CN208672718U - 基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电能质量检测技术领域,特别涉及一种基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置。包括模拟量信号调理电路、模数转换器、波形缓冲器、数字信号处理器、主控制器、屏显模块、按键模块、WIFI模块、存储模块;模数转换器的输入端与模拟量信号调理电路的输出端连接,模数转换器的输出端与波形缓冲器的输入端连接;数字信号处理器的输入端与波形缓冲器的输出端连接,数字信号处理器的输出端与主控制器输入端连接;主控制器分别与WIFI模块、存储模块双向连接,屏显模块、按键模块分别与主控制器电连接。本实用新型结构简单,设计合理,方便数字信号处理器进行谐波分析,减少因频谱泄露造成的谐波分析误差,提高谐波分析准确度。
Description
技术领域
本实用新型属于电能质量检测技术领域,特别涉及一种基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置。
背景技术
随着智能电网和分布式能源系统的推广与发展,电能质量问题越来越显得突出和重要。国家先后颁布了GB/T12325-2008 《电能质量供电电压允许偏差》,GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》,GB/15543-2008 《电能质量_三相电压不平衡》,GB/T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》等国家标准。可见准确可靠地对各环节电能质量进行检测,是响应国家的一项重要决策。目前,大部分电能质量监测装置在现场安装以后受安装位置的限制,查看数据不方便。用户不能及时发现接线错误,不能方便的查看和修改电能质量阈值,不能实时监测电能质量参数。本实用新型设备通过WIFI模块与现场自带分析软件的智能手机、平板电脑PAD和上位机进行通讯,数据传输速度快,无需有线连接,既节约了成本,提高了安全性,也提高了工作效率。使用WIFI无线通信方式智能化水平高,使用灵活,功能齐全,质量可靠,可维护性好,也是符合个人和社会信息化的需求。
目前大部分电能质量监测装置采用等时间间隔对被测波形进行采样,而非等周期采样,等时间间隔采样方式在计算谐波时存在频谱泄漏的问题,导致谐波分析的准确度不高。
实用新型内容
本实用新型旨在解决上述现有技术中的相关问题,而提出一种结构简单,设计合理,基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其目的是为了借助WIFI模块进行无线数据通信,现场及时发现接线错误,实时监测电能质量,传输速度快,安全性高,对于用户来讲既节约了成本,也提高了工作效率,同时采用波形重采样电路,对每个采样通道信号的单位周期采样4096个点,输出符合IEC6100-4-7标准的信号,方便数字信号处理器进行谐波分析,减少了因频谱泄露造成的谐波分析误差,提高了谐波分析的准确度。
为了实现上述实用新型目,本实用新型是通过以下技术方案来实现的:
基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,包括模拟量信号调理电路、模数转换器、波形缓冲器、数字信号处理器、主控制器、屏显模块、按键模块、WIFI模块、存储模块;所述模数转换器的输入端与模拟量信号调理电路的输出端相连接,模数转换器的输出端与波形缓冲器的输入端相连接;所述数字信号处理器的输入端与波形缓冲器的输出端相连接,数字信号处理器的输出端与主控制器输入端连接;所述主控制器分别与WIFI模块、存储模块双向连接,屏显模块、按键模块分别与主控制器电连接。
所述模拟量信号调理电路由电压信号调理和电流信号调理组成,电压信号调理由电阻分压传感器完成,电流信号调理由带反馈绕组的电磁式电流传感器完成。
所述模数转换器采用AD7616, AD7616是16位DAS,支持对16个通道进行双路同步采样,每个通道采样率达1 MSPS,每通道独立配置成±10 V,±5 V,或者±2.5 V,芯片级模拟输入8 kV ESD保护,带有burst模式采样,采样通道顺序自由预编程,信噪比达90.5 dB;模数转换器内置模拟输入箝位保护电路,耐受±21 V的电压,无论以何种采样频率工作,AD7616的模拟输入阻抗均为1 MΩ,模数转换器还内置一阶抗混叠模拟滤波器和数字滤波器。
