CN202424310U - 电能质量在线监测装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种电能质量在线监测装置，包括依次连接的信号处理模块、A/D转换模块、DSP计算模块、ARM管理模块，以及分别和ARM管理模块连接的人机交互模块、无线通讯模块和存储模块。本实用新型能就地、实时、准确、快速的对电能数据进行采集、计算、分析和传输，能通过无线传输的方式实现远程监控，不需要布置通讯电缆，能节约成本。

Description

电能质量在线监测装置
技术领域
本实用新型涉及电力系统的电能质量监测装置，特别是涉及一种电能质量在线监测装置。
背景技术
在全社会倡导“节能减排”的形势下，节电和电能质量已成为电力部门及广大用户日益关注的问题，对用电量及电能质量的在线监测和分析是电能监测管理系统的重要手段，具有重要的现实意义。
现有的电能质量在线监测设备主要针对稳态指标进行监侧，系统的实时性、稳定性难以保证，智能化和网络化水平也不高。主要有以下不足：①实时性差，时频分析手段落后，不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获能力；②远程通信能力有限，不易实现远程监控、数据共享和长期评估及预测；③对干扰的分类和故障的辨识能力有限，不具备智能分析功能，不能提供给用户可直接用于决策的信息；④现场装置不具备实时数据处理、分析能力，大量未经处理的数据都通过网络通讯上传，容易造成通讯中断和数据丢失。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电能质量在线监测装置，能就地、实时、准确、快速的对电能数据进行采集、计算、分析和传输，能通过无线传输的方式实现远程监控，不需要布置通讯电缆，能节约成本。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的电能质量在线监测装置包括：信号处理模块、A/D(模拟/数字)转换模块、DSP(数字信号处理)计算模块、ARM管理模块、人机交互模块、无线通讯模块和存储模块。
所述信号处理模块的输入端连接三相电压和电流信号，所述信号处理模块的输出端和所述A/D转换模块的输入端连接，所述A/D转换模块的输出端和所述DSP计算模块的输入端连接，所述DSP计算模块的输出端和所述ARM管理模块的输入端连接；ARM管理模块分别和所述人机交互模块、所述无线通讯模块和所述存储模块连接。
进一步的改进是，所述信号处理模块包括电流型电压互感器和电流互感器、以及二阶低通滤波器。
进一步的改进是，所述A/D转换模块采用MAX125芯片。
进一步的改进是，所述DSP计算模块采用TMS320LF2407芯片。
进一步的改进是，所述ARM管理模块采用S3C2410芯片。
进一步的改进是，所述人机交互模块包括键盘和液晶显示器。
进一步的改进是，所述键盘由6个键组成，分别为复位、返回、上移、下移、取消和确定键；所述液晶显示器为640×480的TFT液晶屏。
进一步的改进是，所述无线通讯模块采用PTR8000模块。
进一步的改进是，所述存储模块采用32G的SD卡。
本实用新型是基于物联网无线传输技术，采用数字信号处理能力极高的DSP和嵌入式ARM系统，能保证电能数据的实时、准确、快速的采集、计算、分析和传输。能通过无线传输的方式实现远程监控。
本实用新型能广泛用于公共供电点电能质量的连续监测和多点监测组成区域电能质量监测网，能连续监测公共点的电量、电压偏差、频率偏差、谐波、三相电压不平衡度、有功功率、无功功率、功率因素以及用户注入电网的谐波电流和负序电流，就地、实时地进行数据处理和分析，具有电能质量指标超限报警、数据录取和电能质量故障分析预报等功能，能通过无线传输到电能管理中心，进行统一分析和管理。
本实用新型不需要布置通讯电缆或光缆、能使系统布设简单、减少工作量、节省人力物力，能够节约成本、能提高测量效率和测量精度、能实现长距离的无线测量且具有互操作性、尤其适合对现有大楼的电能管理改造工程。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
图1是本实用新型实施例的结构框图。
具体实施方式
如图1所示，是本实用新型实施例的结构框图。本实用新型实施例电能质量在线监测装置包括：信号处理模块1、A/D转换模块2、DSP计算模块3、ARM管理模块4、人机交互模块5、无线通讯模块6和存储模块7。
