专利名称：配电变压器监测终端及用于计算其电流复功率精度的方法
技术领域：
本发明涉及电力系统计量、抄表及监测控制设备，即一种配电变压器监测终端，可
以用于抄表配网自动化、配电变压器监测、电能量管理系统，属于配网自动化领域。
背景技术：
随着科学技术的不断发展，对电力能源的需求从数量及质量上，都提出了更高的要求。电力系统为管理方便，通常在一定区域范围内，例如一个居民小区或一个办公大楼，设置一集中器采集区域内各种计量终端的计量数据，并要设置配电变压器监测设备对电网运行情况的监测和控制。但是目前大多数的配电变压器监测设备的计量、监测、通信、抄表模块都是分开设计的，虽然可以集中放置，统一管理，但各设备之间仍需铺设繁多的通讯线路以保证相互的辅助工作和协调，并且每个设备都要配置专门的通讯接口电路与上行控制主站连接，造成资源重复，且其维修和维护难度大、成本高、可靠性低。同时目前多数监测终端采用单片机、单路A/D加多路开关组成的数据采集和处理电路，而且一般采用时域的计算方法。随着人们对电力监控系统性能要求的提高，这种结构所带来的性能上的不足则越来越明显。主要包括以下三个方面(l)在以往测量三相电流的信号处理电路中，无论电流的大小，直接进入A/D模块进行采样，造成较大的测量误差；(2)由于采用频域的计算方法，快速傅里叶变换FFT采样的点数也越来越高，使得采样频率和计算量大大提高，普通单片机和A/D转换器组成的电路无法满足系统性能的要求；(3)三相电压和三相电流的非同步采样造成了电压和电流相位差的测量误差，导致计算复功率的误差较大，特别是进行到高次谐波分析时，会引起很大的计算误差。 同时随着计算机网络的发展，以及现场总线等技术的广泛使用，串口通讯在各种场合应用越来越广泛。在集中控制的场合，需要进行通讯的点很多，而作为控制中枢的计算机串口往往只有一两个，为了实现对多点的控制，需要对串口进行扩展。数字信号处理器DSP片内只有一个或两个异步串行通信接口 ，无法完全满足现场通信的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是设计一种集计量、监控、通信、抄表功能于一体的配电变压器监测终端，并提供了一种能提高配电变压器监测终端计算电流和复功率精度的方法。 本发明是通过以下技术方案实现的 配电变压器监测终端，电源管理模块、有源晶振模块和看门狗模块的输出端分别与数字信号处理器连接，三相电压通过电压互感器以及三相电流通过电流互感器，分别与信号调理电路的信号输入端连接，信号调理电路的信号输出端与所述数字信号处理器内的模数转换模块连接； 所述数字信号处理器的串行外设接口与外部扩展接口芯片连接，通过所述的外部扩展接口芯片分别交互式连接两个异步串行通讯接口 UARTA和UARTB，所述异步串行通讯接口 UARTA通过电平转换芯片与RS485接口交互式连接，所述异步串行通讯接口 UARTB与电力线低压载波抄表模块交互式连接； 在所述数字信号处理器的通用目的数字量输入输出口分别与数字量输入电路信号输出端和数字量输出电路信号输入端连接；脉冲量输入信号与状态量输入信号通过光电耦合器与数字量输入电路信号输入端连接；数字量输出电路信号输出端通过光电耦合器与继电器信号输入端连接。 配电变压器监测终端，所述数字信号处理器的串行通信接口与用于和控制主站通讯的通用分组无线服务GPRS网络通讯模块连接。 配电变压器监测终端，所述数字信号处理器的内部集成电路I2C总线分别与用于存储各类参数及数据的外部存储芯片和时钟芯片连接。 配电变压器监测终端，在所述数字信号处理器的通用目的数字量输入输出口分别
