在线式电能质量监测装置和方法
【专利摘要】本发明提供了一种在线式电能质量监测装置和方法。其中，该装置包括：信号采集模块，用于按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号；其中，该采样窗口长度为电力系统的电压信号或电流信号中基频信号周期的整数倍；采样周期为本地时钟周期的整数倍；模数转换模块，用于对采集到的电压信号和电流信号分别进行模数转换，得到数字电压信号和数字电流信号；电能参数分析计算模块，用于对数字电压信号和数字电流信号进行分析计算，得到对应的电能参数；运行情况确定模块，用于根据上述电能参数确定电力系统的运行情况。通过本发明，能够有效防止频谱泄露，提升了采样的同步性，进而提升了电能质量监测的准确性。
【专利说明】在线式电能质量监测装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力能源及微电子【技术领域】，具体而言，涉及在线式电能质量监测装置和方法。
【背景技术】
[0002]电力工业的快速发展使得配电系统日益复杂，在轻微的电力问题变得明显之前，工业设施配电系统就可能接近崩溃了。电力作为一种特殊的商品，其不可摆脱的一般商品属性——“电能质量”问题日益受到供用电双方的重视，对电能质量进行实时监测也随之逐渐成为一种必然要求，但是，随着可控硅整流器、电弧炉、轧钢机、电力机车、计算机及各种通讯设备等(非线性、冲击性和不对称性负荷)大量投入使用，使电网供电电压的非线性、不稳定性和不对称性日趋严重。小到计算机死机、硬盘受损，大到变压器过热、企业生产线停产等一系列因电能质量引起的供电事故时有发生。电能质量的恶化威胁着国民经济的安全、正常运行。如何提高和保证电能质量已经成为我国电力系统面临的重要问题。为了改善电能质量和制定有关电能质量的治理措施和政策提供必要的依据，电力部门需对电能质量进行连续的监测。由于电力电子器件构成的各种装置在电力系统中被广泛应用，一方面对电力系统的电能质量提出了更高的要求，另一方面给电力系统带来了新的污染，恶化了电能质量，使传统的电能质量指标体系不能适应新的情况，迫使提出和推行新的电能质量指标体系，从而使传统的电能质量监测仪面临淘汰的命运，开发和使用新的高性能电能质量监测仪成为必然。
[0003]随着电力系统的发展和科学技术的进步，尤其是近二十年来，微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术等高新技术获得了迅猛发展。这一背景和形势，不断地向电能质量监测提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、使用更方便、成本更低廉等。目前，电能质量监测向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向迅速发展，而且由于大量采用高新科学技术的研究成果、跨学科的综合设计、高精尖的制造技术与严格科学的实际应用，因而使得它还正朝着更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对象全方位信息的方向阔步前进。可以看出，高科技化不但是现代电能质量监测的主要特征，也是新世纪电能质量监测的发展主流。电能质量监测产品的高科技化，日益成为电能质量监测科技与产业的发展主流。
[0004]目前，在线式电能质量监测仪因采样窗口长度和采样周期的设置不够合理，容易出现频谱泄露，进而影响电能质量监测的准确性，针对这一问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在线式电能质量监测装置和方法，以解决上述的问题。
[0006]在本发明的实施例中提供了一种在线式电能质量监测装置，包括:信号采集模块，用于按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号；其中，采样窗口长度为电力系统的电压信号或电流信号中基频信号周期的整数倍；采样周期为本地时钟周期的整数倍；模数转换模块，用于对信号采集模块采集到的电压信号和电流信号分别进行模数转换，得到数字电压信号和数字电流信号；电能参数分析计算模块，用于对模数转换模块得到的数字电压信号和数字电流信号进行分析计算，得到对应的电能参数；运行情况确定模块，用于根据电能参数分析计算模块计算出的电能参数确定电力系统的运行情况。
[0007]在本发明的实施例中还提供了一种在线式电能质量监测方法，包括:
[0008]按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号；其中，采样窗口长度为电力系统的电压信号或电流信号中基频信号周期的整数倍；采样周期为本地时钟周期的整数倍；对采集到的电压信号和电流信号分别进行模数转换，得到数字电压信号和数字电流信号；对数字电压信号和数字电流信号进行分析计算，得到对应的电能参数；根据电能参数确定电力系统的运行情况。
