CN103323686A

CN103323686A - 一种智能电网电能质量分析仪

Info

Publication number: CN103323686A
Application number: CN2012100731370A
Authority: CN
Inventors: 舒观澜
Original assignee: SHANGHAI DOUBLE X TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI DOUBLE X TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: CN103323686B

Abstract

本发明涉及一种智能电网电能质量分析仪，包括底板、用于数据处理与通讯的控制板和显示单元，所述的控制板包括模拟开关电源、信号传感器、运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片以及通讯模块，所述的模拟开关电源分别连接运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片和显示单元，所述的信号传感器的输出端连接运算放大器，所述的运算放大器通过A/D转换芯片与控制芯片，所述的控制芯片的输出端通过通讯模块与显示单元连接。与现有技术相比，本发明具有安装方便，接线简单，维护方便，工程量小，数据采集精度高，数据处理迅速，控制***稳定，组网轻松，抗干扰性强等优点。

Description

一种智能电网电能质量分析仪

技术领域

本发明涉及一种智能电网电能质量数据监测设备，尤其是涉及一种智能电网电能质量分析仪。

背景技术

电能质量(Power Quality)，从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

随着国民经济的发展和人民生活的提高，对电能质量的要求不断提高，对电能质量标准的要求也在不断提高。近年来，国家发布了一批电能质量标准，基本适应了供需双方在生产运行中的要求。

之前，行业中的电力表计主要测量的都是电压、电流这些基本数据，不能有效的监测电力***中三相不平衡、电压波动与闪变等电能质量数据。因此不能对电网中的***情况做一个完善的分析。

智能电网，就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持***技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。

中国能源专家武建东提出“互动电网”概念。互动电网，英文为Interactive SmartGrid，它将智能电网的含义涵盖其中。互动电网定义为：在开放和互联的信息模式基础上，通过加载***数字设备和升级电网网络管理***，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业革命、技术革命和管理革命的综合性的效率变革。它将再造电网的信息回路，构建用户新型的反馈方式，推动电网整体转型为节能基础设施，提高能源效率，降低客户成本，减少温室气体排放，创造电网价值的最大化。

互动电网还可以通过电子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现电力数据读取的实时、高速、双向的总体效果，可以整合***中的数据，完善中央电力体系的集成作用，实现有效的临界负荷保护，实现各种电源和客户终端与电网的无缝互连，由此可以优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。

在变电站自动化技术近20年的发展过程中，随着智能电子设备的普及，形成许多单项自动化***，这些***间相对独立，没有直接的电气联系，通常由电力企业不同部门来管理、维护。由于种类繁多，提供的接口和功能各不相同，设备间不能够共享信息，形成“自动化孤岛”问题，不仅增加成本，也影响***的可靠性，增加用户的维护工作量。目前各种各样的集成方案都不能提供高层次的信息共享。在这样的背景下，国际电工委员会提出了IEC61850标准。这是一个基于网络的通信体系标准，包括面向对象、通信网络、接口和映射、***和管理项目等多方面的内容。

IEC61850作为数字化变电站的标准规约，具有统一、规范、自描述、易扩展等特点，彻底解决了目前传统变电站规约种类繁多，互不兼容，难以扩展等特点，将成为以后变电站的唯一规约。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度高、功耗低、安装方便且满足数字化变电站标准规范的智能电网电能质量分析仪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，包括底板、用于数据处理与通讯的控制板和显示单元，所述的控制板包括模拟开关电源、信号传感器、运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片以及通讯模块，所述的模拟开关电源分别连接运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片和显示单元，所述的信号传感器的输出端连接运算放大器，所述的运算放大器通过A/D转换芯片与控制芯片，所述的控制芯片的输出端通过通讯模块与显示单元连接；

信号传感器将采集到的信号通过运算放大器和A/D转换芯片后传输到控制芯片，控制芯片对信号处理后将数据传输到显示单元进行实时显示，实现在线实时监控。

所述的通讯模块包括232通信芯片、485通信模块及以太网通讯模块。

所述的底板上设有连接外部采样的接线端子和以太网通讯接口，所述的接线端子分别连接模拟开关电源和信号传感器，所述的以太网通讯接口通过所述以太网通讯模块与远程终端监测设备连接。

