CN104360145A - 一种基于数据采集卡的电压暂降监测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于数据采集卡的电压暂降监测装置：包括依次连接的前置电路、数据采集卡和计算机，前置电路和数据采集卡有电源模块分别提供所需的外部工作电压，计算机中安装有电压暂降监测软件，前置电路输入用户侧电压电流；前置电路与数据采集卡通过通信接口进行连接，计算机通过USB接口与数据采集卡连接，并通过各类通信网络实现通信；前置电路又包含依次连接的采样电路、调理电路、滤波电路和保护电路。本发明适用于对380V用户侧进行电压、电流波形、电压暂降事件实时监测，且数据采样精度高、速度快，能在发生电压暂降的时刻捕捉并记录电压暂降事件相关信息，还成本低廉适宜大规模推广应用，有利于实现对用户侧电压暂降的网络化监测。

Description

一种基于数据采集卡的电压暂降监测装置

技术领域

本发明涉及一种基于数据采集卡的电压暂降监测装置，主要适用于对380V用户侧进行电压电流波形、电压暂降事件的实时监测，并在发生电压暂降的时刻能够捕捉并记录电压暂降事件的相关信息。 

背景技术

电压暂降是指供电电压均方根值在短时间内突然下降的事件，电气与电子工程师协会(IEEE)将其定义为电压均方根值下降到额定值的90％～10％范围内，持续时间为0.5～30个周波，其中将暂降时的电压均方根值与额定电压均方根值的比值定义为暂降幅值，将暂降从发生到结束之间的时间定义为持续时间。 

随着现代科技的发展，敏感电力电子设备的广泛应用以及新型电力负荷的出现，大量的工业生产如半导体制造、纺织业、造纸业、计算机集成制造等对供电电能质量提出了更高的要求。特别是电压暂降问题近年来受到了广泛的关注，美国每年因电压暂降造成经济损失达200多亿美元，在欧美发达国家1次电压暂降事故造成经济损失都在百万美元以上，欧美发达国家电力部门有关调查显示，在由电能质量引起的用户投诉中，由电压暂降引起的投诉多于70％。可见，电压暂降现象已经逐渐成为对用户影响最大的电能质量问题之一，而开展对电压暂降的监测对评估敏感设备对电压暂降的敏感度、发掘用户侧电压暂降规律、预防电压暂降引起重大事故、减小电压暂降造成的经济损失都有着重要的意义，因此实现对电压暂降相关指标的监测是现代电力用户提出的迫切需求。 

电压暂降监测的主要任务在于暂降幅值、持续时间的监测，考虑到实际电网复杂的工况环境，以及电压暂降发生的随机性和暂态性，也就要求电压暂降监测装置必须能够快速准确地捕捉并记录电压暂降事件。 

目前在用户侧广泛使用的具有数据采集功能的监测装置大多存在以下局限性：1)基本只具备监测电压、电流、频率，计算电压偏差以及谐波等基本功能，针对电压暂降的监测功能而设计的监测装置比较少见；2)数据采样精度及速度有限；3)成本较高，不适宜在用户侧大规模推广应用；4)通信手段比较单一，不利于实现对用户侧电压暂降的网络化监测。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于数据采集卡的电压暂降监测装置，其适用于对380V用户侧进行电压、电流波形、电压暂降事件实时监测，且数据采样精度高、速度快，能在发生电压暂降的时刻捕捉并记录电压暂降事件相关信息，还成本低廉适宜大规模推广应用，有利于实现对用户侧电压暂降的网络化监测。 

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下： 

一种基于数据采集卡的电压暂降监测装置，其特征是：包括依次连接的前置电路、数据采集卡和计算机(上位机)，所述的前置电路和数据采集卡有电源模块分别提供所需的外部工作电压，所述的计算机中安装有电压暂降监测软件，所述的前置电路输入用户侧电压电流。 

所述前置电路与数据采集卡通过通信接口进行连接，所述计算机(上位机)通过USB接口与数据采集卡连接，并通过各类通信网络实现通信。 

所述前置电路又包含依次连接的采样电路、调理电路、滤波电路和保护电路，其中前置电路的输入为用户侧的实际电压电流信号，采样电路包含有4个电压采集通道和4个电流采集通道，同时采集A、B、C三相及中性线的电压及电流波形，且采样精度高(转换精度可达到14位)、采样速率快；保护电路输出供数据采集卡接收和处理的采样信号，幅值在±5V以内。 

所述的采样电路的互感器选用高精度的电压互感器和电流互感器，其中电压互感器选用CLSM-10mA，电流互感器选用LA100-P，最大可以测量100A的用户侧电流，考虑到需要监测大工业用户亦能够满足需求；通过电压互感器和电流互感器将用户侧的的电压和电流转化为幅值小的低电压信号(±5V以内)，以便于数据采集卡的处理。 

