CN101039044B - 一种配电监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配电监测系统，用于监测配电系统的状态，包括处理单元和将处理单元处理分析的结果输出的输入输出单元，其中处理单元包括对配电系统进行信号采集的信号采集模块；对采集到的信号进行处理分析的算法模块和从信号采集模块传输信号至算法模块的总线模块，本发明还提供一种配电监测方法。本发明提供的配电监测系统和监测方法可以有效地发现配电系统中的开关是否误合闸或故障脱扣，并可提前预防分支过流引起的故障，以及实时监测负载电流变化，监测负载状态是否正常；本发明还具有智能化的管理功能，可提前告知配电系统可能出现的风险，便于用户及早发现安全隐患，有效规避风险。

Description

一种配电监测系统和监测方法

技术领域

本发明涉及配电领域，特别涉及配电监测系统和监测方法。

背景技术

在配电系统中监测开关状态和开关输出电流是非常有意义的，可以有效的发现配电系统中的开关是否误合闸或故障脱扣，并且可以提前预防分支过流引起的故障。现常用的开关状态检测方法是通过开关的辅助干接点控制信号灯指示，这种方法既占用空间，也无法满足目前的远程数字传输要求；

而现常用的开关输出电流检测方法是通过电流互感器将二次电流反馈给电流表，一般的指针电流表只能显示一路电流，智能电流表最多显示四路电流。如果要想监测三相的多分路电流，就需要很多的电流表，增加了监测成本，监测可靠性也将降低。

上述两种做法同时还有一定的局限性：

采用开关辅助触点判断法：

采用电流检测法：

随着科技发展，各用电部门对供电的质量和要求不断提高，只有对负载配电回路进行有效的实时监测，才能保证用电的可靠性。尤其在信息系统IDC机房中，每个配电柜要给几十甚至上百路服务器类重要负载供电，每次断电都意味着重大的损失。合理分配负载，监测每个开关和负载状态，提前或及时发现故障和隐患，就显得尤为紧迫和重要。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种配电监测系统，用于监测配电系统的状态，包括处理单元和将处理单元处理分析的结果输出的输入输出单元，其中处理单元包括对配电系统进行信号采集的信号采集模块；对采集到的信号进行处理分析的算法模块；以及从信号采集模块传输信号至算法模块的总线模块，所述信号采集模块包括电压通路，所述电压通路包括：采集电压信号的电压采集模块；对采集到的电压信号进行电平匹配的电平匹配模块；以及分别与总线模块和电压匹配模块相连接，控制电压通路通断的开关。

信号采集模块包括电流通路，电流通路包括采集电流信号的电流采集模块；兼容多种电流量程，对采集到的电流信号进行测量的量程选择模块；切换电流量程的切换模块；对采集到的电流信号进行电平匹配的电平匹配模块和分别与总线模块和电压匹配模块相连接，控制电流通路通断的开关。而算法模块包括对由信号采集模块采集到的信号进行选通的信号选择模块；监测信号采集模块是否接通的监测模块；对经信号选择模块选通的信号进行处理的处理模块和将处理模块产生的处理结果发送到输入输出单元的输出模块。

本发明还提供一种配电监测方法，包括对配电系统进行采样的步骤和根据采样信号分析配电系统状态的步骤，其中所述对配电系统进行采样的步骤包括：采集电压信号；对采集到的电压信号进行电平匹配；以及控制是否输入采集到的电压信号。

采样信号包括配电系统中开关的前端电压和后端电压，将开关的前端电压与后端电压比较判断开关状态，还包括电流，开关的前端电压、后端电压和电流结合判断回路带负载情况、回路电压和/或漏电状况。上述配电监测方法还包括采样信号选通的步骤，对采样取得的至少一采样信号进行选择，选取其中至少一采样信号用于分析配电系统状态。

本发明提供的配电监测系统和监测方法可以有效地发现配电系统中的开关是否误合闸或故障脱扣，并可提前预防分支过流引起的故障，以及实时监测负载电流变化，监测负载状态是否正常；本发明还具有智能化的管理功能，可提前告知配电系统可能出现的风险，便于用户及早发现安全隐患，有效规避风险。本发明对原来配电系统进行突破性的升级，可适用于多种供电场合， 尤其符合信息中心、IDC机房、金融中心、证券、政府机要等部门的精密配电要求，同时也可扩展到其他对电力使用要求较高的场所。本发明应用在信息系统IDC机房，可提供全面的电源管理功能，将配电系统完全纳入机房监测 系统，消除机房动力系统监测方面最后一个盲点，使用户更清楚了解机房动力系统运行状况，了解每一个回路的运行和电能状况，便于对机房进行更有效的管理。

