CN202872459U - 一种智能配电终端遥测板 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种智能配电终端遥测板，包括：数据采集单元、数据处理单元、存储单元、电源单元；所述数据处理分别与所述数据采集单元、所述存储单元和所述电源单元相连；所述数据采集单元包括：接线端子，多路电流互感器，多路电压互感器，多个滤波电路，AD采样电路，以及频率测量与自动跟踪电路；所述数据处理单元，用于根据所述AD采样电路输入的数字信号测量电网的运行参数并监测谐波，以及根据所述频率测量与自动跟踪电路传送的方波信号计算电网频率；所述存储单元，保存包括设定参数、历史数据和事件记录在内的数据；该遥测板可以适应现场的多种接线方式，实现电网参数的高精度测量以及谐波监测的功能。

Description

一种智能配电终端遥测板

技术领域

本实用新型属于配电自动化领域，具体地涉及一种智能配电终端遥测板，其适用于智能配电终端装置，实现对电网参数的高精度测量。 

背景技术

应用现代计算机与通信技术，实现中压配电网的运行自动化（配网自动化），可以有效地提高供电质量与生产管理效率，因此，配网自动化受到了供电部门、科研生产单位的广泛重视。 

配网自动化系统由主站、通信网络、终端装置三部分组成。配网自动化系统的终端，一般称为配电自动化终端或配网自动化终端，用于中压配电网中的开闭所、重合器、柱上分段开关、环网柜、配电变压器、线路调压器、无功补偿电容器的监视与控制，与配网自动化主站通信，提供配电网运行控制及管理所需的数据，执行主站给出的对配网设备进行调节控制的指令。配电终端是配网自动化系统的基本组成单元，其性能与可靠性直接影响到整个系统能否有效地发挥作用。配电终端具有遥测功能，用来实现对电网运行状态的检测，主要有电压幅值、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等参数。 

发明人在实现本实用新型的过程中发现，现在技术至少存在以下不足：现有的配电终端遥测板支持的接线方式单一，而不具备配置灵活、多种接线方式的功能，而且现有技术的配电终端遥测板的遥测量计算的精度不高，并不具备谐波监测功能。 

实用新型内容

本实用新的目的在于：克服现有的配电终端遥测方案支持的接线方式单一，而不具备配置灵活、多种接线方式的功能的缺陷，提供一种智能配电终端遥测板以适应现场的接线方式，实现电网参数的高精度测量以及谐波监测的功能。 

为达上述目的，本实用新型提供了一种智能配电终端遥测板，所述智能配电终端遥测板包括：数据采集单元、数据处理单元、存储单元、电源单元；所述数据处理单元分别与所述数据采集单元、所述存储单元和所述电源单元相连； 

所述数据采集单元包括：接线端子，用于接入外部的电网电压信号、电网电流信号；多路电流互感器，与所述接线端子相连，用于降低所述电网电流信号；多路电压互感器，与所述接线端子相连，用于降低所述电网电压信号；多个滤波电路，与所述多路电流互感器和所述多路电压互感器的输出端相连，用于对所述多路电流互感器和所述多路电压互感器输出的信号进行滤波；AD采样电路，与所述多个滤波电路相连，用于将滤波后的电网电压信号、电网电流信号经过AD采样转换为数字信号后传送给所述数据处理单元处理；频率测量与自动跟踪电路，输入端与所述多路电压互感器相连，输出端与所述数据处理单元相连，用于将降低后的所述电网电压信号转换为方波信号后传送到所述数据处理单元进行处理； 

所述数据处理单元，用于根据所述AD采样电路输入的数字信号测量电网的运行参数并监测谐波，以及根据所述频率测量与自动跟踪电路传送的方波信号计算电网频率； 

所述存储单元，用于保存包括设定参数、历史数据和事件记录在内的数据； 

所述电源单元，用于给所述智能配电终端遥测板供电。 

可选地，所述频率测量与自动跟踪电路可以包括：一阶无源滤波电路，与所述多路电压互感器相连，用于对降低后的所述电网电压信号进行滤波； 过零比较电路，与所述一阶无源滤波电路相连，用于将滤波后的正弦波输入信号转换为方波信号；以及分压限幅电路，与所述过零比较电路相连，用于对所述同频率方波信号进行分压和限幅后送入到所述数据处理单元。 

