CN101957401A - 配电电能综合测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种配电电能综合测量方法，包括如下步骤：(1)检测三相电流、电压输入是否有信号，若无，重复步骤(1)，若有，进入步骤(2)；(2)判断时钟定时采集的时刻是否已到，若未到，重复步骤(2)，若已到，进入步骤(3)；(3)采集数据，滤波；(4)判断本次采集是否需要校验，若需要，进入步骤(5)，若不需要，进入步骤(6)；(5)将前述采集的数据乘以校正因子；(6)利用基于复序列FFT算法进行计算；(7)与限定值比较判断是否越界，并将越界数据存储。此种测量方法可实时测量三相电流、三相电压的相关参数，并进行分析处理，判断数据是否越界，确保电网稳定运行。本发明还公开一种配电电能综合测量仪。

Description

配电电能综合测量仪及测量方法

技术领域

本发明属于用电领域，特别涉及一种可有效测量配电电能的测量仪器及测量方法。

背景技术

20世纪六七十年代以来，由于大功率变流设备和电子调压设备的广泛应用，大量家用电器普遍采用晶闸管以及其它各种非线性负荷，导致电力系统波形畸变日益严重，再加上竞争和充分利用电工材料，对电工设备日益倾向于采用在其磁化曲线临界情况下甚至在饱和区段工作，导致这些电力设备的励磁电流波形严重畸变，严重危及电力系统安全运行，从而使谐波问题倍受各国的重视和关心。在我国，随着经济的迅猛发展，电气化铁道的发展、化工、冶金、煤炭等工业部门中大量应用电力电子技术和引进国外的先进设备，以及在节能工程中电力电子技术的应用等等，在带来技术经济上一系列效益的同时，也使电网的谐波含量大大增加，电网波形畸变越来越严重。谐波对电力系统电磁环境的污染不仅危害系统本身的安全，而且对广大电力用户的危害面也是十分广泛。

为了保障电子设备的可靠运转，加速推广节能高效的电力电子技术的应用，亟需能够对电力系统中的谐波进行测量的自动化装置，为了满足这种需要，本案发明人对谐波测量及分析装置进行深入研究，本案由此产生。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种配电电能综合测量仪及测量方法，其可实时测量三相电流、三相电压的相关参数，并进行分析处理，判断数据是否越界，确保电网稳定运行。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种配电电能综合测量方法，包括如下步骤：(1)检测三相电流、电压输入是否有信号，若无，重复步骤(1)，若有，进入步骤(2)；(2)判断时钟定时采集的时刻是否已到，若未到，重复步骤(2)，若已到，进入步骤(3)；(3)采集数据，滤波；(4)判断本次采集是否需要校验，若需要，进入步骤(5)，若不需要，进入步骤(6)；(5)将前述采集的数据乘以校正因子；(6)利用基于复序列FFT算法进行计算；(7)与限定值比较判断是否越界，并将越界数据存储。

一种配电电能综合测量仪，包括AD采集模块、计算模块、显示模块、键盘模块、通讯模块、存储模块、时钟模块和逻辑控制模块；AD采集模块采样三相电流、电压后，送入计算模块；计算模块对前述三相电流、电压进行数据处理后，在逻辑控制模块的控制下，一方面将计算结果送入显示模块进行显示，另一方面将越界数据送入存储模块；逻辑控制模块还通过通讯模块与外界进行通讯；键盘模块和时钟模块均与计算模块连接。

上述AD采集模块包括电流变换器、电压变换器、滤波电路和ADC模块，三相电流、三相电压分别经电流变换器、电压变换器后，再经滤波电路、ADC模块，进入计算模块。

上述显示模块采用LCD显示模块。

上述通讯模块采用RS232/485通讯模块。

采用上述方案后，本发明通过采样三相电流、三相电压，并进行相关处理后，与标准值进行比较后，一方面将比较结果进行显示，同时存储越界数据，具有以下优点：

(1)测量三相电流、电压的幅值，有效值，可防止电压过高对用电设备造成危害。用电设备设计在额定电压时性能最好、效率最高，但当电压偏离额定值时，其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命，当电压偏差超过一定值时，会引起设备的损坏；

(2)鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量；

(3)可对电气设备在调试、投运过程中的谐波进行测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全经济运行；

(4)可进行谐波故障或异常原因的测量，谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等；

(5)通过测量相位，有功功率，无功功率和视在功率的测量计算，可以优化配置电力设备，提高功率因素；

(6)通过测量检测出电力系统不稳定的原因，从而通过必要的手段，如继电保护，电网滤波，反馈控制等使电网稳定运行。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的系统框图；

