专利名称：高精度多模式低压负荷功率特性记录仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属电网测量技术领域，具体而言是一种集中GPS精确授时、高频率采样、高精度测量、三模式汇总发送的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪。
背景技术：
目前，伴随智能电网规划和相关标准的相继推出及一些试点项目的陆续完成，中国智能电网市场将迎来井喷式发展，国家电网正在大规模的进行新一轮的农网升级改造， 其中的一个重要环节就是测量仪表的更新。并且整个电网行业正在积极推进阶梯电价和分时电价的施行，测量型同步功率仪表在今后将进入一个发展创新提高的全新阶段。目前市场上已有的功率测量装置有以下特点(1)大多为即时功率显示，用来检验用电设备的功率大小，所测数据不能网络传输，不便于系统利用；(2)个别的功率测量装置可以实现单一数据网络传输，将数据发送至终端显示，但是因为没有精确的同步授时模块，不能实现多地测量的数据同步，无法将不同地点的仪表所测数据集中系统整合到一起，进而无法分析功率负荷特征。(3)常规功率测量装置均是针对系统稳态情况进行设计，也即只考虑电压、频率偏离额定值不大，且变化缓慢的情况下，此时对数据采样要求较低。而在电压、频率快速变化时，则不能精确的获知功率特性频率的快速变化对测频方法要求较高，达到PMU的要求水平；对采样频率要求较高，要在IkHz之上。因此常规功率测量装置大都为稳态功率记录仪。(4)电力系统调度中心用来监视负荷的EMS以及电计量管理系统中应用的电能表 (非功率表)，主要实现电厂上网、下网和夸省、区电能量交易关口、过网电能量关口、直供用户关口等联络线关口点电能量的计量，分时段存储、采集和处理，数据的传输具有即时而非实时性。也就是说，由于这种系统的安装复杂、成本较高、主要设置在电网少数关键节点等特点的局限性，只能将较大区域内的负荷功率分布显示在电力中心调度部门，无法将低压用户侧社区乃至家庭用电的功率分布特性集中有效的汇总，以便更为高效的管理低压侧用电分布，更无法做到将某一类用电设备在不同环境地点中的功率特性实时同步的汇总到接收终端。而且目前电网已用的数据传输包括专线信道和电话网，乃至正在快速发展的公用 /企业数据通信网络，没有融入现在先进的3G (第三代无线通信技术)无线通信技术。目前国内还没有能够实现精确同步授时、数据采集后采用三模式传输联网汇总的低压侧家庭式功率记录跟踪仪。
实用新型内容本实用新型的目的就是为解决上述问题，提供了一种结构简单、成本低，安装灵活不局限于各计量关口，能够实现联网同步精确授时、高精度测量、并且三模式发送的高精度2/11 页
多模式低压负荷功率特性记录仪，它可以实现负荷功率特性的高精度实时同步检测，特别是适合于在电压、频率变化比较大的暂态过程高精度记录低压负荷特性，可以掌握负荷电压-功率特性、频率-功率特性，以及功率时变特性，可全面掌握低压负荷曲线特性，对智能电网发展具有重要意义。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，它包括微处理器单元，微处理器单元通过信号调理、模数转换处理单元从低压侧电网采集电网模拟信号，并计算分析出电网低压侧相量信号的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数，利用双模式授时单元采集GPS或北斗导航信号得到时间信息，与计算出的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数整合，得到时序的电网向量，并通过三模式数据发送单元将数据发送到服务器终端；微处理器单元还通过电源单元从低压侧电网获得电源电压，并且与液晶显示单元和控制单元相连。所述微处理器单元为基于ARM的中央计算模块。所述信号调理、模数转换处理单元包括负载电流互感器模块和电网电压互感器模块，它们分别与各自的滤波模块连接，滤波模块为RC滤波电路，将谐波滤去，转换成采样的信号，两滤波模块与模数转换处理计算模块连接。所述模数转换处理单元为芯片CSM60A，其驱动电压+5V，采样频率设为2kHz，即每0. 5ms对模拟信号进行一次采样，进行一次AD转换；数字信号输出形式为M位的二进制补码，转换完成时向微处理器单元发出中断请求，微处理器单元响应中断读出AD转换的电压瞬时值数据；它与微处理器单元间采用标准SPI通信方式进行通信，通信占用四个通信线。