一種基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】一種基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置：包括依次連接的前置電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，前置電路和數(shù)據(jù)采集卡有電源模塊分別提供所需的外部工作電壓，計算機中安裝有電壓暫降監(jiān)測軟件，前置電路輸入用戶側電壓電流；前置電路與數(shù)據(jù)采集卡通過通信接口進行連接，計算機通過USB接口與數(shù)據(jù)采集卡連接，并通過各類通信網(wǎng)絡實現(xiàn)通信；前置電路又包含依次連接的采樣電路、調(diào)理電路、濾波電路和保護電路。本發(fā)明適用于對380V用戶側進行電壓、電流波形、電壓暫降事件實時監(jiān)測，且數(shù)據(jù)采樣精度高、速度快，能在發(fā)生電壓暫降的時刻捕捉并記錄電壓暫降事件相關信息，還成本低廉適宜大規(guī)模推廣應用，有利于實現(xiàn)對用戶側電壓暫降的網(wǎng)絡化監(jiān)測。
【專利說明】—種基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置，主要適用于對380V用戶側進行電壓電流波形、電壓暫降事件的實時監(jiān)測，并在發(fā)生電壓暫降的時刻能夠捕捉并記錄電壓暫降事件的相關信息。

【背景技術】
[0002]電壓暫降是指供電電壓均方根值在短時間內(nèi)突然下降的事件，電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)將其定義為電壓均方根值下降到額定值的90%?10%范圍內(nèi)，持續(xù)時間為
0.5?30個周波，其中將暫降時的電壓均方根值與額定電壓均方根值的比值定義為暫降幅值，將暫降從發(fā)生到結束之間的時間定義為持續(xù)時間。
[0003]隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，敏感電力電子設備的廣泛應用以及新型電力負荷的出現(xiàn)，大量的工業(yè)生產(chǎn)如半導體制造、紡織業(yè)、造紙業(yè)、計算機集成制造等對供電電能質(zhì)量提出了更高的要求。特別是電壓暫降問題近年來受到了廣泛的關注，美國每年因電壓暫降造成經(jīng)濟損失達200多億美元，在歐美發(fā)達國家I次電壓暫降事故造成經(jīng)濟損失都在百萬美元以上，歐美發(fā)達國家電力部門有關調(diào)查顯示，在由電能質(zhì)量引起的用戶投訴中，由電壓暫降引起的投訴多于70%?？梢?，電壓暫降現(xiàn)象已經(jīng)逐漸成為對用戶影響最大的電能質(zhì)量問題之一，而開展對電壓暫降的監(jiān)測對評估敏感設備對電壓暫降的敏感度、發(fā)掘用戶側電壓暫降規(guī)律、預防電壓暫降引起重大事故、減小電壓暫降造成的經(jīng)濟損失都有著重要的意義，因此實現(xiàn)對電壓暫降相關指標的監(jiān)測是現(xiàn)代電力用戶提出的迫切需求。
[0004]電壓暫降監(jiān)測的主要任務在于暫降幅值、持續(xù)時間的監(jiān)測，考慮到實際電網(wǎng)復雜的工況環(huán)境，以及電壓暫降發(fā)生的隨機性和暫態(tài)性，也就要求電壓暫降監(jiān)測裝置必須能夠快速準確地捕捉并記錄電壓暫降事件。
[0005]目前在用戶側廣泛使用的具有數(shù)據(jù)采集功能的監(jiān)測裝置大多存在以下局限性:1)基本只具備監(jiān)測電壓、電流、頻率，計算電壓偏差以及諧波等基本功能，針對電壓暫降的監(jiān)測功能而設計的監(jiān)測裝置比較少見；2)數(shù)據(jù)采樣精度及速度有限；3)成本較高，不適宜在用戶側大規(guī)模推廣應用；4)通信手段比較單一，不利于實現(xiàn)對用戶側電壓暫降的網(wǎng)絡化監(jiān)測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題，就是提供一種基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置，其適用于對380V用戶側進行電壓、電流波形、電壓暫降事件實時監(jiān)測，且數(shù)據(jù)采樣精度高、速度快，能在發(fā)生電壓暫降的時刻捕捉并記錄電壓暫降事件相關信息，還成本低廉適宜大規(guī)模推廣應用，有利于實現(xiàn)對用戶側電壓暫降的網(wǎng)絡化監(jiān)測。
[0007]解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0008]一種基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置，其特征是:包括依次連接的前置電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(上位機)，所述的前置電路和數(shù)據(jù)采集卡有電源模塊分別提供所需的外部工作電壓，所述的計算機中安裝有電壓暫降監(jiān)測軟件，所述的前置電路輸入用戶側電壓電流。