连接有键盘模块和用于显示各项计量数据及参数的液晶显示模块。 配电变压器监测终端提高计算电流和复功率精度的方法 当三相电流Ia、 Ib、 Ic经过电流互感器CT后，在所述的信号调理电路中，分别将三相Ia、 Ib、 Ic分成两路，一路不对其进行放大，另一路对其放大十倍，然后进入所述数字信号处理器的模数转换模块C进行采样，最后根据所述数字信号处理器DSP的模数转换模块ADC的转换结果进行快速傅立叶FFT计算选择合适的一组电流数据； 设定三相电压与三相电流的初始相位差为外，当三相电压与三相电流同时经过所述数字信号处理器的模数转换模块变换后，通过快速傅立叶变换FFT计算，求出电压和电
流在最大谱线处的相位差^V，得到三相电压和三相电流因互感器、线路以及进入所述数字
信号处理器DSP的模数转换模块ADC不同步所造成的相位误差AP = % ，通过补偿相位
误差Ap计算复功率。 本发明的效果 (1)本发明采用数字信号处理器DSP芯片作为中央处理单元，能够完成对三相电
压、三相电流、复功率的精确计量，对各种脉冲量和状态量的监测，采用通用分组无线服务
GPRS网络通讯模块与控制主站通讯以及完成低压电力线载波抄表，具有处理速度快，体积
小，维修、维护难度低，有效降低了整个系统的投资，有明显的经济效益。 (2)本发明采用快速傅里叶变换FFT算法提高三相电流及复功率的测量精度，其
测量结果提高了谐波分析的精度，对配电变压器进行实时监测，以实现系统的实时监控功
能，提高系统的可靠性。 (3)本发明通过数字信号处理器DSP的串行外设接口 SPI对串口进行扩展，以实现对多个通讯点的控制，满足现场通信的需求。
图1为配电变压器监测终端的硬件原理框图。
图2为三相电流、三相电压的调理模块电路原理图。
图3为计量三相电流、三相电压的流程图。 图4为数字信号处理器DSP的串行外设接口 SPI的外部扩展接口原理图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明进行详细描述。 图1为本发明的硬件原理框图。它包括有数字信号处理器DSP(l)以及相应设置 的电源管理模块(2)、有源晶振模块(3)和看门狗模块(4);三相电压Ua、Ub、Uc经过电压 互感器PT(5)以及三相电流Ia、Ib、Ic经过电流互感器CT(6)后，通过信号调理电路(7)分 别进入所述数字信号处理器DSP的模数转换模块ADC进行采样；所述数字信号处理器DSP 的串行通信接口 SCI与用于和控制主站(8)通讯的通用分组无线服务GPRS网络通讯模块 (9)连接；所述数字信号处理器DSP的内部集成电路lt总线分别与用于存储各类参数及 数据的外部存储芯片24C64EEPR0M(10)和时钟芯片RX8025 (11)连接；所述数字信号处理器 DSP的串行外设接口 SPI与外部扩展接口芯片SC16IS752(12)连接，通过所述的外部扩展 接口芯片SC16IS752分别扩展两个异步串行通讯接口 UARTA和UARTB，所述异步串行通讯 接口 UARTA通过电平转换芯片MAX485(13)与RS485(14)接口连接，所述异步串行通讯接口 UARTB与电力线低压载波抄表模块(15)连接；在所述数字信号处理器DSP的通用目的数字 量输入输出口 GPIO分别设置有用于控制通用分组无线服务GPRS模块复位的电源控制模块 (16)、键盘模块(17)、用于显示各项计量数据及参数的液晶显示模块LCD (18)、各种脉冲量 输入信号(19)和状态量输入信号(20)通过光电耦合器(21)输入的数字量输入电路(22) 以及通过光电耦合器用于控制继电器组(23)动作的数字量输出电路(24)。
键盘电路由六个按键开关组成，每个按键的一端接地，另一端与数字信号处理器 DSP的通用目的输入输出口 GPIO相连，并通过上拉电阻接到3. 3V，当按键没有被按下时，数 字信号处理器DSP读取键值为逻辑1 ;当按键被按下时，数字信号处理器DSP读取键值为逻 辑0 。液晶显示模块LCD采用128*64的中文点阵型图形液晶显示模块0CM12864，液晶显示 器的点阵像素连续排列，行和列在排布中均没有空隔，可以显示字符，汉字和连续的图形。 液晶显示模块工作电压为3. 3V，具有8位标准数据总线，6条控制线及电源线，需要由数字 信号处理器DSP结合键盘来完成显示工作。 