一种电能质量监测系统的制作方法
【专利摘要】一种电能质量监测系统，该系统包括单片机、数据采集模块、外部存储器、串行接口和电压源，所述单片机分别与数据采集模块、外部存储器、串行接口和电压源相连接；所述数据采集模块包括采样保持模块、电压互感器、电流互感器、滤波模块和锁相环模块；所述采样保持模块连接滤波模块，所述滤波模块分别与电压互感器和电流互感器，所述锁相环模块连接采样保持模块，所述锁相环模块又通过比较器连接在滤波模块与采样保持模块之间。本实用新型不仅具有数据收集、解决、存储功能，还具有完整的系统报告和共享的信息科技，利用分布式体系，分散在每个变电站的现场收集分析系统和信息网络合并成一个统一的整体，合作结束整个过程的电能质量运算及研究。
【专利说明】
一种电能质量监测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种质量监测系统，具体涉及一种电能质量监测系统。
【背景技术】
[0002]当前，市场经济体制逐步完善、国民经济高速发展，人们开始把更多的注意力放在电能上。我们在对电能质量实行监测、采样及研究时，制定部分提高电能质量方法，这样可以提尚电能质量。
【发明内容】
[0003]根据现有技术的不足，提供一种对电能质量实行监测、采样及研究时，提高电能质量的电能质量监测系统。
[0004]本实用新型按以下技术方案实现:
[0005]—种电能质量监测系统，该系统包括单片机、数据采集模块、外部存储器、串行接口和电压源，所述单片机分别与数据采集模块、外部存储器、串行接口和电压源相连接;所述数据采集模块包括采样保持模块、电压互感器、电流互感器、滤波模块和锁相环模块;所述采样保持模块连接滤波模块，所述滤波模块分别与电压互感器和电流互感器，所述锁相环模块连接采样保持模块，所述锁相环模块又通过比较器连接在滤波模块与采样保持模块之间。
[0006]优选的是，所述单片机包括内部处理器、AD转换器、DMA控制器、电源接口和1端口控制器，所述内部处理器分别与AD转换器、电源接口、1端口控制器、DMA控制器相连接，所述DMA控制器又分别与AD转换器、1端口控制器相连接。
[0007]优选的是，所述单片机采用C8051F064单片机。
[0008]优选的是，所述串行接口采用RS485串行接口。
[0009]优选的是，所述AD转换器采用分辨率为十四位以上的AD转换器。
[0010]优选的是，所述电压互感器采用SPT204电流类型的电压互感器。
[0011 ] 优选的是，所述电流互感器采用SCT254FK电流互感器。
[0012]本实用新型有益效果:
[0013]本实用新型不仅具有数据收集、解决、存储功能，还具有完整的系统报告和共享的信息科技，利用分布式体系，分散在每个变电站的现场收集分析系统和信息网络合并成一个统一的整体，合作结束整个过程的电能质量运算及研究。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型整体结构系统框图；
[0015]图2为数据采集模块系统框图；
[0016]图3为电压信号获取电路图；
[0017]图4为电流信号获取电路图；
[0018]图5为滤波电路原理图；
[0019]图6为采样保持电路原理图；
[0020]图7为锁相环原理框图；
[0021]图8为过零比较电路原理图；
[0022]图9为锁相倍频电路原理图；
[0023]I一单片机，1-1 一内部处理器，1-2—AD转换器，1-3—DMA控制器，1-4一电源接口，1_5一 1端口控制器，2一数据米集模块，2-1 一米样保持模块，2-2一电压互感器，2-3一电流互感器，2-4一滤波模块，2-5一锁相环模块，2-6一比$父器，3一外部存储器，4一串彳丁接口，5一电压源。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图，通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0025]如图1、图2所示，一种电能质量监测系统，该系统包括单片机1、数据采集模块2、外部存储器3、串行接口4和电压源5，单片机I分别与数据采集模块2、外部存储器3、串行接口4和电压源5相连接;数据采集模块2包括采样保持模块2-1、电压互感器2-2、电流互感器2-3、滤波模块2-4和锁相环模块2-5 ；采样保持模块2-1连接滤波模块2-4，滤波模块2_4分别与电压互感器2-2和电流互感器2-3，锁相环模块2-5连接采样保持模块2-1，锁相环模块2-5又通过比较器2-6连接在滤波模块2-4与采样保持模块2-1之间。