可选地，所述数据处理单元可以采用数字信号处理器。 

可选地，所述数字信号处理器可以包括：定时器，与所述频率测量与自动跟踪电路相连。 

可选地，所述数字信号处理器还可以包括：AD采样频率修改单元，用于当检测到电网频率发生变化时，实时更改AD采样频率。 

可选地，所述数字信号处理器还可以包括：双通道同步串行通信端口SPORT，与所述AD采样电路相连，用于将AD采样完成的数据高速传输至所述数字信号处理器。 

可选地，所述数字信号处理器还可以包括：RS232接口和/或SPI同步串行接口；所述智能配电终端遥测板还包括通信单元，与所述S232接口和/或SPI同步串行接口相连。 

可选地，所述滤波电路可以采用二阶低通滤波器。 

可选地，所述存储单元可以包括SDRAM、NANDFLASH、NORFLASH、EEPROM中的至少一个。 

可选地，所述智能配电终端遥测板还包括：电源监测单元，包括：电压监控芯片、复位按钮以及外围电路，用于实现对电源的实时监控。 

本实用新型有有益技术效果在于：同现有的配电终端遥测板相比，本实用新型通过采用高速DSP，16位高精度AD，高精度电压、电流互感器，并进行高性能滤波和计算分析，不仅能够实时监测电网的运行参数（电流、电压、有功功率、无功功率等）和运行状态，而且能够对电能质量进行监测，实现51次谐波监测，以及电压波动、波形的瞬态捕捉、电压跌落、电压偏差、电压不平衡度、频率偏差等的监测。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本实用新型实施例的遥测板整体功能框图； 

图2为本实用新型实施例的遥测板电流互感器采样电路图； 

图3为本实用新型实施例的遥测板电压互感器采样电路图； 

图4为本实用新型实施例的遥测板电流电压采样滤波电路图； 

图5为本实用新型实施例的遥测板AD采样电路图； 

图6为本实用新型实施例的遥测板频率测量与自动跟踪电路图； 

图7为本实用新型实施例的遥测板电压检测、看门狗以及复位电路图。 

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。 

图1为本实用新型实施例的遥测板整体功能框图。如图1所示，该智能配电终端遥测板是以ADSP-BF518为核心处理器，主要包括数据采集单元、数据处理单元、存储单元、通信单元以及电源单元。以下进行详细说明： 

1、数据采集单元 

遥测板的数据采集单元包括：接线端子、采样与滤波电路、AD采样电路以及频率测量与自动跟踪电路。遥测是通过对模拟量的采集与计算实现的， 本实用新型可以设计12路模拟量输入，包括3路电压互感器PT（Potential transformer）和9路电流互感器CT(Current transformer)。接线端子是外部电压、电流信号与电压互感器、电流互感器的接口。同时，遥测板的功能主要是用于负荷控制和监测，因此需要保证较高的测量精度，本实用新型电压、电流的测量精度是0.2%，有功功率、无功功率的精度是0.5%。 

1.1、采样与滤波电路 

在图1中，采样与滤波电路在PT与CT电路中，模拟量通过采样与滤波电路将电网电压信号、电网电流信号变换成±5V的交流电压信号以便处理。图2为本实用新型实施例的电流互感采样电路的原理图；图3为本实用新型实施例的电压互感器采样电路的原理图。如图2、图3所示，采样电路将电流、电压信号变小，同时D15和D21将其幅值限制在±5V，防止因输入信号过大而造成后面电路中电子元器件的损坏。作为举例，在图2中，U26是电流互感器，型号为SCT254FK，U26输入与接线端子通过导线相连，电流互感器采样输出信号与滤波电路相连。作为举例，在图3中，CON9是电压互感器接线端子，型号为Pin2x1/.3，CON9是电压互感器采样电路的输入，U32是电压互感器，型号为SPT204A，电压互感器采样电路输出信号与滤波电路相连。图4为本实用新型实施例的采样滤波电路原理图，滤波电路输入来自电流互感器采样电路、电压互感器采样电路，输出与AD采样电路相连，滤波电路是二阶低通滤波器，其作用是滤除输入信号中高于1/2采样频率的高频成分。在本实施例中，滤波电路有12个。 

1.2、AD采样电路 

为保证较高的测量精度，本实用新型采用AD7606芯片，如图5所示，AD7606是采用高速、低功耗、电荷再分配逐次逼近型模数转换器（ADC）的数据采集系统，可以对8个模拟输入通道进行同步采样。其模拟输入可以接受双极性输入信号，AD7606内置输入箝位保护，输入信号缩放放大器、二阶巴特沃兹滤波器、采样保持放大器、片内基准电压源、基准电压缓冲、高速 ADC、数字滤波器以及高速并行和串行接口。 

