CN203324412U

CN203324412U - 基于虚拟仪器的电能质量监测装置

Info

Publication number: CN203324412U
Application number: CN2013204444695U
Authority: CN
Inventors: 张惠娟; 王自勇; 张海强; 张士暖; 耿铮; 吴凡; 李梦婧; 李玲玲
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2023-07-24

Abstract

本实用新型为一种基于虚拟仪器的电能质量监测装置，该装置包括信号调制电路、单片机采集电路、串口通信电路以及上位机在线监测模型，其连接方式为信号调制电路与单片机采集电路相连接，单片机采集电路与串口通信电路相连，串口通信电路与上位机在线监测模型相连接。所述的信号调制电路包括互感器单元、抗混叠滤波单元、放大偏置单元和电压保护单元；本实用新型实现了电网对电能质量五项指标的全天候网络化监控，增加了监测指标，解决了实时性不强的问题；同时在数据收集方面也减少了大量的人力和物力。

Description

基于虚拟仪器的电能质量监测装置

技术领域

本实用新型的技术方案涉及用于电能质量监测装置，具体地说是基于虚拟仪器的电能质量监测装置。

背景技术

在当今社会，电能成为一种从日常生活到工农业生产都必不可少的能源，它的应用程度也间接地成为一个国家工业发展水平的标志。但是，近些年来，随着经济的发展，电力系统的规模和容量不断扩大，同时负荷变得越来越复杂、冲击性负荷日益增加，使得电力系统供电质量下降，甚至威胁到自身和用户的安全。目前，供电质量常见问题主要包括电压与频率偏差、谐波问题、电压波动和闪变、三相不平衡度以及暂态过电压和瞬态过电压。

传统的智能仪器是把计算机或者微控制器嵌入到仪器之中，能够对数据进行逻辑运算和自动化操作。而虚拟仪器（也可称之为LabVIEW）则提出了“软件既是仪器”的理念，充分利用计算机的数据处理能力，结合数据采集设备来实现传统仪器的功能。由于其性能高、扩展性强、开发周期短等优点以及电能质量监测网络化、智能化等发展要求，虚拟仪器技术在电能质量领域得到了广泛的应用。

鉴于目前电能质量监测实时性不强，监测手段落后，缺乏决策判断依据的现状，开展对各个电能质量指标进行实时测量与数据采集的研究，对于保证对电力系统基本运行工况（事故）的观察、记录和动态分析以及电能质量五项指标的实时监控具有重大意义，也成为了当前电力系统发展的迫切需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实时监测电能质量，提高对电网的监控和安全、经济运行水平，并且操作简单的电能质量监测装置。

本实用新型的技术方案是：

一种基于虚拟仪器的电能质量监测装置，该装置包括信号调制电路、单片机采集电路、串口通信电路以及上位机在线监测模型，其连接方式为信号调制电路与单片机采集电路相连接，单片机采集电路与串口通信电路相连，串口通信电路与上位机在线监测模型相连接。

所述的信号调制电路包括互感器单元、抗混叠滤波单元、放大偏置单元以及电压保护单元四部分；其连接方式为：互感器单元与抗混叠滤波单元相连，抗混叠滤波单元与放大偏置单元相连，放大偏置单元与电压保护单元相连，电压保护单元输出的信号与单片机采集电路相连；

