专利名称：数字式电压闪变测试仪的制作方法
技术领域：
本发明属于一种电力网专用测试仪器，用于在线实时测量电网某点的电压闪变△V10值，并在测量结束时立即给出统计分析结果，以便即时判定该点电压闪变△V10值是否超出国标GB12326-90之要求。
在本发明申请前，国内外已有测量电网电压闪变△V10值的仪表出现1、日本在一九八六年公开了一种电力中央研究所有的有效值检出形闪变测试仪(实效值检出形フリツカメ-タ-，型号为VF-102和VF-103)。该闪变测试仪主要由△V检出电路和闪变检出电路组成。△V检出电路实现电网电压有效值到直流电压的变换;闪变检出电路则完成△V与频率补偿因子(即闪变视感度系数)之乘积并对此乘积进行1分钟积分而形成用以反映电压闪变水平的输出电压，此电压由模拟电压表头进行指示。从电路组成来讲，该闪变仪全部由集成运放和阻容元件构成，属于一种纯粹模拟式测量仪器。
2、我国能源部电力科学研究院在1980年试制了几台电压闪变测试仪，其方法和结构基本上与上述日本闪变仪相仿。
本发明的目的在于，提供一种数字式电压闪变测试仪，它较前述模拟式闪变仪在测量精度、仪器综合频率特性、适用范围及自动化程度等方面都有显著提高，并增加统计处理、自检及与IBM-PC微机通讯等功能。
本发明的特征在于，它由输入电压予处理单元、上位单片微机系统、下位单片微机系统和闪变电压波形发生器组成，编制了相应的应用程序，实现对电网电压进行在线、连续、实时测量和仪器自检。
本发明中，输入电压预处理依次经过量程自动切换(1)、电压适配器(2)、有效值变换器(3)、低通滤波器(4)、波动分量提取放大电路(5)。
量程自动切换电路的设置，使得输入电压由单一的100V规格扩展到57V、100V、220V、380V等四种规格。量程自动切换电路将不同规格的输入电压(57V、100V、220V、380V)变换成单一的6V交流电压输出。
电压适配器设置有两个输入端IN1和IN2，使得测量信号不仅可以是取自电网的电压信号，也可以是来自磁带记录仪的小信号(2.5V)。
有效值变换器采用集成单片RMS/DC变换器AD536。AD536不仅能有效地检测输入电压的有效值，消除输入电压波形中高次谐波的影响，而且简化了硬件结构，提高了精度和可靠性。在AD536原理接线中，滤波电容Cav数值的选择应使变换器输出的直流电压能及时反映电网电压有效值的变化。
低通滤波器采用六阶巴特渥斯(Butterworth)低通滤波器，截止频率选择在30HZ。
波动分量提取放大电路由精密参考电压源和运放组成，参考电压源采用MC1403，运放采用OP07。为了提取波动分量并进行放大，首先需去除输入信号中大部分恒定分量，要去掉的输入信号中的恒定分量数值选择在输入信号额定有效值的70%-80%。恒定分量去掉之后，剩余的波动信号经过放大送给A/D转换电路，以提高A/D转换对波动分量的检测精度。
本发明中，采用上位单片微机系统和下位单片微机系统两级微机结构。上位单片微机系统包括上位单片微机(8)、LED显示器(9)、四笔绘图打印机(10)和功能按键(11)。上位单片微机由单片机8031、EPROM2764、SRAM6264、I/O扩展芯片8255、74LS377等集成电路组成;下位单片微机系统包括A/D转换电路(6)和下位单片微机(7)。下位单片微机由单片机8031、EPROM2764、SRAM6264、RS-232电平转换芯片MC1488和MC1489等集成电路组成。A/D转换器件采用12位A/D转换芯片AD574。
下位单片微机(7)通过A/D转换电路(6)，采集电压波动信号并进行数字处理，求得△V10值，通过串行通讯接口送给上位单片微机(8)，也可通过RS-232串行通讯接口送给IBM-PC及其兼容机。
