一種具有電能質(zhì)量分析功能的網(wǎng)絡(luò)多功能三相電能表的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多功能三相電能表，尤其是一種具有電能質(zhì)量分析功能，且支持多種網(wǎng)絡(luò)通信方式的多功能三相電能表。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電氣化鐵路、電弧爐、變頻器等沖擊性、非線(xiàn)性、不平衡性負(fù)載在電力應(yīng)用中越來(lái)越多，諧波、負(fù)序、閃變、電壓暫態(tài)等電能質(zhì)量問(wèn)題直接影響著電力系統(tǒng)的供電安全。電能是一種商品，其質(zhì)量問(wèn)題是供應(yīng)商和客戶(hù)共同關(guān)注的問(wèn)題。用電企業(yè)有必要建立電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電電網(wǎng)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0003]此外，由于測(cè)量設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平的提高，多臺(tái)儀器聯(lián)網(wǎng)已推廣應(yīng)用。儀器儀表產(chǎn)品正向智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化方向迅速邁進(jìn)。發(fā)展電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，必須進(jìn)一步開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的在線(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，建立在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。本發(fā)明的應(yīng)用和推廣對(duì)提高供電質(zhì)量、節(jié)省電力系統(tǒng)設(shè)備投入，改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行和管理水平具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為需要高性能電能監(jiān)測(cè)、計(jì)量和提供電能質(zhì)量相關(guān)的決策指導(dǎo)和性能評(píng)估的用戶(hù)提供一種具有電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、三相電能計(jì)量和三相電量參數(shù)監(jiān)測(cè)的緊湊型多功能三相電能表。使得電能供應(yīng)商能夠及時(shí)準(zhǔn)備糾正措施，并幫助消費(fèi)者防止由電能質(zhì)量問(wèn)題引起的設(shè)備損壞。
[0005]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述一種具有電能質(zhì)量分析功能的網(wǎng)絡(luò)多功能三相電能表包括:微控制器，所述微控制器與DSP處理器連接；DSP處理器通過(guò)高速AD轉(zhuǎn)換器連接超高精度微型互感器；所述微控制器還連接有FLASH存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)模塊、顯示屏。所述DSP處理器通過(guò)高速AD芯片對(duì)互感器電流、電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采集和處理。并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算50次電壓(電流)諧波、電網(wǎng)頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、功率、功率因數(shù)、間諧波(50次)等電能質(zhì)量參數(shù)；并對(duì)電壓驟升、驟降、短時(shí)間電壓中斷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。所述微控制器用于對(duì)DSP計(jì)算出的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，顯示在液晶屏上，同時(shí)存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)器中；所述以太網(wǎng)模塊可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳送給主站軟件，其數(shù)據(jù)格式符合IEEE Stdll59規(guī)定的通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式(PQDIF)。
[0006]所述超高精度互感器線(xiàn)性度高達(dá)0.05%，角差變化小于10分，在50Hz?2500Hz
的頻率范圍內(nèi)具有一致的頻率響應(yīng)特性。
[0007]對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算和評(píng)估判斷遵循《GB / T12325-2008電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》、《GB / T14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、《GB / T12326-2008電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》、《GB / T15543-2008電能質(zhì)量三相允許不平衡度》、《GB / T15945-2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》和《GB / T18481-2001電能質(zhì)量暫時(shí)過(guò)電壓和瞬時(shí)過(guò)電壓》等六項(xiàng)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
