CN101881790A - 智能电力参数测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电力参数测试仪，它包括过零比较电路、锁相同步电路、信号调理电路、A/D转换模块、控制模块、电源、输入模块、数据显示模块和USB接口模块；采用DSP数字处理芯片进行电力多参数的测量，在提高测量精度、实时数字信号处理和智能化方面具有独特的优势。本发明将同一相的电压和电流分别作为复序列的实部和虚部来进行傅立叶变换，其最大的优点就是只需要一次复序列傅立叶变换就能同时求出电网中的各种电力参数(电压有效值、电流有效值、频率、谐波、功率因数、有功功率、无功功率等)，从而减少了计算量，提高了测量的实时性和精度。可广泛应用于需自动测量电力系统多参数的电力部门和工矿企业等场合。

Description

智能电力参数测试仪

技术领域

本发明属于电力系统测量技术领域，具体涉及一种基于DSP控制的智能电力参数测试仪。

背景技术

为了保证电网的安全运行，需要对电网的各种运行参数进行实时监测，并能根据需要及时地将各种测量参数送往调度监控中心，而在实际应用中往往存在测量仪表功能单一，这样就造成现场布线结构复杂、维护管理不便且费用成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种智能电力参数测试仪，该测试仪结构简单、性能可靠、成本较低，并且具有量程自动转换和与计算机进行通信的功能，能适用于各种需测量电力系统多种电参数的场合。

本发明提供的一种智能电力参数测试仪，其特征在于，它包括过零比较电路、锁相同步电路、信号调理电路、A/D转换模块、控制模块、电源、输入模块、数据显示模块和USB接口模块；

过零比较电路输入端与三相电网一相交流模拟输入信号相连，输出端与锁相同步电路的输入端相连；过零比较电路用于将正弦波输入信号转换为同频率的方波信号，并将该信号送入锁相同步电路的输入端；

锁相同步电路的输入端与过零比较电路输出端相连，第一输出端与控制模块的输入端相连，第二输出端与A/D转换模块相连；锁相同步电路输出一个和锁相环输入的电网频率相等的信号，作为频率测量信号输出，并将该信号送入控制模块的输入端处理，同时在分频器时钟输入端得到倍频输出信号，作为A/D转换模块的同步驱动信号；

信号调理电路的输入端与三相电网模拟量输入相连，输出端与A/D转换模块的输入端相连；信号调理电路用于检测三相电网模拟量输入信号，并将该信号送入A/D转换模块模拟输入端；

A/D转换模块模拟一端接收信号调理电路送入的模拟信号，另一端与控制模块输入端相连，并相互交互；A/D转换模块对信号调理电路输入的各种交流信号进行离散采样，并将采样后得到的数字信号送入到控制模块输入端；A/D转换模块还与锁相同步电路的第二输出端相连，作为A/D转换模块的同步驱动信号；

控制模块接收来自A/D转换模块送入的各种电力参数数字信号，控制模块控制A/D转换模块的模数转换过程，并相互交互；

控制模块接收来自锁相同步电路送入的作为频率测量的信号，用于电网的频率测量；

控制模块通过相连的输入模块接收用户的控制指令，并根据控制指令对接收的数字信号进行处理；

控制模块与数据显示模块相连，分别显示各种电力参数数值；

控制模块与USB接口模块相连，控制模块通过USB接口模块把测得的各种电力参数输出给计算机，即实现与计算机进行通讯功能；计算机也通过USB接口模块与控制模块进行通讯，并相互交互；

控制模块用于电力多参数测量控制、数据处理、显示、通讯功能；

电源电路为电力参数测量仪的各种芯片提供电源；

数据显示模块与控制模块相连，用于电力多参数各种显示功能；USB接口模块一端接收控制模块送入数字信号，另一端与计算机相连；USB接口模块接收控制模块送入数字信号并传输给计算机；也接收由计算机送入的数字信号并传输给控制模块；

