CN105445534A - 一种远距离无线向量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离无线向量仪，由主机和从机两个部分组成，主、从机内部结构完全相同，只是程序上有所区别，主要由控制及运算系统和时钟同步系统两大系统组成。其中，控制及运算系统数据采集单元、按键及显示单元、无线通信单元、SD卡存储单元；时钟同步系统控制20Mhz恒温晶振、GPS授时单元、IEEE1588时钟同步单元；时钟同步系统的功能是保证主、从机系统时钟同步，控制及运算系统的功能是控制各功能单元并处理运算数据。在数据采集单元内部分别配有电压表笔和电流钳，电压表笔用于电压信号的采集，电流钳用于电流信号的采集。

Description

一种远距离无线向量仪

技术领域

本发明属于电力参数测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种远距离无线向量仪。

背景技术

电力参数测量是保证输电线路正常运行的重要举措，是新、改、扩建发电厂和输变工程中必不可少的环节。其中，电压、电流、频率、功率、相位差是电力系统中重要监测的参数，在输电线三相并网中，对各相的电压、频率和相位有着严格的参数要求，并网前要准确测量，否则错误并网可能造成电力系统的崩溃与瘫痪。为了正确的并列,不但要一次侧参数符合要求,还要求二次侧参数也在规定范围之内,否则也会发生非同期并列。

在二次电力参数的实际测量中，有时需要同时测量两个源的参数，将两个源的测量结果进行对比，得出相位差等电力参数。但是，有的被测源之间的距离较远，其间夹杂着变电站的墙壁或建筑，故测量时较为困难。常规的电力参数测量仪都是有线的，只能测量一端的信号源，无法同时测量异端的远距离信号源，所以必须采用无线测量方式来解决问题。

目前，市场上已具有性能较好的三相向量仪，但其都是有线设计，无法满足远端电力参数的测量需求。除了有线向量仪以外，具备无线电力参数测量功能的仪器只有高压无线核相仪，但高压无线核相仪只限用于一次侧的电力参数测量，其量程一般较大，适用于0.4-220kV范围的测量。并且一般只能用于高压核相，结果显示为单一的同相或异相，无法精确测量具体的电力参数，对二次侧的核相误差较大。高压无线核相仪的无线通信距离也只有几十米，且为可视距离，更无法穿透厚的墙壁等物体，故不能满足二次侧远距离电力参数的测量。

为此，结合现有的技术和实际使用需求，研制一种专门用于二次侧远距离电力参数测量的仪器至关重要。这将解决变电站二次侧异端无法同时测量电力参数的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种远距离无线向量仪，适用于变电站二次电力参数的远距离无线测量，以解决现有技术中存在的无法同时测量异端电力参数的问题。

为实现上述发明目的，本发明一种远距离无线向量仪，其特征在于，包括结构相同的主机和从机；

其中，所述的主机和从机均包括控制及运算系统、时钟同步系统、数据采集单元、按键及显示单元、无线通信单元、SD卡存储单元、20Mhz恒温晶振、GPS授时单元、IEEE1588时钟同步单元、RJ45网口；

其中，在主机和从机各自的内部，其数据采集单元、按键及显示单元、无线通信单元、SD卡存储单元均与控制及运算系统相连接；20Mhz恒温晶振、GPS授时单元、IEEE1588时钟同步单元与时钟同步系统相连接，20Mhz恒温晶振为时钟同步系统提供稳定的时钟源；GPS授时单元接收卫星发出的授时信号送给时钟同步系统；IEEE1588时钟同步单元负责收发IEEE1588时钟同步协议报文并与RJ45网口相连接；

在时钟同步系统控制下，先保持主、从机内的时钟同步；远距离无线向量仪开始测量时，先在主机内的数据采集单元中设置采集起始时刻和采集持续时间，并通过无线通信单元将此时间设置下发给从机；

主、从机内的采集单元在IEEE1588时钟同步单元提供的本地时钟到达采集起始时刻时，开始同步采集被测信号，被测信号经采样电阻转换成电压信号，再将电压信号转换成符合AD采集的电压信号，经过滤波电路后送给AD采集器转换成电压信号的数字量瞬时值，最后把该数字量瞬时值送入控制及运算系统处理；

主机和从机内的控制及运算系统对数字量瞬时值进行处理，通过递推傅里叶变换逐点求出相应时刻的电压幅值、相角以及频率，并打上本地的时间标签；主、从机将上述计算出的参数结果通过按键及显示单元进行显示处理，同时存储在SD卡存储单元中待用；

