CN109683013A - 电气模拟量采集装置及阻抗自适应数值补偿系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电气模拟量采集装置，包括模拟量板卡、至少一块功能板卡和背板，背板分别与模拟量板卡和功能板卡电性连接，还涉及一种阻抗自适应数值补偿系统和方法，包括上电检测模块、信号跳变检测模块、逻辑或模块、信号高电平统计模块和模拟量数值补偿模块。本发明中模拟量板卡的电压信号可以供多块功能板卡共享，保证了每一监控线路电压、电流采集的同步性，功能板卡配置相同，大大降低了生产维护的成本。通过自动检测输入阻抗，对采集到的电气模拟量数值进行补偿，确保了电气模拟量采集的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及站所配电终端的技术领域，尤其是电气模拟量采集装置及阻抗自适应数值补偿系统和方法。
背景技术
站所配电终端是实现配电自动化的重要组成设备，它依靠实时采集电网一次电压、电流信号来监控多路10kV电力回路的工作状态，因此对电气模拟量采集的实时性和准确性要求很高。在10kV配电自动化系统中，高压侧电压或电流信号经过一次电压(电流)互感器转换成220V或100V大电压信号(5A电流或1A电流信号)，该信号输入配电终端后再经微型互感器转换成模数转换器可接受的小信号，由模数转换器将其转换成数字信号，再输入处理器中进行计算处理。
站所配电终端监控的线路处于并联关系，被监测各线路的电压都相同，但每条出线的负荷电流不一样，因此每台站所配电终端只需要1～2组电压互感器，而电流互感器则需要根据监控路数配置相应数量。由于监控的路数较多，相应需要的微型互感器也较多，且微型互感器体积较大，不可能集中到一块电路板上，目前解决此问题主要有两种方式：一种是互感器集中分布到数块电路板上，处理器等其它部件分布到另外的板上，这样就存在很多种类型的板卡，生产、维护成本较高；另一种做法是互感器分散式分布，每块互感器板上有模数转换器和MCU，模拟信号经模数转换器转换成数字信号后汇集到数据处理单元，但是，采用此种方式电压、电流的采样时刻存在差异，而配电终端不仅需要监测被监控线路的电压电流状态，还需要计算监测节点输送的电能功率，计算功率要求电压信号与电流信号的相位严格同步，否则计算结果不准确。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电气模拟量采集装置及阻抗自适应补偿系统和方法，确保了电气模拟量采集的准确性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电气模拟量采集装置，包括模拟量板卡，所述模拟量板卡上设置有电压互感器，用于将监控线路的大电压信号转换为小电压信号，并实现电压信号共享；至少一块功能板卡，每块功能板卡上设置有依次连接的电流互感器、模数转换器和处理器，用于采集模拟量板卡共享的电压信号和监控线路的电流信号；背板，所述背板分别与模拟量板卡上的电压互感器和每块功能板卡上的模数转换器连接。
进一步，所述背板上设置有至少一根检测信号线，所述检测信号线的数量与功能板卡的数量相同，每块功能板卡与全部的检测信号线进行连接。
进一步，每块功能板卡上设置有电源和至少一个下拉电阻，每一电源的正极作为使能信号端，与检测信号线一一对应连接；所述下拉电阻的数量与功能板卡的数量相同，每一下拉电阻的一端与检测信号线一一对应连接，每一下拉电阻的另一端均与电源的负极连接。
进一步，所述功能板卡有8块，所述检测信号线有8根，所述下拉电阻有8个。
进一步，所述模拟量板卡、功能板卡与背板均是采用拔插式连接器实现连接。
一种阻抗自适应数值补偿系统，包括所述的电气模拟量采集装置，还包括上电检测模块，所述上电检测模块与电气模拟量采集装置的电源进行连接，用于检测电气模拟量采集装置是否上电；信号跳变检测模块，所述信号跳变检测模块与全部的检测信号线连接，用于检测各功能板卡对应的检测信号线是否出现电平跳变；逻辑或模块，所述逻辑或模块分别与上电检测模块和信号跳变检测模块连接；信号高电平统计模块，所述信号高电平统计模块分别与全部的检测信号线和逻辑或模块连接，用于统计全部的检测信号线中出现高电平的数量；模拟量数值补偿模块，所述模拟量数值补偿模块与信号高电平统计模块连接，用于根据信号高电平统计模块的统计结果调用相应的补偿系数ZK，对处理器的测量结果进行补偿。
