CN106872762A - 一种板卡供电电压在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种板卡供电电压在线监测系统，电压传感装置用于将板卡供电电压转化为电压信号；信号处理模块用于采集所述电压信号，并对所述电压信号进行处理，得到处理后的电压监测信号；无线发送模块用于无线发送所述电压监测信号；接收显示装置用于接收所述电压监测信号，存储并显示所述电压监测信号对应的电压监测数据，所述电压监测数据包括电压波形、电压幅值、电压相位、电压频率和电压监测值。本申请提供的系统采用无线通信方式，不需要复杂的连接线，便于在空间有限的板卡上监测供电电压，且能够为板卡的故障判断提供实时准确的数据支撑，便于板卡的运行维护，保证电力系统的正常运行。
Description
技术领域
本申请涉及板卡测试技术领域，特别涉及一种板卡供电电压在线监测系统。
背景技术
在直流输电工程中，直流控制保护主机是保证电力系统能否安全稳定运行的重要设备。板卡是直流控制保护主机中的核心部件，而板卡供电电压的质量决定了板卡能否正常运行，因而需要对板卡的供电电压进行检测，以确保板卡正常工作。
目前，针对板卡供电电压检测的研究较少，中国实用新型专利CN202372557U公开了一种板卡电压自动测试装置，将板卡上待测电压测试点与连接插座相接后，通过MCU控制继电器控制模块，同时通过串口与电脑相连，以及继电器控制模块与所述采集卡相连，实现了测试点电压的自动测试，并读取板卡对参考点之间的电压值，判断其电压是否在正常范围内。
然而，上述测试装置只能在板卡运行前单独对板卡的供电电压进行测试，并不能实现板卡运行过程中的供电电压在线实时监测，如果供电电压发生波动、闪变或暂降等情况，可能导致板卡出现失电或重启等故障，不仅不利于板卡的运行维护，还会影响电力系统的正常运行。
发明内容
本申请提供一种板卡供电电压在线监测系统，以解决板卡运行中，由于缺乏实时供电电压数据而无法准确判断板卡故障的问题。
根据本申请的实施例，提供了一种板卡供电电压在线监测系统，包括：电压传感装置、印制电路板和接收显示装置；所述印制电路板包括信号处理模块和无线发送模块；
所述电压传感装置，用于将板卡供电电压转化为电压信号，并将所述电压信号发送至所述信号处理模块；
所述信号处理模块，用于采集所述电压信号，并对所述电压信号进行处理，并将处理后得到的电压监测信号发送至所述无线发送模块；
所述无线发送模块，用于向所述接收显示装置发送所述电压监测信号；
所述接收显示装置，用于接收所述电压监测信号；存储并显示所述电压监测信号对应的电压监测数据，所述电压监测数据包括电压波形、电压幅值、电压相位、电压频率和电压监测值。
进一步地，所述信号处理模块包括信号调节子模块、模数转换子模块、第一微处理器和电源子模块，其中，
所述信号调节子模块，用于接收并放大所述电压信号，并将放大后的电压信号发送至所述模数转换子模块；
所述模数转换子模块，用于将所述放大后的电压信号由模拟电压信号转换为数字电压信号，并将所述数字电压信号发送至所述第一微处理器；
所述第一微处理器，用于对所述数字电压信号进行数据组帧处理，得到所述电压监测信号，并将所述电压监测信号发送至无线发送模块；
所述电源子模块，用于向所述信号调节子模块、所述模数转换子模块、所述第一微处理器和所述无线发送模块供电。
进一步地，所述接收显示装置包括第二微处理器，所述第二微处理器用于接收所电压监测信号，并判断所述电压监测信号的信号类型，所述信号类型包括电压特征信号和电压监测值信号，所述电压特征信号包括电压波形信号、电压幅值信号、电压相位信号和电压频率信号；
如果所述电压监测信号为电压特征信号，则分别对所述电压波形信号、所述电压幅值信号、所述电压相位信号和所述电压频率信号进行提取和计算，获取电压特征监测数据，并对所述电压特征监测数据进行分类存储；
如果所述电压监测信号为电压监测值信号，则对所述电压监测值信号对应的电压监测值数据进行存储。
进一步地，所述第二微处理器采用下式所示的加权自卷积窗算法对所述电压特征信号进行提取和计算，
式中，wT(t)为三角自卷积窗；wH(t)为Hanning自卷积窗；wT4为4阶三角自卷积窗；wH4为4阶Hanning自卷积窗；wJ4为加权自卷积窗；a1和a2为加权系数。
进一步地，加权系数a1的取值为0.4，加权系数a2的取值为0.6。
