CN202815120U - 一种电能质量分析仪中的电能质量采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电能质量分析仪中的电能质量采集系统，其包括顺次连接的低速采集模块、FPGA模块、数字信号处理模块和中央处理器，其还具有的高速采集模块包括顺次连接的运算放大及电压/电流转换模块、线性光耦、运算放大及电流/电压转换模块和第一模数转换模块，低速采集模块与运算放大及电压/电流转换模块连接，第一模数转换模块与FPGA模块连接。本专利在低速采集模块上配备了高速采集模块，后者是前者的一个有力补充，两者结合构建了一个完整的电能质量采集系统。前者用于分析电压电流有效值、功率、谐波、间谐波等，而后者专用于分析瞬态信号。本专利额外增加较少的器件就可以同时实现低速采集和高速采集，采集速度高、精度高、安全性高。

Description

一种电能质量分析仪中的电能质量采集系统

技术领域

本实用新型涉及一种检测系统，尤其涉及一种电能质量分析仪中的电能质量采集系统。

背景技术

随着用电负荷日趋复杂化和多样化，大量具有非线性、冲击性和不平衡特征的负荷造成供电网电能质量的恶化；同时，现代工业大量使用的计算机系统、机器人和快速发展的高新技术产业对电能质量和供电可靠性要求却越来越高。瞬变是衡量电能质量优劣最重要的指标之一，其可导致设备绝缘破坏，引发事故，以及高精密设备和服务器复位和损坏等。瞬变一般是由于雷击时线路感应所致，一般尖峰脉冲的宽度为μs级，幅值最高达数千伏。

传统的电能质量监测和分析系统的最大采样率低于200kbps，这样几乎无法分析瞬态电能质量信号。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种电能质量分析仪中的电能质量采集系统，该系统是在低速采集模块上配备一个辅助的高速采集模块，该高速采集模块是低速采集模块的一个有力补充，两者结合构建了一个完整的电能质量采集系统。

为实现上述目的，所述电能质量分析仪中的电能质量采集系统，包括顺次电连接的低速采集模块、现场可编程门阵列FPGA模块、数字信号处理模块和中央处理器，其特点是，所述电能质量采集系统还包括高速采集模块，所述高速采集模块包括顺次电连接的运算放大及电压/电流转换模块、线性光耦、运算放大及电流/电压转换模块、以及第一模数转换模块，所述低速采集模块与所述运算放大及电压/电流转换模块电连接，所述第一模数转换模块与所述FPGA模块电连接。

优选的是，所述低速采集模块包括顺次连接的滤波模块、运算放大模块、第二模数转换模块和数字隔离模块，输入至低速采集模块的多路电压经所述滤波模块、运算放大模块、第二模数转换模块和数字隔离模块的处理后输入至所述FPGA模块，其中，所述输入至低速采集模块的多路电压同时输入至所述高速采集模块内，经所述运算放大及电压/电流转换模块、线性光耦、运算放大及电流/电压转换模块、以及第一模数转换模块的处理后输入至所述FPGA模块。

优选的是，所述高速采集模块中，所述运算放大及电压/电流转换模块中的型号为AD8616的运算放大器进行电压/电流转换后，驱动型号为HCNR201的线性光耦，经过所述线性光耦的隔离后，再经过运算放大及电流/电压转换模块中的型号为AD8616的运算放大器进行电流/电压转换得到测量范围内的电压；并且，所述第一模数转换模块采用型号为ADS5233的模数转换器，所述运算放大及电流/电压转换模块经过一高速模拟开关连接所述第一模数转换模块。

本实用新型的有益效果在于，所述电能质量分析仪中的电能质量采集系统在原有的低速采集模块上配备了一个辅助的高速采集模块，该高速采集模块是低速采集模块的一个有力补充，两者结合构建了一个完整的电能质量采集系统。其中，低速采集模块的采样率为40.96kbps左右，用于分析电压电流有效值、功率、谐波、间谐波、骤升、骤降、中断、快速电压变化、闪变等，而高速采集模块的采样频率则最高5Mbps，专用于分析瞬态信号。本专利额外增加较少的器件就可以同时实现低速采集和高速采集，提升了国内厂商在瞬态采集领域的弱势地位；另外，本专利的采集速度高、精度高、安全性高。

附图说明

图1示出了本实用新型所述的电能质量分析仪中的电能质量采集系统的电路示意图，其中虚线框包围的部分为高速采集模块。

图2示出了图1中高速采集模块的电路示意图。

图3示出了图1中第一模数转换模块的电路示意图。

图4示出了图1中的FPGA模块的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明：

图1示出了本实用新型所述的电能质量分析仪中的电能质量采集系统的电路示意图，其中虚线框包围的部分为高速采集模块2，如图1所示，所述电能质量分析仪中的电能质量采集系统，包括顺次电连接的低速采集模块1、现场可编程门阵列FPGA模块3、数字信号处理模块（DSP4）和中央处理器（CPU5）。在低速采集模块1的基础上，所述电能质量采集系统还包括高速采集模块2。其中，如图1中虚线框包围的部分所示，所述高速采集模块2包括顺次电连接的运算放大及电压/电流转换模块21、线性光耦22、运算放大及电流/电压转换模块23、以及第一模数转换模块24，所述低速采集模块1与所述运算放大及电压/电流转换模块21电连接，所述第一模数转换模块24与所述FPGA模块3电连接。

