CN104111372A - 一种基于数字量传输的变频电量的分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于数字量传输的变频电量的分析装置，包括功率单元、分析仪和通讯单元；功率单元包括至少一个功率单元单件，功率单元单件包括依次串联的采样部件、信号变送器、信号调理部件以及A/D转换器；分析仪包括CPU模块、可编辑逻辑器件、高速缓冲存储器以及显示屏，CPU模块分别与显示屏、可编辑逻辑器件以及高速缓冲存储器连接，且其内部设有DFT离散傅里叶算法；可编辑逻辑器件通过通讯单元与A/D转换器连接。本发明整体结构精简；功率单元将模拟量转换为数字信号进行传递，避免传输距离以及电磁环境的影响，提高系统的精度；通过集成CPU模块、可编辑逻辑器件和高速缓冲存储器，提高其运算速度以及处理能力，实用性强。

Description

一种基于数字量传输的变频电量的分析装置

技术领域

本发明涉及仪表领域，特别地，涉及一种基于数字量传输的变频电量的分析装置。 

背景技术

传统的电量分析仪采用以下方式：前端传感器将电压、电流变换成二次仪表可以接受的小信号(模拟信号)，模拟信号通过电缆传输至二次仪表进行变比转换和显示。那么整个测量系统的测量精度如何衡定呢？根据测量系统的组成情况，系统的测量精度应由如下三个方面决定：1、前端传感器的精度；2、传输线路引入的干扰与信号衰减；3、二次仪表的测量精度。此种技术传感器与二次采用电缆进行连接，如果前端传感器发生绝缘击穿或者短路现象，那么高压会直接通过线缆导通至二次仪表侧，也就是用户端，那么对于用户来说，是一个很大的安全隐患。 

随着变频技术的发展，测量现场的电磁环境日益恶劣，由变频设备带来的电磁干扰也越来越严重。由于测量系统采用的信号传输方式为模拟量传输，因此其受到的电磁干扰会严重影响系统的测量精度，在电磁干扰强烈的场合，某些设备甚至不能正常工作，更谈不上测量准确了，这样的测量系统，标称精度已经失去了意义。 

从原理上分析，现有的变频仪可以采用以下方式：详见附图1，该结构的部件1-2为一个整体，且部件1-2通常作为一个独立仪器，数字传输系统往往由PCB实现，路径很短；部件1-1和部件1-2一起构成分析仪系统，部件1-1和部件1-2之间的模拟量传输环节采用电缆，电缆长度依据测试现场需要而定，是容易引入损耗和干扰的环节；该结构部件1-1、部件1-2及模拟量传输环节均可能引入误差(主要是电磁干扰以及信号衰减等因素)，精确度不高；系统精度由电压传感器、电流传感器、传输部分、二次变送器部分决定，引入误差环节多，绝大部分设备适用条件为工频环境，不适用于变频电量的测量。 

发明内容

本发明目的在于提供一种基于数字量传输的变频电量的分析装置将所有可能影响精度的部件全部集中于功率单元，并转换为数字信号输出，然后通过通讯单元传至分析仪，由于采用数字方式进行通讯能完全避免现场的电磁干扰以及信号传输过程中引起的信号衰减，因此，保证了整个装置的精度以及整体溯源能力，具体技术方案如下： 

一种基于数字量传输的变频电量的分析装置，包括功率单元、分析仪以及通讯单元； 

所述功率单元包括至少一个功率单元单件，所述功率单元单件包括依次串联的采样部件、信号变送器、信号调理部件以及A/D转换器； 

所述分析仪包括CPU模块、可编辑逻辑器件、高速缓冲存储器以及显示屏，所述CPU模块分别与所述显示屏、可编辑逻辑器件以及高速缓冲存储器连接，且其内部设有DFT离散傅里叶算法；所述可编辑逻辑器件通过通讯单元与所述A/D转换器连接。 

以上技术方案中优选的，所述功率单元包括两个并列设置的功率单元单件，一个所述功率单元单件包括依次串联的电压采集器、电压信号变送器、信号调理部件以及A/D转换器；另一个所述功率单元单件包括依次串联的电流采集器、电流信号变送器、信号调理部件以及A/D转换器。 

以上技术方案中优选的，所述信号调理部件包括LPF低通滤波器以及自动量程转换器，所述LPF低通滤波器以及自动量程转换器依次分别串联在所述电压信号变送器与所述A/D转换器之间以及电流信号变送器与所述A/D转换器之间。 

