CN201203652Y - 一种电能质量综合监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型设计电力设备的监测装置，其目的在于提供一个基于DSP(数字信号处理器)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)的电能质量综合监测装置，克服和解决现有的电能质量监测装置通用性差、检测时间慢等缺陷。其结构包括设置在机壳外侧的液晶显示屏、键盘阵列、电源接口、三相电压采样端口和三相电流采样端口，上述元件与设置在机壳内的电路板连接，所述电路板的电路结构主要包括电源模块、A/D转换模块、DSP电路模块和CPLD电路模块，电源模块与其它模块连接，A/D转换模块、DSP电路模块和CPLD电路模块依次连接。

Description

一种电能质量综合监测装置

技术领域

本实用新型设计电力设备的监测装置，更具体的说是一种电能质量综合监测装置。

背景技术

电能质量表征电网公司供电的质量水平，也是用电用户用电状况的反映，是电力市场化发展过程中衡量电能的质量水平的重要指标。电能质量监测装置根据实时地检测或监测电网(电网侧或负荷侧)的电压、电流的质量参数(包括幅值、相位和频率，谐波，以及电压暂降、骤升等短暂扰动)，以实现对检测点电能质量水平的评估。为了保证检测结果的实时性和准确性，，要求电压、电流的检测速度和各参数的计算结果要尽可能缩短。但是，目前国内生产的各种电能质量检测装置存在以下缺陷：1)电能质量检测功能单一，不能满足对电能质量的综合评估的需要，因而实用性差；2)检测算法采用傅立叶算法和常规的瞬时无功功率理论算法，检测所需时间长；3)基于顺序结构来设计软件平台，软件系统的稳定性、扩展性、维护性差。

基于现有硬件结构的传统顺序结构的软件设计方法，由于单片微型计算机的程序一般与硬件资源结合比较紧密，则软件的稳定性、安全性和移植性都受到很大限制，其中比较突出的问题是各个任务之间的时序配合和对硬件资源的独占和释放控制。传统顺序结构的程序流程模式是：程序从一个主函数开始，经过对硬件进行各种初始化后，进入一个死循环。在这个死循环中，必须对上述各个常规任务的执行顺序、执行时间和对硬件资源的占有、释放进行严格的安排，任何时序配合失误或硬件资源分配失误都会导致系统的崩溃。即便实现了较好的时序配合和硬件资源分配，由于无可避免存在各种中断和异常处理问题，预先设计好的程序流程必然被打乱，此时整个软件的时序配合和硬件资源分配就很有可能失控，从而导致系统的崩溃。此外，任何新的任务(新功能需求)的加入，都会对原程序流程和中断处理的时序配合和资源分配造成很大的影响，甚至导致系统的不稳定。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一个基于DSP(数字信号处理器)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)的电能质量综合监测装置，克服和解决现有的电能质量监测装置通用性差、检测时间慢等缺陷。

本实用新型采用以下技术手段实现上述目的。

本设计为一种电能质量综合监测装置，包括设置在机壳外侧的液晶显示屏、键盘阵列、电源接口、三相电压采样端口和三相电流采样端口，上述元件与设置在机壳内的电路板连接，所述电路板的电路结构主要包括电源模块、A/D转换模块、DSP电路模块和CPLD电路模块，电源模块与其它模块连接，A/D转换模块、DSP电路模块和CPLD电路模块依次连接。本实用新型在装置的硬件设计和程序开发上，充分考虑本实用新型技术对各种供电系统接线方式的适应能力、电压电流的检测速度、电能质量评估参数的算法设计、程序设计结构等各综合因素。为增加本实用新型的控制功能和适应能力，设计出能满足各种不同的供电系统接线方式、各种不同的负载特性和应用场合的硬件系统及相应的功能软件模块。众多的功能模块及控制算法确保本监测装置的强适应性能和快速响应性能，还可以根据不同的使用场合需要增添或修改合适的控制策略模块，实现产品的快速开发和升级。