进一步地，所述信号处理模块还包括温度传感子模块，所述温度传感子模块用于感应所述电压传感装置周围的空气温度，并输出温度信号至所述第一微处理器；
所述第一微处理器还用于根据所述温度信号，获得温度监测值；根据补偿前电压监测值、所述温度监测值和温度补偿模型，获取补偿后电压监测值；将所述电压监测值信号发送至所述无线发送模块，所述电压监测值信号包括温度监测值信号、补偿前电压监测值信号和补偿后电压监测值信号；
所述第二微处理器还用于对所述电压监测值信号对应的电压监测值数据进行分类存储，所述电压监测值数据包括温度监测值数据、补偿前电压监测值数据和补偿后电压监测值数据。
进一步地，所述温度补偿模型为电压误差值与试验温度值的关系模型；
所述第一微处理器还用于查找出与所述温度监测值相匹配的目标试验温度值；获取所述目标试验温度值对应的目标电压误差值；从所述补偿前电压监测值中消除所述目标电压误差值所对应的误差，得到所述补偿后电压监测值。
进一步地，所述接收显示装置还包括数据查询模块和显示屏；
所述数据查询模块用于向所述第二微处理器发送数据查询指令，所述数据查询指令包括电压波形查询指令、电压幅值查询指令、电压相位查询指令、电压频率查询指令、补偿前电压监测值查询指令、温度监测值查询指令和补偿后电压监测值查询指令；
所述第二微处理器还用于查找出与所述数据查询指令相匹配的目标电压监测数据；将所述目标电压监测数据发送至所述显示屏。
进一步地，所述信号调节子模块采用精密双通道运算放大电路，所述双通道运算放大电路包括两级放大电路和T形支路；
所述两级放大电路分别为第一级电压跟随器，用于增大电路的输入阻抗，降低输出阻抗，从而降低后续电路阻抗分压产生的误差，以及，
第二级反向放大电路，用于将所述电压信号转换为适合所述模数转换子模块的信号输入范围；
所述T形支路用于抑制所述电压信号中的高频干扰。
进一步地，所述信号处理模块还包括超级电容，用于储存电能，当所述电源子模块提供的电压出现波动、闪变或暂降等问题时，所述超级电容可作为备用电源，向所述信号调节子模块、所述模数转换子模块、所述第一微处理器和所述无线发送模块供电。
由以上技术方案可知，本申请提供的一种板卡供电电压在线监测系统，包括：电压传感装置、印制电路板和接收显示装置；印制电路板包括信号处理模块和无线发送模块；电压传感装置用于将板卡供电电压转化为电压信号；信号处理模块用于采集所述电压信号，并对所述电压信号进行处理，得到处理后的电压监测信号；无线发送模块用于无线发送所述电压监测信号；接收显示装置用于接收所述电压监测信号，存储并显示所述电压监测信号对应的电压监测数据，所述电压监测数据包括电压波形、电压幅值、电压相位、电压频率和电压监测值。本申请提供的系统采用无线通信方式，不需要复杂的连接线，便于在空间有限的板卡上监测供电电压，且采用温度补偿和自卷积窗信号提取算法，能够为板卡的故障判断提供实时准确的数据支撑，所述系统既可以实现对在某一监测点的长期实时监测，也可以方便的对多个监测点进行循环测试，便于板卡的运行维护，保证电力系统的正常运行。
附图说明
图1为本申请实施例示出的一种板卡供电电压在线监测系统的结构示意图；
图2为本申请实施例示出的信号处理模块结构框图；
图3为本申请实施例示出的信号调节模块电路图；
图4为本申请实施例示出的第一微处理器控制电路图；
图5为本申请实施例示出的接收显示装置结构框图；
图6为本申请实施例示出的电压特征信号提取算法的幅频响应图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本申请提供的一种板卡供电电压在线监测系统，包括：电压传感装置1、印制电路板2和接收显示装置3；所述印制电路板2包括信号处理模块21和无线发送模块22，其中，
所述电压传感装置1，用于将板卡供电电压转化为电压信号，并将所述电压信号发送至信号处理模块21，本申请中，可设置多个所述电压传感装置1，以实现直流保护主机板卡的多点监测；
所述信号处理模块21，用于采集所述电压信号，并对所述电压信号进行处理，并将处理后得到的电压监测信号发送至所述无线发送模块22；
所述无线发送模块22，用于向所述接收显示装置3发送所述电压监测信号；
所述接收显示装置3，用于接收所述电压监测信号；存储并显示所述电压监测信号对应的电压监测数据，所述电压监测数据包括电压波形、电压幅值、电压相位、电压频率和电压监测值。
进一步地，如图2所示，所述信号处理模块21包括信号调节子模块211、模数转换子模块212、第一微处理器213和电源子模块214，其中，
