CN103675440A

CN103675440A - 一种电力能效监测终端及监测方法

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Publication number: CN103675440A
Application number: CN201310192429.0A
Authority: CN
Inventors: 刘瑞; 李涛; 亓学庆; 贾伟; 陈志涛; 陈河; 李明
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Beijing Nanrui Zhixin Micro Electronics Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Beijing Nanrui Zhixin Micro Electronics Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种电力能效监测终端及监测方法，其中，终端包括：处理器、基于FPGA的采集电路、存储器接口电路以及通信模块；所述基于FPGA的采集电路、存储器接口电路、通信模块分别与所述处理器相连。本发明采用CPU和FPGA的组合形成的核心运算单元，利用FPGA实现电能计量和数据采集，利用CPU实现对数据的处理，保证了独立高速运行，从而保证了数据的实时性和高效性。

Description

一种电力能效监测终端及监测方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种电力能效监测终端及监测方法。

背景技术

随着国家节能减排和电力需求侧管理工作的不断深入开展，获取用户真实的能耗数据，分析国家的经济运行走势，实现电能数据的在线监测、分析、挖掘，变得越来越重要，实现基础数据的自动采集，确保数据的及时性、客观性和准确性，为各级政府经济运行决策、政策制定、指标考核提供支撑。

目前的能效数据采集终端主要包括微处理模块MCU、数据存储模块、电源模块和RS485接口，微处理模块MCU包括芯片时钟模块和AD转换模块。

这种能效数据采集终端存在以下问题：采用单一CPU对整个系统进行控制，在进行谐波分析的同时，还要进行其他操作，影响了处理速度，因此其精度、速度都无法满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电力能效监测终端和监测方法，实现多种参量的高速、高精度采集。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电力能效监测终端，包括：

处理器、基于FPGA的采集电路、存储器接口电路以及通信模块；其中，所述基于FPGA的采集电路、存储器接口电路、通信模块分别与所述处理器相连。

作为上述技术方案的优选，所述基于FPGA的采集电路包括FPGA芯片、电能计量电路、直流模拟量采集电路、数字量输入输出电路，其中，所述电能计量电路、直流模拟量采集电路、数字量输入输出电路分别与FPGA芯片相连，所述FPGA芯片与所述处理器相连。

作为上述技术方案的优选，所述电能计量电路包括电流互感器、与所述电流互感器相连的AD转换器，所述AD转换器连接所述FPGA芯片。

作为上述技术方案的优选，所述FPGA芯片中的RAM为双口RAM。

作为上述技术方案的优选，所述通信模块包括以下中的一种或多种：ZIGBEE通信模块、CAN接口电路、RS485接口电路、红外通信模块、电力线载波通信接口电路。

作为上述技术方案的优选，所述存储器接口电路为SD卡接口电路。

作为上述技术方案的优选，所述终端还包括与所述处理器相连的RTC时钟电路。

一种电力能效监测方法，其特征在于，包括：

基于FPGA的采集电路采集电力能效数据；

基于FPGA的采集电路将采集到的数据在RAM区中分块存储及进行并行运算；

基于FPGA的采集电路通过地址映射控制单元内的地址表，将运算后的数据存储在对应的双口RAM区中；

处理器从双口RAM区中读取数据并通过通信模块进行通信。

作为上述技术方案的优选，所述方法还包括：

处理器将读取的数据生成为数据曲线；

处理器将数据曲线通过存储器接口存储到存储器。

作为上述技术方案的优选，处理器将读取的数据生成为数据曲线，包括：

根据起始时间每隔预设时间间隔记录采样点，相邻采样点之间的时间间隔为Δt;

对采样点进行插值操作，插值点数为α，插值之后的两点间时间间隔为Δt/(α+1)；

根据插值操作后的数据生成数据曲线。

本发明采用CPU和FPGA的组合形成的核心运算单元，利用FPGA实现电能计量和和数据采集，利用CPU实现对数据的处理，保证了独立高速运行，从而保证了数据的实时性和高效性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明优选实施例提出的电力能效监测终端的结构示意图；

图2是本发明中电能数据监测终端中基于FPGA的采集电路的结构示意图；

图3是本发明中基于FPGA的采集电路中的电能计量电路的结构示意图；

图4是本发明中FPGA芯片的逻辑结构示意图；

图5是本发明一具体实施例提出的电力能效监测终端的结构示意图；

图6是本发明优选实施例提出的电力能效监测方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示为本发明提出的一种电力能效监测终端的优选实施例的结构示意图，该终端包括：

处理器101、基于FPGA的采集电路102、存储器接口电路103以及通信模块104；其中，基于FPGA的采集电路102、存储器接口电路103、通信模块104分别与处理器102相连。

上述实施例中的处理器（CPU）例如可采用cortex-M4核的STM32F407，主频168MHz，实现与周边接口的通信、数据曲线绘制、数据存储、数据分析。

优选的，如图2所示，基于FPGA的采集电路包括FPGA芯片201、电能计量电路202、直流模拟量采集电路203、数字量输入输出电路204，其中，电能计量电路202、直流模拟量采集电路203、数字量输入输出电路204分别与FPGA芯片201相连，FPGA芯片201与处理器相连。