所述的互感器单元主要包括互感器和高精度运算放大器，其连接方式为：电网信号（电压或电流）与互感器的原边相连，互感器的副边与高精度运算放大器的2、3引脚相连。

所述的互感器为电压互感器或电流互感器，电压互感器的型号为LCTV31CE；电流互感器，型号为LCTA21CE；

所述的抗混叠滤波单元以及放大偏置单元的主要器件均为高精度运算放大器；

所述的电压保护单元主要由两个二极管组成，二极管D2的阴极接直流电源3.3V，二极管D3阳极接地，并且二极管D2的阳极与D3阴极相连。

所述的单片机采集电路包括控制单片机，其型号为STM32F103RBT6单片机。

所述的串口通信电路包括接口转换器，其型号为PL2303芯片。

所述的上位机在线监测模型为工业控制用计算机。

所述的互感器单元、抗混叠滤波单元以及放大偏置单元中的高精度运算放大器均为型号为OP07的运算放大器。

上述基于虚拟仪器的电能质量监测装置，其中所涉及到的电路、元件及其连接方式均是本技术领域的普通技术人员所熟知的，所用到的元器件都可以通过商购获得。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置是一种能够实时对电能质量进行在线监测的装置，由于在本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置中应用LabVIEW来完成对数据的传输、分析和存储，并结合LabVIEW开放性强、利于网络化以及开发周期短的特点，为此本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置可以实现电压与频率偏差的监测、谐波问题的监测、电压波动和闪变的监测以及三相不平衡度在线监测的功能。本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置所具有的显著优点和进步是：由于加入了相应的控制单片机，实现了控制的自动化和智能化；在电能质量监测中应用了LabVIEW，实现了网络化；实现了电网对电能质量五项指标的全天候网络化监控，增加了监测指标，解决了实时性不强的问题；同时在数据收集方面也减少了大量的人力和物力。下列实施例中进一步阐明了本实用新型突出的实质性特点。

附图说明

图1是本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置的构成示意框图。

图2是本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置中信号调制电路的具体电路图。

图3是本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置的具体硬件电路图(以采集单相电压为例)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。所使用的器件及其设置并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

图1所示实施例说明本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置包括信号调制电路、单片机采集电路、串口通信电路以及上位机在线监测模型四部分，其连接方式为：电网信号与信号调制电路相连，信号调制电路与单片机采集电路连接，单片机采集电路与串口通信电路相连，串口通信电路与上位机在线监测模型相连接。其中，信号调制电路包括四部分：互感器单元、抗混叠滤波单元、放大偏置单元以及电压保护单元，连接方式为：电网信号与互感器单元连接，互感器单元与抗混叠滤波单元相连，抗混叠滤波单元与放大偏置单元相连，放大偏置单元与电压保护单元连接，电压保护单元将信号送到单片机采集电路。

图2所示实施例表明本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置中信号调制电路的具体电路图，其中Ⅰ虚线框表示互感器单元，Ⅱ虚线框表示抗混叠滤波单元，Ⅲ虚线框表示放大偏置单元，Ⅳ虚线框表示电压保护单元。其中，互感器单元主要由电压互感器和一个高精度运算放大器组成，其连接方式为：电网信号（电压或电流）经过电阻R1与互感器的原边相连，互感器的副边与高精度运算放大器的2、3引脚相连，高精度运算放大器的2、6引脚通过电阻R2相连；抗混叠滤波单元主要由两个高精度运算放大器组成，并且前一个的输出经过电阻R5、R6与后一个的2引脚相连；放大偏置单元主要包含一个高精度运算放大器；电压保护单元主要由两个二极管组成，其连接方式为：二极管D2的阴极接直流电源3.3V，二极管D3阳极接地，并且二极管D2的阳极与D3阴极相连。LCTV31CE电压互感器的作用是通过1:1的电流变换来实现电压的变换；OP07高精度运算放大器的作用是避免因运放输入失调电压、偏置电流以及失调电流而带来的来积分误差；两个二极管的作用是将电压限制在0-3.3V之间。信号调制电路连接方式为：电网信号与LCTV31CE电压互感器相连，LCTV31CE电压互感器与四个OP07高精度运算放大器依次相连，通过四个OP07高精度运算放大器的输出信号与两个二极管相连，图中的VCC（-12）、VCC12、VCC1.65、VCC3.3分别表示直流电压-12V、12V、1.65V以及3.3V（图3同理）。

图3所示实施例表明本实用新型基于虚拟仪器的电能质量监测装置的具体硬件电路图，其中，A虚线框部分表示信号调制电路，B虚线框部分表示单片机采集电路，C虚线框部分表示串口通信电路。其中信号调制电路包括互感器单元、抗混叠滤波单元、放大偏置单元以及电压保护单元四部分；单片机采集电路包括控制单片机及其外围电路；串口通信电路包括接口转换器及其外围电路。其连接方式为：互感器单元与抗混叠滤波单元相连，抗混叠滤波单元与放大偏置单元相连，放大偏置单元与电压保护单元相连，电压保护单元输出端PAO与STM32F103RBT6单片机的14引脚相连，STM32F103RBT6单片机的7引脚与串口通信电路的输入RESET相连，STM32F103RBT6单片机的60引脚与串口通信电路的输入BOOT0引脚相连，STM32F103RBT6单片机的42、43引脚分别与PL2303接口转换器的1、5引脚相连，串口通信电路通过USB接口与上位机在线监测模型相连。