所述模所述波形缓冲器选择SPARTAN6 FPGA,SPARTAN6 FPGA是指Spartan6系列可编译集成电路FPGA,该FPGA具有双寄存器6输入查找表LUT逻辑和内置系统级模块。
所述数字信号处理器选择TMS320F28335,是32位浮点处理器,具有150MHz的高速处理能力,具备32位浮点处理单元,6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF,有多达18路的PWM输出,其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 HRPWM,12位16通道ADC,具备I2C、SPI、eCAN、Epwm、LVDS等总线接口。
所述主控制器通过LVDS接口与屏显模块连接;主控制器通过I2C接口与按键模块连接;主控制器通过SPI接口与WIFI模块连接。
所述WIFI模块与现场自带分析软件的智能手机或平板电脑PAD相互通讯,还与上位机相互通讯。
所述述按键模块控制的显示界面包括:VAH模式、波形图模式、电能质量概览模式、骤升骤降模式、谐波模式、间谐波模式、闪变模式、瞬变模式、不平衡模式、功率和电能模式、浪涌电流模式、触发参数查看模式。
本实用新型与现有技术相比,具有的有益效果是:
(1)本实用新型结构简单,设计合理,在模数转换器和数字信号处理器之间采用波形缓冲器,对模数转换器输的数字信号进行周期计算,以确保每个采样通道每个周期正好提供4096个点,输出符合IEC6100-4-7标准的信号,方便数字信号处理器进行谐波分析,减少了因频谱泄露造成的谐波分析误差,提高了谐波分析准确度。
(2)通过WIFI模块进行通信,传输速度快,安全性高,工作效率高。采用波形重采样电路,方便了谐波分析,减少了因频谱泄露造成的谐波分析误差,提高了谐波分析的准确度。通过WIFI模块可以连接智能手机或平板电脑PAD,用户只需要用智能手机或平板电脑PAD就可以在现场接线线路检查、参数设置及实时查看电能质量参数情况,在实验室通过WIFI模块与上位机通讯,进一步分析电能质量参数,较其他无线通讯方式数据传输速度快,无需有线连接,相比传统有线传输方式,WIFI上网相对也是最安全健康的,既节约了成本,也提高了工作效率,使用WIFI无线通信方式智能化水平高,使用灵活,功能齐全,质量可靠,可维护性好,也是符合个人和社会信息化的需求。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图。
具体实施方式
下面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,所描述的实施例仅仅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。
在本实用新型中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1所示,本实用新型是一种基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,包括模拟量信号调理电路、模数转换器、波形缓冲器、数字信号处理器、主控制器、屏显模块、按键模块、WIFI模块、存储模块;所述模数转换器的输入端与模拟量信号调理电路的输出端相连接,模数转换器的输出端与波形缓冲器的输入端相连接;所述数字信号处理器的输入端与波形缓冲器的输出端相连接,数字信号处理器的输出端与主控制器输入端连接;所述主控制器分别与WIFI模块、存储模块双向连接,屏显模块、按键模块分别与主控制器电连接。
具体实施时,被测线路电压电流信号输入模拟量信号调理电路,经过模拟量信号调理电路处理,输出信号是模数转换器输入所要求的范围。模拟量信号调理电路由电压信号调理和电流信号调理组成,电压信号调理由电阻分压传感器完成,电流信号调理由带反馈绕组的电磁式电流传感器完成。
模拟量信号调理电路输出的模拟量信号通过模拟输入通道输入模数转换器,模数转换器采用AD7616,将模拟信号转换为数字信号通过SPI串行方式输送至波形缓冲器。AD7616是一款16位DAS,支持对16个通道进行双路同步采样,每个通道采样率高达1 MSPS,每通道可以独立配置成±10 V,±5 V,或者±2.5 V,芯片级模拟输入8 kV ESD保护,带有burst模式采样,采样通道顺序可以自由预编程,信噪比高达90.5 dB,利用片内过采样模式可实现更高的SNR性能。模数转换器内置模拟输入箝位保护电路,可以耐受高达±21 V的电压,无论以何种采样频率工作,AD7616的模拟输入阻抗均为1 MΩ,模数转换器还内置一阶抗混叠模拟滤波器和数字滤波器,保证了信号的传输速率和质量。