所述信号处理模块1的输入端连接三相电压和三相电流信号，所述三相电压和电流信号都是以模拟量输入的。所述信号处理模块1的输出端和所述A/D转换模块2的输入端连接，所述A/D转换模块2的输出端和所述DSP计算模块3的输入端连接，所述DSP计算模块3的输出端和所述ARM管理模块4的输入端连接；ARM管理模块4分别和所述人机交互模块5、所述无线通讯模块6和所述存储模块7连接。
本实用新型实施例的工作过程为：实时的三相电压和电流信号经过所述信号处理模块1的电压互感器(PT)和电流互感器(CT)的转换，成为可处理的低电平信号。经过预处理电路即二阶低通滤波器，预处理电路主要完成对信号的滤波，滤除测量要求之外的高次谐波。电压和电流互感器采集进来的信号还必须经过抗混叠滤波器，滤掉50次以上的谐波。然后在信号采集电路即A/D转换模块中对信号进行多路同步采样，并通过集成在A/D转换模块中的通信单元送给所述DSP计算模块3进行数据处理，得出电能质量参数。然后将处理过的数据提供给所述ARM管理模块4，所述ARM管理模块4利用这些数据进行显示、存储和通信等。
所述信号处理模块1包括电流型电压互感器和电流互感器、以及二阶低通滤波器。分别用电流型电压互感器和电流互感器获取电压和电流信号。采用二阶低通滤波器对采集进来的电压和电流信号进行抗混叠滤波，滤掉50次以上的谐波。经过滤波的信号经过A/D转换模块中的采样保持器，将时间连续信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号。为了保证采样的同步性，本发明实施例中还采用频率跟踪和倍频锁相技术。
所述A/D转换模块2实现模拟信号向数字信号的转换。所述A/D转换模块2中的核心器件是AD转换芯片；如果模数转换的位数低时，将引起较大的测量误差，因此本实用新型中的AD转换芯片采用MAXIM公司的MAX125，其转换位数为14位，量化误差为0.008％，满足本实用新型最高精度等级为0.1级的要求。MAX125是一种高速、8通道、，14位的数据采集系统芯片。它内设采样/保持器，精度达14位，单通道最快转换时间为3μs，逐次逼近式模拟数字转换器(ADC)，一个+2.5V电压基准，一个经过缓冲的电压基准输入端。MAX125采用双极性供电，转换器的最高输入过电压高达士17V，而且任意一个通道的损坏不会影响整个芯片的正常工作。MAX125的输入电压范围为士5V。它有4个同时采样的采样/保持(T/H)器，每个T/H器对应一个两路复用的输入端，所以最多允许8路输入。
所述DSP计算模块3负责读取MAX125采样来的数据，进行计算，计算分析主要是完成对采样数据的分类计算，包括电压电流有效值的计算、有功和无功功率计算、电压偏差计算、三相不平衡度计算、谐波计算和各相电压电流谐波畸变率计算，将计算结果与国家标准进行比较，最后将实时数据和计算结果传递给ARM。
本实用新型的所述DSP计算模块3采用TI公司的TMS320LF2407，具有如下特点：
①采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；最高40MIPS(每秒百万条指令)的执行速度使得指令周期缩短为25ns，从而提高了控制器的实时控制能力。
②内核为16位的处理器，采用改进的哈佛结构，程序存储器和数据存储器具有各自的总线结构，系统地址空间分为程序地址空间、数据地址空间和外部I/O地址空间，三个空间可独立寻址，寻址能力分别达到64KB。具有4级流水线操作方式，取指令、指令译码、取操作数和执行指令这四个阶段是独立的，在任意给定的指令周期里，DSP可能同时执行4条指令的四个不同阶段。
③片内有高达32KB的FLASH程序存储器，1.5KB的数据/程序RAM，5KB双口RAM和2KB的单口RAM。
④32位的中央算术逻辑单元(CALU)及32位的累加器，用于CALU的输入与输出数据比例移位器和16位X16位乘法器及乘积比例移位器。
⑤16位的串行外围(SPI)接口、串行通信(SCI)接口、控制器局域网络(CAN)控制器接口。
⑥40个可单独编程或复用的通用输入输出接口，5个外部中断源。
⑦利用片内32KB的片内FLASH，无需再扩展程序存储器，同时DSP高达40MHz的运行频率足以满足系统的速度要求。40个可单独编程或复用的通用输入输出接口提供了足够的I/O资源，不必额外扩展I/O。控制器局域网络(CAN)接口现场抗干扰能力强，便于扩展到工业控制领域。
