CN202649354U - 可扩展电能质量监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种可扩展电能质量监测装置，包括电压监测模块、电流监测模块和主控制模块。电压监测模块、电流监测模块以及主控制模块均以插槽连接的形式固定在机座上；电压监测模块、电流监测模块和主控制模块通过SPI总线实现通信，各模块之间SPI通信的建立和仲裁由各模块上DSP或ARM发出信号给CPLD来实现。电能监测装置按照功能划分为主控制模块、电流监测模块和电压监测模块，其优点在于实际应用时能够根据监测的电网的规模大小灵活配置三种模块的数量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电能质量监测装置。
背景技术
电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志。电能既是一直经济、清洁、容易转换和控制的能源形态，又是一种电力部门向电力用户提供的由发电、供电、用电三个方面共同保证质量的特殊商品。如今，电能作为进入市场的商品，与其他商品一样，无疑应讲究其质量。
对供电质量及其可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联系的。科技进步促进了生产过程的自动化和智能化，对电能质量提出了更高更新的要求。一个计算中心失去电源2s就可能破坏几十小时的数据处理结果或造成上百万的经济损失；在大型机器制造厂，0.1s的电压暂降就可能造成异常的生产状况和质量破坏；当今自动化设备控制的连续精加工生产线对配电系统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成大规模的混乱，损失难以估计。这些用户对不合格电力的容许度严格到只有1～2个周期。事实上，对于供电方来说，电力网的各个部分都是相互联系的，综合协调处理至关重要。任何一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失。这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免遭受用电设备产生的电磁干扰，维护电网安全运行，从这个角度讲，电能质量已经成为一项系统工程。
所以，制定和实施电能质量标准，有助于发电、供电和用电三方加强对电能质量的重视和监管。一方面，设备制造厂商提供其生产设备与电力系统的兼容性，促使电力用户在使用高性能设备、提高产品生产率的同时，严格限制自身对电力系统和其他设备的电磁干扰；另一方面，可以促进供电部门加强电能质量的技术监督与电力系统的运行管理，推动电能质量先进测控技术的研发和应用，保证配电系统安全经济运行和向用户提供合格的电能和优质的服务。所以，深入了解和认识电能质量，高度重视电能质量下降对供电系统运行的危害与影响，以及对社会经济的作用和影响，深入研究实现电能质量全面检测、控制和管理，具有重要的社会意义和经济意义。
实际中，由于现代电网的规模越来越大，监测点数量增多，在功能上，在线监测、实时分析和远程控制已经成为对电能质量监测系统的新要求。目前国内对电能质量的研究起步较晚，电能质量在线监测装置还存在一些不足，如以工控机配备采集卡来实现电能质量数据采集和分析的在线监测，智能化和网络化水平不高，同时由于采用工控机作为数据分析平台，导致设备成本偏高，可靠性和安装灵活性较差；非工控机模式的在线监测装置功能单一，只能实现对某些电能质量指标的测量，不具备数据存储功能以及远程通信能力有限等。
电能质量监测系统在满足实时性、高精度的前提要求下，面临着根据监测电网规模大小，灵活化可配置的要求。而集成电路技术和片上系统的发展，给这种需求的解决提供了一个很好的契机。
实用新型内容
本实用新型提供了一种可扩展电能质量监测装置，包括电压监测模块、电流监测模块和主控制模块。电压监测模块、电流监测模块以及主控制模块均以插槽连接的形式固定在机座上；电压监测模块、电流监测模块和主控制模块通过SPI 总线实现通信，各模块之间SPI通信的建立和仲裁由各模块上DSP 或ARM 向CPLD(复杂可编程逻辑器件)发出信号实现。
主控制模块扩展DDRRAM和NAND FLASH作为存储器，辅以外围设备包括24位真彩LCD显示器、USB、SD卡、100M以太网卡、MODEM串口、电源管理模块、GPRS模块、GPS模块、WiFi模块及键盘模块。
主控制模块采用内嵌ARM11核心的S3C6410芯片。
本装置改变了传统的单台式电能监测仪，将电能监测装置按照功能划分为主控制模块、电流监测模块和电压监测模块，其优点在于实际应用时能够根据监测的电网的规模大小灵活配置三种模块的数量。主控制模块采用ARM11核心的S3C6410芯片，内置浮点协处理器，保证足够的计算能力。
附图说明
图1是可扩展电能质量监测装置的整体结构图。
图2是主控制模块3的结构图。
具体实施方式
传统的电能质量监测装置固定化了硬件结构，监测的电网通道数量固定，本装置着眼于提供一种可扩展的在线式电能监测装置，即可以根据所需监测的电网规模的大小，灵活配置。为此，装置的设计基于模块化的思想，将装置划分为三种基本功能的模块：电压监测模块1、电流监测模块2和主控制模块3，参见图1。
电压监测模块1负责监测通道的电压相关参数的计算；电流监测模块2负责监测通道的电流相关参数的计算；主控制模块3负责接收电压监测模块1和电流监测模块2监测到的电能质量数据，并进行汇总处理后保持到数据库中，同时接收用户的参数配置，数据查询和维护等任务。这三种模块共同协作来实现电能质量实时监测的目的，由于电压、电流监测模块1、2需要实时的将采集到的数据发送给主控制模块3，必须要确定他们之间的通信方式。
模块式的电路架构为既定方案，各模块通过底板插槽的方式统一连接到底板上。分析正常的电量测量的数据流如下：
a. 电压监测模块1进行电压采样，计算电压相关参数；
b. 各电压监测模块1将电压采样数据，电压参数数据发送到各个电流监测模块2；
