CN103323665B - 一种电能监测前端数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电能监测前端数据采集装置，包括电源模块、数据采集模块、运算放大器、A/D转换芯片、控制模块、以太网控制器和高速通讯总线；所述的数据采集模块采集外部电能信号，数据采集模块的一路输出信号经运算放大器信号调理后传输给A/D转换芯片，另一路输出信号做有源滤波处理后直接传输给A/D转换芯片，A/D转换芯片将接收到的信号转换成数字信号后传输给控制模块，控制模块对接收到的数据做打包处理并将数据包传输给以太网控制器，最后通过高速通讯总线下发给控制设备。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、数据传输可靠、通讯速率块、高速组网等优点。

Description

一种电能监测前端数据采集装置

技术领域

本发明涉及一种电能数据采集、信号处理、数据通讯装置，尤其是涉及一种电能监测前端数据采集装置。

背景技术

电能质量(PowerQuality)，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、电压中断、电压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。顺着智能电网的建设，电能质量的监测的需求日益明显。

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监测精度高、适应能力强、功能强大、功耗低、安装方便的电能监测前端数据采集装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电能监测前端数据采集装置，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、控制模块、以太网控制器和高速通讯总线，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，所述的控制模块通过以太网控制器与高速通讯总线连接；

所述的数据采集模块采集外部电能信号，数据采集模块的一路输出信号经运算放大器信号调理后传输给A/D转换芯片，另一路输出信号做有源滤波处理后直接传输给A/D转换芯片，A/D转换芯片将接收到的信号转换成数字信号后传输给控制模块，控制模块对接收到的数据做打包处理并将数据包传输给以太网控制器，最后通过高速通讯总线下发给控制设备。

所述的电源模块包括AC/DC转换器、电源控制器、锂电池组和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、锂电池组均通过电源控制器与DC/DC转换器连接，所述的DC/DC转换器分别与运算放大器、A/D转换芯片、控制模块及以太网控制器连接。

所述的数据采集模块包括信号传感器、带通滤波器、PLL锁相环电路，所述的信号传感器的输入端连接外部电能信号，信号传感器的输出端分别连接所述运算放大器和带通滤波器，所述的带通滤波器与PLL锁相环电路连接，所述的PLL锁相环电路与所述A/D转换芯片连接。

所述的信号传感器包括电压互感器和电流互感器，所述的外部电能信号包括电压信号和电流信号。

所述的控制模块为DSP芯片，所述的DSP芯片分别与A/D转换芯片和以太网控制器连接；所述的DSP芯片通过SPI高速同步串行接口向A/D转换芯片获取采样数据，并将接收到的数据进行打包、分包、存储，最后依次通过以太网控制器、高速通讯总线发送至控制设备。

所述的电压互感器和电流互感器均为高精度霍尔型隔离互感器。

所述的运算放大器是高精度、高共模抑制比的差分输入运算放大器。

所述的DSP芯片为主频300Mhz的浮点处理芯片。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

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差分运算放大器，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DSP控制芯片最终获取采样的数据；

2)高精度前端信号传感器：本发明的电压、电流采样互感器采用的是高精度霍尔型隔离互感器，在信号进入采样电路的前段霍尔传感器保证了信号的最小失真和最小相移，同时还能采集系统中的直流分量；

3)拥有强大实时处理芯片：本发明的DSP芯片采用的是主频高达300Mhz的实时浮点处理芯片，强大的内核使得数据采集终端能拥有最快捷的数据分析、转发速率；

4)高性能带通滤波电路与PLL电路的结合使用：任何一个采集系统都要有一个采样时间信号基准源，一般的做法是采用A相电压信号作为时间同步信号的基准源，但由于线路上的相移以及谐波的存在使得我们的时间基准源易于受干扰，为了克服这一弊端我们在A相电压的输入端加入了一组高性能滤波电路，该滤波电路保证了设备的输出信号为50HZ的基波频率信号，再将这一信号输入至PLL压控振荡器，就可以将50HZ的电压输入信号提高至任意2n倍的频率，这组倍频信号被用作为A/D芯片的转换启动信号，这套电路的使用保证了DSP所获取的每一个离散信号都是等间隔的，保障了系统时序的稳定性能；

