CN110138083B - 一种配电单元的测控电路及其校准方法 - Google Patents

一种配电单元的测控电路及其校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种配电单元的测控电路及其校准方法，测控电路包括DSP芯片、存储芯片、电压信号调理电路和电流信号调理电路；所述DSP芯片用于实时采集所述电压信号调理电路的电压和电流信号调理电路的电流，并分析所述电压信号调理电路的电压和电流信号调理电路的电流的是否存在异常；所述存储芯片用于存储所述异常电压信号和电流信号；所述电压信号调理电路用于调理配电单元的输出电压，所述电流信号调理电路用于调理配电单元的输出电流。本发明能够简化配电单元输出的电流和电压的校准过程，而且对输出的电压电流实时录波，并结合时间节点存储异常数据，为用户分析设备用电情况提供数据支持。

Description

一种配电单元的测控电路及其校准方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域技，特别是涉及一种配电单元的测控电路及其校准方法。
背景技术
随着网络、通讯和计算机系统的大规模应用和发展，互联网数据中心的机房内通讯设备安装密度越来越大，对配电单元的位数要求也越来越高，这无疑给配电单元在生产过程中电压电流采样校准环节增加难度，通常配电单元中对电压电流采样通常采用线性插值法校准，但是这一方法若要获得更高的采样精度就需要校准更多的点，随着配电单元位数的增加，使这项工作变得繁琐复杂，容易出错，降低了产品生产合格率，且市场现有配电单元产品不具备电压电流录波功能，无法对电能故障分析和设备用电情况分析提供数据支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种配电单元的测控电路及其校准方法，能够简化配电单元输出的电流和电压的校准过程，而且对输出的电压电流实时录波，并结合时间节点存储异常数据，为用户分析设备用电情况提供数据支持。
为实现上述目的，本发明提供了了如下技术方案：
一种配电单元的测控电路，包括DSP芯片、存储芯片、电压信号调理电路和电流信号调理电路；
所述DSP芯片用于实时采集所述电压信号调理电路的电压和电流信号调理电路的电流，并分析所述电压信号调理电路的电压和电流信号调理电路的电流的是否存在异常；
所述存储芯片用于存储所述异常电压信号和电流信号；
所述电压信号调理电路用于调理配电单元的输出电压，所述电流信号调理电路用于调理配电单元的输出电流；
所述电压信号调理电路包括依次连接的电压信号拾取电路、第一直流分量发生电路和加法运算放大电路；
所述电压信号拾取电路用于将配电单元的输出电压转换成峰—峰值为100mV～-100mV的交流小信号电压；所述第一直流分量发生电路用于将所述交流小信号电压的峰—峰值抬升到250mV～50mV；所述加法运算放大电路用于将所述抬升后的交流小信号电压放大至峰—峰值为2.5V～0.5V；所述加法运算放大电路与所述DSP芯片连接；
所述电流信号调理电路包括第二直流分量发生电路、电流互感器、第一限流电阻和第一采样电阻；所述电流互感器的正极、第一限流电阻、第一采样电阻、电流互感器的负极依次连接；
所述第二直流分量发生电路包括第一电源、第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一电源的输出端与所述第一分压电阻的一端连接，所述第一分压电阻的另一端与所述第二分压电阻一端连接，所述第二分压电阻另一端与模拟地连接，所述第一分压电阻另一端还与所述电流互感器的正极连接；
所述第一限流电阻低电位一端与所述DSP芯片连接。
优选的，所述电压信号拾取电路包括第二限流电阻、电流型电压互感器和第二采样电阻；配电单元的输出电压经过所述第二限流电阻输入到所述电流型电压互感器输入端，所述电流型电压互感器输出端连接所述第二采样电阻一端，所述第二采样电阻另一端与模拟地连接。
优选的，所述第一直流分量发生电路包括第二电源、第三分压电阻、第四分压电阻、第一滤波电容、第二滤波电容和第一运算放大器；
所述第二电源、第三分压电阻、第四分压电、模拟地按顺序依次连接，所述第一滤波电容和第二滤波电容并联在所述第四分压电阻上，所述第四分压电阻高电位一端还与所述第一运算放大器同向输入端连接，所述第一运算放大器的输出端和第一运算放大器的反向输入端连接。