c. 电流监测模块2进行电流采样，并计算各通道的功率值、相角、三相不平衡度等参数；
d. 各电流监测模块2将电压电流波形数据、电能质量结果发送回主控制模块3；
e. 主控制模块3进行数据统计分析，并将监测结果存储到数据库中。
从上面的数据流分析可以看出，电压和电流监测模块1、2和主控制模块3均承担大量的计算任务，并且相互之间数据量交换很大。为此我们考虑各模块之间的接口总线需要满足以下条件：
（1）支持多个设备互联，可扩展；
（2）总线传输速度大于5MB/s；
（3）最好是多主机结构，电压、电流、主控制模块均可主动发起通讯；
（4）最好能并行工作，当装置内有两个电压模块1时，能同时把数据传输给各自的电流监测模块2而互不干扰；
（5）支持DMA 方式，减少CPU 的占用；
（6）最好布线简单，实现成本低。
综合上述六点考虑，目前还没有一种标准总线负荷全部要求。常用的PCI、ISA总线不符合（3）、（4）和（6）。为此，综合考虑底板总线的设计要求，我们提出了一种自定义的总线方案，以SPI总线为基础。
SPI 是Motorola 公司推出的一种同步串行通讯方式，全称为Serial Peripheral Interface，中文意思是串行外围设备接口。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。
SPI总线具有以下优势：目前大多数DSP和ARM芯片均集成了SPI接口，而高速的SPI接口速度可达50Mbps，SPI接口简单，只需四根线，另外SPI接口支持DMA方式，CPU占用率低，一对一通信时，可以互为主从。其缺点是不能满足一对多的通讯，当需要电压模块数据传送多个电流模块时，则需要传输多次，当网络上有多个电压模块时，则当需要传输数据给各自电流模块时，必须错开时间。为了克服这两个缺点，我们引入I2C总线作为辅助并在插槽中增加四根信号线作为地址线。
实际工作中，各电压监测模块1、电流监测模块2以及主控制模块3均以插槽连接的形式固定在机座上。各电压、电流模块1、2和主控制模块3通过SPI 总线实现通信，各模块间SPI通信的建立和仲裁由各模块上DSP 或ARM 发出信号给CPLD4来实现。
本装置的主控制模块3以内嵌ARM11核心的S3C6410芯片31（其是由韩国三星公司推出的32 位RISC 型微处理器）为核心，并扩展DDRRAM和NAND FLASH作为存储器，辅以常见的外围设备，包括24位真彩LCD显示器32、USB33、SD卡34、100M以太网卡35、MODEM串口36、电源管理模块37、GPRS模块38、GPS模块39、WiFi模块40及键盘模块41。
本装置改变了传统的单台式电能监测仪，将电能监测装置按照功能划分为主控制模块、电流监测模块和电压监测模块，其优点在于实际应用时能够根据监测的电网的规模大小灵活配置三种模块的数量。主控制模块采用ARM11核心的S3C6410芯片，内置浮点协处理器，保证足够的计算能力。
Claims (3)
1.一种可扩展电能质量监测装置，包括电压监测模块（1）、电流监测模块（2）和主控制模块（3），其特征在于，所述电压监测模块（1）、电流监测模块（2）以及主控制模块（3）均以插槽连接的形式固定在机座上；电压监测模块（1）、电流监测模块（2）和主控制模块（3）通过SPI 总线实现通信，电压监测模块（1）、电流监测模块（2）和主控制模块（3）之间的SPI通信的建立和仲裁由它们的DSP 或ARM处理器向CPLD（4）发出信号实现。
2.如权利要求1所述的可扩展电能质量监测装置，其特征在于，主控制模块（3）扩展DDRRAM和NAND FLASH作为存储器，并辅以外围设备，所述外围设备包括24位真彩LCD显示器（32）、USB（33）、SD卡（34）、100M以太网卡（35）、MODEM串口（36）、电源管理模块（37）、GPRS模块（38）、GPS模块（39）、WiFi模块（40）及键盘模块（41）。
3. 如权利要求1或2所述的可扩展电能质量监测装置，其特征在于，主控制模块（3）采用内嵌ARM11核心的S3C6410芯片（31）。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN 201220312283 CN202649354U (zh) | 2012-06-30 | 2012-06-30 | 可扩展电能质量监测装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN 201220312283 CN202649354U (zh) | 2012-06-30 | 2012-06-30 | 可扩展电能质量监测装置 |
Publications (1)
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| CN202649354U true CN202649354U (zh) | 2013-01-02 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN (1) | CN202649354U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103984271A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-13 | 常州联力自动化科技有限公司 | 基于模块化技术的矿用本安型控制器及控制方法 |
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2012
- 2012-06-30 CN CN 201220312283 patent/CN202649354U/zh not_active Expired - Lifetime
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