具体的电路结构是所述DSP电路模块包括DSP主电路、驱动模块、通信模块、存储模块和实时时钟电路，DSP主电路、驱动模块、存储模块和实时时钟电路连接，驱动模块与通信模块连接。驱动模块包括驱动电路、连接A/D转换模块的通信接口和连接液晶显示屏的LCD接口，驱动电路与上述接口和通信模块连接。通信模块包括异步串口通信电路、RS232通信接口、RS485接口和USB接口，异步串口通信电路与驱动模块、RS232通信接口、RS485接口和USB接口连接，RS232通信接口、RS485接口和USB接口设置在机壳外侧。存储模块包括与DSP主电路连接的I2C存储电路、SRAM存储电路和FLASH存储电路。CPLD电路模块包括CPLD电路、键盘接口、PLL电路和看门狗电路，CPLD电路与键盘接口、PLL电路和看门狗电路连接，键盘接口连接键盘阵列。A/D转换模块包括A/D转换电路、电压互感器、电流互感器、连接DSP电路模块的通信接口和同步方波产生电路，A/D转换电路与电压互感器、电流互感器、连接DSP电路模块的通信接口；连接DSP电路模块的通信接口和同步方波产生电路连接，电压互感器连接三相电压采样端口，电流互感器连接三相电流采样端口。电源模块包括与A/D转换模块连接的供电电源调整电路、与DSP电路模块连接的电源调整电路，上述调整电路依次与电源接口连接。电路结构分成两块电路板印刷，DSP电路模块、CPLD电路模块和电源调整电路印刷在主电路DSP板上，A/D转换模块和供电电源调整电路印刷在数据采集AD板上，主电路DSP板和数据采集AD板通过电源接口及通信接口连接。DSP电路模块和CPLD电路模块分别设有JTAG接口。

基于上述的硬件结构，在软件方面，采用TI专门为TMS320C6000^TM、TMS320C5000^TM和TMS320C28x^TM DSP平台而设计的可伸缩实时多任务内核DSP/BIOS。由于采用了DSP/BIOS实时内核，程序员的软件设计只需针对产品的功能需求来设计各种任务代码，而无需对硬件系统、任务调度和任务的时序配合等问题进行专门设计，这些工作可以由DSP/BIOS来统一调度处理。在任务实时性方面，程序员只需给各任务分配不同的优先级，DSP/BIOS可自行根据任务优先级来调度任务，以确保优先级最高的任务可以最先执行，优先级最低的任务最后执行。将DSP/BIOS应用于电能质量监测仪上，不但能够缩短DSP应用程序的设计开发周期，而且因为DSP/BIOS的多线程机制使得应用程序的功能得到了彻底的分化，所以在这种情况下，当原程序增加新的功能时也不会影响到程序的实时响应特性，增强了程序的可维护性。另外，DSP/BIOS包含的实时分析工具集成于TI的Code Composer Studio开发环境当中，该分析工具在不打断DSP正常工作的情况下，捕捉并显示有关线程执行顺序、执行效率及CPU总负载量等方面的信息，简化了对程序调试和优化的过程。

从功能需求角度来分析，本电能质量监测装置的软件模块可划分为:AD采样任务、数值读取任务、电力参数计算任务、通信任务、液晶显示任务和键盘扫描任务等。在进行本监测装置的软件设计时，需要在某一个时间间隔(程序执行周期)内执行完各种常规任务；此外，中断等特殊任务(如AD采样中断)是需要实时处理的，而常规任务必须等待特殊任务完成后才能予以执行。当特殊任务发生时，软件系统必须把正在执行的常规任务暂时挂起，并立即处理特殊任务，待特殊任务完成后才接着处理被挂起的常规任务。

本实用新型与现有技术相比有如下优点和有益效果：

1)监测策略丰富，充分考虑各种现场情况，并相应地设定了合适的策略，能满足多种不同供电接线方式的需要，通用性强；

2)计算方法快速、有效，远小于常规采用傅立叶算法，在实时完成电能质量参数的检测和计算；

3)主要软件系统基于DSP/BIOS来设计，突破了采用传统顺序结构的软件设计方式来设计软件系统的缺陷，有效地避免了误动、软件崩溃等情况的出现，提高了系统的稳定性、可靠性；