优选的，所述加法运算放大电路包括第五输入电阻、第六输入电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第二运算放大器；
所述第二采样电阻高电位一端经过所述第五输入电阻后与所述第二运算放大器的同向输入端连接，所述第一运算放大器输出端经过所述第六输入电阻后与所述第二运算放大器的同向输入端连接；所述第七电阻一端与所述第二运算放大器的同向输入端连接，所述第七电阻另一端与模拟地连接；所述第八电阻一端与所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第八电阻另一端与模拟地连接；所述第九电阻一端与所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第九电阻另一端与所述第二运算放大器的输出端连接。
优选的，所述电流信号调理电路为4路。
优选的，还包括485通讯电路，用于所述测控电路与远程上位机通讯。
优选的，所述485通讯电路包括地址拨码开关，用于设定所述测控电路的通讯地址。
优选的，还包括网络通讯总线接口电路和电压总线接口电路，用于多个DSP芯片的级联。
一种配电单元的测控电路的校准方法，包括：
步骤一、向电压信号调理电路输入端输入标准电压信号，向电流信号调理电路输入端输入标准电流信号；
步骤二、连续采样多次；
所述采样包括：采集所述标准电压信号经过电压信号调理电路后一个单波周期内的最大值和最小值，采集所述标准电流信号经过电流信号调理电路后一个单波周期内的最大值和最小值；
步骤三、计算采样电压最大值的平均值A，采样电压最小值的平均值C、采样电流最大值的平均值D和采样电流最小值的平均值E；
步骤四、获取标准电压信号经过电压信号调理电路后的理论最大值F和理论最小值G，获取标准电流信号经过电流信号调理电路后的理论最大值H和理论最小值I；
步骤五、采用公式Y1＝K1X1+B1校准所有采样电压值；其中，K1＝(F-G)/(A-C)，B1＝G-(F-G)*C/(A-C)，Y1为校准电压值，X1为实际采样电压值；
采用公式Y2＝K2X2+B2校准所有采样电流值；其中，K2＝(H-I)/(D-E)，B2＝I-(H-I)*E/(D-E)，Y2为校准电流值，X2为实际采样电流值。
优选的，所述标准电压信号为270V，标准电流信号为10A。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过DSP芯片实时采集配电单元的输出电压和电流，并分析所述电压和电流是否存在异常，当分析结果显示异常时，将异常数据结合发生异常的时间节点存储到存储芯片中，并可通过485通讯电路上传至远程上位机形成大数据，对设备用电情况有很好的监控作用；而且采用该测控电路对配电单元的输出电压和电流信号进行校准时，只需要外加一次标准信号，操作简单快捷，校准精度高，解决了配电单元在生产过程中校准复杂繁琐的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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他的附图。
图1为本发明实施例一种配电单元的测控电路的原理示意图；
图2为本发明实施例一种配电单元的测控电路的电压信号调理电路原理图；
图3为本发明实施例一种配电单元的测控电路的电流信号调理电路原理图；
图4为本发明实施例一种配电单元的测控电路的校准方法的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种配电单元的测控电路及其校准方法，能够简化配电单元输出的电流和电压的校准过程，而且对输出的电压电流实时录波，并结合时间节点存储异常数据，为用户分析设备用电情况提供数据支持。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种配电单元的测控电路的原理示意图；如图1所示，一种配电单元的测控电路，包括DSP芯片、存储芯片、485通讯电路、电压信号调理电路和4路电流信号调理电路；
其中，电压信号调理电路用于将配电单元输出的电压信号转换成0.5V～2.5V之间的电压信号，电压信号调理电路包括依次连接的电压信号拾取电路、第一直流分量发生电路和加法运算放大电路；所述电压信号拾取电路用于将配电单元的输出电压转换成峰—峰值为100mV～-100mV的交流小信号电压；所述第一直流分量发生电路用于将所述交流小信号电压的峰—峰值抬升到250mV～50mV；所述加法运算放大电路用于将所述抬升后的交流小信号电压放大至峰—峰值为2.5V～0.5V；所述加法运算放大电路与所述DSP芯片连接；
