CN103383443B - 智能电网用模块化三相仪表检定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能电网用模块化三相仪表检定装置，包括：一输入接口，输入接口连接一信号调理模块，信号调理模块连接一数据分析处理模块，数据分析处理模块连接一人机对话模块，人机对话模块分别连接电压电流波形控制模块和三相相角采样模块；一输出接口，输出接口分别连接电压电流波形控制模块和三相相角采样模块，电压电流波形控制模块和三相相角采样模块之间连接有三相波形发生模块，三相波形发生模块连接一功放输出变压器模块，功放输出变压器模块连接输出接口；通过一定的通讯模式实现模块连接，有利于提高系统的维护便捷性和使用的多样化。

Description

智能电网用模块化三相仪表检定装置

技术领域

本发明涉及电路设备技术领域，具体的来说涉及一种智能电网用模块化的三相仪表检定装置。

背景技术

电工仪器仪表在电力工业中应用广泛，产品的技术性能和质量直接影响着电力用户的使用效果。因此在实际使用过程中，需要经常地对这些担负着监测电网运行的各类电工仪器仪表进行检定和测试，以保证电网系统运行的可靠性和精确度。

通过知识产权查新，我们没有发现有效的三相标准功率源的相关专利。而与三相电工检定设备相关的技术标准主要就是国家标准GB6592-86《电子测量仪器误差的一般规定》、JJG780-92《交流数字功率表检定规程》、GJB/J5857-2006《交流标准功率源检定规程》等，对产品的电气安全性能要求和试验方法主要参照国家标准GB4793.1-1995《测量、控制和试验室用电气设备的安全要求第1部分：通用要求》、JJG124-2005《电流表、电压表、功率表及电阻表》等，并没有建立特定的针对三相电工标准检定装置的技术标准。

目前电工仪器仪表的技术向着智能化、系统化、小型化、综合化方向发展，新型元器件或模块的诞生，FPGA和ispPAC的广泛应用，以及MCU的处理速度越来越快，使单一仪表的功能越来越强、指标越来越高、体积越来越小，并且保留了组成各种测试系统的通讯接口，人机对话界面也更直观、便捷。自动测试系统具有自诊断功能和自动报警功能，并可以图示化，包括图形显示功能和图形分析功能，成为电工仪器仪表发展的一个主流方向。另外，电工仪表还可以通过电测手段、传感器等向非电量电测仪表扩张，不再完全局限在电磁测量本身。

2008年以来，国际金融危机和智能电网及电力用户信息采集系统建设对电工仪器仪表行业带来重大影响。作为智能电网中的重要一环，电能计测设备包括电能表、电量变送器、指示仪表及各类采样设备都将向多参数智能信息采样终端方向发展。智能终端集中信息采样、统一调用、分布式处理等功能，按需传输、存储与显示，并具有即插即用与自适应功能。在过去的几年里，精确校准电能的意义变得日益重要。随着政府管制范围的缩小，加剧的竞争和更多跨电网供电输送的出现，进行更多更频繁的高准确度测量的必要性变得空前重要。

然而，电能表的校准一直是一项需要一系列的测试仪器联合才可完成的工作，包括电压源、电流源、参考电能表和脉冲比较器等。这本身不但对整个电能表校准过程的不确定度有不利影响，并且其实行和维护也是昂贵的。因此在实际需求中，多功能的检定装置或者源表一体化成为应用的重点。

2011年初，很多用户对新换的数字式电表提出质疑，实际上也是对电能表的精确检定提出了更高的要求，说明社会需要更多的标准检定设备用于相关产品的质量检测和周期性的检定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种智能电网用模块化三相仪表检定装置。

智能电网用模块化三相仪表检定装置，其特征是，包括：

一输入接口，输入接口连接一信号调理模块，信号调理模块连接一数据分析处理模块，数据分析处理模块连接一人机对话模块，人机对话模块分别连接电压电流波形控制模块和三相相角采样模块；电压电流波形控制模块采集人机对话模块的三相电压电流幅值控制字，三相相角采样模块采集人机对话模块的三相相位控制字和频率控制字；