本实用新型使用了两片AD7606芯片，AD7606是16位的同步采样ADC，采样率高达200kbps，并具有2x-64x的过采样性能。每片ADC通过一个双通道同步串行通信端口（SPORT）与ADSP-BF518连接，SPORT端口是AD7606与ADSP-BF518的接口，作用是将AD采样完成的数据与ADSP-BF518实现高速传输。AD7606将离散的模拟量加以量化，使之转化为16位数字信号便于进行计算。 

1.3、频率测量与自动跟踪电路 

频率是反映电力系统稳定与电能质量的一个重要参数，是相量测量中一个最重要的参量，频率参数的实时数字测量一直是电力系统参数测量的重点和难点。由于电力系统的频率时刻都有微小的变化，精确地测频手段成为实时控制的重要组成部分。本实用新型采用硬件测频法，通过将交流信号整形成方波，然后利用数据信号处理器内部的DSP计数器求得电网周期，从而获得频率的大小。这种方法的主要好处是精度高，程序实现简单、可靠。频率测量与自动跟踪电路对应于图1中频率捕捉单元，利用数据处理单元ADSP-BF518自带的频率捕捉接口和同步方波电路就可以轻松实现测频电路。作为举例，如图6所示，频率测量与自动跟踪电路中，U2为模拟比较器，型号为AD8666，D1为双极性肖特基二极管，型号为BAT54SLT1。电压互感器采样电路输出的一路电压信号作为频率测量与自动跟踪电路的输入信号，信号经过滤波，过零比较，分压与限幅后，作为频率测量与自动跟踪电路的输出信号，与ADSP-BF518连接。其中，本实施例是通过R46、R51和D1实现分压与限幅。 

本实用新型设计的频率测量与自动跟踪电路主要由一阶无源滤波电路、过零比较电路和限幅电路组成。过零比较电路将正弦波输入信号转换为0-5V的同频率方波信号，然后经过分压和限幅，最后，方波信号被送入ADSP-BF518的TMR6管脚。在ADSP-BF518捕捉模块的中断服务函数中，ADSP-BF518 处理捕捉模块定时器的数据，计算电网的频率。若检测到电网频率有变化，则ADSP-BF518实时更改AD采样频率，同步适应电网频率的变化，实现频率跟踪，可以保证采样计算的精度。其中，限幅的作用是为了保护DSP的IO口，避免电压过高导致损坏DSP。 

2、数据处理与存储单元 

数据处理与存储单元主要由ADSP-BF518、SDRAM、NANDFLASH、NORFLASH以及EEPROM组成。ADSP-BF518是ADI新推出的一款具有高性能、低功耗、先进的嵌入式连接特点的Blackfin处理器，通过内部集成10/100M以太网控制器（支持IEEE 1588 version2精确时钟同步校准引擎）、三相PWM控制单元和正交编码器等，将其应用扩展至工业与电力、仪器仪表领域。本实用新型数据处理与存储单元有如下特征： 

（1）高性能、低功耗Blackfin汇聚处理器ADSP-BF518（400MHz、800MMACS）； 

（2）64M字节SDRAM、4M字节NORFLASH、64M字节NANDFLASH、16K bit EEPROM；存储单元用于保存包括设定参数（电压、电流校准系数等）、历史数据（电压、电流、有功功率、无功功率、谐波等遥测量历史数据）和事件记录（电压暂升、电压暂降等事件记录）在内的数据。 

（3）具有JTAG仿真接口，方便与仿真器调试。 

其中，仿真器属于数据处理与存储单元。 

3、通信单元 

本实用新型通信单元有RS232接口与SPI通信接口。RS232用于实现遥测板的维护，通过上位机软件可以对遥测板进行校准，SPI通信用于实现遥测板与智能配电终端其它电路板之间的通信。 

4、电源单元 

电源单元是用于给遥测板供电和监控的单元。电源单元由电源模块，电压检测电路组成。本实用新型电源单元采用MORNSUN的WRF2405P-6W电源 模块，输入为18-36V，输入通过智能配电终端电源接入模块。电压检测、看门狗以及复位电路如图7所示，主要由电压监控芯片、复位按钮以及外围电路组成，U6型号为IMP706T。输入V+5经过电阻分压为3.3V后，与IMP706第四个管脚相连，复位按钮信号SW1经过上拉后与IMP706T第一个管脚相连，当电源电压低于一定阈值或复位按钮按下时，IPM706T通过第七个管脚产生一个复位信号，使ADSP-BF518复位，从而实现输入3.3V电压的检测，实现对电源的实时监控。D2为肖特基二极管，型号是RB751-40，IMP706T同时有硬件看门狗的功能，内部有独立的看门狗定时器，IMP706T第六个管脚与ADSP-BF518连接，ADSP-BF518须在1.6s内改变IMP706T第六个管脚的状态，否则IMP706T的第八个管脚则输出一个低电平，将D2导通，在IMP706T的第一脚产生一个复位信号，使ADSP-BF518复位，从而最大限度的保证了核心处理器ADSP-BF518的可靠和稳定性。另外，D3是复位指示灯，当IMP706T通过第七脚输出复位信号时，D3都会闪亮。 

