CN108982967A - 一种船舶电网参数实时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶电网参数实时监测系统及方法，该监测系统包括信号调理单元、数据采集单元、数据处理单元、通讯接口电路、外部扩展存储器、频率检测模块，信号调理单元包括电阻分压网络、电流互感器、低通滤波器，低通滤波器设置在电阻分压网络和数据采集单元之间或者电流互感器和数据采集单元之间。本发明有效将自行车刹车的能量转换为电能。本发明在采样前置引入低通滤波器LPF，不仅可以滤除连续信号中高于采样频率的频谱分量，以减少出现频谱混叠的可能，保证采样信号的基本频谱和原连续信号的频谱最大限度的接近，还可以有效滤除高频干扰，避免谐波污染造成的采样影响。

Description

一种船舶电网参数实时监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，更具体地说，涉及一种船舶电网参数实时监测系统及方法。

背景技术

船舶电网是一个独立的小型电网，与陆上电网不同，船舶电网的电能质量极易受负载变动的影响。尤其是近年来，随着船舶电力器械的比重逐渐增大，非线性和冲击性负荷不断增多，这些负荷对供电系统的电能质量造成了严重的污染，传统的船舶电网监测装置能够检测的参数相对较少，且无法准确监测含有谐波的船舶电网参数，而谐波污染是当前影响船舶电网电能质量日益严峻的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种船舶电网参数实时监测系统及方法。本发明根据船舶电网的传统参数检测和谐波测量理论，设计一种具备谐波分析功能的船舶电网实时监测系统。同步采样法是指采样时间间隔Ts、被测交流信号周期T以及一个周期内采样点数N满足T＝N·Ts，同步采样法又称为等间隔周期采样。同步采样是快速傅氏变换算法的基本条件。若采样频率与实际信号的频率没有保持相对一致，此时采样周期信号的相位在始端和终端就不会连续，那么基于快速傅氏变换算法的谐波分析也就会产生较大误差。为了消除这种误差，本发明提出了一种改进的同步采样方法，对船舶电网参数实时监测系统的硬件和软件进行设计。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种船舶电网参数实时监测系统，包括信号调理单元、数据采集单元、数据处理单元、通讯接口电路、外部扩展存储器、频率检测模块，信号调理单元包括电阻分压网络、电流互感器、低通滤波器，所述电阻分压网络、电流互感器的输出端与数据采集单元的输入端连接，所述低通滤波器设置在电阻分压网络和数据采集单元之间或者电流互感器和数据采集单元之间，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端连接，所述数据处理单元的输出端与通讯接口电路、外部扩展存储器、频率检测模块连接；船舶电网三相电的电压信号经过所述电阻分压网络转化为小电压信号或者船舶电网三相电的大电流信号经过所述电流互感器转化为小电流信号后再转化为电压信号，接着电压信号经过所述低通滤波器后进入到数据采集单元，数据处理单元进行数据处理，最后通过数据处理单元的通讯接口电路显示实时数据。

优选地，所述船舶电网参数实时监测系统还包括电源监控模块，电源监控模块选用电源监控芯片TP32823-33。为了进一步保证上电复位的可靠性以及因电源电压抖动引起芯片的可靠复位，本发明选用电源监控芯片TP32823-33，来保证芯片的稳定运行，TP32823-33的工作原理是当3.3V电源上电时达到门限值2.93V，RESET信号会保持大约200ms，这样就能保证上电的可靠复位；同样，当电源电压抖动越过门限值，RESET信号也会保持大约200ms，这样能够实现对电源波动的监控。

优选地，所述数据采集单元选用AD73360数据采集模块。数据采集单元作为整个船舶电网参数实时监测系统的核心部分之一，A/D模数转换器的选择是决定整个系统精度和性能的重要因素之一。作为分辨率方面的考虑，因为转换器件存在固有的偏移误差、增益误差、非线性误差等，而且要考虑外界噪声的干扰，整个系统的精度要求为±0.2％，16位的A/D换器可以满足整个系统的精度要求，因此，数据采集单元选用AD73360数据采集模块。

优选地，所述数据处理单元为数字信号处理器。

船舶电网中各种电力电子装置已成为谐波因素的主要来源。通过研究船舶电网各处的的谐波电压和谐波电流分布情况是谐波问题研究的主要依据。因为傅里叶变换理论(主要是快速傅氏变换FFT)经过长期以来的不断改进和实践证明，应用在谐波检测和分析具有精度高、实时性好、功能较多、实现容易等特点，是目前较为成熟的谐波检测理论。因此本发明中运用傅里叶变换进行信号处理单元的方法。

