CN204992761U - 一种电能质量综合测控仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电能质量综合测控仪，人机交互界面模块连接MCU控制模块，MCU控制模块连接计量控制模块、通讯接口、温度检测模块、过零检测模块和SD卡接口，计量控制模块连接电流互感器信号采集电路和电压互感器信号采集电路。因此本实用新型采用无功趋势潮流判断算法，适用于功率因数变动大的场合，动作次数少，控制精度高，大大提高了整柜体生产效率，减少了出错几率，提高了整体产品质量，外形美观大方，通用仪表尺寸安装使用方便。

Description

一种电能质量综合测控仪

技术领域

本实用新型属于电网供配电技术领域，尤其涉及一种电能质量综合测控仪。

背景技术

目前，电能的质量检测与控制装置分别以检测装置和控制装置两种形式出现，如电力***故障录波仪和无功补偿装置等。随着电力***的发展，单一功能的缺点突出明显：一是体积大、成本高、占地面积大、安装空间受限；二是电能质量检测控制分离，检测信息不能实时有效利用，控制效果也不能较好的反映和验证。

实用新型内容

本实用新型为解决电能的质量检测与控制装置功能单一、体积大、成本高、占地面积大、安装空间受限，电能质量检测控制分离，检测信息不能实时有效利用，控制效果也不能较好的反映和验证的技术问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的电能质量综合测控仪。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本实用新型的电能质量综合测控仪，该电能质量综合测控仪包括：人机交互界面模块、MCU控制模块、计量控制模块、通讯接口、电流互感器信号采集电路、电压互感器信号采集电路、温度检测模块、过零检测模块、SD卡接口；

人机交互界面模块连接MCU控制模块，MCU控制模块连接计量控制模块、通讯接口、温度检测模块、过零检测模块和SD卡接口，计量控制模块连接电流互感器信号采集电路和电压互感器信号采集电路。

本实用新型还可以采用如下技术措施：

在本实用新型中，MCU控制模块通过串行外设接口连接计量控制模块。

进一步，MCU控制模块通过串口RS485和RS232连接通讯接口。

进一步，MCU控制模块通过串行外设接口连接SD卡接口。

进一步，电电压互感器信号采集电路的具体连接为：

电感T1连接电阻R1和电阻R3，电阻R1连接电容C1和电阻R2，电阻R3连接电容C2和电阻R4，电阻R2与电阻R4连接。

进一步，采用电信信号电路采用差分方式的电流互感器信号采集电路。

进一步，电流互感器信号采集电路的具体连接为：电感T2连接电阻R42和电阻R49，电阻R46与电阻R42和电阻R49并联，电阻R42连接电阻R40、电容C38，电阻R49连接电容C39和电阻R50，电容C39连接电容C38。

本实用新型具有的优点和积极效果是：由于本实用新型它由数码显示或LCD显示及LED电容状态指示配合键盘组成人机交互操作界面、RJ45端口的485通讯接口、两组电电流信号端、一组母线电压信号端、控制信号输出端及与上位机通讯的232通讯接口组成，控制物理量为总柜电压、总柜电流、电容柜电流、功率因数和无功功率、温度复等；采用新型的无功趋势潮流判断算法，特别适用于功率因数变动大的场合，动作次数少，控制精度高，大大提高了整柜体生产效率，减少出错几率，整体提高产品质量，外形美观大方，通用仪表尺寸安装使用方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的电能质量综合测控仪结构示意图；

图中：1、人机交互界面模块；2、MCU控制模块；3、计量控制模块；4、通讯接口；5、电流互感器信号采集电路；6、电压互感器信号采集电路；7、温度检测模块；8、过零检测模块；9、SD卡接口；

图2是本实用新型实施例提供的电压互感器信号采集电路示意图；

图3是本实用新型实施例提供的电流互感器信号采集电路示意图；

图4是本实用新型实施例提供的有功功率、无功功率、视在功率之间的关系示意图；

图5是本实用新型实施例提供的提高功率因数示意图；

图6是本实用新型实施例提供的降低输电线路及变压器的损耗示意图；

图7是本实用新型实施例提供的电能质量综合测控仪的工作流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：本实用新型所用到的软件模块都属于已知模块，在购买硬件模块时，已经安装有软件。本实用新型不存在软件或方法的创新。