5)高速工业以太网总线：高速工业以太网总线的最大传输速率可达100M，再配合工业以太网交换机可以实现单点对多点或者多点对多点的数据转发，由于基于的是网络协议，所有的组网设备只需要兼容TCP/IP就可以轻松组网；

6)更先进、更有效的数据包打包转发技术：本发明采用的是符合电能质量要求的数据包协议，可以最大效率的传输系统中需要的数据内容；

7)功耗低、有掉电工作的功能：设备内部有锂电池装置，在设备意外掉电后可以持续工作6小时，并提供掉电报警功能。

附图说明

图1为本发明的设备结构示意图；

图2为本发明的功能框图。

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所示，一种电能监测前端数据采集装置，包括电源模块1、数据采集模块2、运算放大器3、A/D转换芯片4、控制模块5、以太网控制器6和高速通讯总线7。电源模块1分别连接数据采集模块2、运算放大器3、A/D转换芯片4、控制模块和以太网控制器6；如图2数据采集模块2包括信号传感器、带通滤波器23和PLL锁相环电路24，信号传感器的一路输出端通过运算放大器3与A/D转换芯片4连接，另一路输出端与带通滤波电路23连接做有源滤波处理，带通滤波电路23的输出端与PLL锁相环电路24连接，PLL锁相环电路24最终作为A/D转换芯片4的启动转换信号连接至A/D转换芯片4；A/D转换芯片4通过控制模块5、以太网控制器6以及数据交换机8与高速通讯总线7连接。上述装置工作时，数据采集模块2采集外部模拟信号，处理后的信号经运算放大器3信号调理后传输给A/D转换芯片4，A/D转换芯片4将接收到的信号转换成数字信号后传输给控制模块5，控制模块5对接收到的数据做打包处理并将数据包传输给以太网控制器6，最后通过高速通讯总线7下发给工业网络内的控制设备。

电源模块1包括AC/DC转换器11、电源控制器12、锂电池组14和DC/DC转换器13，AC/DC转换器11的输入端与外部交流电源连接，AC/DC转换器11的输出端通过电源控制器12与DC/DC转换器13连接，电源控制器12与锂电池组14连接，并通过充电芯片为锂电池组14充电。所述的DC/DC转换器13有3组，第一DC/DC转换器输出±12V电源，其输出端分别与运算放大器3、A/D转换芯片4连接；第二DC/DC转换器输出5V电源，其输出端与控制模块5连接；第三DC/DC转换器3输出5V电源，其输出端与以太网控制器6连接。

数据采集模块2中的信号传感器包括电压互感器21和电流互感器22，它采集外部系统的电流和电压数据，将外部的高压输入信号转换为系统易于识别的低压信号；信号传感器使用的是高精度霍尔型传感器，采样精度高相移小，在各种频率信号下无衰减能识别直流信号。

带通滤波器23采用了专门的带通滤波芯片，该芯片完成了A相电压信号的滤波，通过相位和幅值的调节真实的还原系统中的基波源信号；带通滤波器23的输入端与A相电压信号的跟随电路连接，输出端通过比较电路连接至PLL锁相环电路24。

PLL锁相环电路24采用了专门的锁相环芯片74hct9046，该芯片通过对压控振荡器的调节完成了A相电压信号的倍频处理，在提取基波相位的同时产生出A/D转换芯片所需要的高频信号，PLL锁相环电路24的输入端与带通滤波器23的输出端连接，锁相环的倍频信号与A/D转换芯片4的转换启动控制管脚连接。

运算放大器3采用了高精度、高共模抑制比的差分输入运算放大器；该运算放大器负责了第一级的信号取样，信号的增益设定，运算放大器的输入端通过取样电阻与信号传感器直接连接，运算放大器3的输出端与A/D转换芯片4连接。