进一步，所述补偿系数ZK＝(ZS+ZL)/ZL，其中，根据戴维南定理，模拟量板卡可等效为一个理想电压源uS与一个输出阻抗ZS串联，功能板卡可等效为一个输入阻抗Zn，多块功能板卡并联阻抗等效为ZL。
一种阻抗自适应数值补偿方法，基于所述的阻抗自适应数值补偿系统，当上电检测模块检测到电气模拟量采集装置上电时，输出高电平信号，电气模拟量采集装置未上电或掉电时，输出低电平信号；当信号跳变检测模块检测到任一检测信号线出现电平跳变时，输出高电平信号，没有检测信号线出现电平跳变时，输出低电平信号；当逻辑或模块接收到上电检测模块输出的高电平信号或者信号跳变检测模块输出的高电平信号时，输出高电平信号，如果接收到上电检测模块和信号跳变检测模块输出的都是低电平信号时，输出低电平信号；信号高电平统计模块接收到逻辑或模块输出高电平信号时，对全部的检测信号线中出现高电平的数量进行统计，并把统计结果上传给模拟量数值补偿模块；所述模拟量数值补偿模块根据信号高电平统计模块的统计结果调用相应的补偿系数ZK，对处理器的测量结果进行阻抗补偿。
本发明的有益效果是：本发明中模拟量板卡的电压信号可以供多块功能板卡共享，保证了每一监控线路电压、电流采集的同步性，功能板卡配置相同，大大降低了生产维护的成本。通过自动检测输入阻抗，对采集到的电气模拟量数值进行补偿，确保了电气模拟量采集的准确性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述：
图1是电气模拟量采集装置的工作原理框图；
图2是功能板卡的线路连接示意图；
图3是模拟量板卡和功能板卡的等效电路图；
图4是阻抗自适应数值补偿系统的工作原理框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参照图1，本实施例的一种电气模拟量采集装置，包括模拟量板卡100，所述模拟量板卡100上设置有电压互感器，用于将监控线路的大电压信号转换为小电压信号，并实现电压信号共享；八块功能板卡200，编号1-8，每块功能板卡200上设置有依次连接的电流互感器、模数转换器201和处理器202，用于采集模拟量板卡100共享的电压信号和监控线路的电流信号；背板300，所述背板300分别与模拟量板卡100上的电压互感器和每块功能板卡200上的模数转换器201连接。
本发明采用的方式综合了背景技术中的两种方式，将监控一条线路的电流互感器放到一块功能卡板200上，同时功能卡板200上还有模数转换器201和处理器202，线路的电流信号采集、转换均在一块功能板卡200上完成。电压互感器单独分布到模拟量板卡100上，作为公共单元，直接输出模拟电压信号给各功能板卡200的模数转换器进行模数转换，保证了每一监控回路电压、电流采集的同步性。所述模拟量板卡100、功能板卡200与背板300均是采用拔插式连接器实现连接，安装和拆卸更加方便省力。
所述背板300上设置有八根检测信号线301，所述检测信号线301的数量与功能板卡200的数量相同，编号A1-A8，每块功能板卡200与全部的检测信号线301进行连接。
每块功能板卡200上设置有电源203和八个下拉电阻204，每一电源203的正极作为使能信号端，与检测信号线301一一对应连接；所述下拉电阻204的数量与功能板卡200的数量相同，每一下拉电阻204的一端与检测信号线301一一对应连接，每一下拉电阻204的另一端均与电源203的负极连接。检测信号线301用于检测对应的各块功能板卡200是否在线。
参照图2，A1～A8输入功能板卡200后，经下拉电阻204接地，因此在A1～A8悬空状态下，CPU检测到其为低电平。每个功能板卡200的电源203正极输出端作为使能信号端，功能板卡200的输出的使能信号EN1在背板300上只与A1短接，功能板卡200的输出的使能信号EN2在背板300上只与A2短接，以此类推，因此当第n块功能板卡200插入背板300后，第n块功能板卡200的电源203正极与An连接，各板卡都可以检测到An为高电平，判断为第n块功能板卡200在线。通过这个方法，每块功能板卡200通过检测A1～A8是高电平的数量，即可知道电气模拟量采集装置上共有多少块功能板卡200已经插入。