还包括DC/DC转换器，该DC/DC转换器输入端与模拟开关电源连接，输出端分别与A/D转换芯片、运放放大器连接，所述的DC/DC转换器将模拟开关电源输出的部分电压转换成A/D转换芯片、运放放大器的正常工作电压，所述的DC/DC转换器为隔离稳压型转换器。

所述的信号传感器包括电压互感器和电流互感器。

所述的运算放大器为仪表运算放大器。

所述的A/D转换器芯片为16位6通道A/D转换器芯片。

所述的控制芯片包括DSP芯片和ARM芯片，所述的DSP芯片的输入端连接所述A/D转换芯片，DSP芯片的输出端连接ARM芯片，所述的ARM芯片通过通讯模块与显示单元连接，所述的DSP芯片负责数字信号的采集及将各种数字信号转换成各种电能质量数据，所述的ARM芯片从DSP芯片读取各种电能质量数据，并通过通讯模块将数据发送至显示单元。

所述的显示单元为触摸式液晶显示屏。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)高精度的数据转换：本发明采用16位6通道的A/D转换器芯片和误差仅为千分之几的仪表运放，数据采集通过仪表运放，再传输到高精度的A/D转换芯片，并由控制芯片最终通过算法算出精确的数据；

2)适应现场环境的能力强：本发明的电流采样通过外部外接互感器的方式进行数据的采集，具有很高的可变性和适应性，根据现场环境的不同情况，配以不同的外部互感器；

3)拥有大容量的存储功能和保存数据下载功能：本发明内部配有大容量的数据存储芯片，可供存储几个月之久的历史数据，这类历史数据都是测量现场电力***中的各类电能质量，并且所保存的各种历史数据均可通过USB端口下载到U盘中；

4)丰富的数据及图形显示：本发明可以显示大量的电能质量数据，例如电压、电流畸变率、1～50次谐波、电压不平衡以及电流不平衡等，这些都是传统电力表计所不具有的电能质量数据，并且本发明采用了高分辨率的触摸式液晶屏，使用更便捷，显示的界面更友好，不同界面间的切换操作更流畅；

5)多种参数可设：本发明提供了种类繁多的参数，可供用户针对不同的测量对象进行相应的设置，大大增加了监测仪使用的灵活性，相对于传统电力表计，在使用上更便捷；

6)丰富的外部通讯端口，组网轻松：本发明采用了总线结构，可扩展各种通讯接口，支持IEC61850规约，满足变电站通信体系，可多台设备并联组成与PC以及其他多种上位机平台进行通讯，使用户可以实现远程监测，不用在设备安装现场即可通过上位机平台实时监测数据，满足变电站自动化的建设要求，方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，实现***的无缝连接；

7)核心芯片的功能强大：本发明采用最现代的微处理器和和数字信号处理技术，DSP芯片的数据处理功能强大，能迅速的对所采样的数据进行计算和分析，并且能同时处理大批量数据，而ARM芯片在硬件的控制上很有优势，响应速度很快，且功耗低，能够很流畅的响应各类操作指令，并且有丰富的外扩功能，支持多种通讯接口；

8)更先进、更有效的算法：本发明采用新型的快速傅里叶分析与瞬时无功相结合，能够快速准确的提取芯片采样所得到的谐波含量数据，达到准确的谐波分析的效果，并且本发明采用全数字化的闪变与波动分析，较之传统的模拟量分析更有效，更快速，集成化更高；

9)功耗非常低：正常工作时，功耗小于10VA；

10)安装方便：只需要与被测设备的三相电压、以及与外界互感器的连接，即可正常工作，无须再外设其他设备连接。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，ACT-X智能电网电能质量分析仪，包括底板、用于数据处理与通讯的控制板和显示单元：底板上设有连接外部采样的接线端子和以太网通讯接口；控制板包括模拟开关电源1、信号传感器2、运算放大器3、A/D转换芯片4、控制芯片5以及通讯模块，模拟开关电源1分别连接运算放大器3、A/D转换芯片4、控制芯片5和显示单元，模拟开关电源1的独立输入与接线端子连接，信号传感器2的输入端也与接线端子连接，信号传感器2的输出端连接运算放大器3，运算放大器3通过A/D转换芯片4与控制芯片5，控制芯片5的输出端通过通讯模块与显示单元连接，通讯模块包括232通信芯片、485通信模块及以太网通讯模块；显示单元为触摸式液晶显示屏6。

