CN103176066A - 数字化电能质量监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字化电能质量监测装置，包括电源模块、数据采集模块、运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片和显示屏；所述的数据采集模块的输出端与运算放大器连接，所述的运算放大器通过A/D转换芯片与控制芯片连接，所述的控制芯片与显示屏连接；所述的数据采集模块采集外部电流和电压数据，经运算放大器信号调理后传输给A/D转换芯片，该A/D转换芯片将其转换成数字信号后传输给控制芯片，控制芯片对接收到的数据继续计算得到电能质量数据，显示屏需要显示时，控制芯片将相应电能质量数据发送给显示屏进行显示。与现有技术相比，本发明具有数据监测精度高、适应能力强、功能强大、功耗低、安装方便等优点。

Description

数字化电能质量监测装置

技术领域

本发明涉及一种电能检测相关技术，尤其是涉及一种数字化电能质量监测装置。

背景技术

电能质量(Power Quality)，从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

随着国民经济的发展和人民生活的提高，对电能质量的要求不断提高，对电能质量标准的要求也在不断提高。近年来，国家发布了一批电能质量标准，基本适应了供需双方在生产运行中的要求。

之前，行业中的电力表计主要测量的都是电压、电流这些基本数据，不能有效的监测电力系统中三相不平衡、系统谐波分析、电压波动与闪变等电能质量数据。因此不能对电网中的系统情况做一个完善的分析。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种数据监测精度高、适应能力强、功能强大、功耗低、安装方便的数字化电能质量监测装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，包括电源模块、数据采集模块、运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片和显示屏；所述的数据采集模块的输出端与运算放大器连接，所述的运算放大器通过A/D转换芯片与控制芯片连接，所述的控制芯片与显示屏连接；

所述的数据采集模块采集外部电流和电压数据，经运算放大器信号调理后传输给A/D转换芯片，该A/D转换芯片将其转换成数字信号后传输给控制芯片，控制芯片对接收到的数据继续计算得到电能质量数据，显示屏需要显示时，控制芯片将相应电能质量数据发送给显示屏进行显示。

所述的电源模块包括AC/DC转换器和DC/DC转换器，所述的AC/DC转换器的输入端与外部交流电源连接，所述的AC/DC转换器的输出端分别与DC/DC转换器的输入端、显示屏连接，所述的DC/DC转换器的输出端分别与运算放大器、A/D转换芯片连接。

所述的数据采集模块包括电压互感器和电流互感器。

所述的控制芯片包括DSP、ARM、存储器和外扩通讯接口，所述的DSP的电源输入端与AC/DC转换器连接，所述的DSP的信号输出端与ARM连接，所述的ARM分别与存储器、外扩通讯接口连接；

所述的DSP将接收到的电压电流数字信号转换成各种电能质量数据，并将数据发送给ARM，所述的ARM将接收到的数据进行打包、分包、存储，并将处理后的数据通过外扩通讯接口上传。

所述的外扩通讯接口包括232通信接口、485通信接口、CAN总线接口、USB接口和以太网接口，所述的232通信接口与显示屏连接。

所述的电能质量数据包括三相不平衡数据、谐波分析数据和电压波动与闪变数据。

所述的存储器包括Flash存储器和外部直插的SD卡存储器。

所述的显示屏为触摸液晶显示屏，该触摸液晶显示屏可显示实时数据界面、谐波分析界面、电能质量数界面、波形显示界面、柱状图显示界面、数据下载界面和参数设置界面。

所述的电压互感器为隔离电压互感器，所述的电流互感器为隔离电流互感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、高精度的数据转换，本发明采用16位6通道的A/D转换器芯片和误差仅为千分之几的运算放大器，数据采集通过运算放大器，再传传输到到高精度的A/D转换芯片，并由控制芯片最终通过计算精确的数据；

2、适应现场环境的能力强，本发明的电流采样通过外部外接互感器的方式进行数据的采集，具有很高的可变性和适应性，根据现场环境的不同情况，配以不同的外部互感器；

3、拥有大容量的存储功能和保存数据下载功能，本发明内部配有大容量的数据存储芯片，可供存储几个月之久的历史数据，这类历史数据都是测量现场电力系统中的各类电能质量，并且所保存的各种历史数据均可通过USB端口下载到U盘中；

4、丰富的数据及图形显示，本发明可以显示大量的电能质量数据，例如电压、电流畸变率、1～50次谐波、电压不平衡以及电流不平衡等，这些都是传统电力表计所不具有的电能质量数据，并且本发明采用了高分辨率的触摸式液晶显示屏，使用更便捷，显示的界面更友好，不用界面间的切换操作更流畅；