[0009]本发明实施例提供的方法和装置，在进行信号采集时，采用的采样窗口长度为该电力系统的电压信号或电流信号中基频信号周期的整数倍；而采样周期为本地时钟周期的整数倍，基于该采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号，这样能够有效防止频谱泄露，提升了采样的同步性，进而提升了电能质量监测的准确性。
[0010]为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看做是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0012]图1示出了本发明实施例提供的在线式电能质量监测装置的结构框图；
[0013]图2示出了本发明实施例提供的另一种在线式电能质量监测装置的结构框图；
[0014]图3示出了本发明实施例提供的在线式电能质量监测仪的硬件结构示意图；
[0015]图4示出了本发明实施例提供的MCU的结构框图；
[0016]图5示出了本发明实施例提供的PC104总线与HPI总线桥接电路的结构框图；
[0017]图6示出了本发明实施例提供的DSP的结构框图；
[0018]图7示出了本发明实施例提供的同步采样电路的结构框图；
[0019]图8示出了本发明实施例提供的监测仪的软件系统架构结构框图；
[0020]图9示出了本发明实施例提供的监测仪的软件系统的运行示意图；
[0021]图10示出了本发明实施例提供的HPI交互协议的交互示意图；
[0022]图ll(a)、ll(b)和11(c)分别示出了本发明实施例提供的经数字滤波后得到的基波信号的波形示意图、相邻两个正斜率过零点(即由负变正的过零点)附近放大后的波形示意图；
[0023]图12示出了本发明实施例提供的在线式电能质量监测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，并不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]参见图1所示的在线式电能质量监测装置的结构框图，该装置包括以下模块:
[0026]信号采集模块12，用于按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号；其中，该采样窗口长度为该电力系统的电压信号或电流信号中基频信号周期的整数倍；该采样周期为本地时钟周期的整数倍；这里的本地时钟指的是电能质量监测装置的系统时钟；
[0027]模数转换模块14，与信号采集模块12相连，用于对信号采集模块12采集到的电压信号和电流信号分别进行模数转换，得到数字电压信号和数字电流信号；
[0028]电能参数分析计算模块16，与模数转换模块14相连，用于对模数转换模块14得到的数字电压信号和数字电流信号进行分析计算，得到对应的电能参数；
[0029]运行情况确定模块18，与电能参数分析计算模块16相连，用于根据电能参数分析计算模块16计算出的电能参数确定电力系统的运行情况。
[0030]本实施例的装置在进行信号采集时，采用的采样窗口长度为该电力系统的电压信号或电流信号中基频信号周期的整数倍；而采样周期为本地时钟周期的整数倍，基于该采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号，这样能够有效防止频谱泄露，提升了采样的同步性，进而提升了电能质量监测的准确性。考虑到实际电力系统中，电压频率有时会发生波动，而在采样窗口长度内，每个采样周期内采集到的采样点数可能会不同，进而影响后续的电能参数分析与计算，基于此，在上述图1所示装置的基础上，本发明实施例还提供了图2所示的另一种在线式电能质量监测装置的结构框图，该装置除了包括图1所示的各个模块外，还包括:信号补足模块22，与模数转换模块14和电能参数分析计算模块16相连，用于当各采样周期内的采样个数不同时，在模数转换模块14对采集到的电压信号和电流信号分别进行模数转换后，采用牛顿插值法对采样个数不足设定个数的采样周期内的数字电压信号和数字电流信号进行补足操作。
[0031]考虑到完全同步采样实现比较难，本发明实施例采用了加窗函数的方式，基于此，上述信号采集模块12可以包括:窗口加宽单元，用于采用矩形窗或者海宁窗对采样窗口加宽；信号采集单元，用于基于窗口加宽单元加宽后的采样窗口按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号。这种加窗方式，可以有效地降低频谱泄露、混叠和“栅栏”效应。