单片机I包括内部处理器1-1、AD转换器1_2、DMA控制器1-3、电源接口 1-4和1端口控制器1-5，内部处理器1-1分别与AD转换器1-2、电源接口 1-4、10端口控制器1-5、DMA控制器1-3相连接，DMA控制器1-3又分别与AD转换器1-2、10端口控制器1-5相连接。单片机I采用C8051F064单片机。串行接口 4采用RS485串行接口。
[0026]AD转换器1-2采用分辨率为十四位以上的AD转换器，因为A/D转化的位数既可以体现量化差异的大小，又可以表示转化的精度和分辨率。而电力网络中谐波次数越高，其基波分量越低。电压互感器2-2采用SPT204电流类型的电压互感器。电流互感器2-3采用SCT254FK电流互感器。
[0027]其中AD转换器1-2和DMA控制器1-3完成对数据的收集与储存。电压在0-3.3V内收集，采集端口处的保护电路确保流入AINO电压比流入AINOG电压大3.3 V以内。AD转换器1_2在收集完一次数值以后，DMA控制器1-3对其进行快速储存，当数值储存饱和后，经串行通信接口输入到电脑进行剖析，当电压是3.3V时，单片机I才动作，但电脑收集口的动作电压是5V，这时我们需要有一个RS485串行接口芯片。系统上电复位后，通过电脑的命令执行对数值进行收集、传输和储存等。为了防止单片机I的AD转换的基准电压不稳定，也为了减小装置内部的各种影响，使用两个一模一样的3.3V基准电源，保证数字和模拟分别送电。
[0028]如图3所示，采集电压信号运用SPT204电流类型的电压互感器，流进去的电压通过电阻Rl进行限流，这样此类型电压互感器原边的额定电流是2mA，副边电流一样。运算放大器发挥功能，改变反馈电阻R2的值在输出端得到要求的输出电压。图中运算放大器的电源电压应取±12V。图中反馈电阻R2和限流电阻Rl的精度应该大于百分之一。
[0029]如图4所不，米集电流彳目号运用SCT254FK电流互感器，进去的额定电流是5A，副边得到的电流是2.5mA。运算放大器发挥功能，改变反馈电阻R3的值在输出端得到要求的输出电压。
[0030]交流母线上收集得到的信息里不仅有较大能量基波频率，还具有高次谐波信号。在流入ADC采样之前，需要低通滤波器滤除信息中涵盖高次谐波。鉴于本系统应执行的灵动性和具体条件下需要监测很多的虚拟信息，包含A、B、C三相电压和电流，每个数值可经过采样运算获取，以提高精度为目的，各个周期采样128点，利用6.4KHZ采样频率，分析可取得31次谐波，通过抗混叠滤波电路，可取得多于32次的谐波。如图5所示，是输入电压的前置子滤波器，关键发挥过滤掉多次谐波的作用。使用6阶滤波器能够增加一阶低通子滤波器减小速率。
[0031]根据上文我们了解到应该过滤掉31次以上的谐波，但事实上我们应该量取21次以内的谐波，则可取为1050Hz。
[0032]如图6所示，虚拟开关、储存器件以及缓冲放大器共同构成采样保持电路。提取样本时，低电平是虚拟开关上的数字信息。这时虚拟开关通电，电容器的两边电压UB跟着被收集UA改变。当采样间隔停下时，D变成高电平，虚拟开关不被导通，UB则停留在关断刹那的数值上。缓冲放大器的功能是对采集的信号进行扩大，它在电路上有两个根本的连接方式:一个是将信号先扩大再储存，另一个是先储存再扩大。正常情况下的采样保持电路，我们要求开关固定并且能随时跟着控制信息开始工作，关断的阻抗应该无穷大，我们更需要储存器件的电压能迅速的对模拟信号的电压进行跟踪，同时保证数据在无穷大时间里没有变动。
[0033]通过滤波的信号在经过采样保持器之后才能输送给A/D进行变换，将时间持续的信号变化成一系列时间不持续的脉冲信号。除此之外，采样频率f需要满足不小于最高频率fmax的一半，采样信息就能唯一复现原信息。LF398组成了本装置的采样保持电路。LF398是一种反馈型采样/保持放大器，构成分为输入缓冲级、输出驱动级以及控制电路。