信号传感器3包括电压互感器和电流互感器。信号传感器2将采集到的信号通过运算放大器3和A/D转换芯片4后传输到控制芯片5，控制芯片5对信号处理后将数据传输到显示单元6进行实时显示，或通过以太网通讯接口及以太网通讯模块将数据传输到远程终端监测设备实现在线实时监控。

模拟开关电源1与运算放大器3及A/D转换芯片4之间还设有DC/DC转换器7，DC/DC转换器7将模拟开关电源输出的部分电压转换成运放放大器3、A/D转换芯片4的正常工作电压，DC/DC转换器7为隔离稳压型转换器。DC/DC转换器7有电压输入端、接地端、电压输出端，A/D转换芯片4和通信模块的正电源、接地端均分别与DC/DC转换器7的电压输出端、接地端连接。运算放大器3采用仪表运算放大器，A/D转换芯片采用16位6通道A/D转换芯片。

DC/DC变换器分为隔离型和非隔离型，两者的区别在于：隔离型的地分为输入地和输出地，而非隔离型只有一个地，采用非隔离型的效果会更好一些，可以提高***的隔离电压水平，但隔离型的DC/DC通常要比非隔离型的贵。

控制芯片4包括DSP芯片和ARM芯片，DSP芯片的输入端连接A/D转换芯片，DSP芯片的输出端连接ARM芯片，ARM芯片通过通讯模块与显示单元连接。其中DSP芯片主要负责数字信号的采集以及通过程序算法将各种数字信号转换成各种的电能质量数据。而ARM芯片主要负责从DSP芯片读取各种电能质量数据及数据通讯，通过232通讯芯片或485通信模块将数据发送至液晶屏显示，通过以太网通讯接口将数据与远程终端进行信息交换。同时ARM芯片也参与设备的控制，它控制设备的各种功能，例如参数设置、数据下载等功能，以及触摸屏操作的界面切换等。远程终端设备可通过网线与本发明的以太网通讯接口连接通信，通过配套的上位机软件实现远程数据监控、参数设置、数据下载等功能。

如图2所示，ACT-X智能电网电能质量分析仪的工作流程如下：

设备开机后，采样部分即开始通过信息传感器2进行数据采集，经过运算放大器3和A/D转换芯片4后将数字信号传输给控制芯片5，控制芯片5采集一个周波的数据后开始进行数据的计算，这就是默认工作状态下表计的数据采集和计算流程；

在进行液晶显示屏6的翻页操作后，程序开始判断按键的功能：当程序判断按键操作为进入实时数据界面、谐波分析界面、电能质量数界面时，液晶屏翻页至上述3种数据显示的页面，并同时向控制芯片读取该数据页面所需要的数据然后进行显示；

当程序判断按键操作为波形显示界面、柱状图显示界面时，液晶屏翻页至上该图形显示的页面：在波形显示界面，液晶屏向控制芯片读取实时的波形点位，将三相电压、三相电流的波形显示在屏幕上；在柱状图显示界面时，液晶屏向控制芯片读取各次谐波含量的数据，并参照基波的数据，将各次谐波表的大小以一个百分比的形式通过柱状图直观的显示在屏幕上；

当程序判断需要进入数据下载界面时，液晶屏翻页至该界面：在该页面中用户可选择当前实时数据的下载以及一个历史数据的下载，当用户选择实时数据下载时，U盘中将生成一个实时数据的文本文档，控制芯片将当前计算出的实时数据通过USB接口传输到U盘内的实时数据文本文档中；

