CN108896952B - 电网异常模拟测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网异常模拟测试系统及其测试方法，包括电源模块、MCU模块、数据传输与调节模块、变压器、电压电流监测模块、存储模块、显示模块、USB接口模块、上位机和待测设备；MCU模块分别与电压电流监测模块、数据传输与调节模块、存储模块、显示模块和USB接口模块电连接，变压器分别与电压电流监测模块、数据传输与调节模块和待测设备电连接，电压电流监测模块与待测设备电连接，USB接口模块和上位机连接。本发明具有如下有益效果：本发明检测功能多，能够模拟电网异常对待测设备的影响；还能够模拟待测设备实际运行的状态，获得待测设备的可靠性；系统平台简单，总体成本低。

Description

电网异常模拟测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及电网测试技术领域，尤其是涉及一种系统平台简单，成本低，提高待测设备可靠性的电网异常模拟测试系统及其测试方法。

背景技术

电能表计量是电网经济核算的依据，计量精度直接关系到电力系统供需双方的经济效益和社会效益。电能表是电能计量的核心部分和基础量具。其计量准确度直接关系到电能计量的精度。随着我国工业的高速发展，低压电力线路中会夹杂着各种波形，这些波形对电能计量类产品的真实性以及准确性存在影响，目前还没有系统能够对这些波形的影响进行检测。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的没有系统能够对这些波形的影响进行检测的不足，提供了一种系统平台简单，成本低，提高待测设备可靠性的电网异常模拟测试系统及其测试方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电网异常模拟测试系统，包括电源模块、MCU模块、数据传输与调节模块、变压器、电压电流监测模块、存储模块、显示模块、USB接口模块、上位机和待测设备；所述电源模块分别与MCU模块、数据传输与调节模块、电压电流监测模块、存储模块、显示模块和USB接口模块电连接，MCU模块分别与电压电流监测模块、数据传输与调节模块、存储模块、显示模块和USB接口模块电连接，变压器分别与电压电流监测模块、数据传输与调节模块和待测设备电连接，电压电流监测模块与待测设备电连接，USB接口模块和上位机连接。

本发明通过MCU模块读取波形数据，然后经过数据传输与调节模块的处理进入变压器，通过电压电流监测模块监测变压器后端的电压、电流以及频率值，将电压电流监测模块监测得到的数值与待测设备上显示的值进行对比，获得波形数据对于待测设备的影响。

作为优选，所述数据传输与调节模块包括DA输出电路、低通滤波电路、运放增益调节电路、外部信号发生器、切换开关和信号功率放大电路；DA输出电路和外部信号发生器均与MCU模块连接，信号功率放大电路通过切换开关分别与运放增益调节电路和外部信号发生器电连接，低通滤波电路分别与DA输出电路和运放增益调节电路电连接，信号功率放大电路分别与电源模块和变压器电连接，低通滤波电路和运放增益调节电路均与电源模块电连接；通过切换开关的切换，可以分别从存储设备或外部信号发生器中读取波形数据，可以获得波形对于待测设备的影响，也可以获得对待测设备有影响的未知波形的参数。

作为优选，还包括通断开关和上电下电检测模块；通断开关分别与变压器和数据传输与调节模块电连接，上电下电检测模块分别与电源模块和MCU模块电连接；通过通断开关的打开与闭合可以对本发明进行测试之前的校准和保证波形数据线性输出。

作为优选，电源模块包括开关电源、第一DC/DC转换模块、第二DC/DC转换模块、第三DC/DC转换模块、第一低压降稳压模块、第二低压降稳压模块和电源指示灯；第一DC/DC转换模块分别与开关电源、第二DC/DC转换模块、电源指示灯、上电下电检测模块、数据传输与调节模块和第二低压降稳压模块电连接，第二低压降稳压模块和开关电源均与数据传输与调节模块电连接，第二DC/DC转换模块分别与第三DC/DC转换模块、第一低压降稳压模块和显示模块电连接，第一低压降稳压模块分别与MCU模块、存储模块和USB接口模块电连接，第三DC/DC转换模块与电压电流监测模块电连接；通过不同的转换模块获得不同的电压值，为不同的设备供电。