如图2所示，当使用本发明的变压器监测终端用于计量三相电压和三相电流时， 因为三相电压Ua、Ub、Uc的变化范围比较小，所以只需将其经过电压互感器PT、电压跟随器 将其转换为数字信号处理器DSP所需要的电压1. 5 3. 3V，即可进入所述数字信号处理器 DSP的模数转换模块ADC进行采样。但是三相电流Ia、Ib、Ic的变化范围比较大，需要从几 毫安变化到几十安培，因此在三相电流Ia、 Ib、 Ic经过电流互感器CT后，第一路不对其进行 放大，直接经过电压跟随器进入所述数字信号处理器DSP进行处理，第二路通过运算放大 器放大10倍进入所述数字信号处理器DSP进行处理。 如图3所示，三相电流和三相电压经过上述处理后首先进入所述数字信号处理器 DSP的模数转换模块ADC进行转换，然后根据所述数字信号处理器的模数转换模块ADC的转 换结果进行快速傅里叶变换FFT，得到三相电流和三相电压的复相量。当三相电流的范围在 几安培至几十安培之间时，选择第一路所测量的电流数据；当三相电流的范围在几毫安至 几安培之间时，选择第二路所测量的电流数据。通过此种处理后，明显地提高了电流的测量 精度。 三相电流、三相电压因为互感器、线路以及进入所述数字信号处理器DSP的模数 转换模块ADC不同步所造成的相位误差，所以本发明通过补偿相位误差的方法来提高计算复功率的精度，所谓复功率S = P+jQ，其中S表示复功率，P表示有功功率，Q表示无功功率。
具体计算过程如下 设定三相电压Ua的频率与三相电流la的频率相同，Ua的初始相位为％ ， la的初
始相位为A ，初始相位差P。 = % - A ，即
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<formula>formula see original document page 6</formula> 则理论上复功率为^ =^/} = [///M> =^//￡飛+ ，其中j为/的共轭复数， 即)=&-， ，P为有功功率，Q为无功功率。 当三相电压Ua与三相电流la同时经过所述数字信号处理器DSP的模数转换模块 ADC变换后，通过快速傅立叶变换FFT计算，求出两者在最大谱线处的相位差为P/，即可得 到Ua和la因互感器、线路以及进入所述数字信号处理器DSP的模数转换模块ADC不同步
造成的相位误差/y = % -^ ，则实际的复功率应为S《=f/}一~ 。 当配电变压器监测终端的用于和控制主站通讯的通用分组无线服务GPRS网络通 讯模块出现较长时间不响应外部命令，或者不能通过AT命令正常关闭等特殊情况时，此时 通过所述数字信号处理器DSP的通用目的数字量输入输出口 GPIO控制电源控制模块强制 切断GPRS模块的电源，然后重启，重新激活GPRS模块。 配电变压器监测终端的状态量采集主要是实时采集位置状态和其他状态信息，既 要记录当前遥信状态，又要记录遥信变位信息；脉冲量采集主要是采集电能表输出的脉冲， 并根据电能表脉冲常数和互感器变比计算电能量。因为脉冲量和状态量均是开关量，所以 将两者的输入接口电路统一处理，本发明设计了四通道的数字量输入接口电路。外部输入 的强电信号首先通过光电耦合器进行电气隔离和缓冲，减少电源冲击、抑制尖脉冲和噪声 的干扰，然后将其输出的弱电信号送入数字信号处理器DSP的通用目的输入输出口 GPIO进 行检测。 配电变压器终端接受远方主站下发的控制命令即遥控，或者按照主站下发的控制 参数，根据当时用户用电情况进行控制，来操作出口继电器执行相应的动作。继电器内有两 组动作机构，通过连接到不同输出端子可以实现常开触点、常闭触点。无控制动作时，光电 藕合器不工作，三极管处于截止状态，使继电器保持原有状态防止误动。