4)本控制装置自动检测控制程度高，操作方便，能实现无人值守的无功补偿设备运行。

附图说明

图1为本实用新型正面面板结构示意图；

图2为本实用新型背面面板结构示意图；

图3为主电路DSP板的方框图；

图4为数据采集AD板的方框图；

图5为DSP主电路原理图；

图6为CPLD电路原理图；

图7为异步串行电路原理图；

图8为驱动电路原理图；

图9为接口电路原理图；

图10为实时时钟电路原理图；

图11为PLL电路原理图；

图12为看门狗电路原理图；

图13为电源调整电路原理图；

图14为存储电路原理图；

图15为数据采集AD板电路原理图；

图16主电路DSP板程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1和图2所示，本实用新型的机壳上设有前、后面板，前面板主要设有电源指示灯1、LCD液晶显示屏2、键盘阵列3和USB接口4，后面板主要设有220V电源接口5、三相电压采样端口6、三相电流采样端口7、RS232接口8和RS485接口9。其中键盘阵列3包括reset键、掉电重启键、向上键、向下键、菜单键、取消键、确定键7个键盘。

前面板上的电源指示灯由主电路DSP板上的LED二极管显示，从图3的电路方框图可以看出，主电路DSP板主要由RS232通信接口10、USB接口11、RS485通信接口12、异步串口通信电路13、连接AD板的通信接口14、驱动电路15、LCD接口16、I2C存储电路17、实时时钟电路18、SRAM存储电路19、DSP主电路20、DSP JTAG接口21、FLASH存储电路22、电源调整电路23、键盘接口24、CPLD电路25、连接AD板电源接口26、PLL电路27、看门狗电路28和CPLD JTAG接口29构成。

其相互连接的关系为：RS232通信接口10、USB接口11和RS485通信接口通过异步串口通信电路13最终与DSP主电路20的数据线相连；LCD接口16与对应的液晶显示屏相连提供显示功能；I2C存储电路17与DSP主电路20的通用I/O口相连；SRAM存储电路19和FLASH存储电路22与DSP主电路20的数据和地址线相连；实时时钟电路18与DSP主电路20的数据线相连；DSPJTAG接口21通过端口线与DSP主电路20相连；DSP主电路20与CPLD电路25通过各种控制线相连；键盘接口24、PLL电路27和看门狗电路28通过各自的控制线与CPLD电路25相连；CPLD JTAG接口29通过端口线与CPLD电路25相连；连接AD板电源接口26与AD板供电电源端口相连；电源调整电路23与DSP主电路20和CPLD电路25等相连提供运行所需电源。

LCD液晶显示屏2与主电路DSP板上的LCD接口16相连；键盘阵列3与主电路DSP板上的键盘接口24相连；USB接口4通过与主电路DSP板上的USB接口11相连。RS232接口8和RS485接口9分别与主电路DSP板上的RS232通信接口10和RS485通信接口12相连。

从图4的电路方框图可见，数据采集电路AD板主要由同步方波产生电路30、连接DSP板的通信接口31、电压互感器32、A/D转换电路33、电流互感器34、连接DSP板的电源接口35、供电电源调整电路36和外部～220V供电接口37组成。其相互连接关系为：同步方波产生电路30通过连接DSP板的通信接口31为主DSP板提供同步信号，连接DSP板的通信接口31通过PIN40信号排线与主电路DSP板相连；电压互感器32和电流互感器34与A/D转换电路的采样信号端口相连；外部～220V供电接口37与外部供电电源相连为整个仪器供电；供电电源调整电路36与外部～220V供电接口37相连为A/D转换电路33和连接DSP板的电源接口35提供合适的电源。

结合图15的原理图，后面板上220V电源接口5与数据采集电路AD板上接口XJ1的1和2脚相连，为整个监测装置供电；三相电压采样端口6与数据采集电路AD板上接口XJ1的3、4、5和6脚相连；三相电流采样端口7与数据采集电路AD板上的电流互感器34，即A4、A5和A6相连。