[0009]所述前置電路與數(shù)據(jù)采集卡通過通信接口進行連接，所述計算機(上位機)通過USB接口與數(shù)據(jù)采集卡連接，并通過各類通信網(wǎng)絡實現(xiàn)通信。
[0010]所述前置電路又包含依次連接的采樣電路、調(diào)理電路、濾波電路和保護電路，其中前置電路的輸入為用戶側的實際電壓電流信號，采樣電路包含有4個電壓采集通道和4個電流采集通道，同時采集A、B、C三相及中性線的電壓及電流波形，且采樣精度高(轉(zhuǎn)換精度可達到14位)、采樣速率快；保護電路輸出供數(shù)據(jù)采集卡接收和處理的采樣信號，幅值在±5V以內(nèi)。
[0011 ] 所述的采樣電路的互感器選用高精度的電壓互感器和電流互感器，其中電壓互感器選用CLSM-lOmA，電流互感器選用LA100-P，最大可以測量100A的用戶側電流，考慮到需要監(jiān)測大工業(yè)用戶亦能夠滿足需求；通過電壓互感器和電流互感器將用戶側的的電壓和電流轉(zhuǎn)化為幅值小的低電壓信號(±5V以內(nèi))，以便于數(shù)據(jù)采集卡的處理。
[0012]所述的濾波電路的電阻R采用10kQ，電容C采用1pF的配置。
[0013]所述的各種電路(前置電路的采樣電路、調(diào)理電路、濾波電路和保護電路)均為現(xiàn)有技術，本發(fā)明主要為通過各模塊的組合實現(xiàn)所需要的功能。
[0014]本發(fā)明所述基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置所實現(xiàn)的整體功能是，通過采集380V網(wǎng)絡的電壓電流實時信號，通過數(shù)據(jù)采集卡對信號進行告訴采集并上傳到計算機(上位機)，通過計算機中安裝的電壓暫降監(jiān)測軟件判斷是否出現(xiàn)電壓暫降現(xiàn)象，在發(fā)生電壓暫降的時刻捕捉并記錄電壓暫降事件相關信息。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016]I)可以實現(xiàn)對電壓暫降現(xiàn)象的實時監(jiān)測，能夠在發(fā)生電壓暫降的時刻捕捉并記錄電壓暫降事件的相關信息，包括暫降幅值、持續(xù)時間、電壓/電流波形等，同時能夠為設備敏感度的評估與修正提供參考數(shù)據(jù)；
[0017]2)可實現(xiàn)多通道同步采樣(包括4通道電壓信號和4通道電流信號)，且采樣精度高(轉(zhuǎn)換精度可達到14位)、采樣速率快；
[0018]3)裝置結構簡單，裝卸方便，適合在380V用戶側推廣使用，在用戶側對電壓暫降進行有效的監(jiān)測，同時在此基礎上結合對設備的控制能夠在電壓暫降發(fā)生后最大程度減小損失；
[0019]4)由于實時監(jiān)測導致數(shù)據(jù)量巨大以及受到數(shù)據(jù)采集卡的緩存的限制，數(shù)據(jù)采集卡僅作對信號進行高速采集的作用，并不在數(shù)據(jù)采集卡上直接進行計算和分析。計算分析過程將通過數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(即計算機)來進行。而計算機(上位機)有更強大的數(shù)據(jù)處理能力和更為完善的網(wǎng)絡功能，支持多種通信方式(如TCP/IP、無線網(wǎng)絡、藍牙等)，便于實現(xiàn)網(wǎng)絡化監(jiān)測，在數(shù)據(jù)傳輸中有強大的適應能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明:
[0021]圖1為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置的整體組成示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置的前置電路組成示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置的系統(tǒng)架構圖；
[0024]圖4為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置的工作流程圖；
[0025]圖5為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置的在用戶側安裝及應用的示例圖。

【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置的整體組成示意圖。
[0027]本發(fā)明包括依次連接的前置電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(上位機)，前置電路和數(shù)據(jù)采集卡有電源模塊分別提供所需的外部工作電壓，計算機中安裝有電壓暫降監(jiān)測軟件，前置電路輸入用戶側電壓電流。
[0028]前置電路與數(shù)據(jù)采集卡通過通信接口進行連接，計算機(上位機)通過USB接口與數(shù)據(jù)采集卡連接，并通過各類通信網(wǎng)絡實現(xiàn)通信。
