CN113092854A - 一种电能质量录波装置及通信协议扩展的应用 - Google Patents

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张帆
董永乐
余佳
王桐
张勇
殷超
张祺
石浩渊
席佳
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Abstract

一种电能质量录波装置及通信协议扩展的应用，它涉及录波装置，它包含硬件单元和软件单元，所述的信号调理单元和数据采集单元，所述的信号调理单元包含I/O调理电路，所述的数据采集单元包含电压互感器、电流互感器、滤波器和A/D转换器，所述的软件单元包含数据采集模块、基础计算模块、电能质量计算模块、底层通信模块、高层通信模块、展示模块和***模块，它将电压和电流信号经过调理电路之后，通过A/D转换器进行数字信号采样，其中稳态电压、电流数字信号和暂态电压、电流数字通过基础技术模块进行频谱分析与指标计算后，并将其进行录波，通过展示模块在显示界面观测到相应波形，同时兼具通信扩展功能，使其较好地满足了现代电能质量的监测和研究。

Description

一种电能质量录波装置及通信协议扩展的应用
技术领域
本发明涉及电能质量监测与分析领域，具体涉及一种电能质量录波装置及通信协议扩展的应用。
背景技术
当今的社会生活中，电能质量是普遍存在的。目前引起电能质量的原因有很多，但主要有两个方面：—是大量谐波注入电网，含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在实现功率控制和处理的同时，都不可避免地产生非正弦波形电流，向电网注入谐波电流，使得公共连接点的电压波形发生严重畸变；二是电力负荷构成的变化，当前电力***中存在大量非线性负荷（如电气化铁道、电弧炉等）以及多种快速变化的冲击性负荷（如大型电辉机、起重机等）对电网运行、敏感电气设备的影响和危害更加明显，电力事故发生的可能性也将逐步表现为由电能质量不合格所引起。为提 高电能质量，需对各种电能质量指标进行实时测量和分析，而电能质量录波装置可以在线 记录电压、电流波形，为电能质量各项指标的分析提供必要的数据信息。
目前，市场上出现的电能质量录波装置，能够满足一定的要求，但仍然主要是用于对稳态的电能质量进行研究，而暂态电能质量扰动与稳态电能质量变化相比，具有发生时间短，隐蔽性强等特点，但影响和后果较为严重，使得当前的电能质量录波装置无法满足对暂态电能质量研究就需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种电能质量录波装置及通信协议扩展的应用，它将电压和电流信号经过调理电路之后，通过A/D转换器进行数字信号采样，其中稳态电压、电流数字信号和暂态电压、电流数字通过基础技术模块进行频谱分析与指标计算后，并将其进行录波，通过展示模块在显示界面观测到相应波形，同时兼具通信扩展功能，使其较好地满足了现代电能质量的监测和研究。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：一种电能质量录波装置，它包含硬件单元1和软件单元2，所述的信号调理单元11和数据采集单元12，所述的信号调理单元11包含I/O调理电路111，所述的I/O调理电路111主要是对输入电能质量录波仪的被测电量进行预处理，使强电输入信号变为标准输出信号，所述的数据采集单元12包含电压互感器121、电流互感器122、滤波器123和A/D转换器124，所述的电压互感器121用于将强电压信号转换为较小范围可处理的电压信号，所述的电流互感器122用于将强电流信号转换为较小范围可处理的电流信号，所述的滤波器123用于防止采集到的不同频谱的电压和电流发送混叠，所述的A/D转换器124用于将采集到模拟信号转换为数字信号；
所述的软件单元2包含数据采集模块21、基础计算模块22、电能质量计算模块23、底层通信模块24、高层通信模块25、展示模块26和***模块27，所述的数据采集模块21依照设定的釆集周期，釆集稳态的电压、电流数据序列时和采集暂态的电压、电流数据序列，并分别按照数据通信协议规定的内容与格式保存为“稳态录波文件”和“暂态事件录波文件”，所述的基础计算模块22对当次釆样获取的“录波文件”数据进行计算，并按照数据通信规定的内容与格式分别保存为“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”，所述的电能质量计算模块23根据“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”分别计算各种电能质量参数，保存为“电能质量参数数据文件”，所述的底层通信模块24用于将“稳态录波文件”和“暂态事件录波文件”存入配备的专用硬盘中，根据用户需求实时上传指定时间段的文件，所述的高层通信模块25用于按照需求上传“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”，所述的展示模块26用于实时波形显示和实时数据显示，所述的***模块27用于设定***的启动、采样参数的选取和用户界面。
进一步的，所述的软件单元2设于上位PC机中。
进一步的，所述的数据采集单元12设于下位机中。