本电能质量监测装置采用DSP/BIOS作为软件设计和运行平台，大大改变了传统的基于顺序结构的编程方式，编程方式也更灵活。而采用DSP/BIOS实时多任务内核，软件设计不需要考虑任务资源占用、释放、任务时长计算和时序配合、中断程序处理等问题，这些问题统一由DSP/BIOS来处理。主控电路板的程序流程框图如图16所示。各具体任务包括：AD采样任务、数值读取任务、电力参数计算任务、通信任务、液晶显示任务和键盘扫描任务等。上电开机后，程序在屏蔽中断的情况下首先完成系统的初始化，包括DSP/BIOS配置中指定的各个寄存器的设置，以及PLL倍频时钟的设置等，然后调用main()函数完成硬件的初始化工作，各种初始化完成后开放中断，调用BIOS_start，开始按优先级检测并执行硬件中断服务子程序、软件中断以及任务。当前面所有线程都没有执行时，开始进入一个后台循环(IDL_F_loop)。在后台循环中，若有硬件中断，则立即暂停后台线程，切换到硬件中断服务子程序。当硬件ISR完成后，根据具体情况，判定有无软件中断或唤醒任务，最后才回到后台线程中继续运行。此过程统一由DSP/BIOS来调度处理，并按以下顺序来执行：AD采样任务最优先被调用，通过数据采集电路板的电流传感器和电压传感器将监控电路的高压大电流信号转化为A/D可以接收的弱信号并送入A/D转换器转化为数字信号，当A/D转化完成后，触发读取数据中断程序通知DSP读取转化数据，DSP主控电路成功获得转化数据后进行各种电力参数的计算任务。在此过程中，如果有硬件中断通信线程发生，它将抢占当前的软件中断线程，接收外部的数据通信控制指令，然后依据软件中断线程优先级分别完成接下的电力参数计算和数据通信功能。监测数据上传后可以利用上位机软件进行实时处理和显示。同时，DSP/BIOS将根据指定的周期执行键盘扫描线程和液晶屏的更新显示。

本监测装置的基本电路主要有电路DSP板、数据采集电路AD板，各自的电路原理图分别如图5至15所示。在图5至14构成的主电路DSP板中，连接AD板的通信接口14通过J3与数据采集电路AD板的XJ2(连接DSP板的通信接口31)进行电气连接；连接AD板的电源接口36通过J8与数据采集电路AD板的XJ8(连接DSP板的电源接口35)进行电气连接；RS232通信接口10由集成件U3、贴片电容C7～C11、贴片极性电容CT4和接插片J10共同电气连接构成；USB接口11由接插件J11、电解电容CT5和贴片电容C28共同电气连接构成；RS485通信接口12由集成件U4、贴片电容C12、贴片电阻R15、R16和接插件J12共同电气连接构成；异步串口通信电路13由两片集成件U1和U2、贴片电容C1～C6、贴片电阻R1～R14、无源晶振Y1、Y2共同电气连接构成；驱动电路15由集成件U6、U7和贴片电容C29～C36、贴片电阻R59共同电气连接构成；LCD接口16由接插件J7、可变电阻VR1、贴片电阻R58和NPN三极管T1共同构成电气连接；I2C存储电路17指集成芯片U17；实时时钟电路18集成芯片U11；SRAM存储电路19由两个集成件U15和U16、贴片电容C54～C57、贴片电阻R69～R74共同构成电气连接；DSP主电路20由集成件U5、贴片电容C13～C27、贴片电阻R17～R39、拔码开关SW1和无源晶振Y3共同构成电气连接；DSP JTAG接口21由接插件J1、贴片电阻R17～R18共同构成电气连接；FLASH存储电路22指集成芯片U18；电源调整电路23由集成件U14、贴片电容C52～C53、贴片极性电容CT7～CT11、贴片电阻R66～R68、发光二极管LED1和稳压二极管LED2～LED4共同构成电气连接；键盘接口24由接插件J5和贴片电阻R52～R57共同构成电气连接；CPLD电路25由集成件U8～U10、贴片电容C37～C47、贴片极性电容CT6和有源晶振Y4共同构成电气连接；PLL电路27由集成件U12、贴片电容C49～C50和贴片电阻R60～63共同构成电气连接；看门狗电路28由集成件U13、贴片电容C51和贴片电阻R64～R65共同构成电气连接；CPLD JTAG接口29由接插件J2和贴片电阻R40～R43共同构成电气连接。