[0029]如圖2所示，前置電路又包含依次連接的采樣電路、調(diào)理電路、濾波電路和保護電路，其中前置電路的輸入為用戶側的實際電壓電流信號，采樣電路包含有4個電壓采集通道和4個電流采集通道，同時采集A、B、C三相及中性線的電壓及電流波形，保護電路輸出供數(shù)據(jù)采集卡接收和處理的采樣信號，幅值在±5V以內(nèi)。
[0030]采樣電路是本系統(tǒng)最前端的環(huán)節(jié)，由于數(shù)據(jù)采集卡只能處理低壓小電流信號，不能直接接收網(wǎng)絡的實際電壓電流，因此需要通過互感器對實際電信號進行轉(zhuǎn)化。采樣電路包含有4個電壓采集通道和4個電流采集通道，同時采集A、B、C三相及中性線的電壓及電流波形，且采樣精度高(轉(zhuǎn)換精度可達到14位)、采樣速率快；采樣電路的互感器選用高精度的電壓互感器和電流互感器，其中電壓互感器選用CLSM-lOmA，電流互感器選用LA100-P，最大可以測量10A的用戶側電流，考慮到需要監(jiān)測大工業(yè)用戶亦能夠滿足需求；通過電壓互感器和電流互感器將用戶側的的電壓和電流轉(zhuǎn)化為幅值小的低電壓信號(土 5V以內(nèi))，以便于數(shù)據(jù)采集卡的處理。
[0031]信號調(diào)理電路的主體是一個電壓跟隨器，其主要特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低。電壓跟隨器在實際應用中一般作為緩沖級或者隔離級，原因是電壓放大器的輸出阻抗通常都比較高，往往都為上千歐姆。當出現(xiàn)后級電路的輸入阻抗比較小的情況，那么信號就會有相當多的一部分損耗在前級的輸出阻抗之中，這對信號處理來說是極其不利的，而且輸出阻抗高則會更加加劇了損耗，此時就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。而電壓跟隨器的另外一個作用就是隔離和抗干擾，當采樣得到的信號不穩(wěn)定或者發(fā)生較大的擾動的時候利用電壓跟隨器的跟隨作用濾除了干擾信號的影響。
[0032]濾波電路的作用是讓一定頻率范圍的信號通過，而對此頻率范圍以外的信號加以抑制或使其急劇衰減，當干擾信號與系統(tǒng)所采集的信號處于不同頻率范圍之內(nèi)就可以有效抑制干擾。此處選擇結構簡單的RC濾波電路，便于設計。電阻R在電路中起限流作用，電容C的作用是平滑濾波。本發(fā)明中濾波電路的電阻R采用10kQ，電容C采用1pF的配置。
[0033]保護電路主要由穩(wěn)壓管構成，作用在于當信號超出一定范圍時穩(wěn)定信號幅值，起保護作用。防止電壓信號越限損害數(shù)據(jù)采集卡并影響系統(tǒng)正常工作。
[0034]如圖3所示，為本發(fā)明所述電壓暫降監(jiān)測裝置的系統(tǒng)架構圖，所述電壓暫降監(jiān)測裝置采用C#語言開發(fā),數(shù)據(jù)庫采用Access設計，需要Microsoft.NET Framework 4運行環(huán)境支持。支持的操作系統(tǒng)為Windows XP SP3及以上操作系統(tǒng)，支持架構為x86架構。
[0035]本系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計方法，主要包括數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)設置模塊、波形展示模塊、實時計算模塊、事件記錄模塊、通信模塊。
[0036]其中，數(shù)據(jù)接口模塊用于讀取硬件系統(tǒng)所采集得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳送至數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)庫模塊則對監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算結果進行綜合整理和存儲，提供查詢功能；在此基礎上擴展出其他功能的模塊:系統(tǒng)設置模塊主要用于新建，修改和導入系統(tǒng)設置，參數(shù)包括采樣頻率，數(shù)據(jù)采集卡通道設置等硬件參數(shù)和額定值/極限值，諧波參數(shù)等限制參數(shù)；波形展示模塊則可實時查看各種狀態(tài)參數(shù)及對應的電壓電流波形；實時計算模塊則是通過算法不斷計算電壓的有效值，作為判斷是否進入電壓暫降的幅值區(qū)間的參照；事件記錄模塊則是在判斷出暫降事件后將暫降事件的相關信息進行保存的功能；通信模塊則是與后臺服務器進行數(shù)據(jù)交互的接口。