所述的滤波电路的电阻R采用100kΩ，电容C采用10pF的配置。 

所述的各种电路(前置电路的采样电路、调理电路、滤波电路和保护电路)均为现有技术，本发明主要为通过各模块的组合实现所需要的功能。 

本发明所述基于数据采集卡的电压暂降监测装置所实现的整体功能是，通过采集380V网络的电压电流实时信号，通过数据采集卡对信号进行告诉采集并上传到计算机(上位机)，通过计算机中安装的电压暂降监测软件判断是否出现电压 暂降现象，在发生电压暂降的时刻捕捉并记录电压暂降事件相关信息。 

本发明的有益效果： 

1)可以实现对电压暂降现象的实时监测，能够在发生电压暂降的时刻捕捉并记录电压暂降事件的相关信息，包括暂降幅值、持续时间、电压/电流波形等，同时能够为设备敏感度的评估与修正提供参考数据； 

2)可实现多通道同步采样(包括4通道电压信号和4通道电流信号)，且采样精度高(转换精度可达到14位)、采样速率快； 

3)装置结构简单，装卸方便，适合在380V用户侧推广使用，在用户侧对电压暂降进行有效的监测，同时在此基础上结合对设备的控制能够在电压暂降发生后最大程度减小损失； 

4)由于实时监测导致数据量巨大以及受到数据采集卡的缓存的限制，数据采集卡仅作对信号进行高速采集的作用，并不在数据采集卡上直接进行计算和分析。计算分析过程将通过数据采集卡将采集到的数据上传到上位机(即计算机)来进行。而计算机(上位机)有更强大的数据处理能力和更为完善的网络功能，支持多种通信方式(如TCP/IP、无线网络、蓝牙等)，便于实现网络化监测，在数据传输中有强大的适应能力。 

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明： 

图1为本发明基于数据采集卡的电压暂降监测装置的整体组成示意图； 

图2为本发明基于数据采集卡的电压暂降监测装置的前置电路组成示意图； 

图3为本发明基于数据采集卡的电压暂降监测装置的***架构图； 

图4为本发明基于数据采集卡的电压暂降监测装置的工作流程图； 

图5为本发明基于数据采集卡的电压暂降监测装置的在用户侧安装及应用的示例图。 

具体实施方式

如图1所示，为本发明基于数据采集卡的电压暂降监测装置的整体组成示意图。 

本发明包括依次连接的前置电路、数据采集卡和计算机(上位机)，前置电路和数据采集卡有电源模块分别提供所需的外部工作电压，计算机中安装有电压暂 降监测软件，前置电路输入用户侧电压电流。 

前置电路与数据采集卡通过通信接口进行连接，计算机(上位机)通过USB接口与数据采集卡连接，并通过各类通信网络实现通信。 

如图2所示，前置电路又包含依次连接的采样电路、调理电路、滤波电路和保护电路，其中前置电路的输入为用户侧的实际电压电流信号，采样电路包含有4个电压采集通道和4个电流采集通道，同时采集A、B、C三相及中性线的电压及电流波形，保护电路输出供数据采集卡接收和处理的采样信号，幅值在±5V以内。 

采样电路是本***最前端的环节，由于数据采集卡只能处理低压小电流信号，不能直接接收网络的实际电压电流，因此需要通过互感器对实际电信号进行转化。采样电路包含有4个电压采集通道和4个电流采集通道，同时采集A、B、C三相及中性线的电压及电流波形，且采样精度高(转换精度可达到14位)、采样速率快；采样电路的互感器选用高精度的电压互感器和电流互感器，其中电压互感器选用CLSM-10mA，电流互感器选用LA100-P，最大可以测量100A的用户侧电流，考虑到需要监测大工业用户亦能够满足需求；通过电压互感器和电流互感器将用户侧的的电压和电流转化为幅值小的低电压信号(±5V以内)，以便于数据采集卡的处理。 

信号调理电路的主体是一个电压跟随器，其主要特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低。电压跟随器在实际应用中一般作为缓冲级或者隔离级，原因是电压放大器的输出阻抗通常都比较高，往往都为上千欧姆。当出现后级电路的输入阻抗比较小的情况，那么信号就会有相当多的一部分损耗在前级的输出阻抗之中，这对信号处理来说是极其不利的，而且输出阻抗高则会更加加剧了损耗，此时就需要电压跟随器来从中进行缓冲。而电压跟随器的另外一个作用就是隔离和抗干扰，当采样得到的信号不稳定或者发生较大的扰动的时候利用电压跟随器的跟随作用滤除了干扰信号的影响。 

滤波电路的作用是让一定频率范围的信号通过，而对此频率范围以外的信号加以抑制或使其急剧衰减，当干扰信号与***所采集的信号处于不同频率范围之内就可以有效抑制干扰。此处选择结构简单的RC滤波电路，便于设计。电阻R在电路中起限流作用，电容C的作用是平滑滤波。本发明中滤波电路的电阻R采 用100kΩ，电容C采用10pF的配置。 

保护电路主要由稳压管构成，作用在于当信号超出一定范围时稳定信号幅值，起保护作用。防止电压信号越限损害数据采集卡并影响***正常工作。 

如图3所示，为本发明所述电压暂降监测装置的***架构图，所述电压暂降监测装置采用C#语言开发，数据库采用Access设计，需要Microsoft.NET Framework 4运行环境支持。支持的操作***为Windows XP SP3及以上操作***，支持架构为x86架构。 