在集中控制的场合，需要进行通讯的点很多，而作为控制中枢的单片机串口往往 只有一两个，为了实现对多点的控制，需要对串口进行扩展。由于所述数字信号处理器DSP 片内只有一个或两个异步串行通信接口 SCI，无法完全满足现场通信的需求，因此通过所述 数字信号处理器DSP的串行外设接口 SPI通过外部扩展接口芯片SC16IS752扩展两个异步 串行通讯接口 UARTA和UARTB，所述异步串行通讯接口 UARTA通过电平转换芯片MAX485扩 展一个与RS485接口 ，所述异步串行通讯接口 UARTB扩展一个低压电力线载波抄表模块。
权利要求
配电变压器监测终端，电源管理模块、有源晶振模块和看门狗模块的输出端分别与数字信号处理器连接，其特征在于三相电压通过电压互感器以及三相电流通过电流互感器，分别与信号调理电路的信号输入端连接，信号调理电路的信号输出端与所述数字信号处理器内的模数转换模块连接；所述数字信号处理器的串行外设接口与外部扩展接口芯片连接，通过所述的外部扩展接口芯片分别交互式连接两个异步串行通讯接口UARTA和UARTB，所述异步串行通讯接口UARTA通过电平转换芯片与RS485接口交互式连接，所述异步串行通讯接口UARTB与电力线低压载波抄表模块交互式连接；在所述数字信号处理器的通用目的数字量输入输出口分别与数字量输入电路信号输出端和数字量输出电路信号输入端连接；脉冲量输入信号与状态量输入信号通过光电耦合器与数字量输入电路信号输入端连接；数字量输出电路信号输出端通过光电耦合器与继电器信号输入端连接。
2. 根据权利要求1所述的配电变压器监测终端，其特征在于所述数字信号处理器的串 行通信接口与用于和控制主站通讯的通用分组无线服务GPRS网络通讯模块连接。
3. 根据权利要求1所述的配电变压器监测终端，其特征在于所述数字信号处理器的内 部集成电路i2c总线分别与用于存储各类参数及数据的外部存储芯片和时钟芯片连接。
4. 根据权利要求1所述的配电变压器监测终端，其特征在于在所述数字信号处理器的 通用目的数字量输入输出口分别连接有键盘模块和用于显示各项计量数据及参数的液晶 显示模块。
5. 如权利要求1所述的配电变压器监测终端提高计算电流和复功率精度的方法，其特征在于当三相电流Ia、 Ib、 Ic经过电流互感器CT后，在所述的信号调理电路中，分别将三相 Ia、Ib、Ic分成两路，一路不对其进行放大，另一路对其放大十倍，然后进入所述数字信号处 理器的模数转换模块ADC进行采样，最后根据所述数字信号处理器DSP的模数转换模块ADC 的转换结果进行快速傅立叶FFT计算选择合适的一组电流数据；设定三相电压与三相电流的初始相位差为^，当三相电压与三相电流同时经过所述数 字信号处理器的模数转换模块变换后，通过快速傅立叶变换FFT计算，求出电压和电流在 最大谱线处的相位差^/，得到三相电压和三相电流因互感器、线路以及进入所述数字信号 处理器DSP的模数转换模块ADC不同步所造成的相位误差A^ = % - & ，通过补偿相位误差 Ap计算复功率。
全文摘要
本发明涉及配电变压器监测终端及用于计算其电流复功率精度的方法，三相电压通过电压互感器以及三相电流通过电流互感器，分别与信号调理电路的信号输入端连接，信号调理电路的信号输出端与所述数字信号处理器内的模数转换模块连接；数字信号处理器通过外部扩展接口芯片分别交互式连接两个异步串行通讯接口UARTA和UARTB，UARTA通过电平转换芯片与RS485接口交互式连接，UARTB与电力线低压载波抄表模块交互式连接。采用快速傅里叶变换FFT算法提高三相电流及复功率的测量精度。本发明集计量、监控、通信、抄表功能于一体，并且提高配电变压器监测终端计算电流和复功率的精度。
文档编号G01R19/25GK101718820SQ200910185530
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月17日 优先权日2009年11月17日
发明者周天兵, 张巧云, 李林, 金冶夫, 陶维青 申请人:安徽科大鲁能智能电网技术有限公司