参照图3，根据戴维南定理，模拟量板卡100可等效为一个理想电压源uS与一个输出阻抗ZS串联，功能板卡200可等效为一个输入阻抗Zn，多块功能板卡200并联阻抗等效为ZL从而可以计算出等效阻抗ZL，进而计算出补偿系数ZK对模拟信号采样值进行补偿。
模数转换器201实际获得的模拟信号为uo为：
其中，等效阻抗ZL＝Z1//Z2//…//Zn，n＝1～8
由上述公式可知，ZL越大，获得的电压信号uo越接近理想信号源us，即采集的电压信号越准确。实际系统信号源内阻Zs不可能等于0，模数转换芯片输入阻抗Zn也不可能等于无穷大，因此采集到的信号不可避免存在误差，但在Zs和ZL已知的情况下可以对得到的电压值进行补偿，即：
其中，等效阻抗ZL＝Z1//Z2//…//Zn，n＝1～8；补偿系数ZK＝ZS+ZL/ZL。
由于实际使用时，Zs和Zn是确定的，但不同场合插入的功能板卡200数量是不一定相同的，即ZL是随应用配置而变化的，因此需要装置能够自动识别插入功能板卡200的数量，从而进行电压值补偿以消除阻抗减小带来的误差。
由电路原理可知信号源输出阻抗越小，负载阻抗越大，后端得到的信号值越接近信号源的真实值，在本发明中电压模拟信号被多块功能板卡200共享，即作为电压信号源的负载，这些板卡的模数转换器201通道处于并联关系，降低了输入阻抗，导致模数转换器采集到的信号值偏小，一般情况下在每个模数转换器200输入通道前增加一级高输入阻抗的运算放大器作为电压跟随器，提升输入阻抗，然而当需要采集的模拟信号数量较多时，这种方法的成本和设计复杂度大大增加。本发明提出了一种阻抗自适应数值补偿系统，确保了模拟量采集的准确性，且成本效益好，系统简单可靠。
参照图4，本实施例的一种阻抗自适应数值补偿系统，包括所述的电气模拟量采集装置，还包括上电检测模块，所述上电检测模块与电气模拟量采集装置的电源进行连接，用于检测电气模拟量采集装置是否上电；信号跳变检测模块，所述信号跳变检测模块与全部的检测信号线301连接，用于检测各功能板卡200对应的检测信号线301是否出现电平跳变；逻辑或模块，所述逻辑或模块分别与上电检测模块和信号跳变检测模块连接；信号高电平统计模块，所述信号高电平统计模块分别与全部的检测信号线301和逻辑或模块连接，用于统计全部的检测信号线301中出现高电平的数量；模拟量数值补偿模块，所述模拟量数值补偿模块与信号高电平统计模块连接，用于根据信号高电平统计模块的统计结果调用相应的补偿系数ZK，对处理器202的测量结果进行补偿。
一种阻抗自适应数值补偿方法，基于所述的阻抗自适应数值补偿系统，当上电检测模块检测到电气模拟量采集装置上电时，输出高电平信号，电气模拟量采集装置未上电或掉电时，输出低电平信号；当信号跳变检测模块检测到任一检测信号线301出现电平跳变时，输出高电平信号，没有检测信号线301出现电平跳变时，输出低电平信号；当逻辑或模块接收到上电检测模块输出的高电平信号或者信号跳变检测模块输出的高电平信号时，输出高电平信号，如果接收到上电检测模块和信号跳变检测模块输出的都是低电平信号时，输出低电平信号；信号高电平统计模块接收到逻辑或模块输出高电平信号时，对全部的检测信号线301中出现高电平的数量进行统计，并把统计结果上传给模拟量数值补偿模块；所述模拟量数值补偿模块根据信号高电平统计模块的统计结果调用相应的补偿系数ZK，对处理器202的测量结果进行阻抗补偿。
本发明的补偿系统不需要通过板卡间通讯交互的方式，即可让各功能板卡200获悉当前在线的功能板卡200数量，不需要人为配置，简单可靠，不涉及软件资源开销、板卡地址配置、板卡差异化等问题,所有功能板卡设计可以完全一致。
