CN206038782U - 一种在线电能质量录波装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电能质量监控技术，公开一种在线电能质量录波装置。所述电能质量录波装置分为两个部分：波形采集模块和主控器模块，两者并行连接。所述主控器模块，处于核心地位，主要负责波形数据的接收与存储，并可通过GPRS模块将数据发送到数据库中。所述波形采集模块负责采集配电网的电压、电流波形。本实用新型可通过移动网络在线控制录波过程，所得的波形数据对于电能质量分析与治理具有重要意义。

Description

一种在线电能质量录波装置

技术领域

本实用新型涉及一种在线电能质量录波装置，属于电能质量监测与分析领域。

背景技术

一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦波形，按规定的电压水平对用户供电，但由于系统各元件(发电机、变压器、线路等)参数并不是理想线性或对称的，加上调控手段的不完善，以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因的影响，这种理想状态在实际应用中基本不存在，从而引起公共供电点的电压波形的不稳定、非正弦性和不对称性及电压频率的变化，由此产生了电网供电和用电过程中的各种问题，导致电能质量问题。具体来说，电能质量问题可分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题。前者包括电压偏差、频率偏差、电压不平衡、电压波动与闪变和谐波等；后者包括电压暂升、暂降和电压中断等。为提高电能质量，需对各种电能质量指标进行实时测量和分析，而电能质量录波装置可以在线记录电压、电流波形，为电能质量各项指标的分析提供必要的数据信息。

目前，市场上出现的电能质量录波装置，能够满足一定的要求，但仍存在以下不足。

1、功能冗余。市场上很多电能质量监测设备功能过于复杂，集成了数据采集、指标分析、波形记录和突发事件记录等。这些功能的实现伴随着硬件成本的升高以及设备不稳定性增加，市场上的装置大部分采用DSP和ARM的双核处理结构。

2、录波不完整。现有的电能质量录波装置，由于自身存储空间受限，往往采用触发方式记录波形，即当电压暂升、暂降或者电压中断发生时才进行波形记录，容易造成某些暂态信号丢失或者记录延迟产生的波形不完整，从而导致电能质量分析出现偏差。

3、线下录波。现有的电能质量录波装置，录制的波形仅仅存储在装置自身的存储器中，无法通过网络实现数据共享以及在线控制。

基于以上监测装置的不足，本实用新型采用电能质量监测技术、嵌入式技术以及网络技术实现一种在线电能质量录波装置。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、功能稳定的录波装置，既能实现不间断的实时波形记录，又能实现网络数据共享和在线控制功能，为电能质量的各项指标分析提供必要的数据信息。

为了实现以上功能，本实用新型提出的技术方案是：

一种在线电能质量录波装置，包括主控器模块、波形采集模块和电源模块，所述主控器模块与波形采集模块之间并行连接，所述电源模块连接所述主控器模块并为其供电，其中所述的波形采集模块包括：

将配电网的电压按设定比例进行转换的电压互感器；

将配电网的电电流按设定比例进行转换的电流互感器；

连接所述电压互感器，并对所述电压互感器转换后的电压信号进行滤波的第一信号调理电路；

连接所述电电流互感器，并对所述电流互感器转换后的电流信号进行滤波的第二信号调理电路；

连接在所述信号调理电路和所述主控器模块之间，并将信号调理电路调理后的模拟信号转换为数字信号后发送给所述主控器模块的A/D转换器；

所述主控器模块10接收所述A/D转换器203发送的数字信号，并将接收到的数字信号作为所述配电网的电能波形数据转发给电能质量分析系统或者数据库中。

进一步，所述的主控器模块包括微处理器、GPRS模块和SD卡，所述微处理器接收所述A/D转换器发送的数字信号，将接收到的数字信号作为所述波形数据保存在所述SD卡中，并且每经过规定的时间，通过所述GPRS模块将波形数据转发给所述电能质量分析系统或者数据库。

