CN219574251U - 一种录波板和配电台区电能质量监控板卡系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种录波板和配电台区电能质量监控板卡系统，所述配电台区电能质量监控板卡系统包括对外接口板、离线分析板和常态录波板，所述离线分析板和常态录波板，对外接口板的输出端与常态录波板的输入端以及离线分析板的输入端连接；所述离线分析板用于采集常态录波板的数据。可对配电台区的电能质量信息进行实时监测和录波，并对检测信息进行长时间记录。

Description

一种录波板和配电台区电能质量监控板卡系统

技术领域

本实用新型属于监控板卡技术领域，具体涉及一种录波板和配电台区电能质量监控板卡系统。

背景技术

为了完成对配电台区电能质量问题的精确治理，需要对配电台区电能质量信息进行长时间的监控，并对监控数据进行长时间的记录、分析，然而现有的电力系统检测设备只有实时检测部分，没有进行分析的部分，需要外接现场录波设备连接，才能实现录波，而现场录波设备体积大，重量大，且被录波设备往往在电线杆塔上，设备放置不便。

发明内容

本实用新型提供了一种录波板和配电台区电能质量监控板卡系统，对配电台区电能质量信息进行检测和录波。

为达到上述目的，本实用新型所述一种录波板，包括模拟量总线输入接口、数字量总线输入接口和电源输入接口，所述模拟量总线输入接口一端与对外接口板的电源总线输出接口连接，另一端与电源保护电路连接；模拟量总线输入接口一端与对外接口板的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；数字量总线输入接口一端与对外接口板的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接；所述电源保护电路与板级电源连接，电平变换电路和通讯转换电路均与主控芯片和片选芯片连接；所述主控芯片与RCC时钟电路、片选芯片以及多片Flash芯片连接。

进一步的，主控芯片为TMS320F28335芯片。

一种配电台区电能质量监控板卡系统，包括对外接口板、离线分析板和上述的常态录波板，所述离线分析板和常态录波板，对外接口板的输出端与常态录波板的输入端以及离线分析板的输入端连接；所述离线分析板用于采集常态录波板的数据。

进一步的，离线分析板包括模拟量总线输入接口、数字量总线输入接口、电源保护电路、电平变换电路、通讯转换电路、离线分析芯片、采样芯片、离线存储器、第一采样芯片、第二高速采样芯片和事件触发电路；所述离线分析板的模拟量总线输入接口一端与对外接口板的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；离线分析板的数字量总线输入接口一端与对外接口板的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接；所述离线分析板的电平转换电路和通讯转换电路均与第一高速采样芯片的输入端、第二高速采样芯片的输入端、离线分析芯片的输入端、以及采样芯片的输入端连接，第一高速采样芯片和第二高速采样芯片的输出端与事件触发电路的输入端连接；事件触发电路的输出端与采样芯片的输入端连接，采样芯片和离线分析芯片的输出端均与离线存储器连接。

进一步的，离线存储器为64Gb Flash芯片。

进一步的，对外接口板上连接有线分析板，所述在线分析板包括模拟量总线输入接口、数字量总线输入接口、通讯转换电路、电平转换电路、在线分析芯片和在线存储器；所述在线分析板的模拟量总线输入接口一端与对外接口板的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；在线分析板的数字量总线输入接口一端与对外接口板的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接；所述通讯转换电路和电平转换电路均与在线分析芯片的输入端连接，在线分析芯片与多个在线存储器连接。

进一步的，在线分析芯片包括两片TMS320F28377D芯片。

进一步的，在线存储器包括6片64GB FLASH存储器。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的配电台区电能质量监控板卡系统，可对配电台区的电能质量信息进行实时监测和录波，并对检测信息进行长时间记录，对台区波形进行长时间的录播记录，对数据进芯在线分析和离线分析。极大程度的方便了工作人员对台区电能质量信息的采集记录，对台区电能质量问题治理提供可精确可靠的数据支持。

