字量信號、按鍵信號、程序存儲器、RAM、Flash存儲器、Profibus模塊、RS485模塊、繼電器輸出、液晶顯示、模擬量輸出分別與數位訊號處理器相連。本實用新型採用單數位訊號處理晶片，減少了系統複雜程度，降低了成本，可以大範圍推廣應用；首次帶有Profibus接口，同時帶有基於RS485的MODBUS/DNP3.0通訊接口，可以方便地接入現有的各種配電系統。
文檔編號H02J13/00GK2930062SQ20062006002
公開日2007年8月1日 申請日期2006年6月7日 優先權日2006年6月7日
發明者吳忠宏 申請人:珠海派諾電子有限公司