所述控制单元为键盘。双模式授时单元有两套授时系统GPS系统和北斗导航系统，普通状态下选择 GPS系统对装置进行授时，并自动检测GPS信号质量，当其信号不可用时自动切换到北斗导航系统；双模式授时单元发送频率为1Hz，即数据每一秒中接收一次卫星信息，更新上传数据一次，比特率设置为38400bps，发送数据包括，格林时间信息，地理信息。所述三模式数据发送单元包括三部分组成GPRS或3G或CDMA无线通信模块，串行通信模块，Internet有线通信模块；其中，GPRS或3G或CDMA无线通信模块为装有开通相关业务的SIM手机卡，通过USB接口与微处理器单元通信，接收指令，在系统初始化设置后与服务器终端建立连接，与服务器终端进行通信；Internet有线通信模块为嵌入式以太网串口数据转换模块，10/100M自适应以太网接口，实现串口数据与以太网数据的转换，连接hternet网络，进行数据传输；微处理器单元控制三模式数据发送单元连接服务器终端后，向三模式数据发送单元发送固定格式的电网相量数据，三模式数据发送单元通过无线或有线网络将数据发送到服务器终端固定端口号，服务器终端监听端口号，对数据进行接收、分析，完成数据采集。一种高精度多模式低压负荷功率特性记录仪的工作方法它的工作步骤为(1)系统开始初始化；
4[0026](2)进行数据无线通信传输时，执行步骤(3)；若采用串行通信或hternet有线传输时，执行步骤(6)；(3)检测无线通信单元的网络质量；(4)判断是否找到无线通信网络；未找到则返回步骤(3)，如找到则转入下一步；(5) 3G、CDMA或GPRS无线通信模块成功连接服务器终端；(6)串行通信或hternet有线模块成功连接服务器终端；(7)双模式授时单元接收GPS信息，若可用直接上传；若不可用，则接收北斗导航信息，若可用上传；(8)微处理器单元接收时间信息，对时间信号进行处理得到北京时间；(9)开始信号采集、模数转换，在微处理器单元的控制下，模数转换处理单元芯片 CS5460A采集负荷电压、电流信号，经过分析计算得到同步电压相量和电流相量，再进而计算出频率、有功功率和无功功率，分别储存在不同的寄存器中；(10)向三模式数据通信单元发送相量信息，三模式数据通信单元将数据发送到服务器终端；(11)检测时间信号是否可用，不可用转入步骤(7)，可用转入步骤(9)；(12)显示时间、功率及其他电量信息；转入步骤(7)。所述步骤(9)中，频率、电压、电流相量的计算过程为模数转换处理单元开始模数转换后，采样频率为观，将采样数据顺序放在长度为 100的缓冲区；每0. 5ms模数转换中断一次，每次中断将采样值放到缓冲区，并判断相邻两次采样之间是否存在过零点，如果过零则计算过零时间，并将过零时间保存；过零点判断和过零时刻计算方法如下固定采样间隔，采样频率为2kHz ；对相邻的两个采样值(V1, VkJ、(tk，Vk)，判断两个电压值符号是否相同如果符号相同则不进行计算；如果符号不同，则认为(tk+Vn)、 (tk，Vk)两点之间的曲线近似为直线，计算通过两点的直线与横轴的交点对应的时间，也即过零点的时间，计算公式为t = tk-Vk^^(1)
Vk-\ 一 vkk 采样点序列标记；tk 采样点时间；Vk 采样点幅值；t 过零点时间；以上述方法进行采样、过零判断；采样满100次时，假设共有η次过零，则频率为/。= \、(2)
1Vl ~1η)式中、和、分别是第1次和第η次过零采样对应的时间，&为过零方法计算的频率；以最小二乘法，对前述100个采样点进行拟合，拟合成为正弦曲线，如式(3)所示； 根据fo调整采样频率，重新进行采样，得到采样点序列lXk，k = 0，-,99}；前20个点根据式⑷、(5)计算得到第1个电压、电流相量Χ{ ) = φ.Χ η{ω + φ)(3)X(t)电压、电流的连续时域信号；X:电压、电流有效值；ω 角速度；Φ :相角；
权利要求1.一种高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，其特征是，它包括微处理器单元，微处理器单元通过信号调理、模数转换处理单元从低压侧电网采集电网模拟信号，并计算分析出电网低压侧相量信号的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、 功率因数，利用双模式授时单元采集GPS或北斗导航信号得到时间信息，与计算出的电压、 电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数整合，得到时序的电网向量，并通过三模式数据发送单元将数据发送到服务器终端；微处理器单元还通过电源单元从低压侧电网获得电源电压，并且与液晶显示单元和控制单元相连。