具体地，所述低速采集模块1包括顺次连接的滤波模块、运算放大模块、第二模数转换模块和数字隔离模块，输入至低速采集模块1的四路电压经所述滤波模块、运算放大模块、第二模数转换模块和数字隔离模块的处理后输入至所述FPGA模块3，其中，所述输入至低速采集模块1的四路电压同时输入至所述高速采集模块2内，经所述运算放大及电压/电流转换模块21、线性光耦22、运算放大及电流/电压转换模块23、以及第一模数转换模块24的处理后输入至所述FPGA模块3。

参考图2，由于整个系统是一个测量3+1的系统，因此这里同时可检测四路瞬态信号。从低速采集模块1的源头即电压通道电阻分压抽头引至高速采集模块2部分，高速采集模块2中的运算放大及电压/电流转换模块21中的型号为AD8616的运算放大器进行电压/电流转换后，驱动型号为HCNR201的线性光耦22，经过所述线性光耦22的隔离后，再经过运算放大及电流/电压转换模块23中的型号为AD8616的运算放大器进行电流/电压转换得到测量范围内的电压。并且，所述第一模数转换模块24采用型号为ADS5233的模数转换器，该高速转换器只具有两个通道，而同时有四个通道需要测试，因此这里通过高速模拟开关进行切换，即，所述运算放大及电流/电压转换模块23经过一高速模拟开关连接所述第一模数转换模块24。这里运放AD8616的增益带宽为20M，线性光耦22的LED最高带宽为9M，因此预留一定余量后带宽设计为5M。

图3示出了图1中第一模数转换模块24的电路示意图，如图3所示，第一模数转换模块24的两个通道数字输出均引至FPGA模块3的端口，因此两个通道的数据可同时采集和读出。ADS5232是TI公司的双通道12bit高速模数转换器，每个通道的最高采样率为65Mbps，因此通过高速模拟开关切换后每个通道可获得不低于30Mbps的采样率（损失的35Mbps预留给高速模拟开关的切换），这里只需要5M即可。该第一模数转换模块24输入的公共端由其52脚输出，其时钟信号由FPGA模块3提供，频率设为30MHz，两个并行总线均连接至FPGA模块3，当第一模数转换模块24采集的数据准备好后，其22脚（DVB）和26脚（DVA）将产生一个下降沿信号，因此FPGA模块3可通过此信号来判断何时读取数据。

图4示出了图1中的FPGA模块3的电路示意图，如图4所示，FPGA模块3控制采集及数据读取部分，并将同时读取的两个通道数据进行计算，当超过设定的门限后，将读取的数据进行缓存，然后批量发送给数字信号处理模块（DSP4），这里指已经校准后。校准的流程如下，当DSP4通过串口接收到校零和校满指令后，给FPGA模块3一个握手信号，FPGA模块3连续读取100次的采集值，计算出平均值后发送给DSP4，这里校零时外部信号选择为100V的直流信号，校满时选择1000V的直流信号。这里的设置参数例如采集速度、采集个数、触发门限等均由中央处理器（CPU5）通过SPORT口发送给DSP4，上电后或者重新设置后DSP4再发给FPGA模块3留存。当FPGA模块3采集的数据经过计算后超过触发门限，便开始缓存此批数据，缓存器即将满时FPGA模块3发送给DSP4一个握手信号，DSP4提前做好接收的准备。当DSP4收完数据后再将数据发送给CPU5进行存储。

综上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本实用新型的技术范畴。

Claims (3)

1.一种电能质量分析仪中的电能质量采集系统，包括顺次电连接的低速采集模块、现场可编程门阵列FPGA模块、数字信号处理模块和中央处理器，其特征在于：所述电能质量采集系统还包括高速采集模块，所述高速采集模块包括顺次电连接的运算放大及电压/电流转换模块、线性光耦、运算放大及电流/电压转换模块、以及第一模数转换模块，所述低速采集模块与所述运算放大及电压/电流转换模块电连接，所述第一模数转换模块与所述FPGA模块电连接。

2.根据权利要求1所述的电能质量分析仪中的电能质量采集系统，其特征在于：所述低速采集模块包括顺次连接的滤波模块、运算放大模块、第二模数转换模块和数字隔离模块，输入至低速采集模块的多路电压经所述滤波模块、运算放大模块、第二模数转换模块和数字隔离模块的处理后输入至所述FPGA模块，其中，所述输入至低速采集模块的多路电压同时输入至所述高速采集模块内，经所述运算放大及电压/电流转换模块、线性光耦、运算放大及电流/电压转换模块、以及第一模数转换模块的处理后输入至所述FPGA模块。

3.根据权利要求1或2所述的电能质量分析仪中的电能质量采集系统，其特征在于：所述高速采集模块中，所述运算放大及电压/电流转换模块中的型号为AD8616的运算放大器进行电压/电流转换后，驱动型号为HCNR201的线性光耦，经过所述线性光耦的隔离后，再经过运算放大及电流/电压转换模块中的型号为AD8616的运算放大器进行电流/电压转换得到测量范围内的电压；并且，所述第一模数转换模块采用型号为ADS5233的模数转换器，所述运算放大及电流/电压转换模块经过一高速模拟开关连接所述第一模数转换模块。

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