上述基于虚拟仪器的电能质量监测装置，所述STM32F103RBT6单片机的片内集成有内置随机存储器RAM、只读存储器ROM以及A/D转换器。

上述基于虚拟仪器的电能质量监测装置，所述的上位机在线监测模型为工业控制用计算机，主要通过采用LabVIEW来对电能质量各个指标进行分析处理，并将电能质量各个指标的分析结果以波形和数字的形式在监控界面上表现出来，并且能够将数据和分析结果实时保存以供日后进一步的分析和数据统计。LabVIEW是一种开放性和灵活性都很强的平台，在硬件方面，它可以兼容GPIB总线（IEEE488）、串行通讯（RS-232、RS-422或RS-485标准）、PXI（compactPCI eXtensions for Instrumentation）和VXI（VME eXtensions forInstrumentation）；在软件方面也有很强的网络连通性，支持NI-PSP、TCP/IP和UDP协议。

测量220V低压电路的电能参数

按照上述图3配置和安装本实施例所用的基于虚拟仪器的电能质量监测装置，将待测电压220V接入电路，220V电压通过电阻R1后接入电压互感器，接入电压互感器的电流约为2mA,通过放大器及R2作用将小电流转换为约几幅的低电压，然后通过低通滤波器滤波，滤除高于4KHZ的谐波，从滤波器输出的信号为有正有负的交变小电压信号，因为单片机只能对一定幅值范围内的正电压信号进行采集，为了得到适合的信号，必须将电压信号进行提升，使最终输出电压信号全部变为非负。滤波器电路输出为有效值约1.166V的交流信号，使用加减运算电路，将输出信号叠加使得电压提升为最小值不小于零的交流信号，使单片机能通过A/D转换器对信号幅值进行采集，调理得到合适的信号后，将此信号接到单片机的PA0口进行采集。STM32F103RBT6单片机自带2个十二位的ADC，可以直接通过单片机对电压值进行采集。采集过程包括以下几步设置：1)使能端口时钟及ADC时钟，2)端口配置为模拟输入，3)ADC及各通道配置，4)使能ADC，5)启动转换，6)读取采样值，读取采样之后通过串口通信将采样值上传给虚拟仪器。STM32F103RBT6单片机通信设置步骤如下：1）串口时钟使能；2）串口复位；3）设置串口波特率；4）设置串口控制方式；5）设置串口的发送与接收。

虚拟仪器LabVIEW串口程序包括以下设置：

visa串口配置；visa串口打开；visa串口写入/读出；visa串口关闭。LabVIEW接收采集到的数值后就可以对采样值进行处理，从而得到各项参数的值。下面对各个参数如何得到进行说明：

1.电压值的得到：将一个周期内采集到的值做自平方后相加，再除以一个周期采集点的个数，最后对求得的值开平方，得到一个周期内的有效值。为了减小测量误差，本系统计算8个周期的有效值然后再取平均值。

2.功率的得到：分别将同一时刻采到的同相电压与电流值相乘，然后分别把每次得到的相乘值做加法，最后除以一周期采样点的个数，就可以得到一个周期内的有效值，本系统中采用计算8个周期的有功功率值然后取平均值，以减小测量误差。

3.频率的得到：采用的是过零点检测法，要想求得频率必须知道过零点之间的时间差值。过零点两端的两个采样数据将会是一正一负，可以通过比较前一个采样值与下一个采样值之间是否同号来判定两个采样值之间是否包含过零点，当两个值的乘积小于等于零时，就可以判定为两个值间包含一个过零点。求得过零点的值后就可以算得频率值，为减小误差可以通过找到多个周期的过零点进行计算来减小误差。