[0032]上述装置采用改进FFT检测谐波与间谐波，能够一次性高精度地从复杂电网的电压和电流中获取O?采样频率/2之间的整数和分数分量，获取方式比较迅速方便，较好地降低了 “栅栏”效应和频率泄漏的影响。
[0033]为了便于监测者及时了解电力系统的运行情况，上述装置还可以包括:运行情况显示模块，与运行情况确定模块18相连，用于在显示界面显示电力系统的运行情况。和/或，上述装置还可以包括:运行情况传输模块，与运行情况确定模块18相连，用于通过移动网络或互联网将电力系统的运行情况传输给目标终端。
[0034]基于上述装置，在具体实现时，可以采用图3所示的在线式电能质量监测仪的硬件结构示意图，图中虚线部分为可选组件/扩充功能件。该监测仪的硬件主要为间谐波/暂态监测模块；A/D转换器I为低频采样A/D转换器，A/D转换器2为高频采样A/D转换器；DSPl和DSP2的输入信号为A/D转换器I的输出信号(DSP2作为间谐波监测模块)，或者，DSPl的输入信号为A/D转换器I的输出信号,DSP2的输入信号为A/D转换器2的输出信号(DSP2作为暂态监测模块或间谐波与暂态监测模块)。
[0035]本实施例的A/D转换器可以采用高速16位A/D转换器，电流互感器和电压互感器分别用于采集电流信号和电压信号，电流互感器和电压互感器采集到的信号传输给各自连接的缓冲放大器，再经由A/D转换器和DSP高速数字信号对各相电流、电压进行模数转换，由DSP完成对基本电参量、谐波、闪变等的测量(或称为计算)与分析工作。计算得到的数据可以通过高速HPI通信接口和管理层(即图中的MCU)进行数据交换；管理层采用先进的嵌入式PC104工控机和稳定的操作系统(例如=Android操作系统)组成，主要完成显示、数据统计、存储、通信等工作。
[0036]图3中的控制逻辑模块用于向各个部件发送控制指令，进行相应的动作。图中还包括有电源、与电源相连接的电源管理模块，以及数据保持电池、抄表电池，用于为在线式电能质量监测仪提供工作用电等。
[0037]下面具体介绍图3所示监测仪的各个部分:
[0038](I)MCU
[0039]本发明实施例中的MCU(也可以称为逻辑管理模块或管理机)采用PC104主板+Android的嵌入式系统。如图4所示的MCU的结构框图，该MCU包括PC104主板(或称为PC104主机、主机)、该主板连接有硬盘和CF卡，其控制信号连接逻辑组合单元，并经由驱动与监测仪的总线连接；PC104主板通过数据线连接总线驱动，该总线驱动也与监测仪的总线连接。PC104主板包含有一个串行通信口、一个以太网通信口、一个微型EIDE接口、一个GP1接口、两个USB2.0高速接口、一个VGA液晶接口、RJ45接口和一个PS2接口，串行通信口可配接任何RS-232异步通信设备，以太网口支持TCP/IP协议。PC104主板的安装母板(简称接口板)的支持电路主要是EIDE、COM、VGA、LAN、PS2、双USB接口插件转换线路、以及PC104主板的总线与HPI总线之间的桥接电路(含电平变换、地址译码一采用CPLD逻辑译码，以及相关控制电路)。
[0040]PC104主板可以采用BGA封装CPU芯片，在O?60°C工作范围内无需风扇，彻底解决了由于风扇故障引起可靠性降低的问题。在板CPU及SDRAM增加了系统的稳定性及可靠度，该板上的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适配卡、硬盘或D0C。这种采取8层PCB板的设计，增加了其防电磁干扰的能力。
[0041]PC104主板可以采用PCC-3568主板，它集成了低功耗的586带多媒体功能的CPU。板上具有CRT/IXD显示接口、I个10/100Mbps网络接口、支持2个串口、一个并口、两个USB接口、音频接口、软驱接口、16级看门狗定时器、8位数字输入、8位数字输出、在板128/64/32M SDRAM、一个微型硬盘接口，可支持两个硬盘驱动器、一个115.2Kbps的红外线接口，提供扩充用的标准PC/104接口。
[0042](2)总线与HPI总线桥接电路
[0043]DSP与PC104主板之间采用高速的HPI总线进行数据交换。PC104主板的HPI接口是一个并行端口，PC104主板掌管该接口的主控权，通过它可以直接访问DSP的整个存储空间。
[0044]PC104主板通过使用地址总线模拟HPI接口控制信号的方式掌管DSP的HPI并直接读写HPI控制寄存器及访问DSP的存储空间。考虑到总线间高速长距离以及背板拔插的连接方式，PC104总线和HPI这两种总线之间需要设计总线接口电路进行时序与控制信号的匹配工作。