请参阅图1：

如图1所示，本实用新型实施例的电能质量综合测控仪主要包括：人机交互界面模块1、MCU控制模块2、计量控制模块3、通讯接口4、电流互感器信号采集电路5、电压互感器信号采集电路6、温度检测模块7、过零检测模块8、SD卡接口9；

人机交互界面模块1连接MCU控制模块2，MCU控制模块2连接计量控制模块3、通讯接口4、温度检测模块7、过零检测模块8和SD卡接口9，计量控制模块3连接电流互感器信号采集电路5和电压互感器信号采集电路6；

MCU控制模块2通过串行外设接口(SPI)连接计量控制模块3；

MCU控制模块2通过串口RS485和RS232连接通讯接口4；

MCU控制模块2通过串行外设接口(SPI)连接SD卡接口9。

本实用新型采用STM32F407系列MCU控制模块的控制核心，ATT7022E为计量控制模块的核心，配用电流、电压互感器测量电网信号、SD卡存储数据、环境温度检测、友好的人机交互界面模块及外端终端通讯的RS485端口、传递给监控中心的RS232通讯端口、电网监测所配套的电压、电流过零检测功能所组成；

如图2电压互感器信号采集电路，T为1：1电压互感器(2mA到2mA)；

具体的连接：电感T1连接电阻R1和电阻R3，电阻R1连接电容C1和电阻R2，电阻R3连接电容C2和电阻R4，电阻R2与电阻R4连接。

如图3电流互感器信号采集电路，T为电流互感器(5A到2.5mA)，电信信号电路采用差分方式，其中输入电路中1.2K电阻和0.01uf电容构成了抗混叠滤波器；电路讲究对称，并采用温度性能较好的元件保证电能质量综合测控仪获得良好的温度性；

电感T2连接电阻R42和电阻R49，电阻R46与电阻R42和电阻R49并联，电阻R42连接电阻R40、电容C38，电阻R49连接电容C39和电阻R50，电容C39连接电容C38；

当SEL与地短接时为三相三线制，三相三线电表采用两元件测量方式，B相不参与电能计量，端子接线上用VB替代三相四线的VN；

电压采样输入V4P与V4N、电流采样输入V3P与V3N可做为独立的信号输入，其电压、电流、功率、功率因数值可读B相相应的寄存器；

任意一相电流与电压反向时，芯片第40脚REVP输出高电平，据此可以判断接线是否有错；无功电能脉冲信号则是计量电路中得到的无功瞬时功率，对时间积分后成为无功电能信号，再去生成无功电能脉冲信号，基波有功也是同样，它们都需要根据设定的合相能量累加模式将三相电能做绝对值相加或代数值相加运算，并将结果变换为频率信号，然后按照用户设定的分频系数进行分频，得到可用于校表的电能脉冲输出信号；

电能质量综合测控仪具有校表功能，就是对各相电流增益、电压增益、功率增益、相位进行补偿；相位校正可根据精度要求，考虑分段或不分段进行；分段是按电流的大小来分，电能质量综合测控仪可分两段进行相位补偿，其起动电流与断相阈值电压可用软件设置；

可设置内容有电压、电流校正，起动电流设置，断相阈值电压设置，均没有顺序上的要求；但在进行功率增益校正时，请注意先设置合相能量累加模式(如缺省值为你所需要则可省去此步骤)、电压、电流通道ADC增益和高频输出参数，这是功率校正的条件，而后先做功率增益校正，再进行相位校正，相位校正是在完成功率增益校正后进行的；