作为智能配电终端的一部分，本实用新型的遥测板工作过程如下：上电后，遥测板开始实时计算电压电路等遥测量，计算电网谐波，进行电能质量分析。并与智能配电终端主控板通信，接收主控板下发的参数配置信息，上传遥测量信息。 

本实用新型实施例的优点在于： 

1、本实用新型不仅能监测电网的运行参数（电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率等），而且能够对电网电能质量进行监测，实现51次谐波监测、电压波动、电压偏差、电压不平衡度等。 

2、本实用新型是通过频率捕捉电路和DSP内部定时器来实现同步采样，保证对同一时刻的电压和电流进行计算，从而得到电网的功率。 

3、本实用新型支持多种灵活的接线方式，电压通道可接相电压、也可接线电压或零序电压，适合各种PT接线方式，电流通道可以接相电流、线电流或者零序电流。通过软件配置就可以方便地改变接线方式。 

4、本实用新型是采用一阶差分与全周傅氏相结合的算法对采集的电流值和电压值进行计算，并对电压和电流的谐波进行分析，从而实现电能质量监测。 

5、本实用新型是采用uCOSII嵌入式实时操作系统，多任务实时调度、丰富的软件协议。 

以上实施例仅用以说明本实用新型实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例各实施例技术方案的精神和范围。 

Claims (10)

1.一种智能配电终端遥测板，其特征在于，所述智能配电终端遥测板包括：数据采集单元、数据处理单元、存储单元和电源单元；所述数据处理单元分别与所述数据采集单元、所述存储单元和所述电源单元相连；

所述数据采集单元包括：接线端子，用于接入外部的电网电压信号、电网电流信号；多路电流互感器，与所述接线端子相连，用于降低所述电网电流信号；多路电压互感器，与所述接线端子相连，用于降低所述电网电压信号；多个滤波电路，与所述多路电流互感器和所述多路电压互感器的输出端相连，用于对所述多路电流互感器和所述多路电压互感器输出的信号进行滤波；AD采样电路，与所述多个滤波电路相连，用于将滤波后的电网电压信号、电网电流信号经过AD采样转换为数字信号后传送给所述数据处理单元处理；频率测量与自动跟踪电路，输入端与所述多路电压互感器相连，输出端与所述数据处理单元相连，用于将降低后的所述电网电压信号转换为方波信号并传送到所述数据处理单元进行处理；

所述数据处理单元，用于根据所述AD采样电路输入的数字信号测量电网的运行参数并监测谐波，以及根据所述频率测量与自动跟踪电路传送的方波信号计算电网频率；

所述存储单元，用于保存包括设定参数、历史数据和事件记录在内的数据；

所述电源单元，用于给所述智能配电终端遥测板供电。

2.根据权利要求1所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述频率测量与自动跟踪电路包括：

一阶无源滤波电路，与所述多路电压互感器相连，用于对降低后的所述电网电压信号进行滤波；

过零比较电路，与所述一阶无源滤波电路相连，用于将滤波后的正弦波 输入信号转换为方波信号；以及

分压限幅电路，与所述过零比较电路相连，用于对所述同频率方波信号进行分压和限幅后送入到所述数据处理单元。

3.根据权利要求1或2所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述数据处理单元包括数字信号处理器。

4.根据权利要求3所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述数字信号处理器包括：定时器，与所述频率测量与自动跟踪电路相连。

5.根据权利要求3所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述数字信号处理器包括：AD采样频率修改单元，用于当检测到电网频率发生变化时，实时更改AD采样频率。

6.根据权利要求3所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述数字信号处理器包括：双通道同步串行通信端口SPORT，与所述AD采样电路相连，用于将AD采样完成的数据高速传输至所述数字信号处理器。

7.根据权利要求3所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述数字信号处理器包括：RS232接口和/或SPI同步串行接口；所述智能配电终端遥测板还包括通信单元，与所述S232接口和/或SPI同步串行接口相连。

8.根据权利要求1所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述滤波电路包括二阶低通滤波器。

9.根据权利要求1所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述存储单元包括SDRAM、NANDFLASH、NORFLASH、EEPROM中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的智能配电终端遥测板，其特征在于，所述智能配电终端遥测板还包括：

电源监测单元，包括：电压监控芯片、复位按钮以及外围电路，用于实现对电源的实时监控。 

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