在图15的数据采集电路AD板中，同步方波产生电路30由集成件XU1、贴片电阻XR1和稳压二极管D1共同构成电气连接；连接DSP板的通信接口31通过XJ2与DSP板的J3进行电气连接；电压互感器32由电压互感器A1～A3、接口件XJ1共同电气连接构成；A/D转换电路33由集成件XU2、XU4、电容XC1～XC2、XC5～XC6、XC9～XC15、XC17～XC118、有源晶振XT1共同电气连接构成；电流互感器34由电流互感器A4～A6共同电气连接构成；连接DSP板的电源接口35由接口件XJ6、XJ8、电阻XR9、发光二极管D6共同电气连接构成，其中XJ6与DSP板的J6进行电气连接，XJ8与DSP板的J8进行电气连接；供电电源调整电路36由集成件XU5、保险丝F1、有机膜介质电容XCT1、压敏电阻RE1、电源变压器TR1、整流桥D2、电解电容XC3、XC8、贴片电解电容XC5、XC16、电容XC4、电阻XR2～XR8、整流二极管D3、D5、稳压二极管D4、PNP三极管XU3、可调电阻XVR1、接口件XJ5、XJ4共同连接构成。

在制造过程中，用一般的机加工方法加工面板、外接线板和绘制数据采集AD电路板、主电路DSP板。然后按图1、图2用接插件和排线连接好各电路板或与仪器面板之间的接线端子。

按图5至14所示绘制印刷主电路DSP板，并筛选电器元件，其中集成件U1，U2选择TL16C550异步串口控制芯片，U3、U4可选用MAX3223ECAP和MAX489ESD通信电平转化芯片，U5可选用TMS320VC5402PGE微处理器，U6和U7可选用电平转化驱动芯片SN74LVTH16245和SN74LVTH16244，U8为三输入三与门集成芯片，U9为反向器，U10为CPLD逻辑控制芯片EPM7128AETC100-10，U11为实时时钟芯片DS12887，U12为PLL芯片CD4046，U13为看门狗芯片MAX705，U14为电源调理芯片PS767D318，U15和U16都为CY7C1021BV33-12ZC静态存储芯片，U17可选用AT24C512的I2C存储芯片，U18为FLASH芯片M29W320ET。

按图15所示绘制印刷数据采集电路板，并筛选电器元件，其中集成件A1、A2和A3可选用电压互感器ZMPT102，集成件A4、A5和A6可选用电流互感器ZMCT113，集成件XU1A，XU1B可选用集成运算放大器LM358，集成件XU2和XU4可选用A/D转化芯片MAX125，集成件XU3为三极管PNP8550，集成件XU5为三端稳压芯片LT1085；

按图2、图3所示，分别安装好主电路DSP板和数据采集AD电路板并固定后，按上面说明书所述的连接关系进行电气连接，再将主电路DSP板的J8口和数据采集AD电路板的JP3口进行电气连接，然后，通过加电和简单的调试，便能较好地使用本电能质量综合监测仪。

实施使用本监测装置时，应预先把要监测的三相电压与仪器后面板对应端口Ua、Ub、Uc和Un进行电气连接，三相电流信号与仪器后面板对应端口+Ia、-Ia、+Ib、-Ib、+Ic和-Ic进行电气连接；在本监测装置设置界面中，通过键盘的操作及LCD液晶屏的显示，把各相电气参数输入到微处理器。

其工作步骤为：首先开启电源，电源指示灯亮。同时本监测装置自动根据默认或已设定的测量参数进行有功功率、无功功率、功率因数、谐波、电流和电压等参数的测量，同时进行各种测量参数的存储和显示。