一输出接口，输出接口分别连接电压电流波形控制模块和三相相角采样模块，电压电流波形控制模块和三相相角采样模块之间连接有三相波形发生模块，三相波形发生模块连接一功放输出变压器模块，功放输出变压器模块连接输出接口；所述电压电流波形控制模块对输出接口进行幅值采样，所述三相相角采样模块对输出接口进行相位采样；三相波形发生模块采集电压电流波形控制模块的三相电压电流幅值信号，三相波形发生模块采集三相相角采样模块的相位控制字和频率控制字。

电压电流波形控制模块的主控芯片拟采用STC89C51系列处理器。

三相相角采样模块将两个正弦波波形经处理后成为方波信号，相与后产生相位差信号，再经过整形滤波后转换为直流电平，该直流电平与由相角控制字控制的一个的DAC输出信号相比较，如果相位锁定则比较器输出的信号将趋向于零伏电平。

三相波形发生模块，主要是由FPGA模块和DAC电路组成的，其中FPGA模块由频率发生DDS模块、三相电压相位及各相电流相位设置模块、多路选择器MUX、双端口波形数据RAM、上位机接口。

功率放大器供电采用AC/DC开关电源。

有益效果，本发明是通过应用模块化技术，构建多功能的程控三相检定设备，包括三相标准源和数字表，以高精度、高稳定度、低维护成本的特点，提供适用于电力系统的电测、热工、远动、调度等需要测量、检验及高精度标准信号源及其它需要高精度标准信号源进行测量、检验场合的装置。

主要优点在于：

高精度：本项目的技术指标在国内同类产品中处于领先地位，基本的输出精度都控制在0.05%以内，完全满足计量的需要。

高稳定度：三相功率源的电压、电流、相位输出均采用闭环控制，短期稳定度达到0.01%量程，长期稳定度达到0.02%量程。

低成本：采用可编程器件，大大减少了分立器件的使用，简化了电子线路，也降低了维护成本。采样电路采用电流互感器代替精密电阻，进一步降低了生产成本。

本项目的创新点体还现在以下几个方面：

模块化，

装置是由包括电源、数字波形发生器、相位采样及控制、功率放大、信号预处理、人机交互等模块构成，通过一定的通讯模式实现模块连接，有利于提高系统的维护便捷性和使用的多样化。

高速MCU的应用，

主要模块都有高速MCU控制，一方面有利于模块内部数据处理的速度，另一方面也提高了模块间数据传输的可靠性。

现场可编程器件的应用

FPGA和ispPAC的应用，以近似于标准件的模式实现了更广泛的使用范围及更灵活的电路构成。以其具有的低工作电压、低功耗等优良特性，可极大地减小检定装置的体积和功耗。而独有的现场可编程能力，对于提高仪器仪表的智能化程度和自适应能力等作用非常明显，可以实现精确的自动调谐和自动增益控制，提高抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明所述的智能电网用模块化三相仪表检定装置原理图。

图2为本发明所述的电压电流控制模块原理示意图。

图3为本发明相角采样控制原理图。

图4为本发明三相波形发生示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参看图1，智能电网用模块化三相仪表检定装置由电源、数字三相波形发生器、相位采样及控制、功率放大、信号预处理、数据分析、人机对话等模块构成。系统内部采用高性能的微机并使用嵌入式操作系统，以保证仪器界面友好易操作；大规模FPGA模块应用于产生可精确控制的波形，既利于研制、开发、升级，又利于调试、维修.仪器实现了电压闭环，电流闭环及相角闭环，从而保证低漂移及年稳定度。此外，仪器备有RS232接口可方便地与PC机连接，适用于自动测试系统。