本实用新型补偿原理：

在交流电路中，由电源供给负载率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率；有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率；有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(KW)、兆瓦(MW)；无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用在电气设备中建立和维持磁场的电功率；它不对外做功，而是转变为其他形式的能量；凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场就要消耗无功功率；无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)；无功功率决不是无用功率，它的用处很大；电动机的转子磁场就是靠从电源取得无用功率建立的；变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压；电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载；电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ来表示；Cosφ称为功率因数，又叫力率；功率因数是反映电力用户设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标；三相功率因数的计算公式为：

$\begin{array}{ccc}P=\sqrt{3}UI\cos \mathrm{\θ}& Q=\sqrt{3}UI\cos \mathrm{\θ}& S=\sqrt{3}\mathrm{UI}\end{array}$ cosθ＝P/S

式中cosφ———功率因数；

P————有功功率，kw；

Q————无功功率，kVar；

S————视在功率，kv，A；

U————用电设备的额定电压，V；

I————用电设备的运行电流，A；

电网中的许多点设备是根据电磁感应原理工作的；它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率；电力***中，不但有功功率平衡，无功功率也要平衡；

有功功率、无功功率、视在功率之间的关系如图4所示

$S=\sqrt{P^2+Q^2}$

式中

S————视在功率，KVA

P————有功功率，KW

Q————无功功率，kvar

φ角为功率因数角，它的余弦(cosφ)是有功功率与视在功率之比即cosφ＝P/S称为功率因数；

补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并连接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换；这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿；

提高功率因数，如图5所示，

P————有功功率；

S1————补偿前的视在功率；

S2————补偿后的视在功率；

Q1————补偿前的无功功率；

Q2————补偿后的无功功率；

φ1————补偿前的功率因数角；

φ2————补偿后的功率因数角；

可以看出，在有功功率P一定的前提下，无功功率补偿以后(补偿量Qc＝Q1-Q2)，功率因数角由φ1φ减小到φ2，则cosφ2＞cosφ1提高了功率因数；

降低输电线路及变压器的损耗

三相电路中，功率损耗△P的计算公式为

$\mathrm{\Δ}P=3\frac{P^{2}R}{U^2{\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}\left(kw\right)$

式中P——有功功率，KW

U————额定电压，KV；

R————线路总电阻，Ω；

由此可见，当功率因数cosφ提高以后，线路中功率损耗大大下降；

如图6所示，改善电压质量

线路中电压损失△U的计算公式

$\mathrm{\Δ}U=3\frac{P\×R+Q\×X_L}{U}\left(k\mathrm{\ν}\right)$

式中P————有功功率，KW；

Q————无功功率，Kvar；

U————额定电压，KV；

R————线路总电阻，Ω；

X————线路感抗，Ω；

由上式可见，当线路中，无功功率Q减小以后，电压损失△U也就减小了；

电容器容量的选者：

电容器安装容量的选者，可根据使用目的的不同，按改善功率因数，提高运行电压和降低线路损失等因素来确定；

按改善功率因数确定补偿容量的方法简便、明确，为国内外所通用；根据功率补偿图(如图5)中功率之间的向量关系，可以求出无功补偿容量Qc；

Q_C,＝Q₁-Q₂＝P×tgθ₁-P×tgθ₂＝P(tgθ₁-tgθ₂)(kvar)

或 $Q_C=P_m(\mathrm{tg\θ}1-\mathrm{tg\θ}2)=P_m(\sqrt{\frac{1}{\cos {{\mathrm{\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{\cos {{\mathrm{\θ}}_2}^2}}}-1)---\left(\mathrm{kvar}\right)$

本实用新型根据硬件设计结合STM32F407内核设计合理的程序架构，而其所有的IO口都支持外部中断、存储器与外设之间的数据交换可由DMA控制完成、支持实时时钟功能、DSP科学运算功能等；给电能质量综合控制功能的实现带来电网电能质量监控的实时性、电网各项参数计量的高精度、电网数据处理的实时性及向终端发控制命令的准确可靠性；***架构采用基于类实时***的时间片轮询并配合外部中断的方式经本人编写、移值到STM32F407试验并不断完善而成，基本流程如图7；