进一步的，本实用新型设备功能强大，分析能力强，具有50次以下谐波分析能力，设备记录容量大，可连续记录1个月的波形数据。设备体积小，安装便捷，可直接放置在被测系统箱体内部；本设备可自动运行，无需人员值守；相比传统录波设备成本更低。

附图说明

图1为系统板卡整体示意图；

图2为板卡结构示意图；

图3为对外接口板框图；

图4为在线分析板框图；

图5为常态录波板框图；

图6为离线分析板框图；

图7为硬件总体架构框图。

附图中：1、对外接口板；2、离线分析板；3、在线分析板；4、常态录波板；5、壳体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

根据台区电能质量信息采集需求，将系统功能分为三类：常态录播功能、在线分析功能和故障录播离线分析功能。根据次三类功能将硬件系统设计4个板卡，分别为：对外接口板1、常态录波板4、在线分析板3和离线分析板2。四块板卡的连接关系如图1所示。

对外接口板1的输出端与常态录波板4的输入端、在线分析板3的输入端以及离线分析板2的输入端连接。

在结构布局方面，为了使设备结构紧凑，功能模块划分清晰，并尽可能减少模拟量总线、数字量总线、电源总线的传输长度，其布局关系如图2所示。

对外接口板1的同一侧连接有常态录波板4、在线分析板3和离线分析板2，常态录波板4、在线分析板3和离线分析板2自下至上依次平行布置，且通过铜螺柱之类的支撑物件隔开。对外接口板1的同一侧连接有常态录波板4、在线分析板3和离线分析板2均设置在外壳5(图1中只显示了外壳的一部分)内。

参照图3，对外接口板包括第一对外采样插头、第二对外采样插头、5V电源、RJ45连接器、DB9 RS485总线接口和USB接口；第一对外采样插头的输出端与电流互感器的第一端连接，电流互感器的第二端与第一轨对轨式运放调理电路的输入端连接；第二对外采样插头的输出端与电压互感器的第一端连接，电压互感器的第二端与第二轨对轨式运放调理电路的输入端连接，第一轨对轨式运放调理电路的输出端第二轨对轨式运放调理电路的输出端均与模拟量总线输出接口连接。模拟量总线输出接口通过模拟量总线分别与常态录波板4、在线分析板3和离线分析板2的模拟量总线输入接口连接一电压互感器为千分高阻采样器。

第一轨对轨式运放调理电路的具体电路为《模拟电子技术基础(第四版)》童诗白、华成英主编，高等教育出版社，2006.5，p185中的运放调理电路。

5V电源通电源总线分别与常态录波板4、在线分析板3和离线分析板2的电源接口连接。

RJ45连接器的输出端通过网口PHY与主芯片STM32F407的输入端连接，DB9 RS485总线接口和USB接口均与主芯片STM32F407的输入端连接，主芯片STM32F407的输出端与通讯电路以及电平转换电路连接，通讯电路用于与外部进行通讯，并向内部发送外部通讯指令，电平转换电路用于将3.3V的信号转化为5V的信号，通讯电路以及电平转换电路的输出端与数字量总线输出接口连接，数字量总线输出接口通过数字量总线与常态录波板4、在线分析板3和离线分析板2的数字量总线输入接口连接。

对外接口板负责将输入的电流互感器、电压互感器信号进行变换，将信号输送至模拟量总线，模拟量总线上的模拟信号可以备其余三个板卡同时获取。并且对外接口板要将输入电源变换为系统内部电源，输出至系统电源总线。对外接口板配有一路RJ45网络输出、一路DB9 RS485输出、一路USB接口输出，可提供多种接口用于数据对外交互，所有数据可以共享在系统内部数据总线上。

