在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和方法。其中，該裝置包括：信號(hào)采集模塊，用于按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)；其中，該采樣窗口長(zhǎng)度為電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)中基頻信號(hào)周期的整數(shù)倍；采樣周期為本地時(shí)鐘周期的整數(shù)倍；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)采集到的電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)；電能參數(shù)分析計(jì)算模塊，用于對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的電能參數(shù)；運(yùn)行情況確定模塊，用于根據(jù)上述電能參數(shù)確定電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。通過(guò)本發(fā)明，能夠有效防止頻譜泄露，提升了采樣的同步性，進(jìn)而提升了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力能源及微電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]電力工業(yè)的快速發(fā)展使得配電系統(tǒng)日益復(fù)雜，在輕微的電力問(wèn)題變得明顯之前，工業(yè)設(shè)施配電系統(tǒng)就可能接近崩潰了。電力作為一種特殊的商品，其不可擺脫的一般商品屬性——“電能質(zhì)量”問(wèn)題日益受到供用電雙方的重視，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也隨之逐漸成為一種必然要求，但是，隨著可控硅整流器、電弧爐、軋鋼機(jī)、電力機(jī)車(chē)、計(jì)算機(jī)及各種通訊設(shè)備等(非線性、沖擊性和不對(duì)稱(chēng)性負(fù)荷)大量投入使用，使電網(wǎng)供電電壓的非線性、不穩(wěn)定性和不對(duì)稱(chēng)性日趨嚴(yán)重。小到計(jì)算機(jī)死機(jī)、硬盤(pán)受損，大到變壓器過(guò)熱、企業(yè)生產(chǎn)線停產(chǎn)等一系列因電能質(zhì)量引起的供電事故時(shí)有發(fā)生。電能質(zhì)量的惡化威脅著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的安全、正常運(yùn)行。如何提高和保證電能質(zhì)量已經(jīng)成為我國(guó)電力系統(tǒng)面臨的重要問(wèn)題。為了改善電能質(zhì)量和制定有關(guān)電能質(zhì)量的治理措施和政策提供必要的依據(jù)，電力部門(mén)需對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。由于電力電子器件構(gòu)成的各種裝置在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，一方面對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量提出了更高的要求，另一方面給電力系統(tǒng)帶來(lái)了新的污染，惡化了電能質(zhì)量，使傳統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)體系不能適應(yīng)新的情況，迫使提出和推行新的電能質(zhì)量指標(biāo)體系，從而使傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀面臨淘汰的命運(yùn)，開(kāi)發(fā)和使用新的高性能電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀成為必然。
[0003]隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是近二十年來(lái)，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)、集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、納米技術(shù)、激光技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)等高新技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展。這一背景和形勢(shì)，不斷地向電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、靈敏度更高、穩(wěn)定性更好、使用更方便、成本更低廉等。目前，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)向著計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多功能化的方向迅速發(fā)展，而且由于大量采用高新科學(xué)技術(shù)的研究成果、跨學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)、高精尖的制造技術(shù)與嚴(yán)格科學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，因而使得它還正朝著更高速、更靈敏、更可靠、更簡(jiǎn)捷地獲取被分析、檢測(cè)、控制對(duì)象全方位信息的方向闊步前進(jìn)?？梢钥闯?，高科技化不但是現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的主要特征，也是新世紀(jì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展主流。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的高科技化，日益成為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)科技與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主流。
[0004]目前，在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀因采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期的設(shè)置不夠合理，容易出現(xiàn)頻譜泄露，進(jìn)而影響電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，針對(duì)這一問(wèn)題，目前尚未提出有效的解決方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和方法，以解決上述的問(wèn)題。
