CN204287341U - 风电机组嵌入式电能质量在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了风电机组嵌入式电能质量在线监测系统，它包括电源模块、电压电流取样模块、CPU结构模块、存储显示及通讯接口模块和系统软件；电压电流取样模块包括三相输入电压、电压互感器、三相输入电流、电流互感器和16位A/D采样电路；CPU结构模块包括DSP控制器、嵌入式ARM控制器、可编程控制器FPGA电路和双口RAM电路；存储显示及通讯接口模块包括矩阵键盘液晶显示、Flash存贮器、掉电保护超限报警、脉冲输入/输出和数据管理终端。本实用新型利用DSP及ARM9双CPU技术，设计开发出嵌入式电能质量在线监测系统，实现对电能质量的连续采样，长期动态监测，对电压电流谐波、有功和无功的关系等电能质量分析。

Description

风电机组嵌入式电能质量在线监测系统

技术领域

本发明涉及风电机组嵌入式电能质量在线监测系统。

背景技术

由于风资源的不稳定性及风力发电系统本身的特性，风力发电机容易产生频率和电压变化的电功率，风电机组的输出功率呈波动性，直接影响电网的电能质量。国内大多数测量仪器对电能质量的各项指标的测量还处于专门测量或不定期测量阶段，这些设备不能满足电能质量长期稳定测量的要求，这些仪器适用于公共电网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，可测量电能质量各个参数，可以进行谐波分析、功率分析和故障滤波等功能，且只能进行固定监测点测量，现场分析无法把握长期运行的情况。

因此，需要提供一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种风电机组嵌入式电能质量在线监测系统。为了满足电能质量监测高速、高精度、实时性和连续性等性能指标。

为解决本发明的技术问题，本发明采用的技术方案是：

风电机组嵌入式电能质量在线监测系统，它包括电源模块、电压电流取样模块、CPU结构模块、存储显示及通讯接口模块和系统软件；

所述电压电流取样模块包括三相输入电压、电压互感器、三相输入电流、电流互感器和16位A/D采样电路，所述三相输入电压通过电压互感器转换为交流电压信号，所述三相输入电流通过电流互感器转换为交流电压信号，两次交流电压信号均供三路16位A/D通道采集数据；

所述CPU结构模块包括DSP控制器、嵌入式ARM控制器、可编程控制器FPGA电路和双口RAM电路，所述可编程控制器FPGA电路控制采集A/D通道的数据，送DSP控制器、双口RAM电路进行计算分析及处理，所述双口RAM电路与嵌入式ARM控制器连接，所述嵌入式ARM控制器用于数据存贮及多种通讯方式处理，所述嵌入式ARM控制器与数据管理终端交互数据；

所述存储显示及通讯接口模块包括矩阵键盘液晶显示、Flash存贮器、掉电保护超限报警、脉冲输入/输出和数据管理终端，所述嵌入式ARM控制器将数据存贮在Flash存贮器中，并通过矩阵键盘液晶显示再显示，所述嵌入式ARM控制器配置了以太网及RS485通讯接口，与数据管理终端交互数据，所述嵌入式ARM控制器控制掉电保护超限报警和脉冲输入/输出。

所述电源模块的电压输入值为AC220V±10%，电压输出值为DC+12V、DC-12V、DC+5V。

所述系统软件包括A/D采样程序、液晶显示程序、键盘扫描程序、闪变测量程序和参数设置程序。

所述A/D采样程序是将A/D初始化，清除原来的数据，然后启动A/D采样，调用采样值，计数值加1，把计数值与255比较，看是否比255大，最后通过计算公式算出有效值。

所述键盘扫描程序是当没有键闭合时对应接口为高电平，返回；当有键闭合时，延时去抖动，然后扫描键盘找到闭合键，计算键值，再闭合键释放，再建立有效标志，若找不到闭合键，返回。