作为优选，MCU模块包括MCU、晶振Y2、电容C38、电容C39、电容C40、电容C41、电容C42和电阻R48；MCU分别与晶振Y2、电容C38、电容C39、电容C40、电容C41、电容C42和电阻R48电连接，晶振Y2分别与电容C38和电容C40电连接，电容C42与电阻R48电连接；MCU分别与电源模块、电压电流监测模块、数据传输与调节模块、存储模块、显示模块和USB接口模块电连接。

作为优选，显示模块为触摸液晶显示屏；不仅可以显示系统运行的状态，而且可以通过触摸显示屏设置工作状态。。

作为优选，存储模块包括FLASH存储器和铁电存储器；FLASH存储器和铁电存储器均分别与电源模块和MCU模块电连接。

一种电网异常模拟测试系统的测试方法，包括如下步骤：

(8-1)当信号功率放大电路通过切换开关与运放增益调节电路电连接时，转入步骤(8-2)；

当信号功率放大电路通过切换开关与外部信号发生器电连接时，MCU模块读取外部信号发生器中的波形数据，波形数据通过功率放大电路进行功率放大后进入变压器，接入待测设备的供电电源中，转入步骤(8-5)；

(8-2)MCU模块通过USB接口模块与上位机连接，将n个模拟波形保存到存储模块中；

(8-3)通过显示模块设置系统运行的模拟波形i，MCU模块读取存储模块中的模拟波形i的数据；

(8-4)MCU模块将模拟波形i的数据传输到DA输出模块，DA输出模块输出模拟波形i的信号通过低通滤波电路进行滤波，通过运放增益调节电路进行增益调节，通过功率放大电路进行模拟波形信号的功率放大后进入变压器，接入待测设备的供电电源中，转入步骤(8-5)；

(8-5)MCU模块控制电压电流监测模块对变压器后端的电压和电流进行采样，获得待测设备运行的电压、电流以及频率值；

(8-6)测试人员读出待测设备的电压V2、电流I2以及频率值F2，如果V1等于V2，I1等于I2，并且F1等于F2，表明波形数据对待测设备没有影响；

如果V1不等于V2，或者I1不等于I2，或者F1不等于F2，表明波形数据对待测设备有影响。

作为优选，在进行测试之前还包括如下步骤：

(9-1)断开通断开关，通过显示装置设置系统进入校准模式，进行电压和电流的校准；

(9-2)闭合通断开关，通过显示装置设置系统运行测试用例，保证变压器后端的输出电压呈线性变化。

因此，本发明具有如下有益效果：本发明通过切换开关的切换，可以分别从存储设备或外部信号发生器中读取波形数据，然后检测已知和未知波形数据对于待测设备的影响，检测功能多，能够模拟电网异常对待测设备的影响；还能够模拟待测设备实际运行的状态，获得待测设备的可靠性；系统平台简单，总体成本低。

附图说明

图1是本发明的一种系统框图；

图2是本发明的MCU模块的一种电路图；

图3是本发明的第一DC/DC转换模块的一种电路图；

图4是本发明的第一低压降稳压模块的一种电路图；

图5是本发明的第三DC/DC转换模块的一种电路图；

图6是本发明的电压电流监测模块的一种电路图；

图7是本发明的电压电流监测模块的辅助电路的第一种电路图；

图8是本发明的电压电流监测模块的辅助电路的第二种电路图

图9是本发明的上电下电检测模块的电路图。

图10是本发明的一种流程图。

图中：电源模块1、MCU模块2、数据传输与调节模块3、变压器4、电压电流监测模块5、存储模块6、显示模块7、USB接口模块8、上位机9、待测设备10、通断开关11、上电下电检测模块12、开关电源13、第一DC/DC转换模块14、第二DC/DC转换模块15、第三DC/DC转换模块16、第一低压降稳压模块17、第二低压降稳压模块18、电源指示灯19、DA输出电路31、低通滤波电路32、运放增益调节电路33、外部信号发生器34、切换开关35、信号功率放大电路36、FLASH存储器61、铁电存储器62。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示的实施例是一种电网异常模拟测试系统，包括电源模块1、MCU模块2、数据传输与调节模块3、变压器4、电压电流监测模块5、存储模块6、显示模块7、USB接口模块8、上位机9、待测设备10、通断开关11和上电下电检测模块12；；所述电源模块分别与MCU模块、数据传输与调节模块、电压电流监测模块、存储模块、显示模块、USB接口模块和上电下电检测模块电连接，MCU模块分别与电压电流监测模块、数据传输与调节模块、存储模块、显示模块、USB接口模块和上电下电检测模块电连接，变压器分别与电压电流监测模块、数据传输与调节模块和待测设备电连接，电压电流监测模块与待测设备电连接，USB接口模块和上位机连接，通断开关分别与变压器和数据传输与调节模块电连接；显示模块为触摸液晶显示屏；存储模块包括FLASH存储器(61)和铁电存储器(62)；FLASH存储器和铁电存储器均分别与电源模块和MCU模块电连接。