[0006]在本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，包括:信號(hào)采集模塊，用于按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)；其中，采樣窗口長(zhǎng)度為電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)中基頻信號(hào)周期的整數(shù)倍；采樣周期為本地時(shí)鐘周期的整數(shù)倍；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)信號(hào)采集模塊采集到的電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)；電能參數(shù)分析計(jì)算模塊，用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊得到的數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的電能參數(shù)；運(yùn)行情況確定模塊，用于根據(jù)電能參數(shù)分析計(jì)算模塊計(jì)算出的電能參數(shù)確定電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
[0007]在本發(fā)明的實(shí)施例中還提供了一種在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法，包括:
[0008]按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)；其中，采樣窗口長(zhǎng)度為電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)中基頻信號(hào)周期的整數(shù)倍；采樣周期為本地時(shí)鐘周期的整數(shù)倍；對(duì)采集到的電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)；對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的電能參數(shù)；根據(jù)電能參數(shù)確定電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
[0009]本發(fā)明實(shí)施例提供的方法和裝置，在進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，采用的采樣窗口長(zhǎng)度為該電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)中基頻信號(hào)周期的整數(shù)倍；而采樣周期為本地時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，基于該采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，這樣能夠有效防止頻譜泄露，提升了采樣的同步性，進(jìn)而提升了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。
[0010]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看做是對(duì)范圍的限定，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。
[0012]圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0013]圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0014]圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的MCU的結(jié)構(gòu)框圖；
[0016]圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的PC104總線與HPI總線橋接電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0017]圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的DSP的結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的同步采樣電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖8示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)儀的軟件系統(tǒng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖9示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)儀的軟件系統(tǒng)的運(yùn)行示意圖；
[0021]圖10示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的HPI交互協(xié)議的交互示意圖；
[0022]圖ll(a)、ll(b)和11(c)分別示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的經(jīng)數(shù)字濾波后得到的基波信號(hào)的波形示意圖、相鄰兩個(gè)正斜率過(guò)零點(diǎn)(即由負(fù)變正的過(guò)零點(diǎn))附近放大后的波形示意圖；
[0023]圖12示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。以下對(duì)至少一個(gè)示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說(shuō)明性的，并不作為對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]參見(jiàn)圖1所示的在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖，該裝置包括以下模塊:
[0026]信號(hào)采集模塊12，用于按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)；其中，該采樣窗口長(zhǎng)度為該電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)中基頻信號(hào)周期的整數(shù)倍；該采樣周期為本地時(shí)鐘周期的整數(shù)倍；這里的本地時(shí)鐘指的是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)時(shí)鐘；
[0027]模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14，與信號(hào)采集模塊12相連，用于對(duì)信號(hào)采集模塊12采集到的電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)；