由于对外接口板需要满足对电压互感器、电流互感器信号的精确变换，所以采用四个高精度宽频带的电流互感器对电流互感器输出信号进行采集，得到对外接口板输出电流信号，常态录波板4的输入电流信号，在线分析板3的输入电流信号和离线分析板2的输入电流信号，采用四个千分电阻进行串联对电压互感器输出信号进行采集，得到对外接口板输出电压信号，常态录波板4的输入电压信号，在线分析板3的输入电压信号和离线分析板2的输入电压信号，后级采用轨对轨式运放，将电压互感器、电流互感器输出信号变换为5V以内的低压差分模拟信号，保证信号在总线传输过程中不会有失真、畸变等问题发生。

为了保证系统内部电源的稳定可靠，对外输出板设置数字电平转换电路对外部接入的电源进行变换，电源支路上安装支撑电容，并对地安装有电容，保证电源精度，确保电源纹波在可接受范围内，电源输入后会安装隔离电源模块，采用高频变压器隔离方式，与外部电源进行隔离，以对外部电源进行隔离，确保采样系统不会收到电源杂波干扰。

由于对外接口板负责对外通讯，其通讯接口种类较多，故该板采用一片STM32F407作为主控芯片，该芯片最高主频168MHz，具备32kHzRTC时钟，3路I2C，4路UART，3路SPI，2路CAN，片上USB驱动，片上MAC地址，支持IEEE1588硬件网络对时协议。该芯片的外设功能丰富，可满足采集模块不同的对外交互需求。

功耗监测由电流互感器实现。

安规EMC由EMC电路实现，EMC电路实现。EMC电路安装在对外接口板电源输入端口与输出电源总线之间。

参照图4，在线分析板主要负责对台区实时电信息进行采样计算，其中谐波分析、电能计算均需要有强大的浮点计算能力，故该板需要配备具有卓越浮点运算力的控制芯片，并且该芯片必须具备1M/S以上的AD采样能力，为了能够对芯片计算结果进行存储，该板卡会配备一定的存储空间，该板卡的方案框图如图4所示。

在线分析板包括电源总线输入接口、模拟量总线输入接口、数字量总线输入接口、通讯转换电路、电源保护电路、电平转换电路、在线分析芯片和在线存储器。

在线分析板的电源总线输入接口一端通过电源总线与对外接口板1的电源总线输出接口连接，另一端与电源保护电路连接；在线分析板的模拟量总线输入接口一端通过拟量总线与对外接口板1的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；在线分析板的数字量总线输入接口一端通过数字量总线与对外接口板1的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接。

通讯转换电路、电源保护电路、电平转换电路均与在线分析芯片的输入端连接，在线分析芯片包括两个TMS320F28377D芯片，每个TMS320F28377D芯片连接3在线存储器，在线存储器为FLASH存储器。

电平转换电路：主要用于信号电平匹配，将不同的信号进行共地处理。

通讯转换电路：用于将数字总线上的差分信号变成TTL电平信号，便于板内器件使用。

电源保护电路：主要对输入到板子上的电源总线进行保护，有静电保护，防雷保护，过压过流保护功能。

在线分析板由于需要强大的计算能力及较高的采样频率，故该板卡选用两片TMS320F28377D芯片，采用双芯片配合运算的架构可有效提高单片系统运行效率，且TMS320F28377D本身具备对外共享RAM区，可使得双芯片联机运行时实现数据共享。同时该板卡配备6片64GB FLASH存储器，以便对计算出的台区电信息进行存储。

在线分析板主要计算电压谐波、电流谐波、电压不平衡度以及被测设备负载率，具体的计算软加载在在线分析芯片上，可在此网页下载一个软件库，从软件库中选择对应的软件安装在在线分析芯片，https://www.ti.com/tool/CONTROLSUITE？keyMatch＝CONTROLSUITE。

参照图5，常态录波板要完成对电压互感器、电流互感器输入信号的不间断录播，采样频率要求100k/S以上，由于需要24小时不间断录波，且要满足15天存储量，该板卡需要具备较大的存储空间，该板卡方案框图如图5所示。