图2是本发明较佳实施例中AD采集模块的结构示意图；

图3是本发明较佳实施例的流程图。

具体实施方式

参考图1所示，是本发明一种配电电能综合测量仪的结构连接框图，包括AD采集模块1、计算模块2、显示模块3、键盘模块4、通讯模块5、存储模块6、时钟模块7和逻辑控制模块8，在本文所示的较佳实施例中，采用高速数字信号处理器DSP2407，其中综合了AD采集模块1、计算模块2、显示模块3、键盘模块4、通讯模块5、存储模块6和时钟模块7，而逻辑控制模块8采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)，具体选用ALTERA公司的EPM7128AETC100-10，它属于MAX7000A系列，以第二代多阵列矩阵结构为基础，是一种高性能、高密度的COMS EEPROM器件。

AD采集模块1包括电流变换器11、电压变换器12、滤波电路13和ADC模块14，参考图2所示，待测线路上的三相交流电压和交流电流分别经过电流变换器(CT)11、电压变换器(PT)12后变成范围在-5V～+5V的交流电压信号，送入ADC模块14，ADC模块14完成采样保持、模数转换，结果送入计算模块2。计算模块2对前述三相电流、电压进行数据处理后，在逻辑控制模块8的控制下，一方面将计算结果送入显示模块3进行显示，另一方面将越界数据送入存储模块6；逻辑控制模块8还通过通讯模块5与外界进行通讯；键盘模块4和时钟模块7均与计算模块2连接。

显示模块3用于直观查询装置记录的各项不合格电能质量指标数据，其液晶屏幕选用为128×64点阵液晶，绿色背光显示。键盘模块4和显示模块2一起作为现场的人机界面，可以对该装置的电能质量参数进行设置、调整以及查询。显示模块3具体采用MGLS12864T-HT模块，它是内藏东芝公司的T6963C控制芯片的128×64点阵的LCD。在LCD控制板中有行列驱动器、8KBRAM、控制电路和时序电路等。通过对控制器的编程，实现点阵式LCD的各种应用，显示本实施例需要的文本、图形、数字、字母、特殊字符及汉字。

在保证能完成各种功能的情况下，为了使操作简单，选用尽量少的按键数(本实施例选用4个)，采用独立式按键结构，实行功能复用。本装置的按键部分直接采用DSP的I/O口作为输入。按键扫描方式采用查询方式，即在程序中对相应I/O口状态进行查询，确认是否有键按下，然后调用相应的按键处理程序。

为了实现装置与外部进行不同方式的数据通信，设计多种通信接口。通过RS-232方式可以实现装置与GPRS MODEM之间的通信；RS-485方式使得本装置能够同其他电表设备进行现场通信；本系统采用专门的异步通信芯片TLIUC550来扩展LF2407A的串口，可以避开采用MCBSP来实现串行通信的缺点，使DSP器件实现稳定、准确的串行通信。TLIUC550的主要功能是接收外设或者调制解调器来的串行数据，并将它们转换成并行数据送给DSP；接收从DSP来的并行数据，并将它们转换成串行数据发送出去。

为节省电路板资源，逻辑控制模块8采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)，CPLD在整个电路中的逻辑控制包括：对DSP中断的管理，对DSP存储空间的选择和读写控制，对AD采样和采样数据传输的控制，对外部扩展存储器访问的控制，对LCD显示的控制，对键盘输入的响应控制，对通信接口的控制。

另外，本实施例还在DSP设置许多外围电路，如电平转换电路，由于LF2407A的接口电源为3.3V，其输入引脚不能与5V TTL、CMOS电路连接。且本实施例中的存储器、A/D转换、通信、显示器等电路是5V TTL/CMOS逻辑电平，信号不能直接送入LF2407A，因此在LF2407A与其它电路之间需设计电平转换电路。数据总线电平转换采用TI公司的SN74LVTH16245，其是16bit或2×8bit的三态放大电平转换器件，可以为3.3V CMOS电路和5VTTL/CMOS电路提供双向电平转换；再者，还包括地址缓冲电路，由于FLASH的访问时间为70ns，所以在DSP读、写FLASH时，必须在其中设置地址缓冲驱动器，本实施例中采用TI公司的SN74LVTH16244，其是一款3.3V供电的16bit缓冲器，能为5V TTL电路系统提供接入的能力，有效的总线保持电路可以使输入的信号维持在有效的电平。

本实施例还扩展有若干外部存储器，以下分别进行说明。

(1)FLASH存储器

DSP片内存储器容量是有限的，故采用分页方式扩展DSP数据存储空间，FLASH选用M29W404BT芯片，其访问速度为70ns，在DSP访问FLASH时需要设置7个软件等待状态，写入速度为10μs每字节，可重复擦写100000次，其存储容量为256K×16bit，可以在掉电情况下，保存数据长达20年。