[0028]電能參數(shù)分析計(jì)算模塊16，與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14相連，用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14得到的數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的電能參數(shù)；
[0029]運(yùn)行情況確定模塊18，與電能參數(shù)分析計(jì)算模塊16相連，用于根據(jù)電能參數(shù)分析計(jì)算模塊16計(jì)算出的電能參數(shù)確定電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
[0030]本實(shí)施例的裝置在進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，采用的采樣窗口長(zhǎng)度為該電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)中基頻信號(hào)周期的整數(shù)倍；而采樣周期為本地時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，基于該采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，這樣能夠有效防止頻譜泄露，提升了采樣的同步性，進(jìn)而提升了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性?？紤]到實(shí)際電力系統(tǒng)中，電壓頻率有時(shí)會(huì)發(fā)生波動(dòng)，而在采樣窗口長(zhǎng)度內(nèi)，每個(gè)采樣周期內(nèi)采集到的采樣點(diǎn)數(shù)可能會(huì)不同，進(jìn)而影響后續(xù)的電能參數(shù)分析與計(jì)算，基于此，在上述圖1所示裝置的基礎(chǔ)上，本發(fā)明實(shí)施例還提供了圖2所示的另一種在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖，該裝置除了包括圖1所示的各個(gè)模塊外，還包括:信號(hào)補(bǔ)足模塊22，與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14和電能參數(shù)分析計(jì)算模塊16相連，用于當(dāng)各采樣周期內(nèi)的采樣個(gè)數(shù)不同時(shí)，在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14對(duì)采集到的電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，采用牛頓插值法對(duì)采樣個(gè)數(shù)不足設(shè)定個(gè)數(shù)的采樣周期內(nèi)的數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)足操作。
[0031]考慮到完全同步采樣實(shí)現(xiàn)比較難，本發(fā)明實(shí)施例采用了加窗函數(shù)的方式，基于此，上述信號(hào)采集模塊12可以包括:窗口加寬單元，用于采用矩形窗或者海寧窗對(duì)采樣窗口加寬；信號(hào)采集單元，用于基于窗口加寬單元加寬后的采樣窗口按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)。這種加窗方式，可以有效地降低頻譜泄露、混疊和“柵欄”效應(yīng)。
[0032]上述裝置采用改進(jìn)FFT檢測(cè)諧波與間諧波，能夠一次性高精度地從復(fù)雜電網(wǎng)的電壓和電流中獲取O?采樣頻率/2之間的整數(shù)和分?jǐn)?shù)分量，獲取方式比較迅速方便，較好地降低了 “柵欄”效應(yīng)和頻率泄漏的影響。
[0033]為了便于監(jiān)測(cè)者及時(shí)了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，上述裝置還可以包括:運(yùn)行情況顯示模塊，與運(yùn)行情況確定模塊18相連，用于在顯示界面顯示電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。和/或，上述裝置還可以包括:運(yùn)行情況傳輸模塊，與運(yùn)行情況確定模塊18相連，用于通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)將電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況傳輸給目標(biāo)終端。
[0034]基于上述裝置，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以采用圖3所示的在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，圖中虛線部分為可選組件/擴(kuò)充功能件。該監(jiān)測(cè)儀的硬件主要為間諧波/暫態(tài)監(jiān)測(cè)模塊；A/D轉(zhuǎn)換器I為低頻采樣A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器2為高頻采樣A/D轉(zhuǎn)換器；DSPl和DSP2的輸入信號(hào)為A/D轉(zhuǎn)換器I的輸出信號(hào)(DSP2作為間諧波監(jiān)測(cè)模塊)，或者，DSPl的輸入信號(hào)為A/D轉(zhuǎn)換器I的輸出信號(hào),DSP2的輸入信號(hào)為A/D轉(zhuǎn)換器2的輸出信號(hào)(DSP2作為暫態(tài)監(jiān)測(cè)模塊或間諧波與暫態(tài)監(jiān)測(cè)模塊)。
[0035]本實(shí)施例的A/D轉(zhuǎn)換器可以采用高速16位A/D轉(zhuǎn)換器，電流互感器和電壓互感器分別用于采集電流信號(hào)和電壓信號(hào)，電流互感器和電壓互感器采集到的信號(hào)傳輸給各自連接的緩沖放大器，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器和DSP高速數(shù)字信號(hào)對(duì)各相電流、電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由DSP完成對(duì)基本電參量、諧波、閃變等的測(cè)量(或稱(chēng)為計(jì)算)與分析工作。計(jì)算得到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)高速HPI通信接口和管理層(即圖中的MCU)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；管理層采用先進(jìn)的嵌入式PC104工控機(jī)和穩(wěn)定的操作系統(tǒng)(例如=Android操作系統(tǒng))組成，主要完成顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、通信等工作。
[0036]圖3中的控制邏輯模塊用于向各個(gè)部件發(fā)送控制指令，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。圖中還包括有電源、與電源相連接的電源管理模塊，以及數(shù)據(jù)保持電池、抄表電池，用于為在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀提供工作用電等。