模数转换器输出的数字信号通过SPI 接口连接波形缓冲器的输入端,波形缓冲器首先对模数转换器输出的Ua、Ub、Uc、Un、Ia、Ib、Ic、In信号计算各自的周期,然后对波形重采样,输出符合IEC6100-4-7标准的信号,确保每个采样通道的每个周期正好采集4096个点,采集数据通过SPI接口传输给数字信号处理器。波形缓冲器方便了数字信号处理器进行谐波分析,减少了因频谱泄露造成的谐波分析误差,提高了谐波测量准确度。
波形缓冲器选择XILINX公司的SPARTAN6 FPGA,SPARTAN6 FPGA是指Spartan6系列可编译集成电路FPGA,该FPGA提供全新且更高效的双寄存器6输入查找表LUT逻辑和一系列丰富的内置系统级模块。其锁相环PLL可消除时钟歪斜和占空比失真,可实现低抖动时钟控制,其频率综合器可实现倍频、分频和调相。利用SPARTAN6 FPGA的锁相环PLL可以实时锁定被测波形的频率信号,对每个采样通道信号的波形进行重采样,计算每个采样通道信号的周期,每个周期4096个点重采样,输出符合IEC6100-4-7标准的信号,方便数字信号处理器进行谐波分析。
数字信号处理器通过SPI接口将采集和计算的电能质量数据发送给主控制器。所述数字信号处理器实时锁定波形缓冲器输出的离散信号,分析计算电压、电流、频率、谐波电压、谐波电流、谐波功率、闪变、三相不平衡度。数字信号处理器选择TI公司的TMS320F28335,是一款32位浮点处理器,具有150MHz的高速处理能力,具备32位浮点处理单元,6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF,有多达18路的PWM输出,其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 HRPWM,12位16通道ADC,具备I2C、SPI、eCAN、Epwm、LVDS等总线接口。该数字信号处理器的精度高,成本低,功耗小,性能高,外设集成度高,数据以及程序存储量大,A/D转换更精确快速等。TMS320F28335对采集数据进行计算,运行符合IEEE标准的电能质量分析算法,得到电能质量的指标数据,完成对电能质量数据的采集和运算。指标包括:电压、电流、频率、谐波电压、谐波电流、谐波功率、闪变、三相不平衡度。
主控制器通过LVDS接口与屏显模块连接;主控制器通过I2C接口与按键模块连接;主控制器通过SPI接口与WIFI模块连接。
主控制器的工作原理如下:主控制器接收数字信号处理器计算处理的电能质量数据,并存储至主控制器的存储模块,主控制器接收按键模块的指令,把相应的存储信息发送到屏显模块显示,WIFI模块与现场自带分析软件的智能手机或平板电脑PAD相互通讯,还与上位机相互通讯。
用户在现场智能手机或平板电脑PAD通过WIFI网络连接电能质量分析装置,检查电能质量分析装置接线方式,及时排查错误接线;对电能质量分析装置运行方式、电能质量阈值等参数进行修改设置;实时查看被测线路电能质量参数;对电能质量事件及工作状态变化等历史数据进行记录;回到工作室后,用户可通过WIFI模块与上位机相互通讯,把存储的电能质量参数、电能质量事件及工作状态变化等信息上传到上位机,进一步分析电能质量。电能质量分析装置和智能手机、平板电脑PAD或上位机构成一体化系统,采用该种无线通讯方式取代人工现场读数或有线连接,既节约了成本,也提高了工作效率。
主控制器选择Freescale Cortex-A9, 四核i.MX6Q处理器,该处理器主频1GHz,2GDDR3内存,16GB EMMC存储。
通过按键模块可控制的显示界面包括:VAH模式、波形图模式、电能质量概览模式、骤升骤降模式、谐波模式、间谐波模式、闪变模式、瞬变模式、不平衡模式、功率和电能模式、浪涌电流模式、触发参数查看模式。各种模式显示内容如下:VAH模式可以用实时测量值和趋势图的方式显示被测频率以及各相被测电压和电流的各种详细测量信息;电能质量概览模式可得到被测量系统的电能质量的总体情况;骤升骤降模式用以捕捉骤降、中断和骤升等被测电压的突然变化;谐波模式以柱状图、实时测量值、和趋势图的方式提供被测电压、电流、和功率的谐波的详细测量信息;间谐波模式以柱状图、实时测量值、和趋势图的方式提供被测电压和电流的间谐波的详细测量信息;闪变模式以实时测量值和趋势图的形式提供了闪变测量值;瞬变模式帮助用户捕捉冲击脉冲和振荡所引起的持续时间在微秒级的电压波形的突变;不平衡模式用相量图、实时测量值以及趋势图的方式反应各相电压和电流的相位关系;功率与电能模式用实时测量值和趋势图的方式提供被测电力设施的功率和电能的详细测量信息;浪涌电流模式为用户提供了捕捉快速大幅电流变化,即浪涌电流的手段;触发参数查看模式以实时测量值和趋势图的方式显示各种触发参数。