[0037]如圖4所示，為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置的工作流程圖，開始工作后，首先初始化硬件系統(tǒng)，緊接著啟動實時電壓電流數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對電壓電流數(shù)據(jù)的實時采集，在收到數(shù)據(jù)采集卡的中斷信號后，讀取信息數(shù)據(jù)，并判斷信號數(shù)據(jù)是否全部就緒，如未全部就緒，則繼續(xù)等待中斷信號讀取信號數(shù)據(jù)；若已全部就緒，則計算機讀取數(shù)據(jù)后計算并記錄各時間點的電壓有效值，每次計算完成后更新數(shù)據(jù)并進入判斷環(huán)節(jié)。判斷分為兩步，首先判斷暫降幅值是否符合條件，即暫降幅值是否保持在90%?10%的區(qū)間范圍內(nèi)，其次判斷持續(xù)時間是否符合條件，即持續(xù)時間是否為0.5?30個周波時間。當同時滿足以上兩個條件時則視為發(fā)生了一次電壓暫降事件，則保存下本次事件的相關信息，否則則返回繼續(xù)讀取信息數(shù)據(jù)并重復以上判斷環(huán)節(jié)。
[0038]如圖5所示，為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置的在用戶側安裝及應用的示例圖，其接線方式可以視為某工業(yè)生產(chǎn)用戶的簡化模型，但本發(fā)明的應用范圍并不局限于此。
[0039]圖中該用戶包含三相負載及單相負載，設備I?設備4依次構成生產(chǎn)線上的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其電壓耐受曲線依次為fi(U，T)(i = 1，2，3，4)。本發(fā)明所述基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置安裝在380V網(wǎng)絡用戶側，用于監(jiān)測對用戶進行供電的380V網(wǎng)絡的實時電壓電流波形，以捕捉和記錄電壓暫降事件。當發(fā)生電壓暫降時，裝置捕捉到暫降事件后將通過通信手段向后臺(服務器)發(fā)送暫降信號，當后臺接收到暫降信號后根據(jù)需要對生產(chǎn)線上的設備發(fā)送控制信號，及時關停敏感用電設備及可能受影響的設備以避免不必要的損失。
[0040]例如當發(fā)生A相電壓暫降時，所述基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置捕捉到暫降事件，記錄下暫降事件的暫降幅值及持續(xù)時間分別為U。、T。，并將暫降信號發(fā)送至后臺，后臺將U。、??；與設備I (三相負載)以及設備2(接入A相的單相負載)的電壓耐受曲線f\(U，T) &f2(U，T)做比較判斷，若發(fā)生越限現(xiàn)象則視為設備受到影響則應迅速發(fā)出控制信號關停相應的設備以停止可能出現(xiàn)問題的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。假定本次暫降事件已經(jīng)超出設備I及設備2的電壓耐受范圍，則應由后臺發(fā)出控制信號，關停設備I及設備2，避免設備在異常狀態(tài)下繼續(xù)工作造成設備損壞亦或是生產(chǎn)產(chǎn)品異常造成原料浪費和經(jīng)濟損失。
【權利要求】
1.一種基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置，其特征是:包括依次連接的前置電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，所述的前置電路和數(shù)據(jù)采集卡設有電源模塊分別提供所需的外部工作電壓，所述的計算機中安裝有電壓暫降監(jiān)測軟件，所述的前置電路輸入用戶側電壓電流；所述前置電路與數(shù)據(jù)采集卡通過通信接口進行連接，所述計算機通過USB接口與數(shù)據(jù)采集卡連接，并通過各類通信網(wǎng)絡實現(xiàn)通信。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置，其特征是:所述前置電路包含依次連接的采樣電路、調(diào)理電路、濾波電路和保護電路，其中前置電路的輸入為用戶側的電壓電流信號，采樣電路包含有4個電壓采集通道和4個電流采集通道，同時采集A、B、C三相及中性線的電壓及電流波形，保護電路輸出供數(shù)據(jù)采集卡接收和處理的采樣信號，幅值在±5V以內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置，其特征是:所述的采樣電路互感器為高精度的電壓互感器和電流互感器，其中電壓互感器選用CLSM-lOmA，電流互感器選用LA100-P，最大可以測量10A的用戶側電流；通過電壓互感器和電流互感器將用戶側的的電壓和電流轉(zhuǎn)化為幅值小的低電壓信號。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于數(shù)據(jù)采集卡的電壓暫降監(jiān)測裝置，其特征是:所述的濾波電路的電阻R采用10k Ω，電容C采用1pF的配置。
【文檔編號】G05B19/042GK104360145SQ201410604125
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】謝偉倫, 薛峰, 王仕洪, 賴景明, 楊家豪, 歐陽森, 曾江, 劉平 申請人:廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局