控制模块5为以DSP芯片51为核心的逻辑电路，DSP芯片51通过MCBSP接口与A/D转换芯片4连接，通过A/D转换芯片的转换结束信号同步获取实时的A/D转换数据；DSP芯片51以基波的频率信号作为发送数据信号的同步标准源将采集到的数据进行打包、分包、存储，通过SPI接口将数据发送至工业以太网控制器6，并按照网络协议通过数据交换机和高速通讯总线7发送至各控制设备。上述DSP芯片51为主频300Mhz的浮点处理芯片，高速通讯总线7采用的是工业以太网控制总线。

上述电能监测前端数据采集装置应用灵活多变，它可以作电能质量监测设备的前端数据采集装置为电能质量监测设备提供可靠的分析数据，亦可作为一些组网控制设备的远程数据采集模块，同时在同一个系统内每一个数据采集单元可以用于系统不同节点内的数据监测；强大的以太网控制器使得设备能通过标准的以太网数据交换机轻松组网；为整个网络内需要提取电能质量数据的中断设备提供了一个标准可靠地数据交换平台。

Claims (7)

1.一种电能监测前端数据采集装置，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、控制模块、以太网控制器和高速通讯总线，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转换芯片与控制模块连接，所述的控制模块通过以太网控制器与高速通讯总线连接；

所述的数据采集模块采集外部电能信号，数据采集模块的一路输出信号经运算放大器信号调理后传输给A/D转换芯片，另一路输出信号做有源滤波处理后直接传输给A/D转换芯片，A/D转换芯片将接收到的信号转换成数字信号后传输给控制模块，控制模块对接收到的数据做打包处理并将数据包传输给以太网控制器，最后通过高速通讯总线下发给控制设备；

所述的数据采集模块包括信号传感器、带通滤波器、PLL锁相环电路，所述的信号传感器的输入端连接外部电能信号，信号传感器的输出端分别连接所述运算放大器和带通滤波器，所述的带通滤波器与PLL锁相环电路连接，所述的PLL锁相环电路与所述A/D转换芯片连接；

带通滤波器完成了A相电压信号的滤波，通过相位和幅值的调节真实的还原系统中的基波源信号；带通滤波器的输入端与A相电压信号的跟随电路连接，输出端通过比较电路连接至PLL锁相环电路；PLL锁相环电路通过对压控振荡器的调节完成了A相电压信号的倍频处理，在提取基波相位的同时产生出A/D转换芯片所需要的高频信号，PLL锁相环电路的输入端与带通滤波器的输出端连接，锁相环的倍频信号与A/D转换芯片的转换启动控制管脚连接。

2.根据权利要求1所述的一种电能监测前端数据采集装置，其特征在于，所述的电源模块包括AC/DC转换器、电源控制器、锂电池组和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、锂电池组均通过电源控制器与DC/DC转换器连接，所述的DC/DC转换器分别与运算放大器、A/D转换芯片、控制模块及以太网控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种电能监测前端数据采集装置，其特征在于，所述的信号传感器包括电压互感器和电流互感器，所述的外部电能信号包括电压信号和电流信号。

4.根据权利要求1所述的一种电能监测前端数据采集装置，其特征在于，所述的控制模块为DSP芯片，所述的DSP芯片分别与A/D转换芯片和以太网控制器连接；所述的DSP芯片通过SPI高速同步串行接口向A/D转换芯片获取采样数据，并将接收到的数据进行打包、分包、存储，最后依次通过以太网控制器、高速通讯总线发送至控制设备。

5.根据权利要求3所述的一种电能监测前端数据采集装置，其特征在于，所述的电压互感器和电流互感器均为高精度霍尔型隔离互感器。

6.根据权利要求1所述的一种电能监测前端数据采集装置，其特征在于，所述的运算放大器是高精度、高共模抑制比的差分输入运算放大器。

7.根据权利要求4所述的一种电能监测前端数据采集装置，其特征在于，所述的DSP芯片为主频300Mhz的浮点处理芯片。