计算机一端接收USB接口模块送入数字信号，同时计算机也通过USB接口模块对控制模块送入数字信号。

电力系统以及电力用户都迫切需要一种准确、可靠、便于携带、性价比高的国产电力参数综合测试仪器，对电网中的各种电力参数(电压有效值、电流有效值、频率、谐波、功率因数、有功功率、无功功率等)进行准确的检测，为保证电网的安全和经济运行提供有利的参考依据。同时，对电网各主要参数的准确测量也是实现电网测控自动化的重要前提。因此，电力参数综合测试仪器的研究和开发具有极其重要的意义。本发明提供的基于DSP的智能电力参数测量仪结构简单、性能可靠、成本较低，并且能够自动检测电网中的各种交流信号。具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1)本发明采用DSP控制技术能实现对电网的多参数测量，多量程自动转换；采用可控衰减/放大器，测量精度高。

(2)本发明的测量机理是采用DSP控制技术将各种电压、电流、频率等多参数信号进行自动检测处理后通过接口电路输出。它可测量三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、谐波等多个电力参数。它具有结构简单，直观准确，灵敏度高，使用寿命长，功能强，智能化，性能可靠，成本较低，能适应于各种需检测电力多参数的场合。

(3)本发明采用数字处理芯片DSP控制，减少了测量误差。

(4)本发明采用DSP控制并通过USB接口模块与网络和计算机相连，进行数据通信，便于自动化管理。

(5)本发明采用数字信号处理器DSP芯片特别适用于电力参数的实时数字信号处理。它具有速度快、运算精度高、系统设计简单、功耗低、控制指令灵活等特点。

附图说明

图1是本发明的硬件系统结构框图。

图2是本发明的过零比较电路框图。

图3是本发明的锁相同步电路原理框图。

图4是本发明的USB接口模块原理框图

图5是本发明的主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的基于DSP的智能电力参数测试仪包括过零比较电路1、锁相同步电路2、信号调理电路3、A/D转换模块4、控制模块5、电源6、输入模块7、数据显示模块8和USB接口模块9。

过零比较电路1输入端与三相电网一相交流模拟输入信号相连，输出端与锁相同步电路2的输入端相连。过零比较电路1用于将正弦波输入信号转换为同频率的方波信号，并将该信号送入锁相同步电路2的输入端。

锁相同步电路2的输入端与过零比较电路1输出端相连，第一输出端与控制模块5的输入端相连，第二输出端与A/D转换模块4相连。锁相同步电路2可以输出一个和锁相环输入的电网频率相等的信号，作为频率测量信号输出，并将该信号送入控制模块5的输入端处理。同时在分频器时钟输入端得到倍频输出信号，作为A/D转换模块4的同步驱动信号。

信号调理电路3的输入端与三相电网模拟量输入相连，输出端与A/D转换模块4的输入端相连。信号调理电路3用于检测三相电网模拟量输入信号，并将该信号送入A/D转换模块4模拟输入端。

A/D转换模块4模拟一端接收信号调理电路3送入的模拟信号，另一端与控制模块5输入端相连，并相互交互。A/D转换模块4对信号调理电路3输入的各种交流信号进行离散采样，并将采样后得到的数字信号送入到控制模块5输入端。A/D转换模块4还与锁相同步电路2的第二输出端相连，作为A/D转换模块4的同步驱动信号。

控制模块5接收来自A/D转换模块4送入的各种电力参数数字信号，控制模块5可控制A/D转换模块4的模数转换过程，并相互交互。

控制模块5接收来自锁相同步电路2送入的作为频率测量的信号，用于电网的频率测量。

控制模块5与数据显示模块8相连，可分别显示各种电力参数数值。

控制模块5与USB接口模块9相连，控制模块5通过USB接口模块9把测得的各种电力参数输出给计算机，即实现与计算机进行通讯功能。计算机也可通过USB接口模块9与控制模块5进行通讯，并相互交互。控制模块5可以采用DSP或其它数据处理器实现。

控制模块5用于电力多参数测量控制、数据处理、显示、通讯等功能。

电源电路6为电力参数测量仪的各种芯片提供电源。

输入模块7与控制模块5相连，用于接收用户的指令，实现对电力多参数测量选择控制。还可以通过输入模块7操作动态切换显示模块8的显示内容，了解电力系统运行状况。

数据显示模块8与控制模块5相连，用于电力多参数各种显示功能。用户可以通过显示模块8看到电流、电压、功率、功率因数等电力参数和谐波量。既能显示字符(包括中文和西文字符)，又能显示图形，还能够将字符与图形混合显示。