常态录波板的电源总线输入接口一端通过电源总线与对外接口板1的电源总线输出接口连接，另一端与电源保护电路连接；常态录波板的模拟量总线输入接口通过模拟量总线一端与对外接口板1的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；常态录波板的数字量总线输入接口一端通过数字量总线与对外接口板1的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接。电源保护电路与板级电源连接，电平变换电路和通讯转换电路均与主控芯片和选芯片连接。

常态录波板中的电平变换电路、通讯转换电路以及电源保护电路和在线分析板中的电平变换电路、通讯转换电路以及电源保护电路的作用相同。

主控芯片与16片64Gb NAND Flash芯片、RCC时钟电路以及片选芯片连接，片选芯片的型号为74HC138D，片选芯片连接和16片64Gb NAND Flash芯片连接。片选芯片用于对16片Flash芯片进行使能。

常态录波板选取一片TMS320F28335作为主控芯片，TMS320F28335具备3M/S的ADC采样速率，可轻松应对100k/S采样率的要求，TMS320F28335可对采样数据进行预处理，以滤除由于扰产生的干扰数据点，对采样误差进行矫正后对数据进行转存，并且根据网络对时信息判断数据存储地址，对采样数据打时间戳。DSP TMS320F28335有硬件对时功能，遵守IEEE1588协议。

常态录波板对采样数据进行预处理、对采样误差进行矫正后对数据进行转存、以及录波可通过在主控芯片上加载软件实现，相关软件可在此网页下载一个软件库，从软件库中选择对应的软件安装在在线分析芯片，https://www.ti.com/tool/CONTROLSUITE？keyMatch＝CONTROLSUITE。

根据计算24小时的电压电流按照100k/s速率，以16位无符号数格式进行存储，每天至少需求36Gb存储空间，在加上时间标志等固有标签，每日存储量必然大于36Gb，故该板卡按照每天64Gb的Flash空间进行分配，配备16片64Gb NAND Flash芯片，可轻松满足15日存储需求。

当台区发生故障时，需要对故障时的波形进行紧急录波，通过内部通讯总线将波形发送至离线分析板，利用离线分析板对故障波形进行离线分析，故需要对故障波形进行高速采样。为了满足10M/S的采样速率，DSP片上AD已经无法满足要求，故需要针对该工况配备专用采样芯片，使之达到10M/S的采样速率，由于需要进行离线分析，故该板卡还需要具备有较强运算力，故也采用TMS320F28377D双核方案，一个TMS320F28377D作为离线分析芯片，另一个TMS320F28377D作为采样芯片。由于仅对故障波形前后1S数据进行存储，相对存储量不大，故配备1片64Gb Flash作为离线存储器即可。离线分析板卡原理框图如图6所示。

对故障波形进行离线分析可通过在主控芯片上加载软件实现，相关软件可在此网页下载一个软件库，从软件库中选择对应的软件安装在在线分析芯片，https://www.ti.com/tool/CONTROLSUITE？keyMatch＝CONTROLSUITE。

参照图6，离线分析板包括电源总线输入接口、模拟量总线输入接口、数字量总线输入接口、电源保护电路、电平变换电路、通讯转换电路、离线分析芯片、采样芯片、存储器、第一采样芯片、第二高速采样芯片和事件触发电路。

离线分析板的电源总线输入接口一端通过电源总线与对外接口板1的电源总线输出接口连接，另一端与电源保护电路连接；离线分析板的模拟量总线输入接口一端通过模拟量总线与对外接口板1的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；离线分析板的数字量总线输入接口一端通过数字量总线与对外接口板1的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接。