进一步的，所述的I/O调理电路111的信号处理包含电压暂态采集信号和控制信号处理、电流暂态釆集信号和控制信号处理、电压稳态采集信号处理和电流稳态采集信号处理。
一种电能质量录波装置通信协议扩展的应用，它包含事件记录和数据内容，所述的事件记录用于电网运行中电能质量暂态事件进行记录，所述的数据内容包含数据标识、数据格式、数据长度、单位、功能和数据项名称，所述的数据标识代表数据的内容，所述的数据格式表示可被读取的数据形式，所述的数据长度表示可变读取或写入的数据位数，所述的单位用于表示数据代表的量，所述的功能用于表示执行度或写操作，所述的数据项名称用于表示具体数据项中事件发生的情况。
本发明的工作原理：
本发明首先通过电压互感器121和电流互感器122将强电中的电压和电流信号转换为可被计算机读取的模拟信号，然后经过I/O调理电路111对信号进行调理，使强电输入信号变为标准输出信号，并且满足A/D转换器124的转换要求，由于受到互感器的影响，所采集到的信号混有多种不需要的信号，为了防止发生频谱混叠，通过滤波器123对信号进行处理，之后通过A/D转换器124将采集到的模拟信号转换为数字信号。
其中数据流程为，通过A/D转换器124进行数字信号采样，其过程分别经过稳态和暂态数据采集卡，其模拟信号转换为离散信号进入数据采集模块21，其所存储的稳态录波文件和暂态事件录波文件通过底层数据通信协议进入底层通信模块24，而经过基础计算模块24进行傅里叶换算和希尔伯特换算进行频谱分析和指标计算，将其稳态录波文件和暂态事件分别生成稳态数据文件、稳态事件录波文件和暂态事件录波文件，并通过高层数据通信协议进入髙层通信模块25，同时进入展示模块26进行展示，和进入电能质量计算模块23用于生成电能质量参数数据文件。
其中通信模块遵循DLT645-97的通信协议，使得录波设备能与其它电能装置相互通信。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：
1、本发明将电压和电流信号经过调理电路之后，通过A/D转换器进行数字信号采样，其中稳态电压、电流数字信号和暂态电压、电流数字通过基础技术模块进行频谱分析与指标计算后，并将其进行录波，通过展示模块在显示界面观测到相应波形，较好地满足了现代电能质量的监测；
2、本发明中通过对稳态电压、电流数字信号经快速傅里叶变换进行频谱分析与指标计算，而对暂态电压、电流数字信号经希尔伯特变换计算出其复阻抗模值和相位，对出现的稳态变化或暂态扰动事件，都进行录波，为对暂态电能质量的扰动的研究创造了条件l
3、本发明中采用通信模块遵循DLT645-97的通信协议，满足了对***进行扩展的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的***组成图。
图2是本发明中信号调理单元11的构成图。
图3是本发明中数据采集单元12的构成图。
附图标记说明：硬件单元1、信号调理单元11、I/O调理电路111、数据采集单元12、电压互感器121、电流互感器122、滤波器123、A/D转换器124、软件单元2、数据采集模块21、基础计算模块22、电能质量计算模块23、底层通信模块24、高层通信模块25、展示模块26、***模块27。
具体实施方式
参看图1-图3所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含硬件单元1和软件单元2，所述的信号调理单元11和数据采集单元12，所述的信号调理单元11包含I/O调理电路111，所述的I/O调理电路111主要是对输入电能质量录波仪的被测电量进行预处理，使强电输入信号变为标准输出信号，且具有两个网点的三相交流电压和电流信号处理能力，同时兼有开关量信号的12点输入和12点输出处理能力，所述的数据采集单元12包含电压互感器121、电流互感器122、滤波器123和A/D转换器124，其中电压互感器121的型号为JDZF7-10GYW1，电流互感器122的型号为LZZBJ9-10A3G，所述的滤波器123用于防止采集到的不同频谱的电压和电流发送混叠，所述的A/D转换器124用于将采集到模拟信号转换为数字信号；
所述的软件单元2包含数据采集模块21、基础计算模块22、电能质量计算模块23、底层通信模块24、高层通信模块25、展示模块26和***模块27，所述的数据采集模块21依照设定的釆集周期，釆集稳态的电压、电流数据序列时和采集暂态的电压、电流数据序列，并分别按照数据通信协议规定的内容与格式保存为“稳态录波文件”和“暂态事件录波文件”，所述的基础计算模块22对当次釆样获取的“录波文件”数据进行计算，并按照数据通信规定的内容与格式分别保存为“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”，所述的电能质量计算模块23根据“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”分别计算各种电能质量参数，保存为“电能质量参数数据文件”，所述的底层通信模块24用于将“稳态录波文件”和“暂态事件录波文件”存入配备的专用硬盘中，根据用户需求实时上传指定时间段的文件，所述的高层通信模块25用于按照需求上传“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”，所述的展示模块26用于实时波形显示和实时数据显示，所述的***模块27用于设定***的启动、采样参数的选取和用户界面。