[0037]下面具體介紹圖3所示監(jiān)測(cè)儀的各個(gè)部分:
[0038](I)MCU
[0039]本發(fā)明實(shí)施例中的MCU(也可以稱(chēng)為邏輯管理模塊或管理機(jī))采用PC104主板+Android的嵌入式系統(tǒng)。如圖4所示的MCU的結(jié)構(gòu)框圖，該MCU包括PC104主板(或稱(chēng)為PC104主機(jī)、主機(jī))、該主板連接有硬盤(pán)和CF卡，其控制信號(hào)連接邏輯組合單元，并經(jīng)由驅(qū)動(dòng)與監(jiān)測(cè)儀的總線連接；PC104主板通過(guò)數(shù)據(jù)線連接總線驅(qū)動(dòng)，該總線驅(qū)動(dòng)也與監(jiān)測(cè)儀的總線連接。PC104主板包含有一個(gè)串行通信口、一個(gè)以太網(wǎng)通信口、一個(gè)微型EIDE接口、一個(gè)GP1接口、兩個(gè)USB2.0高速接口、一個(gè)VGA液晶接口、RJ45接口和一個(gè)PS2接口，串行通信口可配接任何RS-232異步通信設(shè)備，以太網(wǎng)口支持TCP/IP協(xié)議。PC104主板的安裝母板(簡(jiǎn)稱(chēng)接口板)的支持電路主要是EIDE、COM、VGA、LAN、PS2、雙USB接口插件轉(zhuǎn)換線路、以及PC104主板的總線與HPI總線之間的橋接電路(含電平變換、地址譯碼一采用CPLD邏輯譯碼，以及相關(guān)控制電路)。
[0040]PC104主板可以采用BGA封裝CPU芯片，在O?60°C工作范圍內(nèi)無(wú)需風(fēng)扇，徹底解決了由于風(fēng)扇故障引起可靠性降低的問(wèn)題。在板CPU及SDRAM增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠度，該板上的LCD接口可以支持TFT LCD屏，分辨率640X480、800X600、1024X768。44PIN IDE接口可以接DOM(Disk On Module)，或配接CF適配卡、硬盤(pán)或D0C。這種采取8層PCB板的設(shè)計(jì)，增加了其防電磁干擾的能力。
[0041]PC104主板可以采用PCC-3568主板，它集成了低功耗的586帶多媒體功能的CPU。板上具有CRT/IXD顯示接口、I個(gè)10/100Mbps網(wǎng)絡(luò)接口、支持2個(gè)串口、一個(gè)并口、兩個(gè)USB接口、音頻接口、軟驅(qū)接口、16級(jí)看門(mén)狗定時(shí)器、8位數(shù)字輸入、8位數(shù)字輸出、在板128/64/32M SDRAM、一個(gè)微型硬盤(pán)接口，可支持兩個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)115.2Kbps的紅外線接口，提供擴(kuò)充用的標(biāo)準(zhǔn)PC/104接口。
[0042](2)總線與HPI總線橋接電路
[0043]DSP與PC104主板之間采用高速的HPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PC104主板的HPI接口是一個(gè)并行端口，PC104主板掌管該接口的主控權(quán)，通過(guò)它可以直接訪問(wèn)DSP的整個(gè)存儲(chǔ)空間。
[0044]PC104主板通過(guò)使用地址總線模擬HPI接口控制信號(hào)的方式掌管DSP的HPI并直接讀寫(xiě)HPI控制寄存器及訪問(wèn)DSP的存儲(chǔ)空間?？紤]到總線間高速長(zhǎng)距離以及背板拔插的連接方式，PC104總線和HPI這兩種總線之間需要設(shè)計(jì)總線接口電路進(jìn)行時(shí)序與控制信號(hào)的匹配工作。
[0045]參見(jiàn)圖5所示的PC104總線與HPI總線橋接電路的結(jié)構(gòu)框圖，在PC104源端和DSP負(fù)載端采用終端匹配電阻網(wǎng)絡(luò)的匹配方式，在背板插件處采用阻容網(wǎng)絡(luò)的匹配方式，同時(shí)由于DSP和PC104接口電平不匹配以及考慮總線干擾隔離，總線信號(hào)經(jīng)過(guò)總線隔離驅(qū)動(dòng)器后進(jìn)出源端和負(fù)載端。
[0046](3)高速測(cè)量模塊(即DSP)
[0047]參見(jiàn)圖6所示的DSP的結(jié)構(gòu)框圖，該DSP的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的DSP結(jié)構(gòu)類(lèi)似，采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器后，經(jīng)信號(hào)調(diào)理回路(即緩沖放大器)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)以通知DSP讀取數(shù)據(jù)，DSP通過(guò)地址選擇相應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器及相關(guān)通道后，將16位數(shù)據(jù)讀回。DSP通過(guò)32bit高性能外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)直接訪問(wèn)片外高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，其地址分配由可編程邏輯陣列決定。DSP外擴(kuò)鐵電存儲(chǔ)器以存取固定的參數(shù)(含各通道數(shù)據(jù)校正、運(yùn)行模式等等參數(shù))。DSP通過(guò)TL16C550擴(kuò)展一個(gè)RS-232串口，該串行接口可配接任何RS-232異步通信設(shè)備，主要用于單板調(diào)試用。
[0048]HPI接口作為DSP與MCU進(jìn)行高速通信的數(shù)據(jù)接口，通過(guò)DSP的HPI接口，MCU可以高速訪問(wèn)DSP的整個(gè)存儲(chǔ)空間。
[0049](4)A/D 轉(zhuǎn)換器
[0050]A/D轉(zhuǎn)換器采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片可以為ADS8364。ADS8364是高速、低功耗，六通道完全獨(dú)立的16位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用+5V工作電壓，并帶有SOdB共模抑制的全差分輸入通道以及六個(gè)4 μ s連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、六個(gè)差分采樣放大器。另外，在REFIN和REFOUT引腳內(nèi)部還帶有+2.5V參考電壓以及高速并行接口。ADS8364的六個(gè)模擬輸入分為三組(Α，Β和C)，每個(gè)輸入端都有一個(gè)ADCs保持信號(hào)以用來(lái)保證幾個(gè)通道能同時(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。