本***的软件设计采用模块化设计方法，主要包括数据接口模块、数据库模块、***设置模块、波形展示模块、实时计算模块、事件记录模块、通信模块。 

其中，数据接口模块用于读取硬件***所采集得到的监测数据并传送至数据库；数据库模块则对监测数据和计算结果进行综合整理和存储，提供查询功能；在此基础上扩展出其他功能的模块：***设置模块主要用于新建，修改和导入***设置，参数包括采样频率，数据采集卡通道设置等硬件参数和额定值/极限值，谐波参数等限制参数；波形展示模块则可实时查看各种状态参数及对应的电压电流波形；实时计算模块则是通过算法不断计算电压的有效值，作为判断是否进入电压暂降的幅值区间的参照；事件记录模块则是在判断出暂降事件后将暂降事件的相关信息进行保存的功能；通信模块则是与后台服务器进行数据交互的接口。 

如图4所示，为本发明基于数据采集卡的电压暂降监测装置的工作流程图，开始工作后，首先初始化硬件***，紧接着启动实时电压电流数据采集，通过数据采集卡实现对电压电流数据的实时采集，在收到数据采集卡的中断信号后，读取信息数据，并判断信号数据是否全部就绪，如未全部就绪，则继续等待中断信号读取信号数据；若已全部就绪，则计算机读取数据后计算并记录各时间点的电压有效值，每次计算完成后更新数据并进入判断环节。判断分为两步，首先判断暂降幅值是否符合条件，即暂降幅值是否保持在90％～10％的区间范围内，其次判断持续时间是否符合条件，即持续时间是否为0.5～30个周波时间。当同时满足以上两个条件时则视为发生了一次电压暂降事件，则保存下本次事件的相关信息，否则则返回继续读取信息数据并重复以上判断环节。 

如图5所示，为本发明基于数据采集卡的电压暂降监测装置的在用户侧安装及应用的示例图，其接线方式可以视为某工业生产用户的简化模型，但本发明的 应用范围并不局限于此。 

图中该用户包含三相负载及单相负载，设备1～设备4依次构成生产线上的生产环节，其电压耐受曲线依次为f_i(U,T)(i＝1,2,3,4)。本发明所述基于数据采集卡的电压暂降监测装置安装在380V网络用户侧，用于监测对用户进行供电的380V网络的实时电压电流波形，以捕捉和记录电压暂降事件。当发生电压暂降时，装置捕捉到暂降事件后将通过通信手段向后台(服务器)发送暂降信号，当后台接收到暂降信号后根据需要对生产线上的设备发送控制信号，及时关停敏感用电设备及可能受影响的设备以避免不必要的损失。 

例如当发生A相电压暂降时，所述基于数据采集卡的电压暂降监测装置捕捉到暂降事件，记录下暂降事件的暂降幅值及持续时间分别为U_c、T_c，并将暂降信号发送至后台，后台将U_c、T_c与设备1(三相负载)以及设备2(接入A相的单相负载)的电压耐受曲线f₁(U,T)及f₂(U,T)做比较判断，若发生越限现象则视为设备受到影响则应迅速发出控制信号关停相应的设备以停止可能出现问题的生产环节。假定本次暂降事件已经超出设备1及设备2的电压耐受范围，则应由后台发出控制信号，关停设备1及设备2，避免设备在异常状态下继续工作造成设备损坏亦或是生产产品异常造成原料浪费和经济损失。 

Claims (4)

1.一种基于数据采集卡的电压暂降监测装置，其特征是：包括依次连接的前置电路、数据采集卡和计算机，所述的前置电路和数据采集卡设有电源模块分别提供所需的外部工作电压，所述的计算机中安装有电压暂降监测软件，所述的前置电路输入用户侧电压电流；所述前置电路与数据采集卡通过通信接口进行连接，所述计算机通过USB接口与数据采集卡连接，并通过各类通信网络实现通信。

2.根据权利要求1所述的基于数据采集卡的电压暂降监测装置，其特征是：所述前置电路包含依次连接的采样电路、调理电路、滤波电路和保护电路，其中前置电路的输入为用户侧的电压电流信号，采样电路包含有4个电压采集通道和4个电流采集通道，同时采集A、B、C三相及中性线的电压及电流波形，保护电路输出供数据采集卡接收和处理的采样信号，幅值在±5V以内。

3.根据权利要求2所述的基于数据采集卡的电压暂降监测装置，其特征是：所述的采样电路互感器为高精度的电压互感器和电流互感器，其中电压互感器选用CLSM-10mA，电流互感器选用LA100-P，最大可以测量100A的用户侧电流；通过电压互感器和电流互感器将用户侧的的电压和电流转化为幅值小的低电压信号。

4.根据权利要求3所述的基于数据采集卡的电压暂降监测装置，其特征是：所述的滤波电路的电阻R采用100kΩ，电容C采用10pF的配置。