此外，主机的控制及运算系统还可以通过无线通信单元召唤从机的计算结果，并在主机的显示模块中同时显示主、从机之间的比对结果，根据比对结果，利用主、从机配置的语音通话功能，使主、从机之间人员进行沟通，从而完成相应测点进行测量。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种远距离无线向量仪，由主机和从机两个部分组成，主、从机内部结构完全相同，只是程序上有所区别，主要由控制及运算系统和时钟同步系统两大系统组成。其中，控制及运算系统数据采集单元、按键及显示单元、无线通信单元、SD卡存储单元；时钟同步系统控制20Mhz恒温晶振、GPS授时单元、IEEE1588时钟同步单元；时钟同步系统的功能是保证主、从机系统时钟同步，控制及运算系统的功能是控制各功能单元并处理运算数据。在数据采集单元内部分别配有电压表笔和电流钳，电压表笔用于电压信号的采集，电流钳用于电流信号的采集。

同时，本发明一种远距离无线向量仪还具有以下有益效果：

(1)、采用大功率的无线收发装置，实现了远距离电力参数的测量，突破了传统有线向量仪无法异端测量的技术缺陷；

(2)、集成了对讲机功能，使得远距离测量时不必再额外携带对讲机，既减少了成本，又减轻了负重；

(3)、采用了GPS同步技术，大大提高了测量相位差等电力参数差值的精度；

(4)、采用了IEEE1588时钟同步和恒温晶振自守时同步，弥补了室内或阴天无法使用GPS同步的缺点，利用IEEE1588有线同步一次就可高精度2小时自守时同步，使向量仪使用起来方便许多；

(5)、采用了基于电磁感应的钳式电流探头采集电流信号，不仅测量方便，又保障了测量人员的安全；

(6)、全套设备的操作仅需两人即可，减小了远距离测量的作业人员数量，提升了电力参数测量的效率；

(7)、SD卡可存储测量后的结果与数据，测量人员不必手工记录数据，既节约了测量时间，又避免了手工记录时可能产生的错误。

附图说明

图1是远距离无线向量仪的原理框图；

图2是远距离无线向量仪的实物图；

图3是远距离无线向量仪的实物图；

图4是远距离无线向量仪的功能示意图；

图5是主、从机时钟同步示意图；

图6是IEEE1588时钟同步单元的同步流程图；

图7是无线通信单元的设计原理图；

图8是远距离无线向量仪联机测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是远距离无线向量仪的原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种远距离无线向量仪，包括，主机和从机。

其中，主机和从机均包括控制及运算系统、时钟同步系统、数据采集单元、按键及显示单元、无线通信单元、SD卡存储单元、20Mhz恒温晶振、GPS授时单元、IEEE1588时钟同步单元、RJ45网口；

在主机和从机各自的内部，其数据采集单元、按键及显示单元、无线通信单元、SD卡存储单元均与控制及运算系统相连接；

20Mhz恒温晶振、GPS授时单元、IEEE1588时钟同步单元与时钟同步系统相连接，20Mhz恒温晶振为时钟同步系统提供稳定的时钟源；GPS授时单元接收卫星发出的授时信号送给时钟同步系统；IEEE1588时钟同步单元负责收发IEEE1588时钟同步协议报文并与RJ45网口相连接。

在本实施例中，控制及运算系统由MSP430系列单片机实现，具体为MSP430F1611型号单片机，采用8Mhz主时钟晶振和32.768Khz低功耗模式晶振。

数据采集单元包括：衰减电路、直流偏置电路、放大电路、反相电路和低通滤波器；其中，衰减电路主要以电压互感器为核心，直流偏置电路、放大电路、反相电路均采用低噪声opa188运算放大器。

在本实施例中，如图所示，先将被测信号经过低通滤波器滤波，滤掉高频毛刺，减小波动，再把滤波后的被测信号输入到衰减电路，使滤波后的被测信号的峰峰值衰减到AD采集器的基准电压范围内，再加入1.25V直流偏置将正电压偏移至负电压，负电压依次经过放大电路放大、反相电路翻转，从而将负电压翻转至正电压，即0-2.5V。