上位单片微机(8)接收下位单片微机(7)发送来的测试结果△V10值，分别送给LED显示器(9)、四笔绘图打印机(10)。此外，上位单片微机(8)还接收操作员通过功能按键(11)发出的命令，并将其中的运行命令转发给下位单片微机(7)。
本发明中，闪变电压波形发生器(12)设置在测量仪器内部，它由单片机8031、EPROM27256、D/A转换芯片DAC1210、运放LF356及输出波形选择按键组成，可实现电压闪变波形的预置和产生。闪变电压波形发生器的设置，使仪器具有了自检功能。要让闪变电压波形发生器发出某一闪变波形，首先按波形函数公式(1)计算波形数据并存储到EPROM27256中去，这样计算正弦闪变的M个周期。M的选取原则是使在M个正弦闪变周期(T＝l/f)内包含有最少个电网电压的整数个周期(To＝1/fo)。正常工作时，单片机在应用程序配合下依次将原存数据输出给D/A转换器件转换成模拟波形。这样以正弦闪变的M个完整周期循环运行。
u(t)＝2]]>(Vo+
Vf·sin2πft)·sin2πfot (1)式(1)中，Vo-表示没有闪变时电网电压有效值;
fo-电网电压频率;
Vf-正弦闪变电压有效值;
f-正弦闪变频率。
本发明中，设置有一个RS-232串行通讯接口，该接口可使下位单片微机与IBM-PC及其兼容机之间实现通讯，从而用IBM-PC及其兼容机取代上位单片微机系统。在应用软件配合下，使IBM-PC机具有与上位单片微机系统相同的功用。
数字式电压闪变测试仪较前述模拟式闪变仪在测量精度、仪器综合频率特性、适用范围及自动化程度等方面都有显著提高。本发明采用单片微型计算机与频谱分析应用程序相结合的方法实现闪变测量的公式化、数字化和功能多样化。所谓公式化是指闪变测量按照其理论定义公式直接求出△V10值;所谓数字化是指从电网电压波动的检测到计算结果的输出打印全面实现数字化;所谓功能多样化是指除在线实时测量闪变外，还可具有统计处理、自检、与IBM-PC微机通讯等功能。
附
图1是本发明工作原理框图。图中(1)是输入电压量程自动切换、(2)是电压适配器电路、(3)是有效值变换器电路、(4)是低通滤波器电路、(5)是波动分量提取放大电路、(6)是A/D转换电路、(7)是下位单片微机、(8)是上位单片微机、(9)是LED显示器、(10)是四笔绘图打印机、(11)是功能按键、(12)是闪变电压波形发生器。
附图2是本发明中有效值变换器原理图。
附图3是波动分量提取放大电路原理图。
附图4是上位单片微机与下位单片微机、IBM-PC及其兼容机之间的通讯简图。
附图5是本发明中低通滤波器之幅频特性图。
附图6是本发明所依据的闪变视感度曲线，亦即本仪器的综合频率响应特性。
附图7是本发明中下位单片微机应用程序流程图。
附图8是闪变电压波形发生器的应用程序流程图。
附图描述了本发明的一种实施例。
下面结合本发明实施例对本发明的工作原理加以说明。
外部电网电压，可以是57V、100V、220V、380V中任一档，首先加到量程自动切换电路(1)上。量程自动切换电路对此电压进行档次检测，按不同电压档次分别投切到量程自动切换电路中的输入变压器原边不同的抽头上。目的是使输入变压器之付边电压即量程自动切换电路的输出电压保持在6V的水平上。这6V交流电压加到电压适配器(2)输入端IN1。此外，电压适配器还有一个小信号输入端IN2。当测量电网电压时，小信号输入端接地(即V12＝0)，电网电压经量程自动切换电路加到电压适配器IN1上;当要测量闪变电压波形发生器发出信号或测量外部磁带记录仪输出信号时，将波形发生器发出信号或磁带记录仪输出信号加入到输入端IN2，而将电网电压输入两端短接(即V11＝0)。电压适配器经过变换输出5.8V之交流电压信号加入到有效值变换器(3)输入端。有效值变换电路其输出直流电压始终等于输入电压的真有效值，而与波形的非正弦畸变无关。有效值变换电路中平均计算时间是由滤波电容Cav来决定的，Cav数值的选择应使有效值变换器的输出能及时地反映电网电压有效值的变化。有效值变换器输出的脉动的直流电压经低通滤波器(4)滤掉30HZ以上波动频率成分后，送入波动分量提取放大电路。由于滤波器输出之信号中包含有很大一部分恒定分量，为了使波动分量得到有效放大，波动分量提取放大电路首先去掉输入信号中恒定分量，将剩余的波动信号放大，最后输送给A/D转换电路(6)。