[0051]當(dāng)ADS8364采用5MHz的外部時(shí)鐘來(lái)控制轉(zhuǎn)換時(shí)，它的取樣率是250kHz，同時(shí)對(duì)應(yīng)于4μ s的最大吞吐率，這樣，采樣和轉(zhuǎn)換共需花費(fèi)20個(gè)時(shí)鐘周期。另外，當(dāng)外部時(shí)鐘采用5MHz時(shí)，ADS8364的轉(zhuǎn)換時(shí)間是3.2 μ s，對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間是0.8 μ S。因此，為了得到最大的輸出數(shù)據(jù)率，讀取數(shù)據(jù)可以在下一個(gè)轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行。
[0052](5)同步采樣電路
[0053]同步采樣電路主要完成頻率跟蹤的功能，該電路可以保證在一個(gè)工頻周期內(nèi)為A/D轉(zhuǎn)換器提供256點(diǎn)的采樣信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)同步鎖相的功能。
[0054]參見(jiàn)圖7所示的同步采樣電路的結(jié)構(gòu)框圖，其包括:隔直濾波電路、過(guò)零比較電路、選相電路、鎖相倍頻電路(也稱(chēng)PLL電路)和A/D轉(zhuǎn)換器。選相電路能自動(dòng)選擇有電壓的相別，并根據(jù)選中相別的電壓產(chǎn)生過(guò)零信號(hào)提供給后續(xù)的PLL電路，以實(shí)現(xiàn)256倍的鎖相倍頻采樣。在頻率變化的情況下，電路也能保證每周波256點(diǎn)的采樣。選相電路以A相電壓作為最優(yōu)先考慮的相別，當(dāng)A相有電壓時(shí)將A相過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)，閉鎖B、C相；A相掉電后，以B相過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)，閉鎖C相；A、B相同時(shí)掉電，以C相過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)。在相間進(jìn)行同步信號(hào)切換時(shí)，由于電路參數(shù)以及線路本身的延時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一段閉鎖的空白，這時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)失效中斷信號(hào)通知DSP，由DSP提供這個(gè)空白時(shí)間的同步采樣信號(hào)。當(dāng)三相電壓全部失效后，則由DSP自主產(chǎn)生同步采樣信號(hào)，以50Hz工頻進(jìn)行256點(diǎn)的采樣。
[0055]上述監(jiān)測(cè)儀的軟件系統(tǒng)架構(gòu)可以采用如圖8所示的框圖結(jié)構(gòu)，具體為用戶(hù)層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。用戶(hù)層包括:用戶(hù)界面、界面處理層、界面處理通信層、業(yè)務(wù)通信中間層；應(yīng)用服務(wù)層包括:業(yè)務(wù)外觀層、業(yè)務(wù)規(guī)劃層、實(shí)體控制層、數(shù)據(jù)實(shí)體層、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和系統(tǒng)配置；數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和文件存儲(chǔ)系統(tǒng)?？梢栽O(shè)計(jì)下述4個(gè)子系統(tǒng)來(lái)完成系統(tǒng)的功能，子系統(tǒng)分別是:顯示子系統(tǒng)、初始化和參數(shù)設(shè)置子系統(tǒng)、應(yīng)用業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)、DSP數(shù)據(jù)讀寫(xiě)子系統(tǒng)。
[0056]顯示子系統(tǒng)功能主要是完成用戶(hù)和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的顯示交互，主要包括參數(shù)設(shè)置交互、基本電量顯示、電能質(zhì)量顯示、電能顯示、事件顯示、系統(tǒng)自檢信息顯示以及相關(guān)與應(yīng)用業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)的通信處理等。初始化和參數(shù)設(shè)置子系統(tǒng)主要完成MCU和應(yīng)用系統(tǒng)的初始化工作以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置工作，主要是通過(guò)共享內(nèi)存和消息隊(duì)列的方式向業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)提供各種標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置工作。
[0057]應(yīng)用業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)主要用來(lái)處理所有核心業(yè)務(wù)，其中主要包括統(tǒng)計(jì)分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與刪除、數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)通信處理、系統(tǒng)管理、掉電處理等，其中以統(tǒng)計(jì)分析處理模塊最為復(fù)雜，當(dāng)DSP部分有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，由DSP數(shù)據(jù)讀寫(xiě)子系統(tǒng)通過(guò)HPI總線定時(shí)查詢(xún)方式或中斷方式讀取DSP部分?jǐn)?shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)完成后產(chǎn)生一個(gè)向應(yīng)用業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)的信號(hào)量，應(yīng)用業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)接收到信號(hào)量后，開(kāi)始相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析工作。
[0058]參見(jiàn)圖9所示的監(jiān)測(cè)儀的軟件系統(tǒng)的運(yùn)行示意圖，首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化及自檢；然后檢查是否有數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志？如果有數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志，進(jìn)行基本電量的計(jì)算，以及后續(xù)的電壓波動(dòng)與閃變的計(jì)算、諧波與間諧波的計(jì)算、三相不平衡的計(jì)算、電壓與頻率偏差的計(jì)算；如果沒(méi)有數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志，則繼續(xù)監(jiān)測(cè)。