当仪器与上位机进行数据通信时，仪器可通过串口与本地上位机进行所求的数据传输或通过GPRS通信模块进行远程数据传输，然后利用上位机软件对监测数据进行必要的分析处理。

当进入测量查询界面时，LCD液晶屏会出现各种监测选择菜单，选择对应的菜单后按确认键后进入相应的监测界面查看，按取消键返回上级菜单，按菜单键返回主菜单界面，利用增加键和减小键可以查看不同的监测界面。

进入数据管理界面后，可以对监测存储数据进行转存到U盘和清除所有监测数据的处理

当进入参数设置界面后，LCD液晶屏会出现各种参数设置菜单，可根据菜单内容设定各种具体的参数，利用确定键可使所选择的参数有效，利用取消键可取消设置并逐步返回上级菜单界面；利用菜单键可返回主菜单界面；而增加键和减小键可分别逐步增大或减小所选参数，以满足使用要求；

当进入设备信息界面后，可以查看仪器的相关信息。如设备号、软件版本和仪器自检信息。

Claims (10)

1.一种电能质量综合监测装置，包括设置在机壳外侧的液晶显示屏、键盘阵列、电源接口、三相电压采样端口和三相电流采样端口，上述元件与设置在机壳内的电路板连接，其特征是所述电路板的电路结构主要包括电源模块、A/D转换模块、DSP电路模块和CPLD电路模块，电源模块与其它模块连接，A/D转换模块、DSP电路模块和CPLD电路模块依次连接。

2.根据权利要求1所述的电能质量综合监测装置，其特征是所述DSP电路模块包括DSP主电路、驱动模块、通信模块、存储模块和实时时钟电路，DSP主电路、驱动模块、存储模块和实时时钟电路连接，驱动模块与通信模块连接。

3.根据权利要求2所述的电能质量综合监测装置，其特征是所述驱动模块包括驱动电路、连接A/D转换模块的通信接口和连接液晶显示屏的LCD接口，驱动电路与上述接口和通信模块连接。

4.根据权利要求2或3所述的电能质量综合监测装置，其特征是所述通信模块包括异步串口通信电路、RS232通信接口、RS485接口和USB接口，异步串口通信电路与驱动模块、RS232通信接口、RS485接口和USB接口连接，RS232通信接口、RS485接口和USB接口设置在机壳外侧。

5.根据权利要求2所述的电能质量综合监测装置，其特征是所述存储模块包括与DSP主电路连接的I2C存储电路、SRAM存储电路和FLASH存储电路。

6.根据权利要求1所述的电能质量综合监测装置，其特征是所述CPLD电路模块包括CPLD电路、键盘接口、PLL电路和看门狗电路，CPLD电路与键盘接口、PLL电路和看门狗电路连接，键盘接口连接键盘阵列。

7.根据权利要求3所述的电能质量综合监测装置，其特征是所述A/D转换模块包括A/D转换电路、电压互感器、电流互感器、连接DSP电路模块的通信接口和同步方波产生电路，A/D转换电路与电压互感器、电流互感器、连接DSP电路模块的通信接口；连接DSP电路模块的通信接口和同步方波产生电路连接，电压互感器连接三相电压采样端口，电流互感器连接三相电流采样端口。

8.根据权利要求7所述的电能质量综合监测装置，其特征是所述电源模块包括与A/D转换模块连接的供电电源调整电路、与DSP电路模块连接的电源调整电路，上述调整电路依次与电源接口连接。

9.根据权利要求8所述的电能质量综合监测装置，其特征是所述电路结构分成两块电路板印刷，DSP电路模块、CPLD电路模块和电源调整电路印刷在主电路DSP板上，A/D转换模块和供电电源调整电路印刷在数据采集AD板上，主电路DSP板和数据采集AD板通过电源接口及通信接口连接。

10.根据权利要求1所述的电能质量综合监测装置，其特征是DSP电路模块和CPLD电路模块分别设有JTAG接口。

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