[0008]采用小波變換測(cè)量分析非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)(實(shí)際配電網(wǎng)交流電)的諧波和間諧波，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算電壓閃變包絡(luò)信號(hào)。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:具有測(cè)量和分析50次諧波的能力，同時(shí)具有測(cè)量電壓波動(dòng)與閃變、電壓偏差、三相不平衡度等綜合測(cè)量、分析、判斷功能；具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，通信協(xié)議符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE Stdll59 ;本裝置可以很方便地大面積安裝，形成網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)與分析。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)框圖。
[0011]圖2為本發(fā)明的主程序流程圖。
[0012]圖3為本發(fā)明的諧波計(jì)算流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明包括微控制器、DSP處理器、Flash存儲(chǔ)器、16位高速AD芯片、超高精度微型電壓互感器PT、超高精度微型電流互感器CT、以太網(wǎng)接口模塊、液晶顯示模塊和輸入鍵盤(pán)。三相交流電經(jīng)過(guò)超高精度微型互感器變換成可測(cè)量的低電壓和小電流信號(hào)，高速AD芯片將電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。DSP處理器對(duì)電壓電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速處理和運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果保存在DSP的緩存中。微控制器通過(guò)并行總線(xiàn)獲取DSP處理后的數(shù)據(jù)，以及DSP運(yùn)算后的電能質(zhì)量表征參數(shù)，將其保存在Flash存儲(chǔ)器中。同時(shí)依據(jù)獲得的數(shù)據(jù)和參數(shù)驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示相應(yīng)的內(nèi)容。以太網(wǎng)模塊通過(guò)串行口和微控制器相連，微控制器通過(guò)模塊連接到以太網(wǎng)上，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0014]如圖2所示為系統(tǒng)主程序的工作流程圖，主要完成設(shè)備的初始化和決策控制功能。系統(tǒng)上電后進(jìn)行軟件和硬件以及數(shù)據(jù)的初始化，然后定時(shí)讀取DSP緩存中的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。讀取后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行報(bào)警、顯示、事件記錄；同時(shí)將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)按時(shí)間順序保存到Flash存儲(chǔ)器中。主程序還需要對(duì)以太網(wǎng)接口的通信請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)和對(duì)鍵盤(pán)輸入進(jìn)行處理。通過(guò)以太網(wǎng)接口將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)的主站。
[0015]如圖3所示為諧波計(jì)算流程，首先對(duì)諧波源信號(hào)x(t)進(jìn)行快速傅立葉變換運(yùn)算，對(duì)變換得到的結(jié)果Χ(ω)進(jìn)行頻率搜索，以確定諧波小波的尺度參數(shù)m、n。進(jìn)而確定時(shí)域諧波小波函數(shù)，然后將時(shí)域諧波小波函數(shù)進(jìn)行快速傅立葉變換運(yùn)算，將其結(jié)果與Χ(ω)相乘，再對(duì)其相乘的結(jié)果W(m，n，ω)進(jìn)行快速傅立葉逆變換運(yùn)算，通過(guò)對(duì)時(shí)域的小波系數(shù)W(m，η，t)進(jìn)行重構(gòu)，得到各次諧波和間諧波的瞬時(shí)值，最后利用最小二乘法對(duì)各頻率分量進(jìn)行擬合，得到諧波小波分析的結(jié)果。
[0016]本發(fā)明通過(guò)裝置內(nèi)置的超高精度微型互感器將電網(wǎng)電壓電流信號(hào)按設(shè)計(jì)比例變換成小信號(hào)，通過(guò)高速AD芯片將電壓電流模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。接著利用DSP采集電壓電流數(shù)字量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，獲得可靠的電壓電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。微控制器通過(guò)并行總線(xiàn)讀取DSP緩存中的電壓電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行諧波、閃變、電壓偏差、電網(wǎng)頻率偏差、三相不平衡度、功率因數(shù)、電量等電能質(zhì)量參數(shù)計(jì)算，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果加上時(shí)間標(biāo)識(shí)保存在Flash存儲(chǔ)器中。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)裝置的IXD顯示電量、功率因數(shù)、電壓、頻率偏差、閃變等數(shù)據(jù)。本裝置還可以通過(guò)以太網(wǎng)接口將電量、電壓、電流、功率、諧波等電能計(jì)量和質(zhì)量數(shù)據(jù)傳送給主站。
[0017]以下給出一個(gè)具體實(shí)施例。
[0018]采用北京霍遠(yuǎn)科技最新研發(fā)的低成本超高精度微型互感器，線(xiàn)性度高達(dá)0.05%，角差變化小于10分，在50HZ-2500HZ的頻率范圍內(nèi)具有一致的頻率響應(yīng)特性。使輸入信號(hào)和測(cè)量系統(tǒng)安全隔離，可以提高裝置的抗干擾能力和安全性。采用32位DSP+CorteXM3ARM內(nèi)核，應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)。采用16位8通道高速同步采樣A / D轉(zhuǎn)換器，采樣頻率達(dá)到25.6KHz。數(shù)據(jù)處理快速準(zhǔn)確，功能強(qiáng)，系統(tǒng)集成度更高，穩(wěn)定性好。采用4G大容量FLASH存儲(chǔ)，以5分鐘為單位存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可保存二年的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)信息。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀寫(xiě):符合IEEE Stdll59規(guī)定的通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式(PQDIF)，數(shù)據(jù)具有良好的兼容性，便于實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。采用320X240點(diǎn)陣液晶顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)單元面板鍵盤(pán)，可現(xiàn)場(chǎng)查詢(xún)所有被監(jiān)控的參數(shù)并顯示波形、向量圖，可方便設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。