其中，被测信号可以为电压信号或电流信号；对于电压信号，如图2所示，Ui先经过电阻分压初步衰减，再通过低噪运放OPA177二次衰减到基准电压范围；对于电流信号，由于电流钳已经初步把电流信号转换成小电压信号，所以不必经过电阻分压，直接送给OPA177运放放大至基准电压范围，后面的电路则与电压通道的完全相同。在图2中，U2和U3都是OPA177运放，U2构成反相加法器，加入1.25V直流电压，将信号拉低到负半轴，再经过U3构成的反相器，将负电压信号变换到正电压信号，即0-2.5V。最后经过16kHz的低通滤波器，将光滑符合要求的信号送给AD采集。在调理过程中，单片机通过AD采集到的值判断控制微型继电器，从而控制U1反馈电阻的大小来自动切换量程，当测量小信号时，切换到小量程可以提高测量精度。

按键及显示单元采用128x64分辨率的LCD液晶显示屏，按键采用9X9矩阵键盘加2个独立的背光按键和对讲机按键。

无线通信单元采用2W大功率SR_FRS_1WU无线通信芯片，数据传输频率采用450Mhz，语音对讲频率采用400-480Mhz可调，扬声器音量可调(1-10级)。

SD卡存储单元的系统格式采用FAT32，最大支持2GB内存卡。

时钟同步系统采用FPGA芯片实现，具体型号为EP2C35F484I8N，具备8Mb的SDRAM设计，采用20Mhz高精度恒温晶振。

GPS授时单元采用一片UM220-III芯片，该芯片集成了北斗系统和GPS双系统授时功能，搜星速度快，授时误差为15ns。

IEEE1588时钟同步单元采用的主芯片是DP83640，它是一片IEEE1588精确时间协议收发器，由20Mhz恒温晶振倍频至50Mhz为其提供时钟信号，IEEE1588有线同步误差为100ns，随后进入2小时不大于5us的自守时同步。

下面结合图1对远距离无线向量仪的工作流程进行详细描述，具体如下：

在时钟同步系统控制下，先保持主、从机内的时钟同步；远距离无线向量仪开始测量时，先在主机内的数据采集单元中设置采集起始时刻和采集持续时间，并通过无线通信单元将此时间设置下发给从机；

主、从机内的数据采集单元在IEEE1588时钟同步单元提供的本地时钟到达采集起始时刻时，开始同步采集被测信号，被测信号经采样电阻转换成电压信号，再将电压信号转换成符合AD采集的电压信号，经过滤波电路后送给AD采集器转换成电压信号的数字量瞬时值，最后把该数字量瞬时值送入控制及运算系统处理；

主机和从机内的控制及运算系统对数字量瞬时值进行处理，通过递推傅里叶变换逐点求出相应时刻的电压幅值、相角以及频率，并打上本地的时间标签；主、从机将上述计算出的参数结果通过按键及显示单元进行显示处理，同时存储在SD卡存储单元中待用；

此外，主机的控制及运算系统还可以通过无线通信单元召唤从机的计算结果，并在主机的按键及显示单元中同时显示主、从机之间的比对结果，根据比对结果，利用主、从机配置的语音通话功能，使主、从机之间人员进行沟通，从而完成相应测点进行测量。

图3是远距离无线向量仪的实物图。

在本实施例中，如图3所示，1-向量仪主体，2-电压采集表笔，3-电流采集钳，4-数据采集转换器，5-无线收发天线。其中，电压表笔分为相端和地端，相端接被测相电压，地端接地；电流钳按正方向夹住被测电流的导线，将被测电流按100mV/1A变比转换成电压信号，再送入数据采集器；无线收发天线可拉出延长，以应对信号较弱的环境。

图4是远距离无线向量仪的功能示意图。

在本实施例中，如图4所示，扬声器用于发出对方传送的语音；麦克风用于将人声转换成电信号；探头接口用于连接数据采集器；充电口用于给电池充电；RJ45口用于IEEE1588对时由网线连接主、从机；SD卡槽用于插数据储存卡；电源开关位于侧部，方便使用；天线位于顶部，利于无线信号传输；采用了11个按键，背光键用于开关显示屏背光，对讲按键用于语音对讲，锁定键用于屏幕信息锁定，IP键用于多台从机的IP设定，存储键用于存储测量数据到SD卡，上翻键用于选择上一个菜单，下翻键用于选择下一个菜单，左翻键用于快速进入上一页，右翻键用于快速进入下一页，确认键用于进入当前所选菜单，退出键用于退出当前菜单。