如图1所示，所述数据传输与调节模块包括DA输出电路31、低通滤波电路32、运放增益调节电路33、外部信号发生器34、切换开关35和信号功率放大电路36；DA输出电路和外部信号发生器均与MCU模块连接，信号功率放大电路通过切换开关分别与运放增益调节电路和外部信号发生器电连接，低通滤波电路分别与DA输出电路和运放增益调节电路电连接，信号功率放大电路分别与电源模块和变压器电连接，低通滤波电路和运放增益调节电路均与电源模块电连接。

如图2所示，MCU模块包括MCU、晶振Y2、电容C38、电容C39、电容C40、电容C41、电容C42和电阻R48；MCU分别与晶振Y2、电容C38、电容C39、电容C40、电容C41、电容C42和电阻R48电连接，晶振Y2分别与电容C38和电容C40电连接，电容C42与电阻R48电连接；MCU分别与电源模块、电压电流监测模块、数据传输与调节模块、存储模块、显示模块和USB接口模块电连接。

如图1所示，电源模块包括开关电源13、第一DC/DC转换模块14、第二DC/DC转换模块15、第三DC/DC转换模块16、第一低压降稳压模块17、第二低压降稳压模块18和电源指示灯19；第一DC/DC转换模块分别与开关电源、第二DC/DC转换模块、电源指示灯、上电下电检测模块、数据传输与调节模块和第二低压降稳压模块电连接，第二低压降稳压模块和开关电源均与数据传输与调节模块电连接，第二DC/DC转换模块分别与第三DC/DC转换模块、第一低压降稳压模块和显示模块电连接，第一低压降稳压模块分别与MCU模块、存储模块和USB接口模块电连接，第三DC/DC转换模块与电压电流监测模块电连接。

如图3所示，第一DC/DC转换模块包括DC/DC转换芯片U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C19、电容C20、二极管D和电感L；DC/DC转换芯片U2分别与电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电容C3、电容C4、电容C5、电容C19、电容C20、二极管D的负极和电感L电连接，电阻R5与电阻R6电连接，电阻R3与电容C19电连接，电感L分别与电容C1和电容C2电连接，电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电容C3、电容C4、电容C5和二极管D的正极均接地。

如图4所示，第一低压降稳压模块包括稳压器VR1、电容C6、电容C7和电容C6；稳压器VR1分别与电容C6、电容C7和电容C6电连接，稳压器VR1、电容C6、电容C7和电容C6均接地。

如图5所示，第三DC/DC转换模块包括隔离电源芯片、电容C9和电容C10；隔离电源芯片分别与电容C9和电容C10电连接。

工装系统由220V供电，通过开关电源输出DC 48V稳定电压；DC 48V为信号放大器电源，DC 48v电源通过第一DC/DC转换模块后，稳定输出DC 12V电源，用于信号功率放大电路的芯片供电电源；DC 12V电源经过第二DC/DC转换模块输出第一路DC 5V电源，用于触摸液晶显示屏供电；DC 12V电源经过第二低压降稳压模块输出第二路DC 5V，用于运放增益调节电路的供电；第一路DC 5V经过第三DC/DC转换模块输出隔离DC5V，用于电压电流监测模块供电；第一路DC 5V经过第一低压降稳压模块输出DC 3.3V，用于MCU模块及外设供电。

如图6、图7和图8所示，电压电流监测模块包括电压电流监测芯片、晶振Y1、光耦U6、光耦U7、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C21、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22和电阻R23；电压电流监测芯片分别与晶振Y1、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C21、电阻R9、电阻R10、电阻R17、电阻R19、光耦U6、光耦U7和电阻R20电连接，电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16依次电连接，电容C17分别与电阻R8和电阻R9电连接，电阻R18分别与电阻R17和电阻R19电连接，光耦U6分别与电阻R20和电阻R22电连接，光耦U7分别与电阻R21和电阻R23电连接；通过电压电流监测电路对变压器后端电压、电流进行采样，获得被测设备运行的电压、电流及频率值。