电流信号调理电路用于将配电单元输出的电流信号转换成1.4A～1.6A之间的电流信号；
DSP芯片内置的高速模数转换器能够实时采集电压信号调理电路的电压和电流信号调理电路的电流，并对电压信号调理电路的电压和电流信号调理电路的电流做快速傅里叶变换，从而得到配电单元的输出电压和电流在一个单波周期内的时域和频域数据，并且与上一个采样周期得到的单波周期内的时域和频域数据比较，当比较结果显示两次采样数据发生突变时，启动录波，把发生突变时的频域数据和时域数据结合时间节点存储到存储芯片中，存储芯片中的数据可通过485通讯电路上传至远程上位机形成大数据，从而通过大数据分析具体用电设备的用电情况，对设备用电情况有很好的监控作用，其中，快速傅立叶变换采样周期为20ms，采样点数为128点。
具体的，485通讯电路包括地址拨码开关，用于设定所述测控电路的通讯地址；存储芯片还存储所述配电单元的设备ID和校准参数。
测控电路还包括网络通讯总线接口电路，当有多个DSP芯片时，可以通过该网络通讯总线接口电路将多个DSP芯片级联，多个DSP芯片级联后再与上位机连接；测控电路还包括电压总线接口电路，配电单元输出的电压可以通过电压总线接口电路传输给多个电压调理电路，即电压总线接口电路用于多个电压调理电路的级联，且一个电压调理电路对应于一个DSP芯片。
图2为本发明实施例一种配电单元的测控电路的电压信号调理电路原理图；如图2所示，电压信号调理电路包括依次连接的电压信号拾取电路、第一直流分量发生电路和加法运算放大电路；
其中，电压信号拾取电路包括第二限流电阻R1、电流型电压互感器M1和第二采样电阻R2；配电单元的输出电压经过所述第二限流电阻R1输入到所述电流型电压互感器M1输入端，所述电流型电压互感器M1输出端连接所述第二采样电阻R2一端，所述第二采样电阻R2另一端与模拟地连接；其中，配电单元的输出电压范围为-270V～270V，第二限流电阻R1阻值为270K欧姆，第二采样电阻R2阻值为100欧姆。当配电单元的输出电压为270V时，在第二采样电阻R2两端得到100mV的电压。
第一直流分量发生电路包括第二电源、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和第一运算放大器U1；
第二电源、第三分压电阻R3、第四分压电R4、模拟地按顺序依次连接，第一滤波电容C1和第二滤波电容C2并联在所述第四分压电阻R4上；第四分压电阻R4高电位一端还与第一运算放大器U1同向输入端连接；第一运算放大器U1的输出端和第一运算放大器U1的反向输入端连接，这样可以构成电压跟随放大器，用于增强第一直流分量发生电路的驱动能力。其中，第三分压电阻R3阻值为97K欧姆，第四分压电阻R4阻值为3K欧姆，第二电源的电压为5V，根据欧姆定律可知：第四分压电阻R4两端电压为150mV；第一滤波电容C1大小为100nF，用于滤除高频干扰，第二滤波电容C2大小为10uF，用于滤除低频干扰；第一运算放大器U1还连接一个电源。
加法运算放大电路包括第五输入电阻R5、第六输入电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第二运算放大器U2；
第二采样电阻R2高电位一端经过第五输入电阻R5后与第二运算放大器U2的同向输入端连接，第一运算放大器U1输出端经过第六输入电阻R6后与第二运算放大器U2的同向输入端连接；第七电阻R7一端与第二运算放大器U2的同向输入端连接，第七电阻R7另一端与模拟地连接；第八电阻R8一端与第二运算放大器U2的反向输入端连接，第八电阻R8另一端与模拟地连接；第九电阻R9一端与第二运算放大器U2的反向输入端连接，第九电阻R9另一端与第二运算放大器U2的输出端连接，这样组成同向输入加法器；第二运算放大器U2的输出端连接DSP芯片，第二运算放大器U2还连接一个5V的电源。其中第五输入电阻R5和第六输入电阻R6的阻值为10K欧姆，第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9的阻值分别为161K欧姆、5.1K欧姆、100K欧姆，根据以上所述电阻阻值计算所述加法运算放大电路放大倍数为10倍。