优选的，如图3所示，电能计量电路202包括电流互感器301、与电流互感器301相连的AD转换器302，所述AD转换器连接FPGA芯片。

电流互感器301可采用TA9015-01M，实现CT二次侧电流采集，AD转换器302采用AD7606，实现模拟量16位AD采集；直流模拟量采集电路203采用LM2902，实现直流模拟量4-20mA或0-5V的兼容性采集；数字量输入输出电路204采用光耦PS2501-1实现无源数字量采集，采用SRD-05VDC-SL-C实现无源数字量输出；FPGA芯片的内部逻辑结构图如图4中的虚线框内所示，包括数据采集缓存RAM区、FFT运算单元、地址映射控制单元、运算RAM区、时序控制单元、双口RAM，它们之间的逻辑关系如图中所示。FPGA芯片可以采用Xilinx的Spartan-6型芯片。

电流互感器301采集三相电或两相电电流，电流不大于5A，若电流大于5A，应采用二级互感器将电流降至5A再通过电流互感器301进行转换，转换后的电流小于等于5mA。转换后的电流经16位AD转换器302转为数字量送至数据缓存FPGA芯片的RAM区，经FPGA芯片进行分析计算，计算结果经FPGA允许后存储在双口RAM中供CPU读取。直流模拟量采集电路203和数字量输入输出电路204的数据经FPGA换算后，存储在双口RAM中供CPU读取，FPGA还可从双口RAM中读取数字量输出数据，驱动数字量输入输出电路实现数字量输出。所有对于RAM区域的读取都要遵从地址映射控制单元，所有程序运行的时序都由同一时序控制单元提供。

基于FPGA的采集电路基于FFT算法，实现谐波检测，实现高次谐波的高精度计量、实现相、线电压，2-100次谐波分量、有功功率、无功功率、功率因数等参量的计量。由于基于FPGA的采集电路仅用于计量和热工参量采集，保证了数据采集实时和高速。FPGA芯片与CPU之间通过并行总线连接，采用双口RAM与CPU实现数据交换，实现了数据实时高效透传，达到高速采集的目的。

优选的，如图5所示，通信模块包括但不限于以下中的一种或多种：ZIGBEE通信模块501、CAN接口电路502、RS485接口电路503、红外通信模块504、电力线载波通信（PLC）接口电路505。

其中，ZIGBEE通信模块可以采用EM357芯片为核心，集成ZIGBEE协议栈，将ZIGBEE无线传输信道收到的数据拆包后通过UART接口传送给CPU,将接收到的CPU的数据组包后通过ZIGBEE无线信道传输，同时实现自组网功能，实现与上级系统的通信，在不方便布线的环境下提供一种快速解决方案；CAN接口电路例如以TJA1050T为核心，与CPU直连，实现CAN协议转换，兼容J1939协议，可实现与上级系统通信及电机通信；RS485接口电路例如以MAX485ESA为核心，实现485协议数据转换，RS485接口电路兼容376.1协议、DLT645协议、MODBUS协议，可实现与电表、上级集中终端、企业控制器的互联互通，同时可实现能效监测终端间的级联；红外通信模块可以DS138S-2-35接收芯片、DS208发送芯片为核心，与CPU直连，实现红外数据的发送和接收，这样，通过手持终端可实现能效监测终端的快速配置；电力线载波通信接口电路可采用基于INT5500的电力猫，通过UART接口与CPU连接，可通过电力线载波实现与上级集中终端通信。

优选的，如图5所示，所述终端还包括与处理器相连的RTC时钟电路506，以在CPU掉电的情况下保持时钟参数。

优选的，如图5所示，存储器接口电路为SD卡接口电路507，以实现使用SD卡实现数据、曲线、故障记录的存储。

此外，本领域技术人员应当了解的是，该终端中必然包括电源电路（示意图见图5中的508），其为所有电路提供24V、5V、3.8V以及3.3V电源。

本发明提出的一种电力能效监测终端，采用FPGA和CPU的组合形成的核心运算单元，利用FPGA实现电能计量和数据采集，利用CPU实现通信运算、曲线绘制、数据查询、数据记录、数据存储等功能，保证双方独立高速运行，保证数据的实时性和高效性。通过采用一种或多种通信模块，可实现J1939协议解析，可以基于能效数据分析实现了对电机的优化控制，可实现10/100M以太网、RS485、CAN、PLC、红外通信、ZIGBEE通信等多种通信模式。

本发明还提出一种电力能效监测监测方法，如图6所示，包括以下步骤：

步骤S601：基于FPGA的采集电路采集电力能效数据。

其中，电力能效数据包括直流模拟量的数字量、直流模拟量、无源数字量。

基于FPGA的采集电路中包括电流互感器和AD转换器。外部被测设备电源，接至电流互感器输入端，输出端连接被测设备，电流通过互感器后形成回路，电源在连接电流互感器的同时，并出连接线，通过降压电阻，将电源电压降至0-5V区间内，连接AD转换器。被测设备的电压、电流分别转换为0-5V电压和4-20mA电流，送至AD转换器，实现CT二次侧数据的采集。