如图9所示，上电下电检测模块包括三极管Q1、三极管Q2、二极管D1、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27和电阻R28；三极管Q1的基极分别与电阻R24和电阻R25电连接，电阻R24与二极管D1的正极电连接，三极管Q1的集电极分别与电阻R26和电阻R27电连接，三极管Q1的发射极与电阻R25电连接，电阻R27与三极管Q2的基极电连接，三极管Q2的发射极与电阻R26电连接，三极管Q2的集电极与电阻28电连接；在给整个系统上电和下电之前，通过上电下电检测模块进行检测，确保系统的安全性。

一种电网异常模拟测试系统的测试方法，如图10所示，包括如下步骤：

步骤100，进行系统校准，保证变压器后端的输出电压呈线性变化

步骤101，断开通断开关，通过显示装置设置系统进入校准模式，进行电压和电流的校准；变压器输出端加220V标准电压，同时负载回路通1A标准电流；通过短接内部电路板上的校准短接点，进入电压电流校准模式；分别校准220V1A功率因素1.0的点和220V 1A功率因素0.5L的点；进入校准模式后，分别通过点击触摸液晶显示屏上的固定模拟按键，通过内部MCU固化好的校准方式进行两个点的校准；当触摸液晶显示屏上显示的电压电流功率值与标准电工源输出的值相等时，即可认为校准完成。

步骤102，闭合通断开关，通过显示装置设置系统运行测试用例，MCU输出最大可输出的DAC值为a，同时波形频率为50HZ，此时工装输出电压应为交流有效值460V，但通常有偏差。通过对运放增益调节电路的增益调节，与电压电流监测电路读出的电压b数据进行对比，调整输出最大电压b与DAC输出最大值a，使得b＝ka，保证变压器后端的输出电压呈线性变化；其中，k为比例系数。

步骤200，对存储模块内的模拟波形和外部信号发生器中的波形数据进行测试

步骤201，当信号功率放大电路通过切换开关与运放增益调节电路电连接时，转入步骤202；

当信号功率放大电路通过切换开关与外部信号发生器电连接时，MCU模块读取外部信号发生器中的波形数据，波形数据通过功率放大电路进行功率放大后进入变压器，接入待测设备的供电电源中，转入步骤(8-5)；

步骤202，MCU模块通过USB接口模块与上位机连接，将n个模拟波形保存到存储模块中；

步骤203，通过显示模块设置系统运行的模拟波形i，MCU模块读取存储模块中的模拟波形i的数据；

步骤204，MCU模块将模拟波形i的数据传输到DA输出模块，DA输出模块输出模拟波形i的信号通过低通滤波电路进行滤波，通过运放增益调节电路进行增益调节，通过功率放大电路进行模拟波形信号的功率放大后进入变压器，接入待测设备的供电电源中，转入步骤205；

步骤205，MCU模块控制电压电流监测模块对变压器后端的电压和电流进行采样，获得待测设备运行的电压V1、电流I1以及频率值F1；

步骤206，测试人员读出待测设备的电压V2、电流I2以及频率值F2，如果V1等于V2，I1等于I2，并且F1等于F2，表明波形数据对待测设备没有影响；

如果V1不等于V2，或者I1不等于I2，或者F1不等于F2，表明波形数据对待测设备有影响。

其中，上位机可通过USB接口模块对系统程序进行在线升级；本系统的最大输出频率可达到5kHZ。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种电网异常模拟测试系统，其特征在于，包括电源模块(1)、MCU模块(2)、数据传输与调节模块(3)、变压器(4)、电压电流监测模块(5)、存储模块(6)、显示模块(7)、USB接口模块(7)、上位机(8)和待测设备(10)；所述电源模块分别与MCU模块、数据传输与调节模块、电压电流监测模块、存储模块、显示模块和USB接口模块电连接，MCU模块分别与电压电流监测模块、数据传输与调节模块、存储模块、显示模块和USB接口模块电连接，变压器分别与电压电流监测模块、数据传输与调节模块和待测设备电连接，电压电流监测模块与待测设备电连接，USB接口模块和上位机连接；所述数据传输与调节模块包括DA输出电路(31)、低通滤波电路(32)、运放增益调节电路(33)、外部信号发生器(34)、切换开关(35)和信号功率放大电路(36)；DA输出电路和外部信号发生器均与MCU模块连接，信号功率放大电路通过切换开关分别与运放增益调节电路和外部信号发生器电连接，低通滤波电路分别与DA输出电路和运放增益调节电路电连接，信号功率放大电路分别与电源模块和变压器电连接，低通滤波电路和运放增益调节电路均与电源模块电连接。