为了精确测量异端信号源的相位差，主、从机时钟必须实现高精度同步；为了达到远距离无线测量，无线通信系统必须可靠。

图5是主、从机时钟同步示意图。

如图5所示，GPS时钟同步单元是以RS232接口与时钟同步系统进行通信的。GPS卫星同步时钟可以输出每秒一次包括年、月、日、时、分、秒在内的完整UTC时间信息，主、从机GPS授时单元接收到卫星授时信号并处理传送给时钟同步系统，所以主机和从机的时钟就保持了小于15ns同步误差的精确同步。GPS同步虽然精确，但容易受制于环境影响，雨天或者建筑物内都不能正常搜索到卫星，此时必须通过IEEE1588有线同步来实现时钟同步。

图6是IEEE1588时钟同步单元的同步流程图。

参见图6，IEEE1588是2002年为了解决以太网的定时同步能力不足的问题，开发出的一种精准时间同步协议。如图6，假设同步报文的准确发送时间为Tm1，它包含在跟随报文内；同步报文的接收时间为Ts1；延时-请求报文的发送时间为Ts2；延时-请求报文的接收时间为Tm3，它包含在延时-响应报文内；假设从时钟和主时钟之间的网络延迟具有对称性，即从时钟到主时钟的网络延时与主时钟到从时钟的网络延迟相等，记为Delay；Offset表示从时钟与主时钟之间的时间偏差。由于网络的延时是对称的，则可以得到如下计算公式：

$\left(1\right)---Delay=\frac{(Ts1-Tm1)+(Tm3-Ts3)}{2}$

(2)Offset＝Ts1-Tm1-Delay

从时钟根据自公式(2)得到的Offset值，对自身时间进行修正。由IEEE1588协议的原理，为使从时钟与主时钟之间时差进入微秒级别，必须进行多次主从同步过程。当Offset小于200ns时，则认为对时结束，从时钟停止与主时钟的对时过程，并主动退出组播组，锁存当前修正过的时间，以恒温晶振继续守时并保持2小时误差小于5us。

图7是无线通信单元的设计原理图。

在本实施例中，如图7所示，为了实现无线向量仪的远距离通信，采用了大功率的无线收发系统设计。SR-FRS-2W是一块2W的大功率无线通信芯片，MSP430单片机通过RS232接口与之通信，可以通过TXD、RXD发送指令改变SR-FRS-2W的发射与接收频率、传送需要的数据；SR-FRS-2W的AF_OUT引脚是语音输出，经过NS8002音频放大器放大之后由扬声器输出语音，单片机可以控制音频放大倍数从而调节音量；MIC_IN引脚为麦克风输入端；SQ引脚为静噪设置；VOX为免提使能端；PD为芯片使能端；PTT为对讲功能使能端；无线传输数据频率为450Mhz,语音频率为400-480Mhz,天线采用民用对讲机伸缩天线；无线通信可视距离不少于5Km,有建筑物阻挡的通信距离不少于2Km。

图8是远距离无线向量仪的具体测量流程图。

如图8所示，联机测量步骤为：1.确定待测信号及位置。联机测量用于距离较远的异端电力参数的测量。2.选择时钟同步方式。联机测量前，系统会提示同步对时，视使用环境来选择同步对时方式，在晴天或者空旷的地方使用GPS对时，在建筑物中使用IEEE1588+自守时方式对时。3.对时完成后将主机和从机分配至待测位置。4.确定各探头与被测源连接正确。电压用表笔接触采集，电流用电流钳非接触采集。5.双方通过对讲功能沟通是否准备完毕。6.若准备完毕，从机进入联机测量界面等待主机测量指令。

主机进入联机测量界面并发出测量开始指令。8.从机收到指令并解读指令中的时间戳等待与主机同时采样。为了精确对比双方测量结果，必须保证同步采样。9.主、从机在同一时刻采样并计算出各自参数。同步采样是以同步触发脉冲去触发各自的采样条件实现的。10.从机将测得的参数发送至主机与主机参数对比。包括电压幅值、电流幅值、频率、电压相角、电流相角。11.主机计算出各参数差值并将差值发给从机。12.主、从机同时显示出联机测量结果。包括各自电压幅值、各自电流幅值、各自功率、主机电压与从机电压差、主机电流与从机电流差、主机频率与从机频率差、主机电压与主机电流的相位差、主机电压与从机电压的相位差、主机电压与从机电流的相位差，所有差值都是基准于主机电压的对应参数。13.联机测量完毕，可以选择将测得的数据存储至SD卡。

单机测量步骤为：1.确定待测信号。单机测量用于非同步的单端电力参数的测量。2.确定各探头与被测源连接正确。电压用表笔接触采集，电流用电流钳非接触采集。3.选择单机测量功能，查看测量数据。数据包括电压幅值、电流幅值、频率、功率、电压与电流的相位差。单机测量的结果是实时刷新的，刷新率为1次/s，由于联机测量需要考虑到同步采样，故每次测量结果只刷新一次。4.单机测量完毕，可以选择将测得的数据存储至SD卡。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种远距离无线向量仪，其特征在于，包括结构相同的主机和从机；