2.如权利要求1所述的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，其特征是，所述微处理器单元为基于ARM的中央计算模块。
3.如权利要求1所述的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，其特征是，所述信号调理、模数转换处理单元包括负载电流互感器模块和电网电压互感器模块，它们分别与各自的滤波模块连接，滤波模块为RC滤波电路，将谐波滤去，转换成采样的信号，两滤波模块与模数转换处理计算模块连接。
4.如权利要求3所述的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，其特征是，所述模数转换处理单元为芯片CSM60A，其驱动电压+5V，采样频率设为2kHz，即每0. 5ms对模拟信号进行一次采样，进行一次AD转换；数字信号输出形式为M位的二进制补码，转换完成时向微处理器单元发出中断请求，微处理器单元响应中断读出AD转换的电压瞬时值数据；它与微处理器单元间采用标准SPI通信方式进行通信，通信占用四个通信线。
5.如权利要求1所述的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，其特征是，所述控制单元为键盘。
6.如权利要求1所述的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，其特征是，双模式授时单元有两套授时系统GPS系统和北斗导航系统，普通状态下选择GPS系统对装置进行授时，并自动检测GPS信号质量，当其信号不可用时自动切换到北斗导航系统；双模式授时单元发送频率为1Hz，即数据每一秒中接收一次卫星信息，更新上传数据一次，比特率设置为38400bps，发送数据包括，格林时间信息，地理信息。
7.如权利要求1所述的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，其特征是，所述三模式数据发送单元包括三部分组成GPRS或3G或CDMA无线通信模块，串行通信模块， Internet有线通信模块；其中，GPRS或3G或CDMA无线通信模块为装有开通相关业务的SIM手机卡，通过USB接口与微处理器单元通信，接收指令，在系统初始化设置后与服务器终端建立连接，与服务器终端进行通信；Internet有线通信模块为嵌入式以太网串口数据转换模块，10/100M自适应以太网接口，实现串口数据与以太网数据的转换，连接hternet网络，进行数据传输；微处理器单元控制三模式数据发送单元连接服务器终端后，向三模式数据发送单元发送固定格式的电网相量数据，三模式数据发送单元通过无线或有线网络将数据发送到服务器终端固定端口号，服务器终端监听端口号，对数据进行接收、分析，完成数据采集。
专利摘要本实用新型公开了一种成本低，安装灵活不局限于各计量关口，可实现联网同步精确授时、高精度测量、三模式发送的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪，它包括微处理器单元，微处理器单元通过信号调理、模数转换处理单元从低压侧电网采集电网模拟信号，并计算分析出电网低压侧相量信号的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数，利用双模式授时单元采集GPS或北斗导航信号得到时间信息，与计算出的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数整合，得到时序的电网向量，并通过三模式数据发送单元将数据发送到服务器终端；微处理器单元还通过电源单元从低压侧电网获得电源电压，并且与液晶显示单元和控制单元相连。
文档编号H04L29/08GK202330589SQ201120463429
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者张恒旭, 牛新生, 王春义 申请人:山东大学, 山东电力研究院