所述信号调节子211，用于接收并放大所述电压信号，并将放大后的电压信号发送至所述模数转换子模块212；
所述模数转换子模块212，用于将所述放大后的电压信号由模拟电压信号转换为数字电压信号，并将所述数字电压信号发送至所述第一微处理器213；
所述第一微处理器213，用于对所述数字电压信号进行数据组帧处理，得到所述电压监测信号，并将所述电压监测信号发送至无线发送模块22；
所述电源子模块214，用于向所述信号调节子模块211、所述模数转换子模块212、所述第一微处理器213和所述无线发送模块22供电。所监测的板卡供电电压经过整流后得到的电压，可作为所述电源子模块214的输出电压，使取电用电更加方便。
进一步地，为了保证所述系统的正常工作，所述信号处理模块还包括超级电容216，用于储存电能，当所述电源子模块提供的电压出现波动、闪变或暂降等问题时，所述超级电容可作为备用电源，向所述信号调节子模块211、所述模数转换子模块212、所述第一微处理器213和所述无线发送模块22供电。
进一步地，如图3所示，所述信号调节子模块211采用精密双通道运算放大电路，所述精密双通道运算放大电路包括两级放大电路和T形支路2113；
所述两级放大电路分别为第一级电压跟随器2111，用于增大电路的输入阻抗，降低输出阻抗，从而降低后续电路阻抗分压产生的误差，以及，
第二级反向放大电路2112，放大倍数0.2倍，额定输出为2V，用于将所述电压信号转换为适合所述模数转换子模块的信号输入范围；
所述T形支路2113用于抑制所述电压信号中的高频干扰。
如图4所示，所述模数转换子模块212采用24位高精度A/D转换器LTC2400，实现模拟信号到数字信号的转换；所述第一微处理器213采用FPGA微处理器，实现对所述模数转换子模块212的时序控制；所述无线发射模块22采用RF112无线发射芯片，所述无线发射模块22的输出端设有无线天线221，所述无线天线221是在所述印制电路板2蚀刻而成的板载天线，既节省了空间，又能有效增加无线发射范围，这种无线通信方式，不需要复杂的连接线，便于在空间有限的板卡上监测供电电压。所述信号处理模块21采用低功耗设计，整个功耗不超过20MW。
进一步地，如图5所示，所述接收显示装置3包括第二微处理器31，所述第二微处理器31用于接收所电压监测信号，并判断所述电压监测信号的信号类型，所述信号类型包括电压特征信号和电压监测值信号，所述电压特征信号包括电压波形信号、电压幅值信号、电压相位信号和电压频率信号；
如果所述电压监测信号为电压特征信号，则分别对所述电压波形信号、所述电压幅值信号、所述电压相位信号和所述电压频率信号进行提取和计算，获取电压特征监测数据，并对所述电压特征监测数据进行分类存储；
如果所述电压监测信号为电压监测值信号，则对所述电压监测值信号对应的电压监测值数据进行存储。
进一步地，所述第二微处理器31采用加权自卷积窗算法对所述电压特征信号进行提取和计算，目的在于消除所述电压特征信号中的噪声，以提高所述电压特征信号的提取精度，加权自卷积窗算法的公式如下：
式中，wT(t)为1阶三角窗；wH(t)为1阶Hanning窗；wT4为4阶三角窗；wH4为4阶Hanning窗；wJ4为加权自卷积窗；a1和a2为加权系数。
图6为电压特征信号分别采用1阶三角窗、4阶三角窗、4阶Hanning窗以及加权自卷积窗提取算法时的幅频响应图。从图中可以看出，本申请采用的加权自卷积窗算法对所述电压特征信号的去噪效果最好，提取精度最高，可以提高所述电压特征监测数据的可靠性和准确性。
下表为加权自卷积窗算法采用不同加权系数的误差统计表，从表中可以看出，采用不同的加权系数，对应的电压误差也不相同，而当加权系数a1的取值为0.4，加权系数a2的取值为0.6时，电压误差取最小值，可以进一步提高所述电压特征信号的提取精度，进而大大提高了所述电压特征监测数据的可靠性和准确性。
由于所述电压传感装置1内部以空气作为电介质，温度变化会导致空气压力和密度的变化，从而影响所述电压传感装置1的测量准确性。为了降低温度变化的影响，本申请对所述电压传感装置1附近的温度进行实时监测，并根据当前温度值实现对所述电压监测值信号的实时补偿。
进一步地，所述信号处理模块21还包括温度传感子模块215，所述温度传感子模块215用于感应所述电压传感装置1周围的空气温度，并输出温度信号至所述第一微处理器213；