综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然能够对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中不乏技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种电气模拟量采集装置，其特征在于：包括
模拟量板卡(100)，所述模拟量板卡(100)上设置有电压互感器，用于将监控线路的大电压信号转换为小电压信号，并实现电压信号共享；
至少一块功能板卡(200)，每块功能板卡(200)上设置有依次连接的电流互感器、模数转换器(201)和处理器(202)，用于采集模拟量板卡(100)共享的电压信号和监控线路的电流信号；
背板(300)，所述背板(300)分别与模拟量板卡(100)上的电压互感器和每块功能板卡(200)上的模数转换器(201)连接。
2.根据权利要求1所述的电气模拟量采集装置，其特征在于：所述背板(300)上设置有至少一根检测信号线(301)，所述检测信号线(301)的数量与功能板卡(200)的数量相同，每块功能板卡(200)与全部的检测信号线(301)进行连接。
3.根据权利要求2所述的电气模拟量采集装置，其特征在于：每块功能板卡(200)上设置有电源(203)和至少一个下拉电阻(204)，每一电源(203)的正极作为使能信号端，与检测信号线(301)一一对应连接；所述下拉电阻(204)的数量与功能板卡(200)的数量相同，每一下拉电阻(204)的一端与检测信号线(301)一一对应连接，每一下拉电阻(204)的另一端均与电源(203)的负极连接。
4.根据权利要求3所述的电气模拟量采集装置，其特征在于：所述功能板卡(200)有8块，所述检测信号线(301)有8根，所述下拉电阻(204)有8个。
5.根据权利要求1所述的电气模拟量采集装置，其特征在于：所述模拟量板卡(100)、功能板卡(200)与背板(300)均是采用拔插式连接器实现连接。
6.一种阻抗自适应数值补偿系统，其特征在于：包括权利要求1-5任一所述的电气模拟量采集装置，还包括
上电检测模块，所述上电检测模块与电气模拟量采集装置的电源进行连接，用于检测电气模拟量采集装置是否上电；
信号跳变检测模块，所述信号跳变检测模块与全部的检测信号线(301)连接，用于检测各功能板卡(200)对应的检测信号线(301)是否出现电平跳变；
逻辑或模块，所述逻辑或模块分别与上电检测模块和信号跳变检测模块连接；
信号高电平统计模块，所述信号高电平统计模块分别与全部的检测信号线(301)和逻辑或模块连接，用于统计全部的检测信号线(301)中出现高电平的数量；
模拟量数值补偿模块，所述模拟量数值补偿模块与信号高电平统计模块连接，用于根据信号高电平统计模块的统计结果调用相应的补偿系数ZK，对处理器(202)的测量结果进行补偿。
7.根据权利要求6所述的阻抗自适应数值补偿系统，其特征在于：所述补偿系数ZK＝(ZS+ZL)/ZL，其中，根据戴维南定理，模拟量板卡(100)可等效为一个理想电压源uS与一个输出阻抗ZS串联，功能板卡(200)可等效为一个输入阻抗Zn，多块功能板卡(200)并联阻抗等效为ZL。
8.一种阻抗自适应数值补偿方法，基于权利要求6或7所述的阻抗自适应数值补偿系统，其特征在于：
当上电检测模块检测到电气模拟量采集装置上电时，输出高电平信号，电气模拟量采集装置未上电或掉电时，输出低电平信号；
当信号跳变检测模块检测到任一检测信号线(301)出现电平跳变时，输出高电平信号，没有检测信号线(301)出现电平跳变时，输出低电平信号；
当逻辑或模块接收到上电检测模块输出的高电平信号或者信号跳变检测模块输出的高电平信号时，输出高电平信号，如果接收到上电检测模块和信号跳变检测模块输出的都是低电平信号时，输出低电平信号；
信号高电平统计模块接收到逻辑或模块输出高电平信号时，对全部的检测信号线(301)中出现高电平的数量进行统计，并把统计结果上传给模拟量数值补偿模块；
所述模拟量数值补偿模块根据信号高电平统计模块的统计结果调用相应的补偿系数ZK，对处理器(202)的测量结果进行阻抗补偿。
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