[0045]参见图5所示的PC104总线与HPI总线桥接电路的结构框图，在PC104源端和DSP负载端采用终端匹配电阻网络的匹配方式，在背板插件处采用阻容网络的匹配方式，同时由于DSP和PC104接口电平不匹配以及考虑总线干扰隔离，总线信号经过总线隔离驱动器后进出源端和负载端。
[0046](3)高速测量模块(即DSP)
[0047]参见图6所示的DSP的结构框图，该DSP的结构与传统的DSP结构类似，采样信号经过互感器后，经信号调理回路(即缓冲放大器)进入A/D转换器；A/D转换结束后产生一个中断信号以通知DSP读取数据，DSP通过地址选择相应A/D转换器及相关通道后，将16位数据读回。DSP通过32bit高性能外部存储器接口(EMIF)直接访问片外高速数据存储器和程序存储器，其地址分配由可编程逻辑阵列决定。DSP外扩铁电存储器以存取固定的参数(含各通道数据校正、运行模式等等参数)。DSP通过TL16C550扩展一个RS-232串口，该串行接口可配接任何RS-232异步通信设备，主要用于单板调试用。
[0048]HPI接口作为DSP与MCU进行高速通信的数据接口，通过DSP的HPI接口，MCU可以高速访问DSP的整个存储空间。
[0049](4)A/D 转换器
[0050]A/D转换器采用的A/D转换芯片可以为ADS8364。ADS8364是高速、低功耗，六通道完全独立的16位逐次逼近模数转换器。它采用+5V工作电压，并带有SOdB共模抑制的全差分输入通道以及六个4 μ s连续近似的模数转换器、六个差分采样放大器。另外，在REFIN和REFOUT引脚内部还带有+2.5V参考电压以及高速并行接口。ADS8364的六个模拟输入分为三组(Α，Β和C)，每个输入端都有一个ADCs保持信号以用来保证几个通道能同时进行采样和转换。
[0051]当ADS8364采用5MHz的外部时钟来控制转换时，它的取样率是250kHz，同时对应于4μ s的最大吞吐率，这样，采样和转换共需花费20个时钟周期。另外，当外部时钟采用5MHz时，ADS8364的转换时间是3.2 μ s，对应的采集时间是0.8 μ S。因此，为了得到最大的输出数据率，读取数据可以在下一个转换期间进行。
[0052](5)同步采样电路
[0053]同步采样电路主要完成频率跟踪的功能，该电路可以保证在一个工频周期内为A/D转换器提供256点的采样信号，从而实现同步锁相的功能。
[0054]参见图7所示的同步采样电路的结构框图，其包括:隔直滤波电路、过零比较电路、选相电路、锁相倍频电路(也称PLL电路)和A/D转换器。选相电路能自动选择有电压的相别，并根据选中相别的电压产生过零信号提供给后续的PLL电路，以实现256倍的锁相倍频采样。在频率变化的情况下，电路也能保证每周波256点的采样。选相电路以A相电压作为最优先考虑的相别，当A相有电压时将A相过零信号作为同步信号，闭锁B、C相；A相掉电后，以B相过零信号作为同步信号，闭锁C相；A、B相同时掉电，以C相过零信号作为同步信号。在相间进行同步信号切换时，由于电路参数以及线路本身的延时，会出现一段闭锁的空白，这时将产生一个失效中断信号通知DSP，由DSP提供这个空白时间的同步采样信号。当三相电压全部失效后，则由DSP自主产生同步采样信号，以50Hz工频进行256点的采样。
[0055]上述监测仪的软件系统架构可以采用如图8所示的框图结构，具体为用户层、应用服务层和数据层。用户层包括:用户界面、界面处理层、界面处理通信层、业务通信中间层；应用服务层包括:业务外观层、业务规划层、实体控制层、数据实体层、标准参数和系统配置；数据层包括数据访问层和文件存储系统。可以设计下述4个子系统来完成系统的功能，子系统分别是:显示子系统、初始化和参数设置子系统、应用业务处理子系统、DSP数据读写子系统。
[0056]显示子系统功能主要是完成用户和电能质量监测仪的显示交互，主要包括参数设置交互、基本电量显示、电能质量显示、电能显示、事件显示、系统自检信息显示以及相关与应用业务处理子系统的通信处理等。初始化和参数设置子系统主要完成MCU和应用系统的初始化工作以及对系统进行各种参数设置工作，主要是通过共享内存和消息队列的方式向业务处理子系统提供各种标准参数和进行相关的参数设置工作。
[0057]应用业务处理子系统主要用来处理所有核心业务，其中主要包括统计分析处理、数据存储与删除、数据查询、数据通信处理、系统管理、掉电处理等，其中以统计分析处理模块最为复杂，当DSP部分有数据到来时，由DSP数据读写子系统通过HPI总线定时查询方式或中断方式读取DSP部分数据，读取数据完成后产生一个向应用业务处理子系统的信号量，应用业务处理子系统接收到信号量后，开始相关的统计分析工作。