(2)EEPROM存储器

系统外扩一片512Kbit的EEPROM，用来存储固定数据参数：电压变比、电流变比、出厂时间参数、密码等。EEPROM采用ATMEL公司的AT24C512，是ATMEL公司新近推出的具有I2C总线，容量达512Kbit(64K×8)的EEPROM。本系统采用8引脚PDIP封装的T24C512；3.3V供电，通过串口与DSP的串口MCBSPS1实现互连，它们之间以I2C总线协议进行数据传输，数据可保存40年。

(3)SRAM存储器

除FLASH和EEPROM以外，DSP处理器还外扩两片64K×16bit SRAM存储器，一片作为外部程序运行空间，一片作为外部数据空间。SRAM芯片选用CY7C1021BV33-12ZC。采用3.3V供电，其访问时间为12ns，数据线和地址线可以实现和DSP直接连接，中间无需设置软件等待时间或硬件缓冲器。

本实施例中所示结构还设有其它功能模块，分别为：实时时钟模块、电源和看门狗电路。

实时时钟模块选用DS1305，采用3.3V供电，接有备用3.0V电源，保证在装置断电后，时钟的正常走动；时间数据包括年、月、日、小时、分钟、秒。DS1305与外围设备的通信方式有两种：串口通信和3-WIRE通信，通过引脚SEMODE来选择，SEMODE接VCC时选择串口通信，接地时选择后者。LF2407A利用MCBSPS0来实现与DS1305的通信，包括对时间的初始设置和实时时钟数据的读取。

整个系统需要的电源等级有+5V、-5V和3.3V。装置内设一开关电源，开关电源输入为单相交流220V电压(取自三相被测电压中的一相)，输出为双路隔离+5V电压，接线时，将一路+5V输出正负反接，作为-5V输出。DSP的工作电源3.3V、1.8V通过专用的电源芯片来提供，这里选用PS767D318，其是专门为DSP设计的，采用5V供电，具有双电压输出3.3V、1.8V，输出电流范围0mA～1A可调。

为了提高系统的可靠性和精确性，需设计看门狗电路。MAX705作为电源管理芯片，内部有一个定时器，最大定时1.6秒。这里将WDI接DSP的XF引脚，其值由软件编程来改变，当软件进入死循环跑飞时，XF引脚的值将不能及时改变，当时间超过1.6秒时，就会产生复位。

本发明还公开一种配电电能综合测量方法，参考图3所示，包括如下步骤：

(1)检测三相电流、电压输入是否有信号，若无，重复步骤(1)，若检测到有三相信号，进入步骤(2)；

(2)判断时钟定时采集的时刻是否已到，若未到，重复步骤(2)，若已到，进入步骤(3)；

(3)采集数据，并进行软件滤波；

(4)判断本次采集是否需要校验，若需要(表示当前输入信号是标准信号，电压100V，电流5A)，进入步骤(5)，若不需要，进入步骤(6)；

(5)将前述采集的数据乘以校正因子；

(6)利用FFT算法进行计算；

(7)与限定值比较判断是否越界，并将越界数据存储。

Claims (5)

1.一种配电电能综合测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)检测三相电流、电压输入是否有信号，若无，重复步骤(1)，若有，进入步骤(2)；

(2)判断时钟定时采集的时刻是否已到，若未到，重复步骤(2)，若已到，进入步骤(3)；

(3)采集数据，滤波；

(4)判断本次采集是否需要校验，若需要，进入步骤(5)，若不需要，进入步骤(6)；

(5)将前述采集的数据乘以校正因子；

(6)利用基于复序列FFT算法进行计算；

(7)与限定值比较判断是否越界，并将越界数据存储。

2.一种采用前述配电电能综合测量方法的配电电能综合测量仪，其特征在于：包括AD采集模块、计算模块、显示模块、键盘模块、通讯模块、存储模块、时钟模块和逻辑控制模块；AD采集模块采样三相电流、电压后，送入计算模块；计算模块对前述三相电流、电压进行数据处理后，在逻辑控制模块的控制下，一方面将计算结果送入显示模块进行显示，另一方面将越界数据送入存储模块；逻辑控制模块还通过通讯模块与外界进行通讯；键盘模块和时钟模块均与计算模块连接。

3.如权利要求2所述的配电电能综合测量仪，其特征在于：所述AD采集模块包括电流变换器、电压变换器、滤波电路和ADC模块，三相电流、三相电压分别经电流变换器、电压变换器后，再经滤波电路、ADC模块，进入计算模块。

4.如权利要求2所述的配电电能综合测量仪，其特征在于：所述显示模块采用LCD显示模块。

5.如权利要求2所述的配电电能综合测量仪，其特征在于：所述通讯模块采用RS232/485通讯模块。

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