CN108802533A - 一种电能质量在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能监测领域，尤其涉及一种电能质量在线监测系统，包括数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、总线模块、电源模块以及人机交互模块，其中数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、电源模块、人机交互模块均与总线模块连接，实现各模块之间的互通互联；电源模块通过总线模块为其他功能模块供电；CPU模块包括用于数据运算的第一CPU模块和用于控制I/O接口模块、电源模块、人机交互模块的第二CPU模块。本发明采用双处理器结构保证了快速、可靠的数字信号处理、逻辑处理能力，而且组网方便、具有海量存储空间、可靠性高的特点。

Description

一种电能质量在线监测系统

技术领域

本发明涉及电能监测领域，尤其涉及一种电能质量在线监测系统。

背景技术

电力工业部在关于颁发《电网电能质量技术监督管理规定》的通知中写到：“电网供电电能质量是电力供电产品的重要指标，涉及发、供、用各方面投资者、经营者的权益，优良的电能质量对保证电网和广大用户的电气设备和各用电器具的安全运行、保障国民经济各行各业的正常生产和产品质量以及提高人民生活质量具有重要意义。同时，电能质量有些指标受某些用电负荷干扰较大。全面保障电能质量是电力企业和用户共同的责任和义务。”

在供电系统中，一方面，非线性负载，如静止变流器、工业交直流变换装置，冲击性、波动性负荷，如电力机车、电弧炉、大型轧钢机等在运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动。闪变、三相不平衡日趋严重，不仅严重影响到设备自身的安全性能，而且干扰电网的经济运行，造成电网公害；另一方面，机场、银行、精密电子元器件制造业、计算机网络服务监控中心等电力质量要求高的场所，高精度装备对高质量的电能需求质量的需求考虑，加强对电能质量的监测，治理都是非常有必要的。

现有的电能质量监测设备功能比较单一，数字信号处理能力以及逻辑处理能力较差，监测通道较少，抗干扰能力差，对使用的环境要求较高，导致适用范围更小。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电能质量在线监测系统。

一种电能质量在线监测系统，包括数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、总线模块、电源模块以及人机交互模块，其中数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、电源模块、人机交互模块均与总线模块连接，实现各模块之间的互通互联；

电源模块通过总线模块为其他功能模块供电；

CPU模块包括用于数据运算的第一CPU模块和用于控制I/O接口模块、电源模块、人机交互模块的第二CPU模块，第一CPU模块与第二CPU模块分别与总线模块连接；第一CPU模块与第二CPU模块之间单独连接，实现数据交互。

进一步的，第一CPU模块通过PCIE串行点对点控制数据采集模块；第二CPU模块通过LVDS接口控制人机交互模块；第二CPU模块通过I²C总线控制I/O接口模块以及电源模块。

进一步的，第一CPU模块包括FPGA、第一处理器以及双口RAM；第二CPU模块包括FPGA以及第二处理器；

第二处理器通过总线模块控制I/O接口模块、电源模块、人机交互模块；

第一CPU模块与第二CPU模块之间通过双口RAM连接，实现数据交互。

进一步的，数据采集模块包括外部信号输入端、信号变送转换模块、FIFO模块以及FPGA,其中：

外部电压电流信号经外部信号输入端进入，通过信号变送转换模块的转化后输出数字信号，数字信号经FIFO模块输送至FPGA，FPGA处理后的信号通过总线模块传输至第一CPU模块进行数据运算。

进一步的，信号变送转换模块包括信号变送单元以及信号转换单元，信号变送单元将从外部信号输入端输入的外部电压电流信号变换为监测系统接受的弱电信号，信号转换单元将弱电信号转化为数字信号。

进一步的，人机交互模块包括显示模块、指令输入模块以及警示模块，显示模块与指令输入模块均与总线模块连接。

进一步的，还包括存储模块，存储模块由SD卡以及SATA硬盘组成，其中：

SD卡与第一CPU模块连接，SATA硬盘与第二CPU模块连接。

进一步的，还包括网络通讯模块，网络通信模块与第二CPU模块连接，通过以太网与外界进行通讯连接以及数据传送。

进一步的，还包括ETH接口、USB接口以及对时模块，ETH接口、USB接口以及对时模块分别与第二CPU模块连接。

进一步的，还包括机壳，数据存储模块、CPU模块、I/O接口模块、总线模块、电源模块以及人机交互模块固定安装在机壳内。

本发明的电能质量在线监测系统，具有以下有益效果：

1、CPU模块包括用于数据运算的第一CPU模块和用于控制I/O接口模块、电源模块、人机交互模块的第二CPU模块，双处理器结构保证了快速、可靠的数字信号处理、逻辑处理能力；