电压信号接入AD73360时输入的是单极性信号，而原始的电压信号为交流信号，因此在原始的电压信号接入A/D模数转换器之前需要在交流电压上叠加一个直流信号，以促使信号输入满足AD73360的处理范围；同时基于采样定理的基本限制，在数据采集单元前置一个低通滤波器，截取一段频率范围，以达到抗频谱混叠的目的。采样前置引入低通滤波器，一方面可以滤除连续信号中高于采样频率的频谱分量，使采样信号基本频谱的低频段中尽可能不混有原连续信号的高频分量，以减少出现频谱混叠的可能，保证采样信号的基本频谱和原连续信号的频谱最大限度的接近；另一方面能够有效滤除高频干扰。实践工程中，时域离散信号x(n)的时限通常很长，出于离散傅里叶变换DFT的考虑(一般使用快速傅氏变换FFT)，需要把x(n)限制在一定的时间区间之内。因此，在计算FFT之前，添加一个具有数据截断作用、有限的窗函数w(n)十分必要。原始信号经过低通滤波器后，再经过A/D转换生成序列x(n)。同时考虑到选用的AD73360采用Δ-ΣA/D转换原理，具备良好的内置反混叠性能，可以大大降低对抗混叠滤波器的要求,低通滤波器LPF的第一级放大器LM324构成巴特沃斯滤波器，第二个放大器组成一个电压跟随器，第三级放大器利用减法器添加偏置电压，将输入信号限制在采样芯片的标准范围内。

本发明还提供一种船舶电网参数实时监测方法，该方法采用上述船舶电网参数实时监测系统，包括以下步骤：

Step1，初始化参数，包括数据采集单元的初始化、数据处理单元的初始化、外部扩展存储器接口的初始化、中断控制器的初始化和外部FLASH初始化；

Step2，硬件自检，包括信号调理单元的自检、频率检测模块的自检、通讯接口电路的自检、供电模块的自检、复位电路的自检；

Step3，任务调度，进行数据采集、数据处理，最后通过数据通讯进行监测数据的显示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在采样前置引入低通滤波器，不仅可以滤除连续信号中高于采样频率的频谱分量，使采样信号基本频谱的低频段中尽可能不混有原连续信号的高频分量，以减少出现频谱混叠的可能，保证采样信号的基本频谱和原连续信号的频谱最大限度的接近，还可以有效滤除高频干扰，避免谐波污染造成的采样影响；本发明同时还针对采样数据设计相对应的硬件电路和编写软件实现程序。

2、本发明将自行车的坐垫内部结构进行改造，将自行车车座频繁振动动能转换为电能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明船舶电网参数实时监测系统的整体方案图。

图2是傅里叶变换分析的基本流程图。

图3是本发明实施中低通滤波器的示意图。

图4为本发明实施中电源监控模块的示意图。

图5为一种船舶电网参数实时监测方法的基本流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供一种船舶电网参数实时监测系统，如图1所示，包括信号调理单元、数据采集单元、数据处理单元、通讯接口电路、外部扩展存储器、频率检测模块。信号调理单元包括电阻分压网络、电流互感器、低通滤波器，电阻分压网络、电流互感器的输出端与数据采集单元的输入端连接，低通滤波器设置在电阻分压网络和数据采集单元之间或者电流互感器和数据采集单元之间，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端连接，数据处理单元的输出端与通讯接口电路、外部扩展存储器、频率检测模块连接；船舶电网三相电的电压信号经过电阻分压网络转化为小电压信号或者船舶电网三相电的大电流信号经过电流互感器转化为小电流信号后再转化为电压信号，接着电压信号经过低通滤波器后进入到数据采集单元，数据处理单元进行数据处理，最后通过数据处理单元的通讯接口电路显示实时数据。

数据采集单元选用AD73360数据采集模块。数据采集单元作为整个船舶电网参数实时监测系统的核心部分之一，A/D模数转换器的选择是决定整个系统精度和性能的重要因素之一。作为分辨率方面的考虑，因为转换器件存在固有的偏移误差、增益误差、非线性误差等，而且要考虑外界噪声的干扰，整个系统的精度要求为±0.2％，16位的A/D换器可以满足整个系统的精度要求，因此，数据采集单元选用AD73360数据采集模块。

数据处理单元为数字信号处理器。

船舶电网中各种电力电子装置已成为谐波因素的主要来源。通过研究船舶电网各处的的谐波电压和谐波电流分布情况是谐波问题研究的主要依据。因为傅里叶变换理论(主要是快速傅氏变换FFT)经过长期以来的不断改进和实践证明，应用在谐波检测和分析具有精度高、实时性好、功能较多、实现容易等特点，是目前较为成熟的谐波检测理论。因此本发明中运用傅里叶变换进行信号处理单元的方法。

