CN2930062Y - 电能质量在线分析监控装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种电能质量监控装置，尤其是用于电力用户配电网的电能质量在线分析与监控装置。它包括三相电压电流信号、直流量信号、数字量信号、按键信号、程序存储器、RAM、Flash存储器、单个高性能数字信号处理器、Profibus模块、RS485模块、继电器输出、模拟量输出和液晶显示。所述的三相电压电流信号、直流量信号、数字量信号、按键信号、程序存储器、RAM、Flash存储器、Profibus模块、RS485模块、继电器输出、液晶显示、模拟量输出分别与数字信号处理器相连。本实用新型采用单数字信号处理芯片，减少了系统复杂程度，降低了成本，可以大范围推广应用；首次带有Profibus接口，同时带有基于RS485的MODBUS/DNP3.0通讯接口，可以方便地接入现有的各种配电系统。

Description

电能质量在线分析监控装置
技术领域
本实用新型涉及电能质量监控装置，尤其是用于电力用户配电网的电能质量在线分析与监控装置。
背景技术
电能质量是电力系统运行的重要指标，对电网和用户都具有十分重要的作用，随着国民经济的迅速发展，对电能质量的要求也日趋提高，当前大部分的电能质量监控产品都在实时在线应用方面考虑的较少，虽有一些监测设备能实现在线监测功能，如中国专利号CN01257838.X”电能质量在线监控装置“，但它在处理器方面采用的是双数字信号处理器，谐波也只能计算到25次，其A/D转换部分也是采用的外接电路，结构比较复杂；在信号输入方面也仅限于三相电压电流输入和按键输入，在通讯方面采用的是单一的RS485通讯方式，功能比较简单、传输速度也较慢。因此不能满足日益增长的复杂的电能质量检测要求。
发明内容
本实用新型克服了现有技术的不足，提供了一种结构简单、功能齐全的电能质量在线分析监控装置。它采用单个高性能数字信号处理器(DSP)，引入了Profibus通讯，可以就地监控、显示相关电能质量参数，同时通过通讯把数据实时传送到监控中心，实现远方实时监控。
本实用新型包括信号输入单元、处理单元、存储单元、通讯单元和输出单元。输入信号单元包括三相电压电流信号、直流量信号、数字量信号和按键信号；存储单元包括程序存储器、RAM和Flash存储器；处理单元是单个高性能数字信号处理器(DSP)；通讯单元包括Profibus模块和RS485模块；输出单元包括继电器输出、模拟量输出和液晶显示。所述的三相电压电流信号、直流量信号、数字量信号、按键信号、程序存储器、RAM、Flash存储器、Profibus模块、RS485模块、继电器输出、液晶显示、模拟量输出分别与数字信号处理器相连。
本实用新型采用高性能单数字信号处理芯片，谐波计算可达到63次，其内部自带A/D转换器，减少了系统复杂程度，降低了成本，可以大范围推广应用；首次带有Profibus接口，同时带有基于RS485的MODBUS/DNP3.0通讯接口，可以方便的接入现有的各种配电系统。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图。
图2为本实用新型的实施电路图。
图3为本实用新型的主程序工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本实用新型如图1和图2所示，输入信号单元包括三相电压电流信号1、直流量信号3、数字量信号4和按键输入5，其中三相电压电流信号1、直流量信号3与DSP7的ADC输入管脚相连，数字量信号4通过光电隔离电路401连接于DSP7的IO端口，按键信号5直接输入到DSP7的IO端口；存储单元6包括Flash存储器61、NVRam62和程序存储器63，其中Flash存储器61通过SPI接口与DSP7相连，NVRam62、程序存储器63通过数据总线与DSP相连；通讯单元包括Profibus模块8和RS485模块9，其中Profibus模块8通过数据总线与DSP7相连，RS485模块9通过光电隔离电路901与DSP7相连；输出单元包括继电器输出10、液晶显示11和模拟量输出12，其中继电器输出10通过继电器驱动电路101连接于DSP7的IO端口，液晶显示11通过数据总线与DSP7相连，模拟量输出12连接于DSP7的IO端口。
电力系统母线上的电压、电流通过其自带的PT、CT转换为三相电压电流信号1后输入到仪表，仪表内部PT/CT2作为隔离并把信号再次缩小后通过调理电路14调理后输入到处理器(采用DSP56F827)7的ADC端口进行处理，直流量信号3经过调理后输入到DSP的ADC端口进行处理，数字量信号4通过光电隔离电路401后输入到DSP的IO端口，这样可以隔离外部的干扰信号，使设备达到更高的抗干扰性能，按键信号5直接输入DSP的IO端口。
存储单元6用来存储数据，它包括Flash存储器61、NVRam62和程序存储器63，Flash存储器61采用256M串行的大容量DATAFlash，可以存储大量的历史数据，包括波形数据、电压波动曲线数据、电能参数趋势图数据等等。由于Flash写入速度较慢，对于波形采集以及一些其他的高速应用不能适应，因此本装置采用了带有后备电池的低功耗Ram(简称NVRam)与之配合使用，通过DS1218实现对后备电池的切换，这样在意外失电时可以保证当前状态，再次上电可以恢复原有的数据。在采用NVRam后，实时波形采样等功能通过NVRam的缓冲可以有效保证波形采样的高速不间断采集保存。
DSP7根据内部A/D变换得来的数据采用积分算法，实时计算三相电压、三相电流、正序电压、负序电压、正序电流、负序电流、零序电压、零序电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、累计有功电量、累计无功电量、四象限无功、有功电度累计、分时电度累计、直流量有效值，并通过FFT计算出三相电压、电流信号的1～63次谐波分量的幅值和相位，具有故障录波功能和一定的保护功能并能够完成数据的就地显示、存储、比较、控制、通讯以及系统参数设置。
通讯单元包括Profibus模块8和RS485模块9。Profibus模块8是一种成熟的总线系统，数据传输速度很快并可以很容易接入现有的系统中，在工业现场应用比较广泛，但目前国外设备应用较广而国内应用的比较少，在本实用新型中，Profibus模块8采用西门子的ASIC专用控制芯片SPC3，该芯片可以实现Profibus-DP的协议标准。采用这种方案可以实现最高12M的现场通讯速率，既保证了通讯的高速性又对现场已有的总线设备具有很好的兼容性。
继电器输出10提供了10A/250AC的容量，这样可以在需要时直接控制外部报警或断路器的工作。在大部分情况下不需要外接中间继电器，简化了外部接线、安装的复杂程度。
液晶显示11能够就地的显示，完成显示上述电能指标参数及实时波形、频谱、状态信息、仪表现场设置等工作，便于现场观察，同时保证仪表在不组网状态下可以单独运行。
模拟量输出12通过DSP7斩波输出，经过低滤波产生0～5V或4～20mA信号。DSP7具有16位的PWM斩波输出，经过低通滤波后可以线性的输出。
图3是本实用新型的主程序工作流程图。具体地说，装置开始工作后，先初始化硬件系统，系统自诊断，根据设置系统配置的参数，初始化各个采样测量以及限值寄存器。初始化完成后，系统进入主循环，开始进行通讯应用层处理、谐波计算处理、部分实时参数计算、数据存储处理和按键显示处理。
整个监控装置的工作过程是这样的：采样电路将母线上经过其自带的PT、CT变换的电压电流信号1再经过内部PT/CT2隔离并滤除信号线上的有害信号并确保不损失有效测量信号，然后经过信号调理电路14调整成适合DSP 7内部AD采样处理的信号。由于前端信号经过PT/CT2隔离，不存在共模信号，信号采用单端放大，这样可以解决差分电路电阻阻值匹配问题，有效提高了测量精度以及一致性，简化了加工生产的复杂度。
高性能处理器DSP7通过内部ADC把模拟信号转换成数字信号，采用积分算法实时计算电压、电流、功率、功率因数、电压波动闪变、电压不平衡率、负序电压、正序电压、零序电压、负序电流、正序电流、零序电流、电流不平衡率、频率等，并高速缓存采样数据，实时监测电压电流状态，在符合预设条件下启动相应的动作包括故障录波、继电器输出、实时数据保存、报警输出等。在数据缓存到达预定点数后，进行FFT分析，计算出1～63次谐波分量的幅值和相位(每周波512个点，采样频率为每周波256个点)、总谐波失真、谐波功率、谐波功率因数等。为了谐波计算的精度，降低计算的复杂程度，系统采样频率采用频率跟踪方式，采用这种方式可以极大的提高各模拟量采集计算的精度。
需要保存的实时数据保存在NVRam62中，然后分块的转存到大容量FLASH存储器61中，完成实时数据记录，报警数据、波形数据的就地存储，形成历史数据，在需要显示或通过通讯读取这些数据时，由大容量FLASH存储器61读出数据到NVRam62的缓冲区中，然后再提供给通讯单元或者显示单元。
外部输入的直流量信号3通过高性能处理器DSP7内部的ADC转换成数字信号，该信号经过滤波处理，计算出对应的直流量值。通过检测IO管脚状态，经过滤波去抖动处理，形成数据量输入状态。
继电器输出10可以通过定值触发(闭合，分开)，或者通过通讯来操作(闭合，分开)。
模拟量输出12可以通过配置以对应某一前面计算出来的测量量(如电压，电流等)，输出的模拟量(0～5v或4～20mA)将与其对应量成线性关系。
通讯模块接收远程(远方计算机、RTU或通讯处理器)通讯数据包，根据相应通讯协议解析数据包，完成数据包要求的操作，如上传实时数据、上传历史数据、继电器操作、寄存器配置、设备配置等操作。
系统通过检测IO管脚状态，经过滤波去抖动处理，形成数据按键状态，根据按键状态，将完成显示项目切换、系统配置参数更改等。
液晶显示11可以很容易的就地显示实时数据，方便的用图形方式配合字符显示谐波数据，波形数据等。由于液晶足够大，大部分常用的数据配置能够同屏显示，这样使用者就地观察、监测系统状态变得更加方便。