以上技术方案中优选的，所述通讯单元为电缆或光纤。 

以上技术方案中优选的，所述可编辑逻辑器件上设有6个接口。 

以上技术方案中优选的，所述可编辑逻辑器件上还设有级联接口。 

以上技术方案中优选的，所述功率单元还包括相位补偿器、频率测量部件以及同步源切换部件，所述频率测量部件以及同步源切换部件串联设置在所述自动量程转换器与所述通讯单元之间，且与所述A/D转换器并联，所述同步源切换部件与所述可编辑逻辑器件连接；所述相位补偿器设置在所述自动量程转换器与所述频率测量部件之间。 

以上技术方案中优选的，所述功率单元为内置的PCB板。 

以上技术方案中优选的，所述可编辑逻辑器件为nS级别的EPM1270；所述CPU模块的型号为T2500。 

本发明具有以下有益效果： 

(1)本发明的基于数字量传输的变频电量的分析装置包括功率单元、分析仪以及通讯单元三大部分，整体结构精简；功率单元包括依次串联的采样部件、信号变送器、信号调理部件以及A/D转换器，通过采用部件进行采集，再经将模拟量转换为数字信号进行传递，避免传输距离以及电磁环境在传输过程中对信号产生的影响，提高系统的精度；分析仪通过CPU模块、可编辑逻辑器件以及高速缓冲存储器的集成，大大提高了其运算速度以及处理能力，从而提高了其分析次数，同时还兼具对数字信号进行存储以及显示的功能，实用性强。 

(2)本发明中功率单元包括两个并列设置的功率单元单件，可以实现对采集来的电压、电流进行准确分析。 

(3)本发明中信号调理部件包括LPF低通滤波器以及自动量程转换器，对采集的信号进行滤波以及运用2N自动无缝量程转换技术进行自动选择最佳测量量程，提高整体装置的精确度。 

(4)本发明中通讯单元采用电缆或光纤，部件容易获得，抗干扰性强，光纤具有电隔离作用，对于使用者的人身安全有保障，提高其使用过程中的安全性能；除此之外，还可以根据实际需求采用无线连接等方式进行传输。 

(5)本发明中可编辑逻辑器件上设有用于6个接口，可同时满足六个特征量的分析；还设有级联接口，可以实现同时对多余6个特征量进行分析，具体是将分析仪进行级联，同步采集，满足不同的需求，实用性强。 

(6)本发明中功率单元还包括相位补偿器、频率测量部件以及同步源切换部件，对某些信号进行相位补偿、频率测量、同步性的切换等，对各信号的同步性进行调控，大大提高其分析结果的准确度。 

(7)本发明中所述功率单元为内置的PCB板，采用内置结构，既可以延长其使用寿命，又可以减小装置的整体体积，大大节省了空间以及降低了外界环境的干扰。 

(8)本发明中可编辑逻辑器件采用nS级别的EPM1270，保证了高达250kHz的采样速率以及多个功率单元采样时序的同步性；CPU模块的型号为T2500，结合DFT离散傅里叶算法，变换点数或采样率选择更灵活，实时性更好，更容易控制溢出和动态范围，运算编程简单，可方便地在非DSP芯片中编程，可大大提高其分析次数(可以达到2000次以上)。 

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。 

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1是技术背景中的结构图； 

图2是本发明优选实施例1的基于数字量传输的变频电量的分析装置的整体结构示意图； 

图3是图2中基于数字量传输的变频电量的分析装置与现有的WT3000功率分析仪在正弦波以及PWM波形条件下的测量精度曲线比较图； 

1-功率单元，01-电压采集器，01’-电流采集器，02-电压信号变送器，02’-电流信号变送器，03-信号调理部件，031-LPF低通滤波器，032-自动量程转换器，04-A/D转换器，05-相位补偿器，06-频率测量部件，07-同步源切换部件，2-分析仪，21-CPU模块，22-可编辑逻辑器件，221-接口，222-级联接口，23-高速缓冲存储器，24-显示屏，3-通讯单元。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆 盖的多种不同方式实施。 

实施例1： 

一种基于数字量传输的变频电量的分析装置，详见图2，具体包括功率单元1、分析仪2以及通讯单元3，所述功率单元1为内置的PCB板，采用内置结构，既可以延长其使用寿命，又可以减小装置的整体体积，大大节省了空间以及降低了外界环境的干扰，整体结构精简。 