常态录波板中的电平变换电路、通讯转换电路以及电源保护电路和在线分析板中的电平变换电路、通讯转换电路以及电源保护电路的作用相同。

离线分析板的电源保护电路连接离线分析板的各个器件，为其供电。离线分析板的电平转换电路和通讯转换电路均与第一高速采样芯片的输入端、第二高速采样芯片的输入端、离线分析芯片的输入端、以及采样芯片的输入端连接，第一高速采样芯片和第二高速采样芯片的输出端与事件触发电路的输入端连接，事件触发电路的输出端与采样芯片的输入端连接，采样芯片和离线分析芯片的输出端连接至同一个1片64Gb Flash。第一高速采样芯片通过模拟总线采集电压信号，一路通过模拟总线采集电流信号。

参照图7，离线分析板、在线分析板、常态录波板通过“金手指”三总线与外部接口板进行连接，总体系统可完成大容量存储、高速高精度采样、卓越浮点运算的功能，系统分工明确，功能划分明显，可根据不同功能进行独立开发或选用。

描述组合的术语“由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。

Claims (8)

1.一种录波板，其特征在于，包括模拟量总线输入接口、数字量总线输入接口和电源输入接口，所述模拟量总线输入接口一端与对外接口板(1)的电源总线输出接口连接，另一端与电源保护电路连接；模拟量总线输入接口一端与对外接口板(1)的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；数字量总线输入接口一端与对外接口板(1)的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接；所述电源保护电路与板级电源连接，电平变换电路和通讯转换电路均与主控芯片和片选芯片连接；所述主控芯片与RCC时钟电路、片选芯片以及多片Flash芯片连接。

2.根据权利要求1所述的一种录波板，其特征在于，所述主控芯片为TMS320F28335芯片。

3.一种配电台区电能质量监控板卡系统，其特征在于，包括对外接口板(1)、离线分析板(2)和权利要求1所述的录波板，所述离线分析板(2)和录波板，对外接口板(1)的输出端与录波板的输入端以及离线分析板(2)的输入端连接；所述离线分析板(2)用于采集录波板的数据。

4.根据权利要求3所述的一种配电台区电能质量监控板卡系统，其特征在于，所述离线分析板包括模拟量总线输入接口、数字量总线输入接口、电源保护电路、电平变换电路、通讯转换电路、离线分析芯片、采样芯片、离线存储器、第一采样芯片、第二高速采样芯片和事件触发电路；

所述离线分析板的模拟量总线输入接口一端与对外接口板(1)的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；离线分析板的数字量总线输入接口一端与对外接口板(1)的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接；

所述离线分析板的电平转换电路和通讯转换电路均与第一高速采样芯片的输入端、第二高速采样芯片的输入端、离线分析芯片的输入端、以及采样芯片的输入端连接，第一高速采样芯片和第二高速采样芯片的输出端与事件触发电路的输入端连接；事件触发电路的输出端与采样芯片的输入端连接，采样芯片和离线分析芯片的输出端均与离线存储器连接。

5.根据权利要求4所述的一种配电台区电能质量监控板卡系统，其特征在于，所述离线存储器为64Gb Flash芯片。

6.根据权利要求3所述的一种配电台区电能质量监控板卡系统，其特征在于，所述对外接口板(1)上连接有在线分析板(3)，所述在线分析板(3)包括模拟量总线输入接口、数字量总线输入接口、通讯转换电路、电平转换电路、在线分析芯片和在线存储器；

所述在线分析板的模拟量总线输入接口一端与对外接口板(1)的模拟量总线输出接口连接，另一端与电平变换电路连接；在线分析板的数字量总线输入接口一端与对外接口板(1)的数字量总线输出接口连接，另一端与通讯转换电路连接；

所述通讯转换电路和电平转换电路均与在线分析芯片的输入端连接，在线分析芯片与多个在线存储器连接。

7.根据权利要求6所述的一种配电台区电能质量监控板卡系统，其特征在于，所述在线分析芯片包括两片TMS320F28377D芯片。

8.根据权利要求6所述的一种配电台区电能质量监控板卡系统，其特征在于，所述在线存储器包括6片64GB FLASH存储器。