5、多种参数可设，本发明提供了种类繁多的参数，可供用户针对不用的测量对象进行相应的设置，大大增加了监测仪使用的灵活性，相对于传统电力表计，在使用上更便捷；

6、丰富的外部通讯端口，组网轻松，本发明采用了总线结构，可扩展各种通讯接口，与电脑以及其他多种上位机平台进行通讯，使用户不在设备安装现场即可通过上位机平台观察数据，方便用户使用；

7、核心芯片的功能强大，本发明采用最现代的微处理器和和数字信号处理技术，DSP芯片的数据处理功能强大，能迅速的对所采样的数据进行计算和分析，并且能同时处理大批量数据，而ARM芯片在硬件的控制上很有优势，响应速度很快，能够很流畅的响应触摸屏的按键操作，并且有丰富的外扩功能；

8、更先进，更有效的算法，本发明采用新型的快速傅里叶分析与瞬时无功相结合，能够快速准确的提取芯片采样的所得到的谐波含量的数据，达到准确的谐波分析的效果。并且本发明采用全数字化的闪变与波动分析，较之传统的模拟量分析更有效，更快速，集成化更高；

9、功耗非常低，正常工作时，功耗小于5VA；

10、安装方便，只需要与被测设备的三相电压、以及与外界互感器的连接，即可正常工作，无须再外设其他设备连接

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的数据流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、图2所示，一种数字化电能质量监测装置，包括电源模块、数据采集模块3、运算放大器4、A/D转换芯片5、控制芯片6和显示屏7；所述的数据采集模块3的输出端与运算放大器4连接，所述的运算放大器4通过A/D转换芯片5与控制芯片6连接，所述的控制芯片6与显示屏7连接；

所述的数据采集模块2采集外部电流和电压数据，经运算放大器4信号调理后传输给A/D转换芯片5，该A/D转换芯片5将其转换成数字信号后传输给控制芯片6，控制芯片6对接收到的数据继续计算得到电能质量数据，显示屏7需要显示时，控制芯片6将相应电能质量数据发送给显示屏7进行显示。

所述的电源模块包括AC/DC转换器1和DC/DC转换器2，所述的AC/DC转换器1的输入端与外部交流电源连接，所述的AC/DC转换器1的输出端分别与DC/DC转换器2的输入端、显示屏7连接，所述的DC/DC转换器2的输出端分别与运算放大器4、A/D转换芯片5连接。AC/DC转换器1将外部输入交流220V电压转换为直流5V和12V，直流12V电压给显示屏7作为工作电压。而DC/DC转换器2将AC/DC转换器1的输出的直流5V电压换成A/D转换芯片5、运算放大器4的工作电压。从电源着手我们采用了近端供电的DC/DC转换器2，这样可以大大的提高设备的现场适应性与工作稳定性。上述DC/DC转换器2采用隔离稳压双路输出，上述AC/DC转换器1为小体积开关模块电源。

所述的数据采集模块3包括电压互感器和电流互感器。所述的电压互感器为隔离电压互感器，所述的电流互感器为隔离电流互感器。

所述的控制芯片6包括DSP61、ARM62、存储器63和外扩通讯接口64，所述的DSP61的输入端与AC/DC转换器5连接，所述的DSP61的输出端与ARM62连接，所述的ARM62分别与存储器63、外扩通讯接口64连接；所述的DSP61将接收到的电压电流数字信号转换成各种电能质量数据，并将数据发送给ARM62，所述的ARM62将接收到的数据进行打包、分包、存储，并将处理后的数据通过外扩通讯接口上传。所述的电能质量数据包括三相不平衡数据、谐波分析数据和电压波动与闪变数据。所述的外扩通讯接口64包括232通信接口、485通信接口、CAN总线接口、USB接口和以太网接口，所述的232通信接口与显示屏连接。

所述的存储器63包括Flash存储器和外部直插的SD卡存储器。其中Flash存储具有存储芯片的体积小、结构简单的优点，但是其所能扩展的存储容量较小。而SD卡存储的存储容量比较大，可以达到几G的存储量，但是其器件的所占用的空间比较大。本发明的扩展的数据存储功能中所保存的数据均可通过USB接口下载至U盘中。

所述的显示屏7为触摸液晶显示屏，该触摸液晶显示屏可显示实时数据界面、谐波分析界面、电能质量数界面、波形显示界面、柱状图显示界面、数据下载界面和参数设置界面。

如图2所示，为本发明的工作流程。设备开机后，数据采集模块3即开始通过外部互感器进行数据采集，经过运算放大器4和A/D转换芯片5后将数字信号传输给控制芯片6，控制芯片6采集一个周波的数据后开始进行数据的计算，这就是默认工作状态下表计的数据采集和计算流程。

在进行触摸液晶显示屏的翻页操作后，程序开始判断按键的功能。当程序判断按键操作为进入实时数据界面、谐波分析界面、电能质量数界面时，触摸液晶显示屏翻页至上述3种数据显示的页面，并同时向控制芯片6读取该数据页面所需要的数据然后进行显示。