所述功率单元1包括两个并列的功率单元单件，一个所述功率单元单件包括依次串联的电压采集器01、电压信号变送器02、信号调理部件03、A/D转换器04以及依次串联的且与A/D转换器04并联的频率测量部件06以及同步源切换部件07；另一个所述功率单元单件包括依次串联的电流采集器01’、电流信号变送器02’、信号调理部件03、相位补偿器05、A/D转换器04以及依次串联的且与A/D转换器04并联的频率测量部件06以及同步源切换部件07，通过两个功率单元单件分别对采集到的电压进行信号调理、量程转换、频率测量、光电转换等处理以及对采集到的电流进行信号调理、量程转换、相位补偿、频率测量、光电转换等处理，将电压和电流信号转换为数字信号。 

所述信号调理部件03包括依次串联的LPF低通滤波器031以及自动量程转换器032，所述LPF低通滤波器031用于对采用的变量进行滤波，所述自动量程转换器032采用2N自动无缝量程转换技术，每个功率单元设置8个档位，根据测量瞬时值，自动选择最佳测量量程，每个量程只工作在50％～100％量程范围内，提高检测的准确度。 

所述分析仪2包括显示屏24、CPU模块21、可编辑逻辑器件22以及高速缓冲存储器23，所述CPU模块21分别与所述显示屏24、可编辑逻辑器件22、高速缓冲存储器23以及A/D转换器04连接，且其内部设有DFT离散傅里叶算法；所述可编辑逻辑器件22通过通讯单元3与所述A/D转换器04连接，其中CPU模块21采用ARBOR的EMETM-i945m/T2500，集成IntelCore2Duo/CoreDuo65nmProcessor低功耗处理器，主频为2.0GHz，前端总线频率FSB为667MHz，1x200PinSO-DIMM插槽，最大支持2GBDDR2SDRAM，为高性能的双核嵌入式CPU模块，且其采用DFT离散傅里叶算法进行变换，合理利用DFT离散傅里叶算法的变换点数或采样率选择更灵活、实时性更好、更容易控制溢出和动态范围、运算编程简单、可方便地在非DSP芯片中编程实现等优点，适用于变频输出测量中因测量前基波未知而无法同时满足样本数为2N和整周期的情形，大大提高其运算速度以及处理能力；可编辑逻辑器件22采用nS级别的高时序性的FPGA，具体选用ALTERA公司的EPM1270，保证了高达250kHz的采样速率以及多个功率单元单件采样时序的同步性；高速缓冲存储器23采用FIFO高速缓存器，双核嵌入式CPU模块以及高达2GByte的运行内存保证了DFT算法的运算速度以及运算时间，进一步提高其运算速度以及处理能力。 

所述通讯单元3为光纤，功率单元1将实时采集的电压、电流信号通过光纤TXD端口发送至所述分析仪2进行运算、显示等处理，另外功率单元1也通过光纤的RXD端口接收分析仪2发送的同步时序信号，保证多个功率单元单件之间信号采样的同步性；光纤还具有电隔离作用，对于使用者的人身安全有保障，提高其使用的安全性能。 

所述可编辑逻辑器件22上设有用于与功率单元单件连接的6个接口221，两者之间通过光纤进行通讯，保证数据传递过程中的精度；所述可编辑逻辑器件22上还设有级联接口222，当系统需要连接超过6个的功率单元单件且要求同步采集时，可以通过级联接口222将功率单元单件进行级联，实现同步采集，满足不同的需求，实用性强。 

所述同步源切换部件07与所述可编辑逻辑器件22连接，便于接收分析仪2发出的同步时序信号，保证多个功率单元单件之间信号采样的同步性。 

应用本发明的基于数字量传输的变频电量的分析装置，所述CPU模块21能按照各种国标对数据进行运算与处理，然后在显示屏24上进行显示，分析仪2完成电压和电流的数据处理，并将结果显示在显示屏24上，在显示屏24上的显示方式有数值、实时波形、图表以及柱状图等多种；另外，分析仪2还可以配置集成18种可供用户选择的线路图以及与线路图匹配的算法，根据功率单元接线方式不同，可选择不同的线路图以及显示方式；分析仪2通过光纤发送端口向功率单元1发送同步采集信号，管理功率单元单件的同步逻辑时序；分析仪2还可以配备RJ45接口，可通过TCP/IP与其他上位机共享数据，数据保存方式有bmp截图以及瞬态数据两种方式，保存数据长度取决于外接移动存储介质容量，保存目标为外接移动存储设备，例如USB2.0。测量电压范围涵盖100uV～15kV，测量电流范围涵盖100uA～7000A。 