[0059]DSP數(shù)據(jù)讀寫(xiě)子系統(tǒng)主要完成對(duì)DSP板的所有讀寫(xiě)操作，具體操作主要包括DSP參數(shù)設(shè)置、DSP通信與管理、DSP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取、DSP錄波數(shù)據(jù)讀取等。
[0060]參見(jiàn)圖10所示的HPI交互協(xié)議的交互示意圖，HPI可以視為四個(gè)區(qū):自檢結(jié)果區(qū)、設(shè)置參數(shù)交互區(qū)、初始命令交互區(qū)和數(shù)據(jù)交互區(qū)；其中，檢結(jié)果區(qū)、設(shè)置參數(shù)交互區(qū)均對(duì)應(yīng)DSP緩沖區(qū)；初始命令交互區(qū)和數(shù)據(jù)交互區(qū)對(duì)應(yīng)MCU。
[0061]DSP內(nèi)運(yùn)行的具體算法及實(shí)施方式如下:
[0062]1、實(shí)時(shí)值
[0063]實(shí)時(shí)值包括:(I) A、B、C三相電壓值；(2) A、B、C三相電流值；實(shí)時(shí)值通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采樣得到。
[0064]2、有效值
[0065]2.1真有效值
[0066]有效值的定義:

【權(quán)利要求】
1.一種在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，包括: 信號(hào)采集模塊，用于按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)；其中，所述采樣窗口長(zhǎng)度為所述電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)中基頻信號(hào)周期的整數(shù)倍；采樣周期為本地時(shí)鐘周期的整數(shù)倍； 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)所述信號(hào)采集模塊采集到的所述電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)； 電能參數(shù)分析計(jì)算模塊，用于對(duì)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊得到的所述數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的電能參數(shù)； 運(yùn)行情況確定模塊，用于根據(jù)所述電能參數(shù)分析計(jì)算模塊計(jì)算出的所述電能參數(shù)確定所述電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 信號(hào)補(bǔ)足模塊，用于當(dāng)各采樣周期內(nèi)的采樣個(gè)數(shù)不同時(shí)，在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)采集到的所述電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，采用牛頓插值法對(duì)采樣個(gè)數(shù)不足設(shè)定個(gè)數(shù)的采樣周期內(nèi)的數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)足操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述信號(hào)采集模塊包括: 窗口加寬單兀，用于米用矩形窗或者海寧窗對(duì)米樣窗口加寬； 信號(hào)采集單元，用于基于所述窗口加寬單元加寬后的采樣窗口按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 運(yùn)行情況顯示模塊，用于在顯示界面顯示所述電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 運(yùn)行情況傳輸模塊，用于通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)將所述電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況傳輸給目標(biāo)終。
6.一種在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括: 按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)；其中，所述采樣窗口長(zhǎng)度為所述電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)中基頻信號(hào)周期的整數(shù)倍；采樣周期為本地時(shí)鐘周期的整數(shù)倍; 對(duì)采集到的所述電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流號(hào); 對(duì)所述數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的電能參數(shù)； 根據(jù)所述電能參數(shù)確定所述電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 當(dāng)各采樣周期內(nèi)的采樣個(gè)數(shù)不同時(shí)，在對(duì)采集到的所述電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，采用牛頓插值法對(duì)采樣個(gè)數(shù)不足設(shè)定個(gè)數(shù)的采樣周期內(nèi)的數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)足操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，按照設(shè)置的采樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)包括: 米用矩形窗或者海寧窗對(duì)米樣窗口加寬，基于加寬后的米樣窗口按照設(shè)置的米樣窗口長(zhǎng)度和采樣周期采集當(dāng)前電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:在顯示界面顯示所述電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)將所述電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況傳輸給目標(biāo)終端。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK104198872SQ201410514383
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】徐雪松, 王四春, 張維明, 陳榮元 申請(qǐng)人:徐雪松