其中，所述的主机和从机均包括控制及运算系统、时钟同步系统、数据采集单元、按键及显示单元、无线通信单元、SD卡存储单元、20Mhz恒温晶振、GPS授时单元、IEEE1588时钟同步单元、RJ45网口；

其中，在主机和从机各自的内部，其数据采集单元、按键及显示单元、无线通信单元、SD卡存储单元均与控制及运算系统相连接；20Mhz恒温晶振、GPS授时单元、IEEE1588时钟同步单元与时钟同步系统相连接，20Mhz恒温晶振为时钟同步系统提供稳定的时钟源；GPS授时单元接收卫星发出的授时信号送给时钟同步系统；IEEE1588时钟同步同步单元负责收发IEEE1588时钟同步协议报文并与RJ45网口相连接；

在时钟同步系统控制下，先保持主、从机内的时钟同步；远距离无线向量仪开始测量时，先在主机内的数据采集单元中设置采集起始时刻和采集持续时间，并通过无线通信单元将此时间设置下发给从机；

主、从机内的采集单元在IEEE1588时钟同步单元提供的本地时钟到达采集起始时刻时，开始同步采集被测信号，被测信号经采样电阻转换成电压信号，再将电压信号转换成符合AD采集的电压信号，经过滤波电路后送给AD采集器转换成电压信号的数字量瞬时值，最后把该数字量瞬时值送入控制及运算系统处理；

主机和从机内的控制及运算系统对数字量瞬时值进行处理，通过递推傅里叶变换逐点求出相应时刻的电压幅值、相角以及频，并打上本地的时间标签；主、从机将上述计算出的参数结果通过按键及显示单元进行显示处理，同时存储在SD卡存储单元中待用；

此外，主机的控制及运算系统还可以通过无线通信单元召唤从机的计算结果，并在主机的显示模块中同时显示主、从机之间的比对结果，根据比对结果，利用主、从机配置的语音通话功能，使主、从机之间人员进行沟通，从而完成相应测点进行测量。

2.根据权利要求1所述的一种远距离无线向量仪，其特征在于，所述的控制及运算系统可以由MSP430系列单片机实现，具体为MSP430F1611型号单片机。

3.根据权利要求1所述的一种远距离无线向量仪，其特征在于，所述的数据采集单元包括：衰减电路、直流偏置电路、放大电路、反相电路和低通滤波器；其中，衰减电路主要以电压互感器为核心，直流偏置电路、放大电路、反相电路均采用低噪声opa188运算放大器。

先将被测信号经过低通滤波器滤波，再把滤波后的被测信号输入到衰减电路，使滤波后的被测信号的峰峰值衰减到AD采集器的基准电压范围内，再通过直流偏置电路后将正电压偏移至负电压，负电压依次经过放大电路放大、反相电路翻转，从而将负电压翻转至正电压。

4.根据权利要求1所述的一种远距离无线向量仪，其特征在于，所述的按键及显示单元采用128x64分辨率的LCD液晶显示屏，按键采用9X9矩阵键盘加2个独立的背光按键和对讲机按键。

5.根据权利要求1所述的一种远距离无线向量仪，其特征在于，所述的无线通信单元采用2W大功率SR_FRS_1WU无线通信芯片，数据传输频率采用450Mhz，语音对讲频率采用400-480Mhz可调，扬声器音量可调1-10级。

6.根据权利要求1所述的一种远距离无线向量仪，其特征在于，所述的SD卡存储单元的系统格式采用FAT32，且最大支持2GB内存卡。

7.根据权利要求1所述的一种远距离无线向量仪，其特征在于，所述的时钟同步系统采用FPGA芯片实现，具体型号为EP2C35F484I8N，且具备8Mb的SDRAM设计，以及采用20Mhz高精度恒温晶振。

8.根据权利1所述的一种远距离无线向量仪，其特征在于，所述的GPS授时单元采用一片UM220-III芯片，该芯片集成了北斗系统和GPS双系统授时功能。

9.根据权利要求1所述的一种远距离无线向量仪，其特征在于，所述的IEEE1588时钟同步单元的主芯片采用的是DP83640，由20Mhz恒温晶振倍频至50Mhz为其提供时钟信号，IEEE1588有线同步后进入自守时同步。