本发明为了满足电能质量监测高速、高精度、实时性和连续性等性能指标，设计了嵌入式DSP与ARM的双CPU结构的风力机组电能质量监测系统。采用DSP对模拟信号的采集和处理，ARM负责通信和数据存储控制整系统的运作，FPGA完成同步设计、地址译码等工作，选配以太网或RS485接口通讯方式与远方控制中心通信，依据电能质量的参数算法对电能质量进行监测，得出了不同条件下电能质量的测试波形、数据分析及电压、频率偏差、闪变以及电压谐波含有率等。通过样机安装在风电场使用，运行可靠，取得了较好的效果，有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图1a为本发明的电压电流取样模块电路图。

图1b为本发明的嵌入式ARM控制器部分接口电路。

图1c为本发明的DSP控制器电路图。

图2为本发明的系统软件流程图。

图3为本发明的A/D采样程序流程图。

图4为本发明的键盘扫描程序流程图。

其中，1、电压互感器，2、电流互感器，3、16位A/D采样电路，4、DSP控制器，5、嵌入式ARM控制器，6、可编程控制器FPGA电路，7、双口RAM电路，8、矩阵键盘液晶显示，9、Flash存贮器，10、掉电保护超限报警，11、脉冲输入/输出，12、数据管理终端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明，不用来限制本发明的保护范围。

如图1所示，风电机组嵌入式电能质量在线监测系统，它包括电源模块、电压电流取样模块、CPU结构模块、存储显示及通讯接口模块和系统软件；

参考图1a，电压电流取样模块包括三相输入电压、电压互感器1、三相输入电流、电流互感器2和16位A/D采样电路3，三相输入电压Ua、Ub、Uc通过电压互感器1转换为交流电压信号，三相输入电流Ia、Ib、Ic通过电流互感器2转换为交流电压信号，两次交流电压信号均供三路16位A/D通道(16位A/D采样电路3)采集数据；数据采集采用16位的并行ADS7805 A/D设计，基本配置为3*3相电压3*3相电流，通道完全同步采样，精度更高、速度更快。采集频率256点/通道×周波，测量精度为基波电压测量精度0.2%，基波电流测量精度 0.2级。采集器根据外部情况采集到外部三相电压和三相电流，然后利用模数转换把模拟信号转换为数字信号，再传入系统内部。ADS7805P有多种工作参数编程设置，根据系统要求，设置如下：

（1）采用6.5538M晶振，则芯片的外部时钟信号 MCLK 频率为 6.5538M，设置内部时钟 DMCLK 等于 MCLK，尽可能的提高采样频率；

（2）系统要求每周波采样 256 点，则实际采样频率为 6.5kHz，即设置采样频率为1/2048；

（3）DSP 与 A D 串行通信速率不可过高或过低：过高容易导致传输受噪声干扰，过低又可能会减少DSP处理采样数据的时间，选择SCLK为DMCLK的一半。

CPU结构模块包括DSP控制器4、嵌入式ARM控制器5、可编程控制器FPGA电路6和双口RAM电路7，可编程控制器FPGA电路6控制采集A/D通道的数据，送DSP控制器4、双口RAM电路7进行计算分析及处理，双口RAM电路7与嵌入式ARM控制器5连接，嵌入式ARM控制器5用于数据存贮及多种通讯方式处理，嵌入式ARM控制器5与数据管理终端12交互数据；

参考图1b，嵌入式ARM控制器部分接口电路，数据存储和通讯处理器采用ARM，嵌入Linux操作系统作为软件平台，32G存储空间，满足电能质量分析装置对数据存储的要求，终端集成嵌入式数据库，保证数据掉电不丢失，同时提高数据输入输出效率和能力；终端具有优秀的人机界面，操作简单方便。

参考图1c为本发明的DSP控制器电路图。本发明利用DSP及ARM9双CPU技术，设计开发出嵌入式电能质量在线监测系统，实现对电能质量的连续采样，长期动态监测，对电压电流谐波、有功和无功的关系等电能质量分析。