当程序判断按键操作为波形显示界面、柱状图显示界面时，触摸液晶显示屏翻页至上该图形显示的页面；在波形显示界面，触摸液晶显示屏向控制芯片6读取实时的波形点位，将三相电压、三相电流的波形显示在屏幕上；在柱状图显示界面时，触摸液晶显示屏向控制芯片6读取各次谐波含量的数据，并参照基波的数据，将各次谐波表的大小以一个百分比的形式通过柱状图直观的显示在屏幕上。

当程序判断需要进入数据下载界面时，触摸液晶显示屏翻页至该界面。在该页面中用户可选择当前实时数据的下载以及一个历史数据的下载。当用户选择实时数据下载时，U盘中将生成一个实时数据的文本文档，控制芯片6将当前计算出的实时数据通过USB接口传输到U盘内的实时数据文本文档中。

当用户选择历史数据的下载时，程序会根据存储芯片中保存的数据的日期，在U盘中生成相应日期的文本文档，并且控制芯片6读取存储芯片中保存的历史数据，并将这些数据根据日期保存到U盘中相应的文本文档中。

当程序判断需要进入参数设置界面时，触摸液晶显示屏翻页至该界面。此时用户可根据不同需要修改和设置参数，在点击保存按钮后，电能质量监测仪回到初始界面的显示，程序回到主程序的开头，根据参数设置的值重新开始一个流程的运行。

现场应用：

本发明应用灵活多变，它可以作为仪表单独使用，亦可作为智能电网监控系统的前端原件，用以实现远程数据采集和信息汇总。工业标准的RS-485通讯接口和Modbus通讯协议，使得组网轻松便捷，并且通过USB现场数据下载功能、让您更方便的分析了解现场电能状况。不论应用于何种现场环境，电能质量监测仪只许从被采样端引入三相电压、三相电流的采样线，以及一组交流220V的供电线路，即可正常进行工作。

本发明作为一种先进的智能化、数字化的电网前端采集原件，可以应用于各种控制系统，能源管理系统，变电自动化，配电网自动化，小区电力监控监控，工业自动化，智能建筑，智能配电盘，开关柜。具有安装方便，接线简单，维护方便，工程量小，数据采集精度高，数据处理迅速，控制系统稳定，组网轻松，抗干扰性强，现场USB数据下载等特点。并且由于本发明采用了先进的数字化系统，因此产品的结构较由模拟器件组成的传统表计更精简，整体产品的成本控制机更合理，造价更便宜。产品的使用群体和适用面更广。

Claims (9)

1.一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，包括电源模块、数据采集模块、运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片和显示屏；所述的数据采集模块的输出端与运算放大器连接，所述的运算放大器通过A/D转换芯片与控制芯片连接，所述的控制芯片与显示屏连接；

所述的数据采集模块采集外部电流和电压数据，经运算放大器信号调理后传输给A/D转换芯片，该A/D转换芯片将其转换成数字信号后传输给控制芯片，控制芯片对接收到的数据继续计算得到电能质量数据，显示屏需要显示时，控制芯片将相应电能质量数据发送给显示屏进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，所述的电源模块包括AC/DC转换器和DC/DC转换器，所述的AC/DC转换器的输入端与外部交流电源连接，所述的AC/DC转换器的输出端分别与DC/DC转换器的输入端、显示屏连接，所述的DC/DC转换器的输出端分别与运算放大器、A/D转换芯片连接。

3.根据权利要求1所述的一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，所述的数据采集模块包括电压互感器和电流互感器。

4.根据权利要求1所述的一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，所述的控制芯片包括DSP、ARM、存储器和外扩通讯接口，所述的DSP的电源输入端与AC/DC转换器连接，所述的DSP的信号输出端与ARM连接，所述的ARM分别与存储器、外扩通讯接口连接；

所述的DSP将接收到的电压电流数字信号转换成各种电能质量数据，并将数据发送给ARM，所述的ARM将接收到的数据进行打包、分包、存储，并将处理后的数据通过外扩通讯接口上传。

5.根据权利要求4所述的一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，所述的外扩通讯接口包括232通信接口、485通信接口、CAN总线接口、USB接口和以太网接口，所述的232通信接口与显示屏连接。

6.根据权利要求4所述的一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，所述的电能质量数据包括三相不平衡数据、谐波分析数据和电压波动与闪变数据。

7.根据权利要求4所述的一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，所述的存储器包括Flash存储器和外部直插的SD卡存储器。

8.根据权利要求1所述的一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，所述的显示屏为触摸液晶显示屏，该触摸液晶显示屏可显示实时数据界面、谐波分析界面、电能质量数界面、波形显示界面、柱状图显示界面、数据下载界面和参数设置界面。

9.根据权利要求3所述的一种数字化电能质量监测装置，其特征在于，所述的电压互感器为隔离电压互感器，所述的电流互感器为隔离电流互感器。

Images