所述的软件单元2设于上位PC机中，PC机搭载Windows 7平台运行。
所述的数据采集单元12设于下位机中。
所述的I/O调理电路111的信号处理包含电压暂态采集信号和控制信号处理、电流暂态釆集信号和控制信号处理、电压稳态采集信号处理和电流稳态采集信号处理。
在电能质量录波装置通信协议扩展的应用，它包含事件记录和数据内容，所述的事件记录用于电网运行中电能质量暂态事件进行记录，所述的数据内容包含数据标识、数据格式、数据长度、单位、功能和数据项名称，所述的数据标识代表数据的内容，所述的数据格式表示可被读取的数据形式，所述的数据长度表示可变读取或写入的数据位数，所述的单位用于表示数据代表的量，所述的功能用于表示执行度或写操作，所述的数据项名称用于表示具体数据项中事件发生的情况，如电压中断总次数，电压暂降记录等。
本实施例首先通过电压互感器121和电流互感器122将强电中的电压和电流信号转换为可被计算机读取的模拟信号，然后经过I/O调理电路111对信号进行调理，使强电输入信号变为标准输出信号，并且满足A/D转换器124的转换要求，由于受到互感器的影响，所采集到的信号混有多种不需要的信号，为了防止发生频谱混叠，通过滤波器123对信号进行处理，之后通过A/D转换器124将采集到的模拟信号转换为数字信号。
其中数据流程为，通过A/D转换器124进行数字信号采样，其过程分别经过稳态和暂态数据采集卡，其模拟信号转换为离散信号进入数据采集模块21，其所存储的稳态录波文件和暂态事件录波文件通过底层数据通信协议进入底层通信模块24，而经过基础计算模块24进行傅里叶换算和希尔伯特换算进行频谱分析和指标计算，将其稳态录波文件和暂态事件分别生成稳态数据文件、稳态事件录波文件和暂态事件录波文件，并通过高层数据通信协议进入髙层通信模块25，同时进入展示模块26进行展示，和进入电能质量计算模块23用于生成电能质量参数数据文件。
其中通信模块遵循DLT645-97的通信协议，使得录波设备能与其它电能装置相互通信。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种电能质量录波装置，其特征在于：它包含硬件单元(1)和软件单元(2)，所述的信号调理单元(11)和数据采集单元(12)，所述的信号调理单元(11)包含I/O调理电路(111)，所述的I/O调理电路(111)主要是对输入电能质量录波仪的被测电量进行预处理，使强电输入信号变为标准输出信号，所述的数据采集单元(12)包含电压互感器(121)、电流互感器(122)、滤波器(123)和A/D转换器(124)，所述的电压互感器(121)用于将强电压信号转换为较小范围可处理的电压信号，所述的电流互感器(122)用于将强电流信号转换为较小范围可处理的电流信号，所述的滤波器(123)用于防止采集到的不同频谱的电压和电流发送混叠，所述的A/D转换器(124)用于将采集到模拟信号转换为数字信号；
所述的软件单元(2)包含数据采集模块(21)、基础计算模块(22)、电能质量计算模块(23)、底层通信模块(24)、高层通信模块(25)、展示模块(26)和***模块(27)，所述的数据采集模块(21)依照设定的釆集周期，釆集稳态的电压、电流数据序列时和采集暂态的电压、电流数据序列，并分别按照数据通信协议规定的内容与格式保存为“稳态录波文件”和“暂态事件录波文件”，所述的基础计算模块(22)对当次釆样获取的“录波文件”数据进行计算，并按照数据通信规定的内容与格式分别保存为“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”，所述的电能质量计算模块(23)根据“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”分别计算各种电能质量参数，保存为“电能质量参数数据文件”，所述的底层通信模块(24)用于将“稳态录波文件”和“暂态事件录波文件”存入配备的专用硬盘中，根据用户需求实时上传指定时间段的文件，所述的高层通信模块(25)用于按照需求上传“稳态数据文件”、“稳态变化录波文件”和“暂态事件数据文件”，所述的展示模块(26)用于实时波形显示和实时数据显示，所述的***模块(27)用于设定***的启动、采样参数的选取和用户界面。
2.根据权利要求1所述的一种电能质量录波装置，其特征在于：所述的软件单元(2)设于上位PC机中。
3.根据权利要求1所述的一种电能质量录波装置，其特征在于：所述的数据采集单元(12)设于下位机中。
4.根据权利要求(1)所述的一种电能质量录波装置，其特征在于：所述的I/O调理电路(111)的信号处理包含电压暂态采集信号和控制信号处理、电流暂态釆集信号和控制信号处理、电压稳态采集信号处理和电流稳态采集信号处理。
5.一种电能质量录波装置通信协议扩展的应用，其特征在于：它包含事件记录和数据内容，所述的事件记录用于电网运行中电能质量暂态事件进行记录，所述的数据内容包含数据标识、数据格式、数据长度、单位、功能和数据项名称，所述的数据标识代表数据的内容，所述的数据格式表示可被读取的数据形式，所述的数据长度表示可变读取或写入的数据位数，所述的单位用于表示数据代表的量，所述的功能用于表示执行度或写操作，所述的数据项名称用于表示具体数据项中事件发生的情况。
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