上面仅对本实用新型的较佳实施例作了详细说明,但是本实用新型并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化,各种变化均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其特征在于:包括模拟量信号调理电路、模数转换器、波形缓冲器、数字信号处理器、主控制器、屏显模块、按键模块、WIFI模块、存储模块;所述模数转换器的输入端与模拟量信号调理电路的输出端相连接,模数转换器的输出端与波形缓冲器的输入端相连接;所述数字信号处理器的输入端与波形缓冲器的输出端相连接,数字信号处理器的输出端与主控制器输入端连接;所述主控制器分别与WIFI模块、存储模块双向连接,屏显模块、按键模块分别与主控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其特征在于:所述模拟量信号调理电路由电压信号调理和电流信号调理组成,电压信号调理由电阻分压传感器完成,电流信号调理由带反馈绕组的电磁式电流传感器完成。
3.根据权利要求1所述的基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其特征在于:所述模数转换器采用AD7616, AD7616是16位DAS,支持对16个通道进行双路同步采样,每个通道采样率达1 MSPS,每通道独立配置成±10 V,±5 V,或者±2.5 V,芯片级模拟输入8kV ESD保护,带有burst模式采样,采样通道顺序自由预编程,信噪比达90.5 dB;模数转换器内置模拟输入箝位保护电路,耐受±21 V的电压,无论以何种采样频率工作,AD7616的模拟输入阻抗均为1 MΩ,模数转换器还内置一阶抗混叠模拟滤波器和数字滤波器。
4.根据权利要求1所述的基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其特征在于:所述波形缓冲器选择SPARTAN6 FPGA,SPARTAN6 FPGA是指Spartan6系列可编译集成电路FPGA,该FPGA具有双寄存器6输入查找表LUT逻辑和内置系统级模块。
5.根据权利要求1所述的基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其特征在于:所述数字信号处理器选择TMS320F28335,是32位浮点处理器,具有150MHz的高速处理能力,具备32位浮点处理单元,6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF,有多达18路的PWM输出,其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 HRPWM,12位16通道ADC,具备I2C、SPI、eCAN、Epwm、LVDS总线接口。
6.根据权利要求1所述的基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其特征在于:所述主控制器通过LVDS接口与屏显模块连接;主控制器通过I2C接口与按键模块连接;主控制器通过SPI接口与WIFI模块连接。
7.根据权利要求1所述的基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其特征在于:所述WIFI模块与现场自带分析软件的智能手机或平板电脑PAD相互通讯,还与上位机相互通讯。
8.根据权利要求1所述的基于短距离无线通信技术的电能质量分析装置,其特征在于:所述按键模块控制的显示界面包括:VAH模式、波形图模式、电能质量概览模式、骤升骤降模式、谐波模式、间谐波模式、闪变模式、瞬变模式、不平衡模式、功率和电能模式、浪涌电流模式、触发参数查看模式。
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