所述ARM管理模块4负责通信管理、人机界面、本地存储等功能。本实用新型的所述ARM管理模块4选用SAMSUNG公司的S3C2410型ARM芯片，采用了由ARM公司设计的16/32位ARM920TRISC处理器，因此S3C2410实现了MMU和独立的16KB指令和16KB数据哈佛结构的缓存，且每个缓存均为8个字节长度的流水线。S3C2410芯片的低功耗、精简而出色的全静态设计特别适合于对成本和功耗敏感的领域。
所述人机交互模块5包括键盘和液晶显示器。
所述键盘由6个键组成，分别是复位、返回、上移、下移、取消、确定。
所述液晶显示器选用640×480的TFT液晶屏，通过与LCD的菜单配合进行相应的操作；液晶显示直接查询监测记录的各项电能质量指标数据，主要显示的内容包括：①实时的电流、电压波形。②含有2-50次谐波的电流和电压频谱。③电能质量基本信息显示界面，主要显示三相线电压、有功功率、视在功率、功率因数、电压偏差、正序电压、负序电压、正序电流、负序电流、以及电压电流不平衡度。④装置参数显示界面，主要显示装置运行额定电压、额定电流、CT变比、PT变比、通讯速率及装置地址信息。
所述存储模块7用于就地存储实时监测和计算的数据，以保证当通讯因故障临时中断时，不会丢失数据。本实用新型的所述存储模块7选用32GB的SD卡作为存储器，它是一种大容量、性价比高、体积小、访问接口简单的存储卡。
所述无线通讯模块6用于数据无线收发，即无线接收和发射数据。所述无线通讯模块6根据一定的通讯规则对数据进行编码解码，提供相应的接口与所述ARM管理模块4的微控制单元(MCU)进行数据交换。并实现上位机和所述无线通讯模块6的通信和数据传输。
所述无线通讯模块6包括无线接口、数据接收模块、数据发送模块、数据编码模块、数据解码模块和SPI接口，所述无线通讯模块6通过SPI接口和所述微控制单元相连，所述无线通讯模块6的发射功率最高值大于+20dBm，所述无线通讯模块6的室内通信距离的最大值为60米～150米、室外通信距离的最大值为200米～400米。在考虑低功耗的基础上，本发明实施例的所述无线通讯模块6选用高传输速率的PTR8000模块。该PTR8000模块内核使用nRF905，硬件电路己经焊好，使用起来较方便。该PTR8000模块的发射功率最高+20dBm，室内通信60米～150米，室外通信200米～400米。在硬件设计时把MCU的SPI接口和nRF905的SPI接口相连即可，另外还可以再选几个I/O口连接nRF905的输入输出信号。
以上通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，但这些并非构成对本实用新型的限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种电能质量在线监测装置，其特征在于，包括：信号处理模块、A/D转换模块、DSP计算模块、ARM管理模块、人机交互模块、无线通讯模块和存储模块；
所述信号处理模块的输入端连接三相电压和电流信号，所述信号处理模块的输出端和所述A/D转换模块的输入端连接，所述A/D转换模块的输出端和所述DSP计算模块的输入端连接，所述DSP计算模块的输出端和所述ARM管理模块的输入端连接；ARM管理模块分别和所述人机交互模块、所述无线通讯模块和所述存储模块连接。
2.如权利要求1所述电能质量在线监测装置，其特征在于：所述信号处理模块包括电流型电压互感器和电流互感器、以及二阶低通滤波器。
3.如权利要求1所述电能质量在线监测装置，其特征在于：所述A/D转换模块采用MAX125芯片。
4.如权利要求1所述电能质量在线监测装置，其特征在于：所述DSP计算模块采用TMS320LF2407芯片。
5.如权利要求1所述电能质量在线监测装置，其特征在于：所述ARM管理模块采用S3C2410芯片。
6.如权利要求1所述电能质量在线监测装置，其特征在于：所述人机交互模块包括键盘和液晶显示器。
7.如权利要求6所述电能质量在线监测装置，其特征在于：所述键盘由6个键组成，分别为复位、返回、上移、下移、取消和确定键；所述液晶显示器为640×480的TFT液晶屏。 
8.如权利要求1所述电能质量在线监测装置，其特征在于：所述无线通讯模块采用PTR8000模块。
9.如权利要求1所述电能质量在线监测装置，其特征在于：所述存储模块采用32G的SD卡。 
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