[0058]参见图9所示的监测仪的软件系统的运行示意图，首先，系统进行初始化及自检；然后检查是否有数据就绪标志？如果有数据就绪标志，进行基本电量的计算，以及后续的电压波动与闪变的计算、谐波与间谐波的计算、三相不平衡的计算、电压与频率偏差的计算；如果没有数据就绪标志，则继续监测。
[0059]DSP数据读写子系统主要完成对DSP板的所有读写操作，具体操作主要包括DSP参数设置、DSP通信与管理、DSP实时数据读取、DSP录波数据读取等。
[0060]参见图10所示的HPI交互协议的交互示意图，HPI可以视为四个区:自检结果区、设置参数交互区、初始命令交互区和数据交互区；其中，检结果区、设置参数交互区均对应DSP缓冲区；初始命令交互区和数据交互区对应MCU。
[0061]DSP内运行的具体算法及实施方式如下:
[0062]1、实时值
[0063]实时值包括:(I) A、B、C三相电压值；(2) A、B、C三相电流值；实时值通过A/D转换器采样得到。
[0064]2、有效值
[0065]2.1真有效值
[0066]有效值的定义:
【权利要求】
1.一种在线式电能质量监测装置，其特征在于，包括: 信号采集模块，用于按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号；其中，所述采样窗口长度为所述电力系统的电压信号或电流信号中基频信号周期的整数倍；采样周期为本地时钟周期的整数倍； 模数转换模块，用于对所述信号采集模块采集到的所述电压信号和电流信号分别进行模数转换，得到数字电压信号和数字电流信号； 电能参数分析计算模块，用于对所述模数转换模块得到的所述数字电压信号和数字电流信号进行分析计算，得到对应的电能参数； 运行情况确定模块，用于根据所述电能参数分析计算模块计算出的所述电能参数确定所述电力系统的运行情况。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 信号补足模块，用于当各采样周期内的采样个数不同时，在所述模数转换模块对采集到的所述电压信号和电流信号分别进行模数转换后，采用牛顿插值法对采样个数不足设定个数的采样周期内的数字电压信号和数字电流信号进行补足操作。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块包括: 窗口加宽单兀，用于米用矩形窗或者海宁窗对米样窗口加宽； 信号采集单元，用于基于所述窗口加宽单元加宽后的采样窗口按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 运行情况显示模块，用于在显示界面显示所述电力系统的运行情况。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 运行情况传输模块，用于通过移动网络或互联网将所述电力系统的运行情况传输给目标终。
6.一种在线式电能质量监测方法，其特征在于，包括: 按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号；其中，所述采样窗口长度为所述电力系统的电压信号或电流信号中基频信号周期的整数倍；采样周期为本地时钟周期的整数倍; 对采集到的所述电压信号和电流信号分别进行模数转换，得到数字电压信号和数字电流号; 对所述数字电压信号和数字电流信号进行分析计算，得到对应的电能参数； 根据所述电能参数确定所述电力系统的运行情况。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括: 当各采样周期内的采样个数不同时，在对采集到的所述电压信号和电流信号分别进行模数转换后，采用牛顿插值法对采样个数不足设定个数的采样周期内的数字电压信号和数字电流信号进行补足操作。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按照设置的采样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号包括: 米用矩形窗或者海宁窗对米样窗口加宽，基于加宽后的米样窗口按照设置的米样窗口长度和采样周期采集当前电力系统的电压信号和电流信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:在显示界面显示所述电力系统的运行情况。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:通过移动网络或互联网将所述电力系统的运行情况传输给目标终端。
【文档编号】G01R31/00GK104198872SQ201410514383
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】徐雪松, 王四春, 张维明, 陈荣元 申请人:徐雪松