当用户选择历史数据的下载时，程序会根据存储芯片中保存的数据的日期，在U盘中生成相应日期的文本文档，并且控制芯片读取存储芯片中保存的历史数据，并将这些数据根据日期保存到U盘中相应的文本文档中；

当程序判断需要进入参数设置界面时，液晶屏翻页至该界面。此时用户可根据不同需要修改和设置参数，在点击保存按钮后，ACT-X电能质量监测仪回到初始界面的显示，程序回到主程序的开头，根据参数设置的值重新开始一个流程的运行。

本发明可通过以太网通讯接口，遵循61850-5通讯规约，与远程终端监测设备连接，远程终端监测设备通过配套的上位机软件对本仪器进行实时数据观察，数据远程下载，参数设置，越线报警设置等操作，还可以按需要形成数据分析报告。

本发明应用灵活多变，它可以作为仪表单独使用，亦可作为智能电网监控***的前端原件，用以实现远程数据采集和信息汇总。工业标准的RS-485通讯接口，Modbus通讯协议，以太网通讯模块及可将各类数据通讯协议转换成61850规约的规约转换模块，使得组网轻松便捷，并且有USB现场数据下载功能，让用户既可以通过在远程终端监测设备通过上位机软件实时监测变电站设备运行情况也方便在设备现场分析了解电能状况。设备安装方便只需从被采样端引入三相电压、三相电流的采样线，以及一组交流220V的供电线路，即可正常进行工作。

本发明作为一种先进的智能化、数字化的电网前端采集原件，可以应用于各种控制***，能源管理***，变电自动化，配电网自动化，小区电力监控监控，工业自动化，智能建筑，智能配电盘，开关柜。本发明具有安装方便，接线简单，维护方便，工程量小，数据采集精度高，数据处理迅速，控制***稳定，组网轻松，抗干扰性强，现场USB数据下载等特点。并且由于本发明采用了先进的数字化***，因此产品的结构较由模拟器件组成的传统表计更精简，整体产品的成本控制机更合理，造价更便宜，产品的使用群体和适用面更广。

Claims

1.一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，包括底板、用于数据处理与通讯的控制板和显示单元，所述的控制板包括模拟开关电源、信号传感器、运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片以及通讯模块，所述的模拟开关电源分别连接运算放大器、A/D转换芯片、控制芯片和显示单元，所述的信号传感器的输出端连接运算放大器，所述的运算放大器通过A/D转换芯片与控制芯片，所述的控制芯片的输出端通过通讯模块与显示单元连接；

2.根据权利要求1所述的一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，所述的通讯模块包括232通信芯片、485通信模块及以太网通讯模块。

3.根据权利要求2所述的一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，所述的底板上设有连接外部采样的接线端子和以太网通讯接口，所述的接线端子分别连接模拟开关电源和信号传感器，所述的以太网通讯接口通过所述以太网通讯模块与远程终端监测设备连接。

4.根据权利要求1所述的一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，还包括DC/DC转换器，该DC/DC转换器输入端与模拟开关电源连接，输出端分别与A/D转换芯片、运放放大器连接，所述的DC/DC转换器将模拟开关电源输出的部分电压转换成A/D转换芯片、运放放大器的正常工作电压，所述的DC/DC转换器为隔离稳压型转换器。

5.根据权利要求1所述的一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，所述的信号传感器包括电压互感器和电流互感器。

6.根据权利要求1所述的一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，所述的运算放大器为仪表运算放大器。

7.根据权利要求1所述的一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，所述的A/D转换器芯片为16位6通道A/D转换器芯片。

8.根据权利要求1所述的一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，所述的控制芯片包括DSP芯片和ARM芯片，所述的DSP芯片的输入端连接所述A/D转换芯片，DSP芯片的输出端连接ARM芯片，所述的ARM芯片通过通讯模块与显示单元连接，所述的DSP芯片负责数字信号的采集及将各种数字信号转换成各种电能质量数据，所述的ARM芯片从DSP芯片读取各种电能质量数据，并通过通讯模块将数据发送至显示单元。

9.根据权利要求1所述的一种智能电网电能质量分析仪，其特征在于，所述的显示单元为触摸式液晶显示屏。