采用本发明基于数字量传输的变频电量的分析装置与现有的WT3000功率分析仪在正弦波以及PWM波形条件下的测量精度曲线比较图如图3所示，其中，曲线1为WT3000功率分析仪在正弦波条件下的测量精度曲线，由图可知，其正弦波条件下的最佳精度测量点在50Hz附近，其他频段的测量精度远远偏离标称精度；曲线2为WT3000功率分析仪在PWM波形条件下的测量精度曲线，其在低频段的测量精度较低，不适用于较低频率段的基波测量；本发明装置在正弦波条件下的测量精度曲线和在PWM波形条件下的测量精度曲线完全重合，如曲线3所示，由图可知，采用本发明的变频电量的分析装置，测量准确度无论在何种测量条件下，始终保持一致，准确度大大得到提高。 

除此之外，每个分析仪2还可以依照各种国标对被测电量的电源质量进行分析，给出各个参量数值，如电话谐波因数(THF)、谐波失真度(THD)、谐波电压因数(HVF)、谐波含量(HC)、波形畸变率(K％)等；除此之外，每个分析仪2还可以并列连接多于6个的功率单元单件，主要完成的数据处理有：各个测量模式(H01，rms，mean，avg)下的功率、谐波、频率，功率因数，谐波含量，电源质量等，可通过功能扩展接口，扩展扭矩、转速、温度测 量等功能并进行显示，分析原理同电压、电流分析原理。 

专门用于变频电量准确分析仪以及测试的电量分析仪，同时也可用于工频电量的准确测量。 

所述通讯单元3还可以采用电缆或者无线连接方式，抗干扰性强，也适合于远距离和干扰性强的环境，实用性强。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：包括功率单元(1)、分析仪(2)以及通讯单元(3)；

所述功率单元(1)包括至少一个功率单元单件，所述功率单元单件包括依次串联的采样部件、信号变送器、信号调理部件(03)以及A/D转换器(04)；

所述分析仪(2)包括CPU模块(21)、可编辑逻辑器件(22)、高速缓冲存储器(23)以及显示屏(24)，所述CPU模块(21)分别与所述显示屏(24)、可编辑逻辑器件(22)以及高速缓冲存储器(23)连接，且其内部设有DFT离散傅里叶算法；所述可编辑逻辑器件(22)通过通讯单元(3)与所述A/D转换器(04)连接。

2.根据权利要求1所述的基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：所述功率单元(1)包括两个并列设置的功率单元单件，一个所述功率单元单件包括依次串联的电压采集器(01)、电压信号变送器(02)、信号调理部件(03)以及A/D转换器(04)；另一个所述功率单元单件包括依次串联的电流采集器(01’)、电流信号变送器(02’)、信号调理部件(03)以及A/D转换器(04)。

3.根据权利要求2所述的基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：所述信号调理部件(03)包括LPF低通滤波器(031)以及自动量程转换器(032)，所述LPF低通滤波器(031)以及自动量程转换器(032)依次分别串联在所述电压信号变送器(02)与所述A/D转换器(04)之间以及电流信号变送器(02’)与所述A/D转换器(04)之间。

4.根据权利要求3所述的基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：所述通讯单元(3)为电缆或光纤。

5.根据权利要求4所述的基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：所述可编辑逻辑器件(22)上设有6个接口(221)。

6.根据权利要求5所述的基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：所述可编辑逻辑器件(22)上还设有级联接口(222)。

7.根据权利要求3所述的基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：所述功率单元(1)还包括相位补偿器(05)、频率测量部件(06)以及同步源切换部件(07)，所述频率测量部件(06)以及同步源切换部件(07)串联设置在所述自动量程转换器(032)与所述通讯单元(3)之间，且与所述A/D转换器(04)并联，所述同步源切换部件(07)与所述可编辑逻辑器件(22)连接；所述相位补偿器(05)设置在所述自动量程转换器(032)与所述频率测量部件(06)之间。

8.根据权利要求7所述的基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：所述功率单元(1)为内置的PCB板。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于数字量传输的变频电量的分析装置，其特征在于：所述可编辑逻辑器件(22)为nS级别的EPM1270；所述CPU模块(21)的型号为T2500。