具体包括：

一输入接口，输入接口连接一信号调理模块，信号调理模块连接一数据分析处理模块，数据分析处理模块连接一人机对话模块，人机对话模块分别连接电压电流波形控制模块和三相相角采样模块；电压电流波形控制模块采集人机对话模块的三相电压电流幅值控制字，三相相角采样模块采集人机对话模块的三相相位控制字和频率控制字。

一输出接口，输出接口分别连接电压电流波形控制模块和三相相角采样模块，电压电流波形控制模块和三相相角采样模块之间连接有三相波形发生模块，三相波形发生模块连接一功放输出变压器模块，功放输出变压器模块连接输出接口；所述电压电流波形控制模块对输出接口进行幅值采样，所述三相相角采样模块对输出接口进行相位采样；三相波形发生模块采集电压电流波形控制模块的三相电压电流幅值信号，三相波形发生模块采集三相相角采样模块的相位控制字和频率控制字。

本实施例采用模块化设计，其中：

人机对话模块

人机对话采用现有市售的液晶显示模块，配以必要的按键及开关等，其控制部分采用ARM嵌入式系统或其它等效电路，软件采用μC/OS-II操作系统及ZLGGUI控件编写。主要功能是实现对检定装置的输入输出设置以及状态参数和图形的显示。如果数据分析的量不是很大的话，可以直接由本模块进行处理。

电压电流波形控制模块

电压电流波形控制模块的原理如图2所示，主控芯片拟采用集成度较高、可扩展能力较强、抗干扰能力较强的STC89C51系列处理器，结构可以得到简化，同时，校正数据可以储存CPU自带的FLASH或E2PROM中。

模拟部分的电路还是采用比较经典的闭环系统，这样能够输出电压（电流）的精度可以得到充分保证。但考虑到元器件的发展，拟用新型号的产品代替旧型号的D/A芯片，因此在电路设计中也要相应地对部分外围电路的参数做些调整。

在电流反馈采样过程中，常用的精密电阻采样法在三相交流同步测量环境下成本很高。所以本项目中将用电流互感器来取代精密电阻，为下一步实现经济量产打下基础。

三相相角采样及闭环控制模块

相角采样部分的基本原理框图如图3所示。

两个正弦波波形经处理后成为方波信号，相与后产生相位差信号，再经过整形滤波后转换为直流电平，该直流电平与由相角控制字控制的一个的DAC输出信号相比较，如果相位锁定则比较器输出的信号将趋向于零伏电平。

由MCU控制ADC采集比较器的输出信号，并发送相角控制字控制FPGA实现相移，由此即形成相角控制闭环系统。

MCU的软件算法采用史密斯预估补偿法。

数字三相波形发生器

三相波形发生部分的原理框图如图4所示，主要是由FPGA模块和DAC电路组成的，其中FPGA模块由频率发生DDS模块、三相电压相位及各相电流相位设置模块、多路选择器MUX、双端口波形数据RAM、上位机接口等组成。用于输出三相波形，频率及三相电压相位和各相电流相位可分别设置，在模块中还包含一个双端口的波形数据RAM，因此可通过微机总线改写波形数据，便于实现谐波功能。

除了上述几个关键模块之外，如电源模块、信号调理模块、DSP信号处理模块等技术都比较成熟，一般都有现成的模块单元可供选用。

a)功率放大器供电采用AC/DC开关电源方式

为了抑制开关电源供电引起的高频振荡及噪声，必须配置电感与电容器组成的Л型滤波网络。

b)用单路相角的采样与控制线路实现五路相角的采样与控制

由于重复电路较多，为了降低生产成本，硬件上采取用一套电路完成多路采样及控制的功能，采用多路器扫描方式。同时软件算法采用分时变周期史密斯预估补偿法以达到测量精度。

c)三相输出电流间的电隔离

采用电流互感器采样，其信号通过耦合方式实现隔离，代替了原来精密电阻直接采样方式，提高系统可靠性。

FPGA的应用

FPGA内部模块由频率发生DDS模块、三相电压相位及各相电流相位设置模块、多路选择器MUX、双端口波形数据RAM、上位机接口等组成，和DAC电路共同组成波形发生模块，用于输出三相波形。频率及三相电压相位和各相电流相位可分别设置，在模块中还包含一个双端口的波形数据RAM，因此可通过微机总线改写波形数据，便于实现谐波功能。