USB接口模块9一端接收控制模块5送入数字信号，另一端与计算机相连。USB接口模块9接收控制模块5送入的数字信号并传输给计算机。也可接收由计算机送入的数字信号并传输给控制模块5。

计算机一端接收USB接口模块9送入的数字信号，同时计算机也可通过USB接口模块9对控制模块5送入的数字信号。

控制模块5还可以通过输入模块7接收用户的指令，并按照指令对接收的信号进行处理。输入模块7可以是键盘等输入装置。

如图2所示，本发明提供的电力参数测试仪的过零比较电路1包括运算放大器U1、三极管Q2、光电耦合器U2和外围元件。

运算放大器U1和三极管Q2组成迟滞过零比较电路将正弦波输入信号变为同频率方波信号，作为锁相同步电路2的输入。利用迟滞电压特性消除输入信号在过零点可能出现的抖动现象；采用高速光电耦合器U2进一步隔离模电与数电之间的电气连接。

电阻R1一端与电网A相正弦波模拟电压相连，电阻R1另一端与运算放大器U1的一个输入端相连，电阻R2一端与地相连，电阻R2另一端与运算放大器U1的另一个输入端相连，运算放大器U1输出端与电阻R3的一端相连，电阻R3另一端与三极管Q2的基极相连，三极管Q2发射极与电源VCC相连，三极管Q2集电极分别与电阻R4的一端相连和光电耦合器U2的一个输入端相连；电阻R4的另一端与地相连，电阻R5的一端与电源VCC相连，电阻R5的另一端与光电耦合器U2的另一个输入端相连，光电耦合器U2的一个输出端与和电源VCC相连，光电耦合器U2的另一个输出端分别与电阻R6的一端和锁相同步电路2的输入端相连，电阻R6的另一端与电源VCC相连，而锁相同步电路2的输入端的信号为正方波信号。

如图3所示，本发明提供的电力参数测试仪的锁相同步电路2包括锁相器U3、分频器U4、电阻R7、R8。

过零比较电路1的输出端与锁相器U3的输入端相连，锁相器U3的一个输出端分别与A/D转换模块4的一端和分频器U4的一个输入端相连，此刻，A/D转换模块4获得同步驱动信号。锁相器U3的另一个输出端分别与电阻R7的一端和分频器U4的一个输出端相连，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端和控制模块5的一端相连，电阻R8的另一端与地相连。此刻，控制模块5可得到电网的频率测量信号。

如图4所示，本发明提供的电力参数测试仪的USB接口模块9包括USB接口、接口芯片U5、数据传输线FIFO1和FIFO2。

具体的数据传输过程如下：控制模块5的GPIO口(General PurposeInput Output通用输入\输出接口)用于控制控制模块5与传输线FIFO1、FIFO2的传输过程。U5接口芯片的PC口用于控制U5接口芯片与传输线FIFO1、FIFO2的传输过程。控制模块5的可通过USB接口模块9与计算机进行双向数据传输。

计算机一端与USB接口模块9的一端相连，并相互交互；接口芯片U5的一端与USB接口模块9的另一端相连，并相互交互；接口芯片U5的另一端分别与数据传输线FIFO1和FIFO2的一端相连，数据传输线FIFO1另一端与控制模块5相连，数据传输线FIFO2的另一端与控制模块5相连；数据传输线FIFO1和FIFO2、控制模块5。

如图5所示，本发明提供的电力参数测试仪的控制模块5控制主程序流程图包括引导程序入口、系统初始化、数据采集子程序、数据处理子程序、显示子程序、判断是否通信、数据通信子程序。

主程序的流程可以表述如下：整个软件主要由以下几部分构成：系统初始化、开中断、信号检测、数据采集程序、FIR(Finite Impulse Response，有限长冲激响应)滤波、FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)运算、显示、通信等。可把软件流程分成三个部分：主程序单元、信号采集与数据处理单元和人机接口单元。