4.三相不平衡度：通过索引分别将各相信息输入到提取单频信息处理程序中，可以得到单频的幅值、相位，通过极坐标至复数转换将极坐标形式换算为复数形式，然后通过调用求绝对值函数来获得各相电压电流的绝对值，最后在程序中通过调用公式函数来求得三相电压电流的不平衡度。

5.各次谐波值:基于FFT的谐波测量是应用最多也是最广泛的一种方法，它减少了频谱分析时的计算次数，精度较高，功能多，使用方便。为了减少泄露误差，避免信号做谐波分析时发生混叠，首先要对信号进行加窗处理，LabVIEW提供了各种各样的窗函数，使用起来非常方便，加窗后利用自功率谱函数(Auto PowerSpectrum.vi)进行FFT分析，求出采集时域信号的功率谱，在此基础上利用谐波失真分析函数(Harmonic Distortion Analyzer.vi)对信号进行谐波成分分析，给出各次谐波的频率、幅值及谐波总畸变率。

6.电压波动及闪变的测量：

采用IEC（国际电工委员会）推荐的电压闪变数字化方法，大致包括五个部分：

1）输入级。包括两个主要部分，即内含一个输入电压适配器和一个自检信号发生器。电压适配器用于将输入的被测电压信号调整为适合仪器要求的电压数值，可通过输入变压器分接头或自动量程切换放大器实现；信号发生器则用来产生标准的调制波电压作为仪器的自检信号。

2）模拟灯的作用。通过平方解调器取出与调幅波幅值成线性关系的反映电压波动的量，该量反映了灯光强度与电压的平方关系。

3）模拟人眼的频率选择特性。由带通滤波器和视感度加权滤波器构成，用来消除平方检测法得到的调幅波中的直流分量和100Hz分量。

4）模拟人脑神经对视觉反映的非线性响应和记忆效应。通过平方和积分两个滤波环节实现，输出为瞬时闪变视感度S(t)，即视觉对灯光闪烁的瞬时感觉水平。

5）输出级。将4）中输出的瞬时闪变视感度S(t)通过数字分析方法进行概率统计处理，最后通过实测计算得到短时间闪变值Pst和长时间闪变值Plt。

实施例2

将实施例1中的LCTV31CE电压互感器替换为LCTA21CE电流互感器，电流互感器的变比为2000：1，初级线圈串联与被测电流回路中，次级线圈不允许开路，其它组成及操作过程同实施例1，就可以对电网中的电流信号进行测量分析。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

Claims

1.一种基于虚拟仪器的电能质量监测装置，其特征为该装置包括信号调制电路、单片机采集电路、串口通信电路以及上位机在线监测模型，其连接方式为信号调制电路与单片机采集电路相连接，单片机采集电路与串口通信电路相连，串口通信电路与上位机在线监测模型相连接；

所述的信号调制电路包括互感器单元、抗混叠滤波单元、放大偏置单元和电压保护单元；其连接方式为：互感器单元与抗混叠滤波单元相连，抗混叠滤波单元与放大偏置单元相连，放大偏置单元与电压保护单元相连，电压保护单元输出的信号与单片机采集电路相连；

所述的单片机采集电路包括控制单片机，其型号为STM32F103RBT6单片机；

所述的串口通信电路包括接口转换器，其型号为PL2303芯片；

所述的上位机在线监测模型为工业控制用计算机；

所述的互感器单元包括互感器和高精度运算放大器，其连接方式为：电网信号（电压或电流）与互感器的原边相连，互感器的副边与高精度运算放大器的2、3引脚相连；

所述的抗混叠滤波单元包括高精度运算放大器；

所述的放大偏置单元包括高精度的运算放大器。

2.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的电能质量监测装置，其特征为所述的互感器为电压互感器或电流互感器，电压互感器的型号为LCTV31CE；电流互感器的型号为LCTA21CE。

3.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的电能质量监测装置，其特征为所述的电压保护单元主要由两个二极管组成，二极管D2的阴极接直流电源3.3V，二极管D3阳极接地，并且二极管D2的阳极与D3阴极相连。

4.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的电能质量监测装置，其特征为所述的互感器单元、抗混叠滤波单元以及放大偏置单元中的高精度运算放大器均为型号为OP07的运算放大器。