所述第一微处理器213还用于根据所述温度信号，获得温度监测值；根据补偿前电压监测值、所述温度监测值和温度补偿模型，获取补偿后电压监测值；将所述电压监测值信号发送至所述无线发送模块，所述电压监测值信号包括温度监测值信号、补偿前电压监测值信号和补偿后电压监测值信号；
所述第二微处理器31还用于对所述电压监测值信号对应的电压监测值数据进行分类存储，所述电压监测值数据包括温度监测值数据、补偿前电压监测值数据和补偿后电压监测值数据。
进一步地，所述温度补偿模型为电压误差值与试验温度值的关系模型；
所述第一微处理213还用于查找出与所述温度监测值相匹配的目标试验温度值；获取所述目标试验温度值对应的目标电压误差值；从所述补偿前电压监测值中消除所述目标电压误差值所对应的误差，得到所述补偿后电压监测值。
所述温度补偿模型的获取方式是：首先是获取历史试验数据，即在实验室条件下，通过大量的测试，获取不同试验温度下的电压误差值；然后将所述历史试验数据录入所述第一微处理213，并将试验温度值与对应的电压误差值进行一一匹配存储，得到电压误差值与温度试验值的关系，进而得到所述温度补偿模型。
进一步地，所述接收显示装置3还包括显示屏32和数据查询模块33；
所述数据查询模块33用于向所述第二微处理器31发送数据查询指令，所述数据查询指令包括电压波形查询指令、电压幅值查询指令、电压相位查询指令、电压频率查询指令、补偿前电压监测值查询指令、温度监测值查询指令和补偿后电压监测值查询指令；
所述第二微处理器31还用于查找出与所述数据查询指令相匹配的目标电压监测数据；将所述目标电压监测数据发送至所述显示屏32。所述接收显示装置3可同时显示至少12个监测点的电压监测数据，可以实现整个控制保护主机板卡关键点电压参数的覆盖，从而保证板卡的正常工作。
此外，所述接收显示装置3还可以设置通讯端口，包括USB端口和网口。其中，USB端口可实现所述第二微处理器31内部存储数据的拷贝和传输等；网口用于实现所述第二微处理器31程序的改进或修改，例如增加程序功能，改进程序内部电压特征信号的提取算法或算法参数等。
由以上技术方案可知，本申请提供的一种板卡供电电压在线监测系统，包括：电压传感装置、印制电路板和接收显示装置；印制电路板包括信号处理模块和无线发送模块；电压传感装置用于将板卡供电电压转化为电压信号；信号处理模块用于采集所述电压信号，并对所述电压信号进行处理，得到处理后的电压监测信号；无线发送模块用于无线发送所述电压监测信号；接收显示装置用于接收所述电压监测信号，存储并显示所述电压监测信号对应的电压监测数据，所述电压监测数据包括电压波形、电压幅值、电压相位、电压频率和电压监测值。本申请提供的系统采用无线通信方式，不需要复杂的连接线，便于在空间有限的板卡上监测供电电压，且采用温度补偿和自卷积窗信号提取算法，能够为板卡的故障判断提供实时准确的数据支撑，所述系统既可以实现对在某一监测点的长期实时监测，也可以方便的对多个监测点进行循环测试，便于板卡的运行维护，保证电力系统的正常运行。
需要说明的是，本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种板卡供电电压在线监测系统，其特征在于，包括：电压传感装置、印制电路板和接收显示装置；所述印制电路板包括信号处理模块和无线发送模块，其中，
所述电压传感装置，用于将板卡供电电压转化为电压信号，并将所述电压信号发送至所述信号处理模块；
所述信号处理模块，用于采集所述电压信号，并对所述电压信号进行处理，并将处理后得到的电压监测信号发送至所述无线发送模块；
所述无线发送模块，用于向所述接收显示装置发送所述电压监测信号；
所述接收显示装置，用于接收所述电压监测信号；存储并显示所述电压监测信号对应的电压监测数据，所述电压监测数据包括电压波形、电压幅值、电压相位、电压频率和电压监测值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理模块包括信号调节子模块、模数转换子模块、第一微处理器和电源子模块，其中，
所述信号调节子模块，用于接收并放大所述电压信号，并将放大后的电压信号发送至所述模数转换子模块；
所述模数转换子模块，用于将所述放大后的电压信号由模拟电压信号转换为数字电压信号，并将所述数字电压信号发送至所述第一微处理器；
所述第一微处理器，用于对所述数字电压信号进行数据组帧处理，得到所述电压监测信号，并将所述电压监测信号发送至无线发送模块；