图3为本发明实施例一种配电单元的测控电路的电流信号调理电路原理图，如图3所示，电流信号调理电路包括第二直流分量发生电路、电流互感器L1、第一限流电阻R10和第一采样电阻R11；所述电流互感器L1的正极、第一限流电阻R10、第一采样电阻R11、电流互感器L1的负极依次连接；
第二直流分量发生电路包括第一电源、第一分压电阻R13和第二分压电阻R12，第一电源的输出端与第一分压电阻R13的一端连接，第一分压电阻R13的另一端与第二分压电阻R12一端连接，第二分压电阻R12另一端与模拟地连接，第一分压电阻R13另一端还与电流互感器L1的正极连接；所述第一限流电阻R10低电位一端与所述DSP芯片连接；
其中，第一电源的电压为3V，第一分压电阻R13和第二分压电阻R12的阻值相同，根据欧姆定律可知第一分压电阻R13两端电压为1.5V，此外，配电单元的电流有效输出范围为-10A～10A，所述电流互感器L1比例为1000：1，第一限流电阻R10阻值为10欧姆，当配电单元的输出电流为10A时，电流互感器L1输出的电流为10mA，在第一采样电阻R11上产生100mV的电压。
本发明DSP芯片内置的模数转换器实时采集配电单元的输出电压和电流，并对其做快速傅里叶变换，从而得到配电单元的输出电压和电流在一个单波周期内的时域和频域数据，并且与上一个采样周期得到的单波周期内的时域和频域数据比较，当比较结果显示两次采样数据发生突变时，启动录波，把发生突变时的频域数据和时域数据结合时间节点存储到存储芯片中，且该数据可通过485通讯电路上传至远程上位机形成大数据，对设备用电情况有很好的监控作用。
图4为本发明实施例一种配电单元的测控电路的校准方法的方法流程图，如图4所示，该方法为单点线性校准方法，即用一个单波内的采样最大值、最小值和标准信号最大值、最小值求出线性参数K、B，使用求出的线性参数K、B一次校准所有采样值；
具体实施步骤包括：
401向电压信号调理电路输入端输入标准电压信号，向电流信号调理电路输入端输入标准电流信号；
402连续采样五次；
所述采样包括：采集所述标准电压信号经过电压信号调理电路后一个单波周期20ms内的最大值和最小值，采集所述标准电流信号经过电流信号调理电路后一个单波周期20ms内的最大值和最小值；
403计算采样电压最大值的平均值A，采样电压最小值的平均值C、采样电流最大值的平均值D和采样电流最小值的平均值E；
404获取标准电压信号经过电压信号调理电路后的理论最大值F和理论最小值G，获取标准电流信号经过电流信号调理电路后的理论最大值H和理论最小值I；
405采用公式Y1＝K1X1+B1校准所有采样电压值；其中，K1＝(F-G)/(A-C)，B1＝G-(F-G)*C/(A-C)，Y1为校准电压值，X1为实际采样电压值；
采用公式Y2＝K2X2+B2校准所有采样电流值；其中，K2＝(H-I)/(D-E)，B2＝I-(H-I)*E/(D-E)，Y2为校准电流值，X2为实际采样电流值。
优选的，所述标准电压信号为270V，标准电流信号为10A，F＝1.414*2.5V，G＝1.414*0.5V，H＝1.414*1.6A，G＝1.414*1.4A。
采用本发明提供的方法，对配电单元的输出电压和电流信号进行校准时，只需要外加一次标准信号，操作简单快捷，校准精度高，解决了配电单元在生产过程中校准复杂繁琐的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种配电单元的测控电路，其特征在于，包括DSP芯片、存储芯片、电压信号调理电路和电流信号调理电路；
所述DSP芯片用于实时采集所述电压信号调理电路的电压和电流信号调理电路的电流，并分析所述电压信号调理电路的电压和电流信号调理电路的电流是否存在异常；
所述存储芯片用于存储异常电压信号和电流信号；
所述电压信号调理电路用于调理配电单元的输出电压，所述电流信号调理电路用于调理配电单元的输出电流；
所述电压信号调理电路包括依次连接的电压信号拾取电路、第一直流分量发生电路和加法运算放大电路；
所述电压信号拾取电路用于将配电单元的输出电压转换成峰—峰值为100mV～-100mV的交流小信号电压；所述第一直流分量发生电路用于将所述交流小信号电压的峰—峰值抬升到250mV～50mV；所述加法运算放大电路用于将抬升后的交流小信号电压放大至峰—峰值为2.5V～0.5V；所述加法运算放大电路与所述DSP芯片连接；
所述电流信号调理电路包括第二直流分量发生电路、电流互感器、第一限流电阻和第一采样电阻；所述电流互感器的正极、第一限流电阻、第一采样电阻、电流互感器的负极依次连接；