本实施例达到以下的效果：

模块化，

装置是由包括电源、数字波形发生器、相位采样及控制、功率放大、信号预处理、人机交互等模块构成，通过一定的通讯模式实现模块连接，有利于提高系统的维护便捷性和使用的多样化。

模块化的设计思路，代表了现代仪器发展的一大方向，即模块功能单一化、模块品种系列化、模块连接标准化、模块维护简单化。一个测试系统，由若干个模块组成，各司其职。由于功能单一，对于系统的故障诊断十分便捷；由于品种成系列，可以根据实际需要选择不同的精度范围、量程范围、功能范围；也由于接口标准，使模块间的连接宽容度更大。所以，检定系统的模块化设计在本项目中具有重要意义。

高速MCU的应用，

主要模块都有高速MCU控制，其基本构成类似于嵌入式小系统。一方面有利于提高模块内部数据处理的速度，完成模块内部自检、功能运行等任务；另一方面也提高了模块间数据传输的速度及可靠性，保障整个检定装置的工作。

现场可编程器件的应用，

FPGA和ispPAC的应用，以近似于标准件的模式实现了更广泛的使用范围及更灵活的电路构成。以其具有的低工作电压、低功耗等优良特性，可极大地减小检定装置的体积和功耗。而独有的现场可编程能力，对于提高仪器仪表的智能化程度和自适应能力等作用非常明显，可以实现精确的自动调谐和自动增益控制，提高抗干扰能力。

应用现场可编程器件，减少了大量的分立元件，缩小了电路板的尺寸，同时也避免了因为板级设计不合理给系统带来的干扰，提高了检定装置的可靠性。可编程器件的采用，使电路板无法直接复制，对于保护产品的知识产权，也发挥了重要作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.智能电网用模块化三相仪表检定装置，其特征是，包括：

一输入接口，输入接口连接一信号调理模块，信号调理模块连接一数据分析处理模块，数据分析处理模块连接一人机对话模块，人机对话模块分别连接电压电流波形控制模块和三相相角采样模块；电压电流波形控制模块采集人机对话模块的三相电压电流幅值控制字，三相相角采样模块采集人机对话模块的三相相位控制字和频率控制字；

一输出接口，输出接口分别连接电压电流波形控制模块和三相相角采样模块，电压电流波形控制模块和三相相角采样模块之间连接有三相波形发生模块，三相波形发生模块连接一功放输出变压器模块，功放输出变压器模块连接输出接口；所述电压电流波形控制模块对输出接口进行幅值采样，所述三相相角采样模块对输出接口进行相位采样；三相波形发生模块采集电压电流波形控制模块的三相电压电流幅值信号，三相波形发生模块采集三相相角采样模块的相位控制字和频率控制字。

2.根据权利要求1所述的智能电网用模块化三相仪表检定装置，其特征是，电压电流波形控制模块的主控芯片拟采用STC89C51系列处理器。

3.根据权利要求1所述的智能电网用模块化三相仪表检定装置，其特征是，三相相角采样模块将两个正弦波波形经处理后成为方波信号，相与后产生相位差信号，再经过整形滤波后转换为直流电平，该直流电平与由相角控制字控制的一个的DAC输出信号相比较，如果相位锁定则比较器输出的信号将趋向于零伏电平。

4.根据权利要求3所述的智能电网用模块化三相仪表检定装置，其特征是，三相波形发生模块，由FPGA模块和DAC电路组成的，其中FPGA模块由频率发生DDS模块、三相电压相位及各相电流相位设置模块、多路选择器MUX、双端口波形数据RAM和上位机接口组成。

5.根据权利要求1所述的智能电网用模块化三相仪表检定装置，其特征是，功率输出变压器模块供电采用AC/DC开关电源。