附图说明

图1是本发明一实施例的配电监测系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例的处理单元的的结构示意图；

图3是本发明一实施例的信号采集模块的结构示意图；

图4是本发明一实施例的算法模块的结构示意图；

图5是本发明一实施例的信号采集模块的结构示意图；

图6是本发明一实施例的输入输出单元的结构示意图；

图7是本发明另一实施例的算法模块的结构示意图；

图8是本发明一实施例的监测工作流程示意图；

图9是本发明又一实施例的配电监测流程示意图；

图10是本发明又一实施例的分析过程流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

参照图1，示出本发明第一实施例的配电监测系统，该监测系统1包括输入输出单元10、处理单元20和电源单元30。处理单元20采集配电系统的信息，分析判断配电系统的状态，通过输入输出单元10输出；电源单元30为监测系统1提供电源。

参照图2，其中处理单元20包括信号采集模块201、总线模块202和算法模块203，信号采集模块201通过总线模块202与算法模块203相连接。

参照图3，信号采集模块201包括至少一条电压通路和至少一条电流通路，分别采集电压信号和电流信号。电压通路包括电压采集模块2011、电平匹配模块2012和开关2013。电流通路包括电流采集模块2014、量程选择模块2015、切换模块2016、电平匹配模块2017和开关2018。

参照图4，算法模块203包括信号选择模块2031、处理模块2032、监测模块2034和输出模块2033。处理模块2032分别与信号选择模块2031、监测模块2034和输出模块2033相连接。

参照图5，信号采集模块201的每一路电压通路分别通过各自的开关与总线模块202相连，从而分别与算法模块203相连接。信号采集模块201的每一路电流通路分别通过各自的开关与总线模块202相连。总线模块202与算法模块203的处理模块2032相连接，从而将信号采集模块201采集的电压、电流信号传送给处理模块2032。

信号采集模块201电压通路的电压采集模块2011采集电压信号，将其输入至电平匹配模块2012，通过电平匹配模块2012转化成算法模块203能够接受的0-3V的电平。开关2013由算法模块203上的信号选择模块2031控制闭合/断开，从而控制电压信号是否输入算法模块203，开关2013闭合时算法模块203才能接受该路电压信号的输入。信号采集模块201电流通路的电流采集模块2014采集电流信号输入至量程选择模块2015。量程选择模块包含多个不同量程的电流表，从而兼容多个电流测量量程。本实施例优选两种电流表，分别测量5A和10mA两种量程的电流。切换模块2016将大电流切换到5A量程的电流表，将小电流切换到50mA量程的电流表。优选地，本实施例切换模块2016采用跳线装置。电平匹配模块2017根据需要将电流表测得的电流信号匹配成处理模块2032接受的电平。本实施例优选地，电流信号通过电平匹配模块2017转化为算法模块203能够接受的0-3V的电平。开关2018由算法模块203上的信号选择模块2031控制闭合/断开，从而控制电流信号是否输入算法模块203，开关2018闭合时算法模块203才能接受该路电流信号的输入。

算法模块203上的监测模块2034监测信号采集模块201是否接通。处理模块2032根据监测信号判断哪些信号采集模块201已经接通，哪些还未接通。处理模块2032判断哪些信号采集模块201接通后，通过发出控制命令至信号选择模块2031，对已接通的信号采集模块201上的电压信号和电流信号进行选通。信号选择模块2031根据控制命令控制信号采集模块201上被选中的电压通路的开关2013和电流通路的开关2018闭合，使该路信号输入至总线模块202，该路电压信号和电流信号分别通过总线模块202进入处理模块2032，处理模块2032对从总线模块202输入的电压信号和电流信号进行分析，并将分析结果通 过输出模块2033输出至输入输出单元10。

参照图6，输入输出单元10包括显示器101、显示器驱动模块102、显示处理模块103、键盘105和电平转换模块104。显示器101通过显示器驱动模块102与显示处理模块103相连接，键盘105与显示处理模块103相连接，监测处理模块103与电平转换模块104相连接。