下位单片微机系统对此放大后的波动波形进行连续采样和分析处理，求出闪变电压△V10值，输送给上位单片微机系统以便显示打印和统计处理。
在下位单片微机系统中，闪变电压△V10值的计算处理是由应用程序按照国标GB12326-90中△V10的定义公式来完成的△V10=∑(af·△Vf)2]]>(2)(2)式中，αf-视感度加权系数;
△Vf-电压波动波形中频率为f的正弦分量有效值。
(2)式表明，要计算△V10值，首先需知道电压波动的各个频谱分量有效值。为此，本发明中采用了数字频谱分析技术。闪变的测量处理按下述步骤进行
(1)连续采集输入电压有效值，得到一有效值时间序列;
(2)从有效值时间序列中按时间区段(每5秒为一段)去除直流分量，得到零均值时间序列;
(3)对本时间段零均值时间序列进行窗函数加权，窗函数采用汉宁(Hanning)窗函数;
(4)对加权后的时间序列作快速Fourier变换(FFT)，数据长度为512;
(5)求功率谱;
(6)在频域对功率谱进行视感度加权处理;
(7)对本时间段△V10值及包含本时间段在内的前一分钟内12段△V10值作分段平滑处理;
(8)窗函数加权的能量衰减修正。
在数据采集中，为了满足在5秒钟内采集512个数据，采样周期定为9.766毫秒，这个数值当然也满足采样定理。在数字处理中，由于分析数据是截取整个数据流中之一段进行分析，因而作频谱分析前必须选择一种窗函数进行加权以抑制数字处理中的泄漏效应，在本例应用程序中窗函数选用汉宁(Hanning)窗函数。
在Fourier变换中，本发明用单片机8031的汇编语言按基2算法编制了512点快速Fourier变换(FFT)应用程序。该程序是频谱分析的核心。
采用频谱分析技术后，△V10的计算公式(2)就演化为下面离散计算公式△V10=∑［a(k)·△V(k)］2]]>(3)(3)式中，α(K)-对应于频率为f＝k·△f的视感度加权系数;
△V(K)-电压波动波形之离散Fourier变换，对应于频率为f＝k·△f的频率分量有效值;
△f-频率分辨率△f＝l/T;
T-频谱分析数据记录时间长度。
本发明考虑了电压闪变的特点。闪变电压是一种频带宽度有限的、非周期性的随机信号，其频谱是一连续谱，故在本发明中作频谱分析采用了功率谱密度理论。采用功率谱密度概念后，闪变电压△V10计算如下D(k)＝1/△f｜△V(k)｜2(4)△V10=1/T∑［a2(k)·D(k)]]>(5)(4)式中，D(k)-电压波动波形之离散化功率谱密度(f＝k·△f)。
本发明中为降低数字处理的系统随机误差，采用了频域分段平滑处理技术。其具体做法是将时间T内采样数据划分为M段，求出每一段之功率谱密度D(k，1)、D(k，2)……D(k，M)，则总体功率谱密度为D(K)＝1/M[D(K、1)+D(K，2)+……D(K，M)(6)本发明应用程序中，将一分钟(即T＝1分钟)采样数据划分为12段(即M＝12)进行处理，每个时间区段为5秒钟。
本发明中为了抑制泄漏效应，对采样数据进行了窗函数加权处理。但窗函数加权处理的结果使原波形能量得到衰减。为此，本发明中对计算结果采取了窗函数加权能量衰减的修正措施。
下位单片微机按上述步骤每5秒钟计算出一个△V10值，通过串行口输送给上位单片微机。上位单片微机接收到后便送出显示和打印，同时将此△V10值进行统计处理。在测量结束后，上位单片微机便管理打印机和显示器输出统计结果和统计曲线。