2.根据权利要求1所述的电网异常模拟测试系统，其特征在于，还包括通断开关(11)和上电下电检测模块(12)；通断开关分别与变压器和数据传输与调节模块电连接，上电下电检测模块分别与电源模块和MCU模块电连接。

3.根据权利要求2所述的电网异常模拟测试系统，其特征在于，电源模块包括开关电源(13)、第一DC/DC转换模块(14)、第二DC/DC转换模块(15)、第三DC/DC转换模块(16)、第一低压降稳压模块(17)、第二低压降稳压模块(18)和电源指示灯(19)；第一DC/DC转换模块分别与开关电源、第二DC/DC转换模块、电源指示灯、上电下电检测模块、数据传输与调节模块和第二低压降稳压模块电连接，第二低压降稳压模块和开关电源均与数据传输与调节模块电连接，第二DC/DC转换模块分别与第三DC/DC转换模块、第一低压降稳压模块和显示模块电连接，第一低压降稳压模块分别与MCU模块、存储模块和USB接口模块电连接，第三DC/DC转换模块与电压电流监测模块电连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的电网异常模拟测试系统，其特征在于，MCU模块包括MCU、晶振Y2、电容C38、电容C39、电容C40、电容C41、电容C42和电阻R48；MCU分别与晶振Y2、电容C38、电容C39、电容C40、电容C41、电容C42和电阻R48电连接，晶振Y2分别与电容C38和电容C40电连接，电容C42与电阻R48电连接；MCU分别与电源模块、电压电流监测模块、数据传输与调节模块、存储模块、显示模块和USB接口模块电连接。

5.根据权利要求4所述的电网异常模拟测试系统，其特征在于，显示模块为触摸液晶显示屏。

6.根据权利要求1或2或3所述的电网异常模拟测试系统，其特征在于，存储模块包括FLASH存储器(61)和铁电存储器(62)；FLASH存储器和铁电存储器均分别与电源模块和MCU模块电连接。

7.一种基于权利要求1所述的电网异常模拟测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(7-1)当信号功率放大电路通过切换开关与运放增益调节电路电连接时，转入步骤(7-2)；

当信号功率放大电路通过切换开关与外部信号发生器电连接时，MCU模块读取外部信号发生器中的波形数据，波形数据通过功率放大电路进行功率放大后进入变压器，接入待测设备的供电电源中，转入步骤(7-5)；

(7-2)MCU模块通过USB接口模块与上位机连接，将n个模拟波形保存到存储模块中；

(7-3)通过显示模块设置系统运行的模拟波形i，MCU模块读取存储模块中的模拟波形i的数据；

(7-4)MCU模块将模拟波形i的数据传输到DA输出模块，DA输出模块输出模拟波形i的信号通过低通滤波电路进行滤波，通过运放增益调节电路进行增益调节，通过功率放大电路进行模拟波形信号的功率放大后进入变压器，接入待测设备的供电电源中，转入步骤(7-5)；

(7-5)MCU模块控制电压电流监测模块对变压器后端的电压和电流进行采样，获得待测设备运行的电压V1、电流I1以及频率值F1；

(7-6)测试人员读出待测设备的电压V2、电流I2以及频率值F2，如果V1等于V2，I1等于I2，并且F1等于F2，表明波形数据对待测设备没有影响；

如果V1不等于V2，或者I1不等于I2，或者F1不等于F2，表明波形数据对待测设备有影响。

8.根据权利要求7所述的电网异常模拟测试系统的测试方法，其特征在于，在进行测试之前还包括如下步骤：

(8-1)断开通断开关，通过显示装置设置系统进入校准模式，进行电压和电流的校准；

(8-2)闭合通断开关，通过显示装置设置系统运行测试用例，保证变压器后端的输出电压呈线性变化。

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