分析结果通过输出模块2033发送至输入输出单元10的电平转换模块104，并转换成显示处理模块103能够接受的电平。显示处理模块103进行计算并发送至显示驱动模块102，经其驱动显示器101显示分析结果。输入输出单元10上的键盘105用于输入修改显示设置的命令。

优选地，参照图7，算法模块203还包括干接点输入模块2036和干接点输出模块2035，干接点输入模块2036可以作为得到的机柜的温度、湿度等参数的接口。外部设备对温度、湿度等参数进行检测，检测结果通过干接点输入模块2036输入至处理模块2032并最终输出在显示器101上显示。干接点输出模块2035可以作为控制外部设备的接口。例如外部设备为空气开关，处理模块2032将控制命令通过干接点输出模块2035输出至空气开关，控制空气开关闭合。

本实施例中，切换模块2016除跳线之外，还可采用多种切换方式，根据实际需求和配电系统可选择继电器、芯片控制等方式。而信号采集模块201的电流通道和电压通道，可同时采样8路电压信号和8路电流信号，本实施例的配电监测系统可设置16个信号采集模块。随着科技发展和应用需求变化，本实施例的配电监测系统还可设置更多信号采集模块，每个信号采集模块也可进行更多路电压信号、电流信号的采样。

本实施例的处理单元20作为配电监测系统的核心部件，完成大部分的信号处理、数据计算和数据传递工作，对数据运算、传输速度等要求很高。本实施例采用TMS320F2808PZA芯片实现处理单元20，从资源和可读性考虑，工作逻辑全部采用C语言实现。

本实施例的监测工作流程如图8所示，包括步骤：

S11，配电监测系统初始化，读取设置信息，确定信号选通方案；

S12，监测模块2034监测信号采集模块201的接通情况；

S13，算法模块203根据设置信息和信号采集模块201的接通情况发出选通命令；

S14，信号选择模块2031根据选通命令选通部分或全部电压通路和/或电流通路；

S15，选通的电压通路和/或电流通路采集电压信号、电流信号；

S16，电压信号、电流信号通过总线模块202传给算法模块203；

S17，算法模块203根据电压信号、电流信号分析配电系统状态；

S18，分析结果通过输入输出单元10输出，监测流程结束。

上述流程中，设置信息是预先设定好，存储在处理模块中的。设置信息包括本实施例的配电监测系统的工作参数和用于信号选通和分析的预设信息。

上述流程中步骤S17是根据电压信号、电流信号监测开关状态，以及对电流进行监测，进而分析配电系统状态。其中，根据电压信号、电流信号监测开关状态的逻辑是：利用开关之前和之后的电压判断开关状态，将开关前端的母线电压Vp作为基准值，开关后端的输出电压Vo与基准值Vp比较，若两者有效值相差不超过5V，则判为开关闭合，否则为开关断开。开关后端的输出电压V0是对开关后端的输出电压V在一个监测流程中进行K次采样测量后计算出的输出电压有效值，计算公式如下：

$\mathrm{Vo}=\sqrt{\frac{V_1^2+V_2^2+V_3^2+......+V_k^2}{k}}---\left(3\right)$

上述公式表示开关后端的输出电压Vo为k个采样点的电压V的方均根。

而开关前、后端的电压差有效值Δ的计算公式为：

Δ＝|Vo|-|Vp|       (4)

结合采样取得的电流信号和开关前、后端的电压差有效值Δ，比照下表判断开关状态。

开关前、后端的电压差有效值Δ	采样电流I	判断结果
			Δ≤5	有电流	开关合，回路带负载
Δ≤5	无电流	开关合，回路未带负载，有高压
			Δ>5	有电流	开关分，回路绝缘不良有漏电
Δ>5	无电流	开关分，回路未带负载

而为了更好地反映配电系统状态，本实施例还计算配电系统的功率，输出给用户。总功率的计算逻辑为：

$\mathrm{PT}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pi}---\left(1\right)$

上述公式表示总功率为所有采样点的瞬间功率总和，其中k是一次监测流程中共进行的采样次数。进行k次采样将取得k个瞬间功率Pi。

计算瞬间功率Pi使用的公式为：

Pi＝V*I    (2)