电能质量综合测控仪参数设置可由RS232串口通过上位机软件对功率因数上下限设置及无功功率上下限设置，也可由人机交互界面上的键盘输入(投入0.8～0.99，切除滞后0.91～超前0.9，步长0.01)、电容器动作延时时间设定(0～90S，步长1S；***执行投切动作时间均应满足在此延时时间内取样物理量的值应保持在稳定范围内即COSθ未过越过门限值，无功功率变化不超过一个步长)、过电压门限设定(400～500，步长1V)、取样互感器设定(未定，取决于算法)控制组数及各组电容(Q0～Q29)、谐波保护参数(3、5、7、9、11何意一次谐波电流超过设定值即保护)在以上参数设定状态下30S无任何操作自动回到自动运行状态；有谐波、过压、欠压、缷相、停电保护功能：保护动作时切除已投电容并禁止再投；以上故障出现时均应在3min内切除所有投入电容；出现谐波故障后一直保持在故障状态下，直到人工恢复自动状态；当谐波电压或谐波电流(3、5、7、9、11)超过设定值即发保护动作命令；过压保护是指当***电压超过设定值时即执行保护动作当电压低于设定值高于额定电压的10％，***发解除电容器组开关分断动作命令信号及闭锁电容器组开关闭合命令，过电压恢复后***正常工作；缺相、停电保护是指当任意线电压低于额定电压25％时发保护动作命令；欠压保护是指当***电压低于设定值时发出快速切除电容器组命令；

利用微控制器中自带的看门狗来判断冷启动还是热启动，有区别的执行代码，开机或故障时复归输出回路，确保微控制器在工作中不死机不造成对无功补偿、电能计量、***保护产生不良影响；

电容器组投切算法

本实用新型采用一种将按照电容组容量及***所需无功量进行容量配置，构成多级容量投切；N组电容按一定比例2ⁿ-1级不等容量投切；每级容量对应一组编码，每级容量对应一功率因数段；补偿容量可以由以下公式计算：

$Q_C=P_m(\mathrm{tg\θ}1-\mathrm{tg\θ}2)=P_m(\sqrt{\frac{1}{\cos {{\mathrm{\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{\cos {{\mathrm{\θ}}_2}^2}}}-1)$

P_m为日平均有功功率(K_var)，

cosθ₁为补偿前的功率因数；

cosθ₂为补偿后的功率因数，所需补偿容量Q_c(K_var)；

补偿容量满足以下公式：

$P_m(\sqrt{\frac{1}{\cos {{\mathrm{\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{\cos {{\mathrm{\θ}}_2}^2}}}-1)\≤Q_c\≤P_m(\sqrt{\frac{1}{\cos {{\mathrm{\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{\cos {{\mathrm{\θ}}_2}^2}}}-1)$

但是如果电容容量配置不当将导致编码所对应的功率因数不连续或出现重叠现象，因此前者因找不到于功率因数段对应的编码段而得不到补偿，后者会造成电容容量的浪费；为确保编码所对应的功率因数段连续不重叠，具体算法如下：

当补偿功率因数接近给定范围下限时为投入第一组电容Q1时不大于上限值，根据公式来确定第一组容量的容值，代入公式计算并确定其对应的编码；这里考虑到容量计算需要花时候影响实时性，所以采用通讯方式各台电容器自动把本机电容电容级对应的机台号上报给主机(电容器组网后，其它一台设置为主机或功率因数控制器，这里指电容器智能组网)；主机把电容容量及对应的编号放入补偿容量数据库，并按照编码投切算法一次性补偿到位，弥补了常用的循环投切中的生产投切震荡的不足也弥补了编码式投切的弊端；

本实用新型采用的通讯协议采用华东电网标准的MODBUS协议，其结构定义

部分代码(协议所用存储区域定义)如下

本实用新型基本功能：

1、无功补偿器基本功能：

具有过压、欠压、低流、过温、谐波等保护，当电网参数超过某项设定参数时，控制器会立即发出切除电容命令。保护电容器安全运行，延长其使用寿命。

2、电能质量计量基本监测功能

采用电压、电流传感器实时采集电网信号并测量电网三相基波电压、电流有效值；无功功率、功率因数，有功功率、基波功率、相位、电压偏差、电网频率等。测量三相电压不平衡度、电流不平衡度、负序电压、电流。可以有效的监控电网并可测量电网中的谐波(2～40次)包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波含有率、幅值、相位；各次谐波的有功功率和无功功率等。因此可以做到补偿控制精确到位，不会出现补偿振荡。