2、多个数据采集模块可同时监测多路电压电流，扩大了电能质量在线监测系统的监测能力；

3、网络通讯模块通过以太网与外界进行通讯连接以及数据传送，实现电能质量在线分析系统与外部通讯设备的信息交互；

4、界面友好的人机交互模块通过显示模块、指令输入模块、警示模块实现监测信息的查看、运行配置、定值设定等功能。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例的一种电能质量在线监测系统功能框图(一)；

图2为本发明实施例的一种电能质量在线监测系统功能框图(二)。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例的一种电能质量在线监测系统，包括数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、总线模块、电源模块以及人机交互模块，其中数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、电源模块、人机交互模块均与总线模块连接，实现各模块之间的高速互通互联；电源模块通过总线模块为其它功能模块供电，其中其它功能模块包括数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块以及人机交互模块；CPU模块包括用于数据运算的第一CPU模块和用于控制I/O接口模块、电源模块、人机交互模块的第二CPU模块，第一CPU模块与第二CPU模块分别与总线模块连接；第一CPU模块与第二CPU模块之间单独连接，实现数据交互。设置第一CPU模块与第二CPU模块分别负责电能质量在线监测系统的数据运算功能与控制功能，保证了数据运算与控制指令的快速传输与处理。

在本发明的一些实施例中，总线模块由传输线束、线路板以及若干模块接口组成，即印制线路板，根据数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、电源模块以及人机交互模块的连接关系以及传输协议在线路板上设置不同类型的模块接口以及传输线束轨迹，实现各模块之间的数据、控制信号等的高速互通互联。优选的，各功能模块与印制线路板之间连接方式为拔插的连接方式，方便检修更换器件或升级更换器件。在一些其它使用条件下，各功能模块亦可以通过焊接的形式与印制线路板连接，本发明不做具体限定。

具体的，电源模块将外部提供的交、直流电源转换为监测系统工作所需的电压。在本发明的一些施例中，电源模块输入为交流220V或直流220/110V电，具体根据工作需要选用相应规格；电源模块输出为5V、24V直流电，通过总线模块为其他功能模块提供工作直流电源，其中输出的5V电压用于监测系统的数字器件工作，输出的24V电压主要用于监测系统的继电器的控制。电源模块通过I²C总线与总线模块连接，接收第二CPU模块输出的电源控制信号。

在本发明的一些实施例中，I/O接口模块通过总线模块获取5V、24V的工作用直流电压，与总线模块通过I²C总线连接，I/O接口模块提供多路开入以及多路继电器报警输出，如4路开入和6路继电器输出，或8路开入和12路继电器输出，通过I²C总线对继电器的动作进行控制。

具体的如图2所示，电能质量在线监测系统还包括存储模块、网络通讯模块、ETH接口、USB接口以及对时模块；存储模块由SD卡以及SATA硬盘组成，SD卡与第一CPU模块连接，SATA硬盘与第二CPU模块连接，优选的，SD卡以及SATA硬盘均为存储空间较大的存储器；网络通信模块与第二CPU模块连接，通过以太网与外界进行通讯连接以及数据传送；ETH接口、USB接口以及对时模块分别与第二CPU模块连接，配置ETH接口，组网经济方便，优选的，加设RS-485通讯接口实现更多的通讯功能，可以直接与监控主机或联网通信，USB接口的设置可以实现将本地数据拷贝到USB接口的存储设备中；对时模块选用GPS对时模块，实现电能质量在线监测系统与世界标准时间保持同步。

具体的，第一CPU模块通过PCIE串行点对点控制数据采集模块；第一CPU模块包括FPGA、第一处理器以及双口RAM；优选的，FPGA选用现有技术中应用较为广泛的Kintex-7系列，FPGA通过Kintex-7实现一个PCIE端点设备，完成数据采集模块与其他非CPU模块的数据交换，同时作为运算节点，承担一部分的运算任务；第一处理器负责整个电能质量在线监测系统的大部分数据运算，实现各种电能质量算法。

具体的，第二CPU模块通过LVDS接口控制人机交互模块；第二CPU模块通过I²C总线控制I/O接口模块以及电源模块。第二CPU模块包括FPGA以及第二处理器；FPGA实现了具有物理层、链路层、传输层、命令层等完整的各层级设计，能够独立完成对外界SATA硬盘的访问，提供完整的SATA硬盘接入设计的解决方案；第二处理器通过I²C总线控制I/O接口模块、电源模块，通过LVDS接口控制人机交互模块。本实施例对第一处理器与第二处理器的具体型号均不做限定，优选的，第一处理器选用TMS320C665X双核处理器,第二处理器选用AM5728四核ARM处理器。

第一CPU模块与第二CPU模块之间通过双口RAM连接，第一处理器可将原始数据以及数据运算结果通过双口RAM传输给第二处理器，实现第一CPU模块与第二CPU模块之间的数据交互。