更进一步，所述的电压信号调理电路具体包括：第一运算放大器和第二运算放大器，其中第一运算放大器的1引脚与2引脚通过R20、C18、R21、C19构成一个二阶滤波电路，1引脚与R21间接电阻R22；3引脚与R23串联接地；4引脚接-12v电源；8引脚接+12v电源；

所述电压互感器输出的电压信号通过R20输入，所述电压信号调理电路调理后的电压信号通过1引脚输出。

更进一步，所述的电流信号调理电路具体包括：第二运算放大器，其中第二运算放大器的7引脚与6引脚通过R24、C20、R26、C21构成一个二阶滤波电路，7引脚与R26间接电阻R25；

所述电流互感器输出的电压信号通过R24输入，所述电流信号调理电路调理后的电流信号通过7引脚输出。

更进一步，所述A/D转换器为16位的AD7606的A/D转换芯片，将电压信号和电流信号的模拟信号转换成数字信号后传输到所述主控模块。所述的主控模块为微处理器S5PV210。

本实用新型提供的一种在线电能质量录波装置，通过电压/电流互感器分别将电压和电流信号按比例降低到A/D转换器可转换范围，经过信号调理电路过滤噪声信号后，由A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后发给主控模块，实现了电能信号的在线收集。主控模块可控制A/D的采样频率，并将转换结果进行处理，从而实现了电能质量的在线监控，或者存储到本地的SD卡中，每经过一段时间的采集后，可通过GPRS模块将SD卡中的数据发送到分析系统或者数据库中，以便对电能质量进行分析与治理。

本实用新型结构简单，采用单一的主控模块作为处理器，不仅降低了整体制作成本，而且使得录波功能更加稳定。本实用新型通过对电压、电流信号的连续记录，保证了突发信号的完整性。进一步的本实用新型的A/D转换器，选用16位的AD7606A/D转换器，不仅转换精度高，而且可同时多路转换，无需增加信号保持电路。更进一步本实用新型能通过移动网络在线控制录波过程，也能在线将电能质量录波装置中录波的数据发送到电能质量分析系统或者专门的数据库中。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种在线电能质量录波装置的整体方框图。

图2为可以作为主控器模块的微处理器S5PV210的电路结构示意图。

图3为一种电源模块的电路结构示意图。

图4为GPRS模块的电路结构示意图。

图5是SD卡的电路结构示意图。

图6a为一种电压互感器的电路结构示意图。

图6b为一种电流互感器的电路结构示意图。

图7a为一种电压信号调理电路的电路结构示意图。

图7b为一种电流信号调理电路的电路结构示意图。

图8为AD7606A/D转换器的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示，为本实用新型提供的一种在线电能质量录波装置的整体方框图，主要有两个组成部分：主控器模块10和波形采集模块20，主控器模块10与波形采集模块20采用并行连接。

1、主控器模块10

主控器模块10是在线电能质量录波装置的核心模块，主要负责波形数据接收、处理与转发。微处理器S5PV210是所述模块的核心部件，其可以采用ARM Cortex-A8内核，ARMV7指令集，主频可达1GHZ，64/32为内部总线结构，32/32K的数据/指令一级缓存，512K的二级缓存，可以实现2000DMIPS（每秒运算2亿条指令集）的高性能运算能力。微处理器S5PV210可控制A/D转换器203的采样频率，并将转换后的波形数据存到SD卡40中，经过一段时间后，可通过GPRS模块30将SD卡40中的数据发送到数据库中，以便电能质量分析。整个录波过程，可通过移动网络在线控制。电源模块50为其供电。

主控器模块10的处理系统采用现有软件构成，分为三部分：Bootloader部分、操作系统（Linux）部分和应用程序部分。Bootloader用于硬件初始化以及引导操作系统启动；操作系统是用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其它软件的接口；应用程序主要实现所述在线电能质量录波装置对波形数据的处理、存储和转发功能。这三部分都是本领域技术人员惯常使用的计算机技术，这里不再展开论述。