其中，V为一次采样得到的电压信号，I为一次采样得到的电流信号。

本实施例中判断开关状态的方法不仅限于上述方法和标准，还可取其他信息，根据其他标准来判断，例如开关前、后端的电压差有效值可根据开关和配电系统的配置而确定，不仅限于5V。而根据采样信号计算功率和开关输出电压也不仅限于上述公式和逻辑。开关状态的监测还可采用干接点接入方式实现，具体来说，在本实施例的信号采集模块201中设置干接点采集板，在有干接点板的情况下，利用干接点进行扩展判断。干接点信号与一般数字信号不同，不是进入算法模块203的数字量接口的，而是转换成0或者1.5V进入算法模块203的A/D采样通道，根据算法模块203计算结果作出判断。专用的干接点板在干接点为无源输入时，把干接点信号转换为算法模块203能接受的电平。上述方法这样可以作为电压测量方式的补充，以便于对未加电压测量的开关回路进行补充接入。

上述对电流进行监测是通过信号选择模块2031的电流通路实现的，同时满足128路多回路电流测量，而且额定电流对应于DSP采样电压都是1V，精度一致。

本实施例还可让所有的开关配置辅助触点，通过专用的干接点板引入开关的关合信号，然后经过干接点板上的电路进行信号处理，并传输给上端的智能表头进行后台传输或显示。

本实施例还可利用副边电流10mA小电流互感器接入专用的电流采集板，然后经过电流采集板上的电路进行信号处理，并传输给上端的智能表头进行后台传输或显示。

本发明还提供一种配电监测方法，其配电监测流程如图9所示：

S21，读取设置信息，确定信号选通方案；

S22，根据信号选通方案判断是否处理当前采样单元的采样信号，如果不需要处理当前采样单元的采样信号则进行步骤S26，否则进行步骤S23；

S23，读取当前采样单元的至少一路采样信号；

S24，对读取到的至少一路采样信号，根据信号选通方案选用有用的部分路信号，抛弃无用的信号，实现信号选通；

S25，进入分析过程，对有用信号进行分析；

S26，从当前采样单元转到下一采样单元；

S27，判断是否处理完了所有采样单元，没有处理完则回到步骤S22，若判断为已处理完所有采样单元，则配电监测流程完成一次循环。

上述配电监测流程中，设置信息是预先根据配电系统情况和监测需求而确定的；信号选通方案包括对选取一个或多个采样单元进行采样，和/或选用采样单元传送的一路或多路信号。例如采样单元有16个，每个采样单元都输出16路采样信号，则不仅可以选择对一个、多个或所有采样单元进行采样，还可以针对每一个采样单元，选取其中一路、多路或所有路信号进行分析。

上述配电监测流程中，采样单元可以是配电监测系统中的采样探头、信号采集模块或信号采集模块中的采样通路。上述流程是从默认的第一采样单元开始，依次对各采样单元进行判断选择，直到最后一采样单元判断选择完毕，配电监测流程结束。随着实际情况不同，也可依照其他顺序分别对采样单元判断选择。

上述步骤S25进入分析过程，分析过程流程如图10所示：

S31，读取时间；

S32，判断是否到达预定的采样时间点，未到采样时间点则重复步骤S31读取时间，到采样时间点则进行步骤S33；

S33，读取采样信号，根据采样信号计算瞬间功率，保存采样信号和瞬间功率；

S34，判断是否完成所有预设采样时间点的采样，若已完成则进行步骤S35，否则回到步骤S31；

S35，根据采样信号判断开关状态，根据瞬间功率计算总功率；

S36，输出开关状态判断结果和总功率，分析过程结束，返回配电监测流程。

上述分析流程中，计算瞬间功率Pi使用的公式为：

Pi＝V*I    (2)

其中，V为采样得到的电压信号，I为采样得到的电流信号；

设共进行k次采样，取得k个瞬间功率Pi，计算总功率PT使用的公式为：

$\mathrm{PT}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pi}---\left(1\right)$

上述公式表示总功率为所有采样点的瞬间功率总和。

上述根据采样信号判断开关状态步骤是利用开关之前和之后的电压判断开关状态，将开关前端的母线电压Vp作为基准值，开关后端的输出电压Vo与基准值Vp比较，若两者有效值相差不超过5V，则判为开关闭合，否则为开关断开。开关后端的输出电压V0是对开关后端的输出电压V在一个监测流程中进行K次采样测量后计算出的输出电压有效值，计算公式如下：