3、本实用新型统计功能：

电能质量综合测控仪具有对电网主要监测参数指标的在线统计功能，可统计一个时间段内(通常是一天)所监测的电网所要监测参数指标的最大值、最小值、平均值、95％的概率大值等。

4、与局域网监控中心对接功能：

本实用新型有RS232通讯功能，可以外扩GPRS、Modem无线或有线跟局域网监控中心主机对接。可配后台监控软件实现电网监控，电网监控软件采用三维力控电力版组态软件二次开发而成，可以监测各台终端，包括采集每台终端的电压、电流、无功功率、功率因数、电网频率、有功功率、谐波次数、相位等。同时可以查看各终端的无功补偿情况、谐波保护情况等。

5、增加了在线监测新功能

可以检测间谐波，电压波动、闪变、电压骤升、适时间中断、暂时过电压。

6、记录功能

机内配有存储卡接口，用户可以***存储卡对基本监测内容和增强监控内容实时保存。统计时间间隔为可设置3min(最大值)，存储方式按先进先出原则，支持FAT32文件格式，便于用电脑读取电网的历史数据以供分析研究。

7、报警功能

可根据用户设定的电能质量指示的门限值启动相应的报警，在面板上相应的报警指示灯亮并可以通过通讯传给监控中心，同时给本网络补偿器，保护器发相应的保护控制命令。

8、工作电压

单相AC220V-20％～+15％或三相380V-20％～+15％。

9、互感器输入

电流互感器输入信号5A/2.5mA，电压互感器采用电流型电压互感器。输入信号2mA/2mA。

10、监测数据的精度

电压、电流：0.2％，功率、功率：0.5％，电压三相不平衡：0.2％，电流三相不平衡：0.5％；谐波符合国标GB/T14549-1993中附录D中A级；间谐波参考淄GB/T14549-1993中附录D中A级；电压波动，闪变：5％；电网频率偏差：0.005HZ。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种电能质量综合测控仪，其特征在于，该电能质量综合测控仪包括：人机交互界面模块、MCU控制模块、计量控制模块、通讯接口、电流互感器信号采集电路、电压互感器信号采集电路、温度检测模块、过零检测模块、SD卡接口；人机交互界面模块连接MCU控制模块，MCU控制模块连接计量控制模块、通讯接口、温度检测模块、过零检测模块和SD卡接口，计量控制模块连接电流互感器信号采集电路和电压互感器信号采集电路。

2.如权利要求1所述的电能质量综合测控仪，其特征在于，MCU控制模块通过串行外设接口连接计量控制模块。

3.如权利要求1所述的电能质量综合测控仪，其特征在于，MCU控制模块通过串口RS485和RS232连接通讯接口。

4.如权利要求1所述的电能质量综合测控仪，其特征在于，MCU控制模块通过串行外设接口连接SD卡接口。

5.如权利要求1所述的电能质量综合测控仪，其特征在于，电压互感器信号采集电路的具体连接为：电感T1连接电阻R1和电阻R3，电阻R1连接电容C1和电阻R2，电阻R3连接电容C2和电阻R4，电阻R2与电阻R4连接。

6.如权利要求1所述的电能质量综合测控仪，其特征在于，采用电信信号电路采用差分方式的电流互感器信号采集电路。

7.如权利要求6所述的电能质量综合测控仪，其特征在于，电流互感器信号采集电路的具体连接为：电感T2连接电阻R42和电阻R49，电阻R46与电阻R42和电阻R49并联，电阻R42连接电阻R40、电容C38，电阻R49连接电容C39和电阻R50，电容C39连接电容C38。