2、波形采集模块20

波形采集模块20主要由以下几部分构成：电压互感器2011和电流互感器2012，电压信号调理电路2021和电流信号调理电路2022，以及A/D转换器203。电压互感器2011和电流互感器2012可将配电网的电压、电流按设定比例转换为A/D转换器203的采集范围；电压信号调理电路2021和电流信号调理电路2022负责过滤采集波形中的噪声信号，以提高波形信号的提取精度；A/D转换器203将模拟信号准换为数字信号后发送给主控器模块10，其转换精度可达16位。主控器模块10接收A/D转换器203发送的数字信号，可以直接将接收到是数字信号作为波形数据转发给电能质量分析系统或者数据库中。

主控器模块10中还可以包括GPRS模块和SD卡，主控器模块10可以将波形数据保存在本地SD卡中，并且每经过规定的时间，通过GPRS模块将波形数据发送到数据库中进行更新或者同步。

下面提供一种本实用新型所述的在线电能质量录波装置的具体结构，其中：图2为可以作为主控器模块的微处理器S5PV210电路图，图3为一种电源模块的电路结构示意图，图4为GPRS模块的电路结构示意图，图5是SD卡的电路结构示意图，图6a为一种电压互感器的电路结构示意图，图6b为一种电流互感器的电路结构示意图，图7a和图7b分别为电压信号和电流信号的信号调理电路的电路结构示意图、图8为作为A/D转换器波的AD7606电路结构示意图。

如图2所示，微处理器S5PV210电路图中，1引脚与图3中U1的3引脚相连。图2所示微处理器S5PV210的2引脚与图3中CN1的3引脚相连。图2所示微处理器S5PV210的5引脚与一复位式开关K1相连组成复位电路。图2所示微处理器S5PV210的7引脚、9引脚、11引脚、13引脚、15引脚、17引脚、19引脚分别与图5中的CON1的2引脚、5引脚、7引脚、8引脚、9引脚、1引脚、11引脚对应相连。图2所示微处理器S5PV210的8引脚、10引脚、20~50 (偶)引脚、51~57(奇)引脚分别与图8所示的AD7606的49引脚、51引脚、16~33引脚、9引脚、12引脚、13引脚、11引脚对应相连。图2所示微处理器S5PV210的39引脚、41引脚、43引脚分别与图4中 GPRS的2引脚、3引脚、5引脚相连。图2所示微处理器S5PV210的70引脚与一拨动开关S2相连作为系统启动选项。

图3是电源电路。图3中CN1外接直流电源5V，经过稳压芯片U1得到3.3V电压，为图2、图4、图5、图8提供不同等级工作电压。

附图4是GPRS电路。装置可通过GPRS模块进行网络通信和数据共享。

附图5是SD卡电路。用于临时存储电压、电流波形，与微处理器采用SDIO接口通信。

附图6a和6b分别是电压互感器的接口电路和电流互感器的接口电路。在待测电压、电流信号端口，选用正泰电压互感器，将幅值为100V的电压变换成3.75V后，接入接口J1；将幅值为5A的电流直接接入J2接口。

附图7a和图7b分别是电压信号调理电路和电流信号调理电路，负责过滤采集波形中的噪声信号。电压信号u0，电流信号u1分别经过一个有源二阶低通滤波电路，过滤噪声信号后，输出到A/D转换器采集通道AD0、AD1。运算放大器LF412的1引脚与2引脚通过R20、C18、R21、C19构成一个二阶滤波电路，1引脚与R21间接电阻R22；3引脚与R23串联接地；4引脚接-12v电源；8引脚接+12v电源；5引脚与R27串联接地；7引脚与6引脚通过R24、C20、R26、C21构成一个二阶滤波电路，7引脚与R26间接电阻R25。