所述第二直流分量发生电路包括第一电源、第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一电源的输出端与所述第一分压电阻的一端连接，所述第一分压电阻的另一端与所述第二分压电阻一端连接，所述第二分压电阻另一端与模拟地连接，所述第一分压电阻另一端还与所述电流互感器的正极连接；
所述第一限流电阻低电位一端与所述DSP芯片连接。
2.根据权利要求1所述的一种配电单元的测控电路，其特征在于，所述电压信号拾取电路包括第二限流电阻、电流型电压互感器和第二采样电阻；配电单元的输出电压经过所述第二限流电阻输入到所述电流型电压互感器输入端，所述电流型电压互感器输出端连接所述第二采样电阻一端，所述第二采样电阻另一端与模拟地连接。
3.根据权利要求2所述的一种配电单元的测控电路，其特征在于，所述第一直流分量发生电路包括第二电源、第三分压电阻、第四分压电阻、第一滤波电容、第二滤波电容和第一运算放大器；
所述第二电源、第三分压电阻、第四分压电阻、模拟地按顺序依次连接，所述第一滤波电容和第二滤波电容并联在所述第四分压电阻上，所述第四分压电阻高电位一端还与所述第一运算放大器同向输入端连接，所述第一运算放大器的输出端和第一运算放大器的反向输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种配电单元的测控电路，其特征在于，所述加法运算放大电路包括第五输入电阻、第六输入电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第二运算放大器；
所述第二采样电阻高电位一端经过所述第五输入电阻后与所述第二运算放大器的同向输入端连接，所述第一运算放大器输出端经过所述第六输入电阻后与所述第二运算放大器的同向输入端连接；所述第七电阻一端与所述第二运算放大器的同向输入端连接，所述第七电阻另一端与模拟地连接；所述第八电阻一端与所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第八电阻另一端与模拟地连接；所述第九电阻一端与所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第九电阻另一端与所述第二运算放大器的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的一种配电单元的测控电路，其特征在于，所述电流信号调理电路为4路。
6.根据权利要求1所述的一种配电单元的测控电路，其特征在于，还包括485通讯电路，用于所述测控电路与远程上位机通讯。
7.根据权利要求6所述的一种配电单元的测控电路，其特征在于，所述485通讯电路包括地址拨码开关，用于设定所述测控电路的通讯地址。
8.根据权利要求1所述的一种配电单元的测控电路，其特征在于，还包括网络通讯总线接口电路和电压总线接口电路，用于多个DSP芯片的级联。
9.一种配电单元的测控电路的校准方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-8任一项所述的配电单元的测控电路，所述配电单元的测控电路的校准方法包括：
步骤一、向电压信号调理电路输入端输入标准电压信号，向电流信号调理电路输入端输入标准电流信号；
步骤二、连续采样多次；
所述采样包括：采集所述标准电压信号经过电压信号调理电路后一个单波周期内的最大值和最小值，采集所述标准电流信号经过电流信号调理电路后一个单波周期内的最大值和最小值；
步骤三、计算采样电压最大值的平均值A，采样电压最小值的平均值C、采样电流最大值的平均值D和采样电流最小值的平均值E；
步骤四、获取标准电压信号经过电压信号调理电路后的理论最大值F和理论最小值G，获取标准电流信号经过电流信号调理电路后的理论最大值H和理论最小值I；
步骤五、采用公式Y1＝K1X1+B1校准所有采样电压值；其中，K1＝(F-G)/(A-C)，B1＝G-(F-G)*C/(A-C)，Y1为校准电压值，X1为实际采样电压值；
采用公式Y2＝K2X2+B2校准所有采样电流值；其中，K2＝(H-I)/(D-E)，B2＝I-(H-I)*E/(D-E)，Y2为校准电流值，X2为实际采样电流值。
10.根据权利要求9所述的一种配电单元的测控电路的校准方法，其特征在于，所述标准电压信号为270V，标准电流信号为10A。
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