基于FPGA的采集电路中还包括直流模拟量采集电路，其可通过外部热工参数采集传感器（例如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器）获取热工参数，虽然传递的信息不同，但信息采集格式完全一致，通过4-20mA电流表征出所采集热工参数。

基于FPGA的采集电路中还包括数字量输入输出电路，接收外部数字量采集参数。

优选的，基于FPGA的采集电路在接收到数据后，对数据进行校验，如果数据异常，则FPGA无需处理这组数据；如果数据在可计算范围内，则继续运行。

步骤S602：基于FPGA的采集电路将采集到的数据在RAM区中分块存储及进行并行运算。

如三相四线计量参数、直流模拟量采集参数、开关量采集参数在FPGA内部的运算RAM区中可实现并行运算，充分提高了数据处理速度。

并行运算获得三相电的相线电压、2-100次谐波分量，有功功率，无功功率，功率因数等参数，以及由直流模拟量采集电路采集的温度、湿度、压力、流量等。

步骤S603：基于FPGA的采集电路通过地址映射控制单元内的地址表，将运算后的数据存储在对应的双口RAM区中。

步骤S604：CPU从双口RAM区中读取数据，并通过通信模块进行通信。

优选的，CPU还对读取的数据进行处理，例如读取三相电的相线电压、2-100次谐波分量，有功功率，无功功率，功率因数等参数，读取经FPGA处理的由直流模拟量采集电路采集的温度、湿度、压力、流量参数，根据外部设置的起始时间T₀每隔T_C记录一个采样点，两点间时间间隔为Δt,插值点数为α，插值之后的两点间时间间隔为Δt/(α+1)，借鉴matlab中曲线的绘制方法使曲线平滑，具体的插入点参数可通过外部接口设置。将样点数据汇总成的数据曲线通过存储器接口存储到存储器中供上级系统读取。

CPU通过PLC接口电路与电力线连接，实现电力线载波通信。在软件上，PLC载波通信为一个独立的任务，实现DLT645规约的解析。PLC通信方式的波特率为9600bps，发送和接收的数据长度均不能超过60字节，该任务内对需要传输的数据进行拆包重组，实现分帧传输。

CPU与红外通信模块连接，接收和发送红外脉冲信号，实现与手持终端的通信。

CPU通过RS485接口电路与上层平台通信，以及与被监测设备通信。物理接口为同一个，但根据数据编码格式，自适应识别通信模式。与上层平台、电表通信遵从DLT645通信规约，与温湿度采集设备遵从MODBUS协议，与控制器通信采用自定义规约。通过数据帧格式，在同一物理接口实现接入设备的自识别，将数据分配到不同的任务中处理。

CPU通过CAN接口电路实现与电机之间的交互。通信协议遵从J1939协议，对电机的运行状况进行监控。根据能效分析模型，在系统超载或者发生不可预知故障时，停止电机工作，减少不必要的损失。

CPU通过UART接口与ZIGBEE通信模块通信，ZIGBEE通信模块一方面与CPU通信，另一方面实现ZIGBEE通信协议的解析。ZIGBEE传输频段为2.4GHz，发送和接收的数据长度不超过242字节，CPU对应的该任务实现数据的拆包和重组。

本发明实施例提出的电力能效监测监测方法中，系统工作按时间片并行执行，保证各个任务的实时性。为了保证系统的高效性，还可以建立优先级制度，例如在进行关键数据处理或者运算分析时，为保证工作的完整性，该过程不可被打断。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种电力能效监测终端，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述基于FPGA的采集电路包括FPGA芯片、电能计量电路、直流模拟量采集电路、数字量输入输出电路，其中，所述电能计量电路、直流模拟量采集电路、数字量输入输出电路分别与FPGA芯片相连，所述FPGA芯片与所述处理器相连。

3.根据权利要求2所述的终端，其特征在于，所述电能计量电路包括电流互感器、与所述电流互感器相连的AD转换器，所述AD转换器连接所述FPGA芯片。

4.根据权利要求2所述的终端，其特征在于，所述FPGA芯片中的RAM为双口RAM。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的终端，其特征在于，所述通信模块包括以下中的一种或多种：ZIGBEE通信模块、CAN接口电路、RS485接口电路、红外通信模块、电力线载波通信接口电路。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的终端，其特征在于，所述存储器接口电路为SD卡接口电路。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的终端，其特征在于，所述终端还包括与所述处理器相连的RTC时钟电路。

8.一种电力能效监测方法，其特征在于，包括：

基于FPGA的采集电路采集电力能效数据；

处理器从双口RAM区中读取数据并通过通信模块进行通信。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

处理器将读取的数据生成为数据曲线；

处理器将数据曲线通过存储器接口存储到存储器。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，处理器将读取的数据生成为数据曲线，包括：

根据插值操作后的数据生成数据曲线。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述通信模块包括以下中的一种或多种：ZIGBEE通信模块、CAN接口电路、RS485接口电路、红外通信模块、电力线载波通信接口电路。