[0034]LF398当成单纯一个放大器使用，直流增益精度是0.002%，采样t小于6微秒时精度是0.01%;流入偏离电压的改变要在2脚处进行，而且在不减小偏离I的条件中，带宽容许IMHz，它的技术条件是:工作电压:+5v — +18￥;采样时间:〈101^;可与1'孔、？]\103、0103兼容;当保持电容为0.0IuF时，保持步长为0.5mV;
[0035]在采样状态下高电源控制。
[0036]如图7所示，锁相控制即相角同时进行的非手动支配，实现双电信号相角同时进行的非手动支配装置就是锁相环。锁相环是一种非开环反馈支配装置，确保锁相环的输出和其中的参照信号维系相应的相角干系。
[0037]如图8所示，通过低通滤波器之后的按正弦顺序改变的信息可用作PLL的输入信息，滤波后的信息第二次流入低通滤波器，然后流进过零比较器，可增加被测信息的质量。将过零比较器为1/2的占空比的规则波形的前后沿来体现正弦波形信息的+、-过零位置。由于处置电路里前边滤波电路会干扰，流出的波形信息其占空比并非二分之一。经由CD4046和CD4040锁相之后，送入到监测电路的信息是占空比1/2的波形，增加了信号下一步工作的精准性。
[0038]如图9所示，为了各个工频周期波形可以采集128点，同时需要这128点在一个过程里边，即:要求采样的第I点是一个循环过程的启动，而且最后面的点是一个循环过程的完成。图中，信息由传感器收集且加工之后输入到AIN，压控振荡器流出信息VCOUT由4040分频以后反馈到对比信息输入一侧BIN，鉴相后的信息经由相角对比器从PC2流出，低通滤波分析完本信息之后再流入压控振荡器VCIN，压控振荡器流入信息以及CB、CA间的电容及电阻I管脚上的R保障了流出信息频度。为了保障通过128倍频后的流出信息频度是6.4KHZ，必须要选取适宜的R及C。上述电路正当地完成了采集频度对工频信息的非手动实时督查，确保各个过程取样128点，使采集频度达到128fo(其中fo是工频)。这不但保证了采样定律，也保障了同步采样的需要，实现了采样时间与保持时间不同时的需要，给ADC转化留下充裕的时刻。
【主权项】
1.一种电能质量监测系统，其特征在于:该系统包括单片机(I)、数据采集模块(2)、外部存储器(3)、串行接口(4)和电压源(5)，所述单片机(I)分别与数据采集模块(2)、外部存储器(3)、串行接口(4)和电压源(5)相连接； 所述数据采集模块(2)包括采样保持模块(2-1)、电压互感器(2-2)、电流互感器(2-3)、滤波模块(2-4)和锁相环模块(2-5);所述采样保持模块(2-1)连接滤波模块(2-4)，所述滤波模块(2-4)分别与电压互感器(2-2)和电流互感器(2-3)，所述锁相环模块(2-5)连接采样保持模块(2-1)，所述锁相环模块(2-5)又通过比较器(2-6)连接在滤波模块(2-4)与采样保持模块(2-1)之间。2.根据权利要求1所述的一种电能质量监测系统，其特征在于:所述单片机(I)包括内部处理器(1-1)、AD转换器(1-2)、DMA控制器(1-3)、电源接口(1-4)和1端口控制器(1-5)，所述内部处理器(1-1)分别与AD转换器(1-2)、电源接口(1-4)、10端口控制器(1-5)、DMA控制器(1-3 )相连接，所述DMA控制器(1-3 )又分别与AD转换器(I _2 )、1端口控制器(1-5 )相连接。3.根据权利要求1所述的一种电能质量监测系统，其特征在于:所述单片机(I)采用C8051R)64 单片机。4.根据权利要求1所述的一种电能质量监测系统，其特征在于:所述串行接口(4)采用RS485串行接口。5.根据权利要求2所述的一种电能质量监测系统，其特征在于:所述AD转换器(1-2)采用分辨率为十四位以上的AD转换器。6.根据权利要求1所述的一种电能质量监测系统，其特征在于:所述电压互感器(2-2)采用SPT204电流类型的电压互感器。7.根据权利要求1所述的一种电能质量监测系统，其特征在于:所述电流互感器(2-3)采用SCT254FK电流互感器。
【文档编号】G01R31/00GK205562705SQ201620305762
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】黄培, 梁纯, 戚海永
【申请人】江苏建筑职业技术学院