所述电源子模块，用于向所述信号调节子模块、所述模数转换子模块、所述第一微处理器和所述无线发送模块供电。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述接收显示装置包括第二微处理器，所述第二微处理器用于接收所述电压监测信号，并判断所述电压监测信号的信号类型，所述信号类型包括电压特征信号和电压监测值信号，所述电压特征信号包括电压波形信号、电压幅值信号、电压相位信号和电压频率信号；
如果所述电压监测信号为电压特征信号，则分别对所述电压波形信号、所述电压幅值信号、所述电压相位信号和所述电压频率信号进行提取和计算，获取电压特征监测数据，并对所述电压特征监测数据进行分类存储；
如果所述电压监测信号为电压监测值信号，则对所述电压监测值信号对应的电压监测值数据进行存储。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二微处理器采用下式所示的加权自卷积窗算法对所述电压特征信号进行提取和计算，
式中，wT(t)为三角自卷积窗；wH(t)为Hanning自卷积窗；wT4为4阶三角自卷积窗；wH4为4阶Hanning自卷积窗；wJ4为加权自卷积窗；a1和a2为加权系数。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，加权系数a1的取值为0.4，加权系数a2的取值为0.6。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括温度传感子模块，所述温度传感子模块用于感应所述电压传感装置周围的空气温度，并输出温度信号至所述第一微处理器；
所述第一微处理器还用于根据所述温度信号，获得温度监测值；根据补偿前电压监测值、所述温度监测值和温度补偿模型，获取补偿后电压监测值；将所述电压监测值信号发送至所述无线发送模块，所述电压监测值信号包括温度监测值信号、补偿前电压监测值信号和补偿后电压监测值信号；
所述第二微处理器还用于对所述电压监测值信号对应的电压监测值数据进行分类存储，所述电压监测值数据包括温度监测值数据、补偿前电压监测值数据和补偿后电压监测值数据。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述温度补偿模型为电压误差值与试验温度值的关系模型；
所述第一微处理器还用于查找出与所述温度监测值相匹配的目标试验温度值；获取所述目标试验温度值对应的目标电压误差值；从所述补偿前电压监测值中消除所述目标电压误差值所对应的误差，得到所述补偿后电压监测值。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述接收显示装置还包括数据查询模块和显示屏，
所述数据查询模块用于向所述第二微处理器发送数据查询指令，所述数据查询指令包括电压波形查询指令、电压幅值查询指令、电压相位查询指令、电压频率查询指令、补偿前电压监测值查询指令、温度监测值查询指令和补偿后电压监测值查询指令；
所述第二微处理器还用于查找出与所述数据查询指令相匹配的目标电压监测数据；将所述目标电压监测数据发送至所述显示屏。
9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信号调节子模块采用双通道运算放大电路，所述精密双通道运算放大电路包括两级放大电路和T形支路；
所述两级放大电路分别为第一级电压跟随器，用于增大电路的输入阻抗，降低输出阻抗，从而降低后续电路阻抗分压产生的误差，以及，
第二级反向放大电路，用于将所述电压信号转换为适合所述模数转换子模块的信号输入范围；
所述T形支路用于抑制所述电压信号中的高频干扰。
10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括超级电容，用于储存电能，当所述电源子模块提供的电压出现波动、闪变或暂降等问题时，所述超级电容可作为备用电源，向所述信号调节子模块、所述模数转换子模块、所述第一微处理器和所述无线发送模块供电。
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- 2017-04-14 CN CN201710242031.1A patent/CN106872762A/zh active Pending
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