本发明的控制模块5控制主流程如下：首先主程序单元完成自举加载程序，跳转到主程序入口；然后进行相关变量、数据缓冲区、控制寄存器、状态寄存器的初始化；调用事件管理器EV初始化程序；初始化外设扩展中断。

初始化完成后，进入数据采集子程序，数据采集子程序完成的过程为：需对电力多参数三相电压(u1、u2、u3)和三相电流(i1、i2、i3)及零序电流这7路模拟信号进行同步采样检测，A/D模块4把7路模拟信号转换为数字信号送入控制模块5进行数字处理。同时，需把锁相同步电路2的输出信号送入控制模块5得到电网的频率(f)测量信号。

数字处理子程序完成的过程为：把测量的7路数字信号和电网频率信号进行数据处理，即控制模块5通过FIR数字滤波器进行数字滤波，把采集到的数字信号中不需要的高次谐波滤除掉(有用谐波保留)，然后，控制模块5通过FFT运算求出电网中的各种电力参数(电压有效值、电流有效值、频率、谐波、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率等)。

显示子程序完成的过程为：通过控制模块5的I/O口来进行控制指令和显示数据的通讯。可分别显示被测电网电压、电流、功率、功率因数、频率等电力多参数数值。

最后判断是否要求通信，若不要求通信，返回到数据采集子程序之前，若要求通信，则通过USB接口模块9把数据传送给计算机。主要为控制模块5与计算机之间的数据通信，可双向传输数据。

应用实例：

本发明的智能电力参数测试仪，它的硬件电路可采用如下元件：过零比较电路1它主要由运算放大器U1、三极管Q2、光电耦合器U2和外围元件组成，运算放大器U1可共同采用一种运算放大器(如LM339等)，三极管Q2可采用三极管(如9012等)，光电耦合器U2可采用高速光电耦合器(如6N137等)。锁相同步电路2由过零比较电路1、锁相器U3、分频器U4、A/D转换模块4、控制模块5和外围元件组成，锁相器U3可采用CD4046芯片，分频器U4可采用CD4040芯片。信号调理电路3由电压互感器的电压检测电路、电流互感器的电流检测电路、量程转换电路、隔离放大电路等组成。电压互感器可采用选择北京星格公司所生产的SPT204A电压互感器，电流互感器可采用选择北京星格公司所生产的SCT254FK电流互感器，量程转换电路可采用模拟开关CD4052或CD4053芯片，隔离电路可采用高速光电耦合器(如6N137等)隔离，放大电路的运算放大器可共同采用一种运算放大器(如LM339等)。A/D转换模块4可共同采用DSP芯片自带的A/D转换器，或采用TI公司24位工业模数转换器ADS1278芯片。控制模块5它主要由DSP芯片或其它数据处理器、复位电路、时钟电路、仿真接口电路和外存储器扩展电路等组成，DSP芯片可采用TI公司TMS320LF2812、TMS320VC5502或单片机等数字处理芯片，时钟电路的晶振可采用有源晶振CRYSTL_30M，外存储器可采用CY7C1041V33芯片，仿真接口电路的仿真接口可采用标准的IEEE的14端接口芯片。电源6它主要由整流桥、+12V、-5V、+5V、+3.3V四组直流控制电源由集成稳压模块7812、7905和7805等组成，提供给各芯片作为控制电源。输入模块7它可采用标准键盘64键和普通按键组成；数据显示模块8它可采用液晶或数码管显示，(显示可采用HC595三态8位移位寄存器和ULN2003驱动器来驱动数码管或液晶显示)，数据显示模块8它也可采用VPG240128TA-SC-HT-LED04型液晶显示模块，USB接口模块9它可采用AN2131QC接口芯片，控制模块5可通过USB接口模块9与计算机相连接，进行双向数据通讯。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施实例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种智能电力参数测试仪，其特征在于，它包括过零比较电路(1)、锁相同步电路(2)、信号调理电路(3)、A/D转换模块(4)、控制模块(5)、电源(6)、输入模块(7)、数据显示模块(8)和USB接口模块(9)；