附图8是作为A/D转换器器的AD7606。A/D的转换精度为16位，与微处理器采用并行接口，可提高数据读取速度。AD7606的1引脚、37引脚、38引脚、48引脚接VADD电源；2引脚、35引脚、40引脚、41引脚、47引脚接地。49引脚是模拟通道1，串联电阻R12后与电压信号调理电路输出端AD0相接，51引脚是模拟通道2，串联电阻R14后与电流信号调理电路输出端AD1相接；50引脚、51引脚分别串联电阻R13、R14后接地；9引脚、10引脚、11引脚、12引脚、13引脚是AD7606的控制引脚，控制A\D的转换过程；49引脚与电容C8、C9相连接地，可用于测量AD7606内部参考电压；44引脚与46引脚间接电容C10；45引脚与44引脚相连，43引脚与46引脚相连；16-33引脚与微处理器S5PV210并行连接；34引脚、6引脚、7引脚分别与上拉电阻R16、R17、R18相连；23、26引脚与滤波电容C15、C16相连。

本实用新型提供的一种在线电能质量录波装置，通过电压/电流互感器分别将电压和电流信号按比例降低到A/D转换器可转换范围，经过信号调理电路过滤噪声信号后，由A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后发给主控模块，实现了电能信号的在线收集。主控模块可控制A/D的采样频率，并将转换结果进行处理，从而实现了电能质量的在线监控，或者存储到本地的SD卡中，每经过一段时间的采集后，可通过GPRS模块将SD卡中的数据发送到分析系统或者数据库中，以便对电能质量进行分析与治理。

本实用新型结构简单，采用单一的主控模块作为处理器，不仅降低了整体制作成本，而且使得录波功能更加稳定。本实用新型通过对电压、电流信号的连续记录，保证了突发信号的完整性。进一步的本实用新型的A/D转换器，选用16位的AD7606A/D转换器，不仅转换精度高，而且可同时多路转换，无需增加信号保持电路。更进一步本实用新型能通过移动网络在线控制录波过程，也能在线将电能质量录波装置中录波的数据发送到电能质量分析系统或者专门的数据库中。

Claims (6)

1.一种在线电能质量录波装置，包括主控器模块、波形采集模块和电源模块，所述主控器模块与波形采集模块之间并行连接，所述电源模块连接所述主控器模块并为其供电，其特征在于，所述的波形采集模块包括：

将配电网的电压按设定比例进行转换的电压互感器；

将配电网的电电流按设定比例进行转换的电流互感器；

连接所述电压互感器，并对所述电压互感器转换后的电压信号进行滤波的电压信号调理电路；

连接所述电电流互感器，并对所述电流互感器转换后的电流信号进行滤波的电流信号调理电路；

连接在所述信号调理电路和所述主控器模块之间，并将信号调理电路调理后的模拟信号转换为数字信号后发送给所述主控器模块的A/D转换器；

所述主控器模块接收所述A/D转换器发送的数字信号，并将接收到的数字信号作为所述配电网的电能波形数据转发给电能质量分析系统或者数据库中。

2.如权利要求1所述的在线电能质量录波装置，其特征在于，所述的主控器模块包括微处理器、GPRS模块和SD卡。

3.如权利要求1所述的在线电能质量录波装置，其特征在于，所述的电压信号调理电路具体包括：第一运算放大器和第二运算放大器，其中第一运算放大器的1引脚与2引脚通过R20、C18、R21、C19构成一个二阶滤波电路，1引脚与R21间接电阻R22；3引脚与R23串联接地；4引脚接-12v电源；8引脚接+12v电源；

所述电压互感器输出的电压信号通过R20输入，所述电压信号调理电路调理后的电压信号通过1引脚输出。

4.如权利要求1所述的在线电能质量录波装置，其特征在于，所述的电流信号调理电路具体包括：第二运算放大器，其中第二运算放大器的7引脚与6引脚通过R24、C20、R26、C21构成一个二阶滤波电路，7引脚与R26间接电阻R25；

所述电流互感器输出的电压信号通过R24输入，所述电流信号调理电路调理后的电流信号通过7引脚输出。

5.如权利要求1所述的在线电能质量录波装置，其特征在于，所述A/D转换器为16位的AD7606的A/D转换芯片，将电压信号和电流信号的模拟信号转换成数字信号后传输到所述主控模块。

6.如权利要求2所述的在线电能质量录波装置，其特征在于，所述的主控模块微处理器为S5PV210。