存储显示及通讯接口模块包括矩阵键盘液晶显示8、Flash存贮器9、掉电保护超限报警10、脉冲输入/输出11和数据管理终端12，嵌入式ARM控制器5将数据存贮在Flash存贮器9中，并通过矩阵键盘液晶显示8再显示，嵌入式ARM控制器5配置了以太网及RS485通讯接口，与数据管理终端12交互数据，嵌入式ARM控制器5控制掉电保护超限报警10和脉冲输入/输出11。数据存储时间可以设定，一般可存储12个月，含有32G存贮空间，并通过矩阵键盘液晶显示8再显示。通讯接口配置了100M工业以太网及 RS-232C /485通讯接口，可与远方数据管理终端12交互数据，实现对电网的频率、电压、电流有效值、总的有功、无功功率、功率因数、谐波含量值监测外，还对电能质量的暂态扰动，主要是电压的骤升、骤降进行监测和记录，具有较强的实用性。

电源模块的电压输入值为AC220V±10%，电压输出值为DC+12V、DC-12V、DC+5V。电源模块具备上电保护、掉电保护、过压过流保护、欠压欠流保护等多种保护功能。

图2所示，系统软件包括A/D采样程序、液晶显示程序、键盘扫描程序、闪变测量程序和参数设置程序。源程序初始化主界面显示键扫描，测量：谐波测量、功率测量、闪变测量、装置信息和参数设置，谐波测量选择通道号然后进行测量显示；功率测量选择网点然后进行测量显示；闪变测量测频率不平衡复序电流然后进行测量显示；装置信息为频率IP地址电压变化；参数设置后网络参数变比密码识别，再进行键扫描后保存，保存PT（电压互感器）和CT（电流互感器）转换值，如果没有保存则返回网络参数变化密码识别。

图3所示，A/D采样程序是将A/D初始化，清除原来的数据，然后启动A/D采样，调用采样值，计数值加1，把计数值与255比较，看是否比255大，最后通过计算公式算出有效值。

图4所示，键盘扫描程序是当没有键闭合时对应接口为高电平，返回；当有键闭合时，延时去抖动，然后扫描键盘找到闭合键，计算键值，再闭合键释放，再建立有效标志，若找不到闭合键，返回。

本发明的电能质量在线监测系统实现适时数据采集、在线处理、掉电保护、超限报警、显示和保存功能系统。

针对风电场的电能质量特性，基于双CPU设计风电的电能质量监测系统，并进行编程下载调试，电能质量在线监测系统运行可靠，它能实现集谐波分析、波形采样与电压闪变、电压不平衡度测量、故障录波、事件记录、测量、控制等多功能为一体。系统实现了长期自动运行、实时在线测量分析、历史数据管理及异常情况报警等功能。

Claims (3)

1.风电机组嵌入式电能质量在线监测系统，其特征在于：它包括电源模块、电压电流取样模块、CPU结构模块、存储显示及通讯接口模块和系统软件；

所述电压电流取样模块包括三相输入电压、电压互感器、三相输入电流、电流互感器和16位A/D采样电路，所述三相输入电压通过电压互感器转换为交流电压信号，所述三相输入电流通过电流互感器转换为交流电压信号，两次交流电压信号均供三路16位A/D通道采集数据；

所述CPU结构模块包括DSP控制器、嵌入式ARM控制器、可编程控制器FPGA电路和双口RAM电路，所述可编程控制器FPGA电路控制采集A/D通道的数据，送DSP控制器、双口RAM电路进行计算分析及处理，所述双口RAM电路与嵌入式ARM控制器连接，所述嵌入式ARM控制器用于数据存贮及多种通讯方式处理，所述嵌入式ARM控制器与数据管理终端交互数据；

所述存储显示及通讯接口模块包括矩阵键盘液晶显示、Flash存贮器、掉电保护超限报警、脉冲输入/输出和数据管理终端，所述嵌入式ARM控制器将数据存贮在Flash存贮器中，并通过矩阵键盘液晶显示再显示，所述嵌入式ARM控制器配置了以太网及RS485通讯接口，与数据管理终端交互数据，所述嵌入式ARM控制器控制掉电保护超限报警和脉冲输入/输出。

2.根据权利要求1所述的风电机组嵌入式电能质量在线监测系统，其特征在于：所述电源模块的电压输入值为AC220V±10%，电压输出值为DC+12V、DC-12V、DC+5V。

3.根据权利要求1所述的风电机组嵌入式电能质量在线监测系统，其特征在于：所述系统软件包括A/D采样程序、液晶显示程序、键盘扫描程序、闪变测量程序和参数设置程序。