[0019]監(jiān)測(cè)內(nèi)容:50次電壓(電流)諧波、電網(wǎng)頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、功率、功率因數(shù)、間諧波(50次)、電壓驟升、驟降、短時(shí)間電壓中斷、事件錄波等。統(tǒng)計(jì)功能:裝置具有對(duì)主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)的在線(xiàn)統(tǒng)計(jì)功能，可統(tǒng)計(jì)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、95%概率大值等。通信規(guī)約與《智能電能表》和《電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)兼容。建立存儲(chǔ)容量大、實(shí)時(shí)更新能力強(qiáng)、瀏覽方便以及能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)共享等功能要求的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。滿(mǎn)足電網(wǎng)中各實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)連成整體，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化需要。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.具有電能質(zhì)量分析功能的網(wǎng)絡(luò)多功能三相電能表，包括微控制器，其特征是:所述微控制器和DSP處理器連接，DSP處理器通過(guò)高速AD采集電壓電流信號(hào)，所述微控制器還連接FLASH和以太網(wǎng)模塊、液晶顯示屏和按鍵輸入電路； 所述DSP處理器通過(guò)高速AD芯片采集高精度電壓電流信號(hào)，并據(jù)此換算成電源質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)所述微控制器的進(jìn)一步計(jì)算獲得各種電源質(zhì)量參數(shù)，并將其保存到FLASH存儲(chǔ)器中，同時(shí)顯示在IXD顯示屏上，也可以通過(guò)以太網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)傳送給信息中心。2.如權(quán)利要求1所述具有電能質(zhì)量分析功能的網(wǎng)絡(luò)多功能三相電能表，其特征是運(yùn)算速度極快的DSP處理器用于采集處理高速AD轉(zhuǎn)換來(lái)高精度瞬時(shí)電壓、電流信號(hào)，這些數(shù)據(jù)可以還原電源的基本情況。3.如權(quán)利要求1所述具有電能質(zhì)量分析功能的網(wǎng)絡(luò)多功能三相電能表，其特征是微控制器對(duì)電源數(shù)據(jù)進(jìn)一步運(yùn)算處理，獲得50次電壓(電流)諧波、電網(wǎng)頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、功率、功率因數(shù)、間諧波(50次)等電能質(zhì)量參數(shù)。4.如權(quán)利要求1所述具有電能質(zhì)量分析功能的網(wǎng)絡(luò)多功能三相電能表，其特征是FLASH存儲(chǔ)器中可以存儲(chǔ)3年的電能參數(shù)，這些參數(shù)在存儲(chǔ)前是通過(guò)公式化處理過(guò)的。5.如權(quán)利要求4所述高精度電能參數(shù)存儲(chǔ)是通過(guò)公式化處理的，其特征是將離散的數(shù)據(jù)用公式來(lái)表示，50次諧波用50個(gè)正弦波公式來(lái)表示；電網(wǎng)頻率偏移是記錄偏移值，事件記錄是由事件編號(hào)來(lái)表示，而不是文字或數(shù)據(jù)描述。6.如權(quán)利要求1所述具有電能質(zhì)量分析功能的網(wǎng)絡(luò)多功能三相電能表，其特征是支持以太網(wǎng)通信，協(xié)議符合國(guó)際電工電子工程師協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種具有電能質(zhì)量分析且支持網(wǎng)絡(luò)通信功能的三相電能表，該電能表通過(guò)DSP高速采集高精度電壓電流信號(hào)，根據(jù)大量的瞬時(shí)數(shù)據(jù)精確還原電源的電壓電流波形，計(jì)算各種電源基礎(chǔ)參數(shù)；使用另一個(gè)微控制器對(duì)電源進(jìn)行質(zhì)量參數(shù)計(jì)算，包括50次電壓(電流)諧波、電網(wǎng)頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、功率、功率因數(shù)、間諧波(50次)等電能質(zhì)量參數(shù)；該電能表還支持以太網(wǎng)通信，可以方便地將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳送給信息中心；本裝置可以很方便地大面積安裝，形成網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)與分析。
【IPC分類(lèi)】G01R19/25, G01R23/16, G01R21/133, G01R22/10
【公開(kāi)號(hào)】CN104931775
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410107799
【發(fā)明人】秦冬雷, 宣敏浩, 施火泉, 吳濱
【申請(qǐng)人】無(wú)錫市恒通電器有限公司
【公開(kāi)日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2014年3月21日