电压信号接入AD73360时输入的是单极性信号，而原始的电压信号为交流信号，因此在原始的电压信号接入A/D模数转换器之前需要在交流电压上叠加一个直流信号，以促使信号输入满足AD73360的处理范围；同时基于采样定理的基本限制，本发明在在数据采集单元前置一个低通滤波器，截取一段频率范围，以达到抗频谱混叠的目的。如图2所示，采样前置引入低通滤波器，一方面可以滤除连续信号中高于采样频率的频谱分量，使采样信号基本频谱的低频段中尽可能不混有原连续信号的高频分量，以减少出现频谱混叠的可能，保证采样信号的基本频谱和原连续信号的频谱最大限度的接近；另一方面能够有效滤除高频干扰。实践工程中，时域离散信号x(n)的时限通常很长，出于离散傅里叶变换DFT的考虑(一般使用快速傅氏变换FFT)，需要把x(n)限制在一定的时间区间之内。因此，在计算FFT之前，添加一个具有数据截断作用、有限的窗函数w(n)十分必要。原始信号经过低通滤波器后，再经过A/D转换生成序列x(n)。同时考虑到选用的AD73360采用Δ-ΣA/D转换原理，具备良好的内置反混叠性能，可以大大降低对抗混叠滤波器的要求,如图3所示，低通滤波器的第一级放大器LM324构成巴特沃斯滤波器，第二个放大器组成一个电压跟随器，第三级放大器利用减法器添加偏置电压，将输入信号限制在采样芯片的标准范围内。

船舶电网参数实时监测系统还包括电源监控模块，电源监控模块选用电源监控芯片TP32823-33，如图4所示。为了进一步保证上电复位的可靠性以及因电源电压抖动引起芯片的可靠复位，本发明选用电源监控芯片TP32823-33，来保证芯片的稳定运行，TP32823-33的工作原理是当3.3V电源上电时达到门限值2.93V，RESET信号会保持大约200ms，这样就能保证上电的可靠复位；同样，当电源电压抖动越过门限值，RESET信号也会保持大约200ms，这样能够实现对电源波动的监控。

本发明还提供一种船舶电网参数实时监测方法，该方法采用上述船舶电网参数实时监测系统，如图5所示，包括以下步骤：

Step1，引导程序入口；

Step2，初始化参数，包括数据采集单元的初始化、数据处理单元的初始化、外部扩展存储器接口的初始化、中断控制器的初始化和外部FLASH初始化；

Step3，硬件自检，包括信号调理单元的自检、频率检测模块的自检、通讯接口电路的自检、供电模块的自检、复位电路的自检；

Step4，任务调度，进行数据采集、数据处理，最后通过数据通讯进行监测数据的显示。

该方法构成船舶电网参数实时监测系统的软件总体结构，软件结构由主程序和一系列服务子程序以及中断子程序构成。主程序主要负责调用各功能模块程序，是一个无限循环的程序,程序通过合理规划各任务模块和相互调用关系，实现整体的协同高效工作。程序的开始首先进行DSP内核和外围设备的初始化。这其中包括AD73360的初始化，并使能相应的中断，进入A/D数据转换的循环等待。在循环等待期间，程序不断检测数据采集完成的标志位。只要相应的采样点数完成，主程序就开始调用参数计算的子程序，并保留数据到后续数据管理单元，然后复位数据采集标志位，然后返回。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种船舶电网参数实时监测系统，其特征在于，包括信号调理单元、数据采集单元、数据处理单元、通讯接口电路、外部扩展存储器、频率检测模块，信号调理单元包括电阻分压网络、电流互感器、低通滤波器，所述电阻分压网络、电流互感器的输出端与数据采集单元的输入端连接，所述低通滤波器设置在电阻分压网络和数据采集单元之间或者电流互感器和数据采集单元之间，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端连接，所述数据处理单元的输出端与通讯接口电路、外部扩展存储器、频率检测模块连接；船舶电网三相电的电压信号经过所述电阻分压网络转化为小电压信号或者船舶电网三相电的大电流信号经过所述电流互感器转化为小电流信号后再转化为电压信号，接着电压信号经过所述低通滤波器后进入到数据采集单元，数据处理单元进行数据处理，最后通过数据处理单元的通讯接口电路显示实时数据。

2.根据权利要求1所述的一种船舶电网参数实时监测系统，其特征在于，所述船舶电网参数实时监测系统还包括电源监控模块，电源监控模块选用电源监控芯片TP32823-33。

3.根据权利要求1所述的一种船舶电网参数实时监测系统，其特征在于，所述数据采集单元选用AD73360数据采集模块。

4.根据权利要求1所述的一种船舶电网参数实时监测系统，其特征在于，所述数据处理单元为数字信号处理器。

5.根据权利要求1所述的一种船舶电网参数实时监测系统，其特征在于，所述低通滤波器由第一级放大器、第二个放大器、第三级放大器串联构成，所述第一级放大器LM324构成巴特沃斯滤波器，第二个放大器组成一个电压跟随器，第三级放大器利用减法器添加偏置电压，将输入信号限制在数据采集单元的标准范围内。

6.一种船舶电网参数实时监测方法，其特征在于，该方法采用上述船舶电网参数实时监测系统，包括以下步骤：

Step1，初始化参数，包括数据采集单元的初始化、数据处理单元的初始化、外部扩展存储器接口的初始化、中断控制器的初始化和外部FLASH初始化；

Step2，硬件自检，包括信号调理单元的自检、频率检测模块的自检、通讯接口电路的自检、供电模块的自检、复位电路的自检；

Step3，任务调度，进行数据采集、数据处理，最后通过数据通讯进行监测数据的显示。