Claims (5)

1、一种电能质量在线分析监控装置，包括输入信号单元、处理单元、存储单元、通讯单元和输出单元，输入信号单元包括三相电压电流信号、按键信号，存储单元包括程序存储器，RAM，Flash存储器，通讯单元为一RS485模块，输出单元为液晶显示，其特征在于所述的输入信号单元还包括直流量信号和数字量信号；所述的处理单元是单个高性能数字信号处理器；所述的通讯单元另有一Profibus模块；所述的输出单元还包括继电器输出、模拟量输出；所述的三相电压电流信号、直流量信号、数字量信号、按键信号、程序存储器、RAM、Flash存储器、Profibus模块、RS485模块、继电器输出、液晶显示、模拟量输出分别与高性能数字信号处理器相连。
2、根据权利要求1所述的电能质量在线分析监控装置，其特征在于，所述的数字信号处理器采用DSP56F827芯片。
3、根据权利要求1所述的电能质量在线分析监控装置，其特征在于，所述的Profibus模块采用spc3控制芯片。
4、根据权利要求4所述的电能质量在线分析监控装置，其特征在于，所述的RAM采用低功耗RAM带DS1218控制备用电池。
5、根据权利要求1所述的电能质量在线分析监控装置，其特征在于，所述的Flash存储器采用串行的大容量DATAFlash。
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