本发明实施例中，下位单片微机系统设置有一个RS-232串行通讯接口，在开关K701切换到2-2′位置时，该接口可使下位单片微机与IBM-PC机之间实现通讯，从而用IBM-PC及其兼容机来取代上位单片微机，IBM-PC机即成为闪变测试系统中的上位机。操作者通过计算机键盘向下位单片微机发送运行命令，下位单片微机接收到运行命令后，便开始数据采集和△V10值计算，此后每5分钟便向IBM-PC机发送一个△V10值。IBM-PC机接收到△V10值后便显示在屏幕上并以文件形式记录于磁盘上。
权利要求
1.一种数字式电压闪变测试仪，用于测量电网电压闪变△V10值，本发明的特征在于，数字式电压闪变测试仪由以下几个部分组成(1)输入电压预处理单元，包括[1].[2].[3].[4].[5]，(2)下位单片微机系统，包括[6].[7]，(3)上位单片微机系统，包括[8].[9].[10].[11]，(4)闪变电压波形发生器[12]，(1.1)输入电压预处理依次经过量程自动切换[1]、电压适配器[2]、有效值变换器[3]、低通滤波器[4]、波动分量提取放大电路[5]；(1.1.1)量程自动切换电路将不同规格的输入电压(57V、100V、220V、380V)变换成单一的6V交流电压输出；(1.1.2)电压适配器设置有两个输入端IN1和IN2；(1.1.3)有效值变换器采用集成单片RMS/DC变换器AD536；(1.1.4)低通滤波器采用六阶巴特渥斯(Butter-worth)低通滤波器，截止频率选择在30HZ；(1.1.5)波动分量提取放大电路中，要去掉的输入信号中的恒定分量数值选择在输入信号额定有效值的70%～80%。(2.1)下位单片微机[7]通过A/D转换电路[6]采集电压波动信号并进行数字处理，求得△V10值，通过串行通讯接口送给上位单片微机[8]，也可通过RS-232串行通讯接口送给IBM-PC及其兼容机；(2.1.1)A/D转换器件采用12位A/D转换芯片AD574；(2.1.2)下位单片微机由单片机8031、EPROM2764，SRAM264，RS-232电平转换芯片MC1488和MC1489集成电路组成；(3.1)上位单片微机[8]接收下位单片微机[7]发送来的测试结果△V10值，分别送给LED显示器[9]、四笔绘图打印机[10]。此外，上位单片微机[8]还接收操作员通过功能按键[11]发出的命令，并将其中的运行命令转发给下位单片微机[7]；(3.1.1)上位单片微机由单片机8031，EPROM2764，SRAM6264、I/O扩展芯片8255、74LS377集成电路组成；(4.1)闪变电压波形发生器设置在仪器内部，它由单片机8031，EPROM27256，D/A转换芯片DAC1210，运放LF356及输出波形选择按键组成。
2.根据权利要求1所述数字式电压闪变测试仪采用的数字处理方法，其特征在于(2.1)下位单片微机系统中闪变测量处理由应用程序按下述步骤进行(1)连续采集输入电压有效值，得到一有效值时间序列;(2)从有效值时间序列中按时间区段(每5秒为一段)去除直流分量，得到零均值时间序列;(3)对本时间段零均值时间序列进行窗函数加权，窗函数采用汉宁(Hanning)窗函数;(4)对加权后的时间序列作快速Fourier变换(FFT)，数据长度为512;(5)求功率谱;(6)在频域对功率谱进行视感度加权处理;(7)对本时间段△V10值及包含本时间段在内的前一分钟内12段△V10值作分段平滑处理;(8)窗函数加权的能量衰减修正。
全文摘要
一种数字式电压闪变测试仪，用于在线实时测量电网电压闪变ΔV
文档编号G01R19/00GK1068894SQ91105178
公开日1993年2月10日 申请日期1991年7月24日 优先权日1991年7月24日
发明者同向前, 余健明, 苏文成, 杨富中, 王日文 申请人:陕西机械学院