过零比较电路(1)输入端与三相电网一相交流模拟输入信号相连，输出端与锁相同步电路(2)的输入端相连；过零比较电路(1)用于将正弦波输入信号转换为同频率的方波信号，并将该信号送入锁相同步电路(2)的输入端；

锁相同步电路(2)的输入端与过零比较电路(1)输出端相连，第一输出端与控制模块(5)的输入端相连，第二输出端与A/D转换模块(4)相连；锁相同步电路(2)输出一个和锁相环输入的电网频率相等的信号，作为频率测量信号输出，并将该信号送入控制模块(5)的输入端处理，同时在分频器时钟输入端得到倍频输出信号，作为A/D转换模块(4)的同步驱动信号；

信号调理电路(3)的输入端与三相电网模拟量输入相连，输出端与A/D转换模块(4)的输入端相连；信号调理电路(3)用于检测三相电网模拟量输入信号，并将该信号送入A/D转换模块(4)模拟输入端；

A/D转换模块(4)模拟一端接收信号调理电路(3)送入的模拟信号，另一端与控制模块(5)输入端相连，并相互交互；A/D转换模块(4)对信号调理电路(3)输入的各种交流信号进行离散采样，并将采样后得到的数字信号送入到控制模块(5)输入端；A/D转换模块(4)还与锁相同步电路(2)的第二输出端相连，作为A/D转换模块(4)的同步驱动信号；

控制模块(5)用于电力多参数测量控制、数据处理、显示、通讯功能；控制模块(5)接收来自A/D转换模块(4)送入的各种电力参数数字信号，控制模块(5)控制A/D转换模块(4)的模数转换过程，并相互交互；控制模块(5)还接收来自锁相同步电路(2)送入的作为频率测量的信号，用于电网的频率测量；控制模块(5)通过相连的输入模块(7)接收用户的控制指令，并根据控制指令对接收的数字信号进行处理；控制模块(5)与数据显示模块(8)相连，分别显示各种电力参数数值；控制模块(5)与USB接口模块(9)相连，控制模块(5)通过USB接口模块(9)把测得的各种电力参数输出给计算机，即实现与计算机进行通讯功能；计算机也通过USB接口模块(9)与控制模块(5)进行通讯，并相互交互；电源电路(6)为电力参数测量仪的各种芯片提供电源；

数据显示模块(8)与控制模块(5)相连，用于电力多参数各种显示功能；USB接口模块(9)一端接收控制模块(5)送入数字信号，另一端与计算机相连；USB接口模块(9)接收控制模块(5)送入数字信号并传输给计算机；也接收由计算机送入的数字信号并传输给控制模块(5)；

计算机一端接收USB接口模块(9)送入的数字信号，同时计算机也通过USB接口模块(9)对控制模块(5)送入数字信号。

2.根据权利要求1所述的智能电力参数测试仪，其特征在于，过零比较电路(1)的结构为；

电阻R1一端与电网A相正弦波模拟电压相连，电阻R1另一端与运算放大器U1的一个输入端相连，电阻R2一端与地相连，电阻R2另一端与运算放大器U1的另一个输入端相连，运算放大器U1输出端与电阻R3的一端相连，电阻R3另一端与三极管Q2的基极相连，三极管Q2发射级与电源VCC相连，三极管Q2集电极分别与电阻R4的一端相连和光电耦合器U2的一个输入端相连；电阻R4的另一端与地相连，电阻R5的一端与电源VCC相连，电阻R5的另一端与光电耦合器U2的另一个输入端相连，光电耦合器U2的一个输出端与和电源VCC相连，光电耦合器U2的另一个输出端分别与电阻R6的一端和锁相同步电路(2)的输入端相连，电阻R6的另一端与电源VCC相连。

3.根据权利要求1所述的智能电力参数测试仪，其特征在于，锁相同步电路(2)的结构为；

锁相器U3的输入端与过零比较电路(1)的输出端相连，锁相器U3的一个输出端分别与A/D转换模块(4)的一端和分频器U4的一个输入端相连；锁相器U3的另一个输出端分别与电阻R7的一端和分频器U4的一个输出端相连，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端和控制模块(5)的一端相连，电阻R8的另一端与地相连。

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