具体的，数据采集模块包括外部信号输入端、信号变送转换模块、FIFO模块以及FPGA,信号变送转换模块包括信号变送单元以及信号转换单元；外部电压电流信号经外部信号输入端进入，信号变送单元包括电压信号变送单元(电压变化器TV)与电流信号变送单元(电流变化器TA)，信号变送单元将从外部信号输入端输入的外部电压电流信号变换为监测系统接受的弱电信号，信号转换单元将弱电信号转化为高精度数字信号，数字信号经FIFO模块输送至FPGA，FPGA处理后的信号通过总线模块传输至第一CPU模块进行数据运算。FIFO模块作为数字信号采集的数据缓冲设备，提高了数据的吞吐率。优选的，电能质量在线监测系统包含多个数据采集模块，各个数据采集模块包含多个监测通道，每个监测通道包含A、B、C三相，可以根据使用需求进行分配。

具体的，人机交互模块包括显示模块、指令输入模块以及警示模块，显示模块、指令输入模块与警示模块均与总线模块连接。显示模块采用大屏高清液晶显示器将电能质量监测情况进行显示，显示的内容包括电压电流的波形、基波及谐波相关电参数、波动及闪变、功率及电能、不平衡度等等，方便工作人员进行查看分析；指令输入模块采用按键的形式实现运行配置，定值设定等功能；警示模块采用LED指示灯简洁明了的表达警报信息。

具体的，电能质量在线监测系统还包括机壳，数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、总线模块、电源模块以及人机交互模块固定安装在机壳内。优选的，机壳选用抗振能力较强的合金制成，例如铝合金。本实施例对机壳的具体形状不做限定，根据实际使用条件设计即可。

本发明的电能质量在线监测系统的软件平台采用LINUX操作系统，保证了软件系统的高度可靠性。

整个电能质量在线监测系统，配置由多核的第一处理器及第二处理器组合而成双处理器CPU模块，保证了可靠的、快速的数字信号处理，有更强的逻辑处理能力，多个数据采集模块可同时监测多路电压电流，人机交互模块实现监测结果的显示、指令输入与报警，还集成了丰富的通讯接口，具有灵活的通讯形式，实现与外界进行数据交互的功能。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种电能质量在线监测系统，其特征在于，包括数据采集模块、CPU模块、I/O接口模块、总线模块、电源模块以及人机交互模块，其中：

所述数据采集模块、所述CPU模块、所述I/O接口模块、所述电源模块、所述人机交互模块均与所述总线模块连接，实现各模块之间的互通互联；

所述电源模块通过所述总线模块为其它功能模块供电；

所述CPU模块包括用于数据运算的第一CPU模块和用于控制所述I/O接口模块、所述电源模块、所述人机交互模块的第二CPU模块，所述第一CPU模块与所述第二CPU模块分别与所述总线模块连接；所述第一CPU模块与所述第二CPU模块之间单独连接，实现数据交互。

2.如权利要求1所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述第一CPU模块通过PCIE串行点对点控制所述数据采集模块；所述第二CPU模块通过LVDS接口控制所述人机交互模块；所述第二CPU模块通过I²C总线控制所述I/O接口模块以及所述电源模块。

3.如权利要求1所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述第一CPU模块包括FPGA、第一处理器以及双口RAM；所述第二CPU模块包括FPGA以及第二处理器；

所述第二处理器通过总线模块控制所述I/O接口模块、所述电源模块、所述人机交互模块；

所述第一CPU模块与所述第二CPU模块之间通过所述双口RAM连接，实现数据交互。

4.如权利要求1所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括外部信号输入端、信号变送转换模块、FIFO模块以及FPGA,其中：

外部电压电流信号经所述外部信号输入端进入，通过所述信号变送转换模块的转化后输出数字信号，所述数字信号经所述FIFO模块输送至所述FPGA，所述FPGA处理后的信号通过所述总线模块传输至所述第一CPU模块进行数据运算。

5.如权利要求4所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述信号变送转换模块包括信号变送单元以及信号转换单元，所述信号变送单元将从所述外部信号输入端输入的外部电压电流信号变换为监测系统接受的弱电信号，所述信号转换单元将所述弱电信号转化为数字信号。

6.如权利要求1所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述人机交互模块包括显示模块、指令输入模块以及警示模块，所述显示模块与所述指令输入模块均与所述总线模块连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块由SD卡以及SATA硬盘组成，其中：

所述SD卡与所述第一CPU模块连接，所述SATA硬盘与所述第二CPU模块连接。

8.如权利要求7所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，还包括网络通讯模块，所述网络通信模块与所述第二CPU模块连接，通过以太网与外界进行通讯连接以及数据传送。

9.如权利要求8所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，还包括ETH接口、USB接口以及对时模块，所述ETH接口、所述USB接口以及所述对时模块分别与所述第二CPU模块连接。

10.如权利要求9所述的电能质量在线监测系统，其特征在于，还包括机壳，所述数据存储模块、所述CPU模块、所述I/O接口模块、所述总线模块、所述电源模块以及所述人机交互模块固定安装在所述机壳内。