$\mathrm{Vo}=\sqrt{\frac{V_1^2+V_2^2+V_3^2+......+V_k^2}{k}}---\left(3\right)$

上述公式表示开关后端的输出电压Vo为k个采样点的电压V的方均根。

而开关前、后端的电压差有效值Δ的计算公式为：

Δ＝|Vo|-|Vp|    (4)

结合采样取得的电流信号和开关前、后端的电压差有效值Δ，比照下表判断开关状态。

开关前、后端的电压差有效值Δ	采样电流I	判断结果
			Δ≤5	有电流	开关合，回路带负载
Δ≤5	无电流	开关合，回路未带负载，有高压
			Δ>5	有电流	开关分，回路绝缘不良有漏电
Δ>5	无电流	开关分，回路未带负载

本实施例中判断开关状态的方法不仅限于上述方法和标准，还可取其他信息，根据其他标准来判断，例如开关前、后端的电压差有效值可根据开关和配电系统的配置而确定，不仅限于5V。而根据采样信号计算功率和开关输 出电压也不仅限于上述公式和逻辑。

本实施例中判断开关状态的方法是利用被测开关之前和之后的电压差判断开关状态。同时还可利用干接点进行扩展判断，可以作为判断开关状态的方法的补充，以便于对未加电压测量的开关回路进行补充接入。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种配电监测系统，用于监测配电系统的状态，其特征在于，包括处理单元和输出分析结果的输入输出单元，其中处理单元包括：

对配电系统进行信号采集的信号采集模块；

对采集到的信号进行处理分析的算法模块；以及

从信号采集模块传输信号至算法模块的总线模块，

所述信号采集模块包括电压通路，所述电压通路包括：采集电压信号的电压采集模块；对采集到的电压信号进行电平匹配的电平匹配模块；以及分别与总线模块和电压匹配模块相连接，控制电压通路通断的开关。

2.如权利要求1所述的配电监测系统，其特征在于，所述信号采集模块包括电流通路，所述电流通路包括：

采集电流信号的电流采集模块；

对采集到的电流信号进行测量的量程选择模块；

切换电流量程的切换模块；

对采集到的电流信号进行电平匹配的电平匹配模块；

分别与总线模块和电压匹配模块相连接，控制电流通路通断的开关。

3.如权利要求1或2所述的配电监测系统，其特征在于，所述算法模块包括：

对由信号采集模块采集到的信号进行选通的信号选择模块；

监测信号采集模块是否接通的监测模块；

对经信号选择模块选通的信号进行处理的处理模块；

将处理模块产生的处理结果发送到输入输出单元的输出模块。

4.如权利要求3所述的配电监测系统，其特征在于，所述算法模块还包括干接点输出模块或干接点输入模块，所述处理模块分别与干接点输出模块或干接点输入模块相连接。

5.一种配电监测方法，包括：

对配电系统进行采样的步骤；和

根据采样信号分析配电系统状态的步骤，

其特征在于，所述对配电系统进行采样的步骤包括：采集电压信号；对采集到的电压信号进行电平匹配；以及控制是否输入采集到的电压信号。

6.根据权利要求5所述的配电监测方法，其特征在于，所述对配电系统进行采样的步骤包括：

采集电流信号；

对采集到的电流信号进行测量；

切换电流量程；

对采集到的电流信号进行电平匹配；以及

控制是否输入采集到的电流信号。

7.根据权利要求5或6所述的配电监测方法，其特征在于，所述根据采样信号分析配电系统状态的步骤包括：

监测是否采集信号；

对采集到的信号进行选通；

对经选通的信号进行处理；以及

输出所产生的处理结果。

8.根据权利要求7所述的配电监测方法，其特征在于，所述根据采样信号分析配电系统状态的步骤还包括采用干接点接入方式。

9.根据权利要求5所述的配电监测方法，其特征在于，所述采样信号包括配电系统中开关的前端电压和后端电压，将所述开关的前端电压与后端电压比较判断开关状态。

10.根据权利要求9所述的配电监测方法，其特征在于，所述采样信号还包括电流，所述开关的前端电压、后端电压和电流结合判断回路带负载情况、回路电压和/或漏电状况。

11.根据权利要求5或9所述的配电监测方法，其特征在于，所述对配电系统进行采样包括在至少一个采样点进行至少一次采样，产生至少一采样信号。

12.根据权利要求11所述的配电监测方法，其特征在于，还包括采样信号选通的步骤，对采样取得的至少一采样信号进行选择，选取其中至少一采样信号用于分析配电系统状态。

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