多功能电能质量监控分析系统的制作方法

专利名称：多功能电能质量监控分析系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电能质量监测技术领域，特别涉及一种多功能电能质量监控分析系 统。
背景技术：
电力系统电能质量监控分析仪是电力系统发生故障及振荡时能自动记录的一种 装置，它可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电 压及其导出量，如有功、无功以及系统频率的全过程变化现象；目前，电力系统电能质量监控分析仪多使用单处理器为核心的结构，或者是双处 理器的结构采用单处理器一般是使用数字信号处理器(DSP)或者ARM处理器；这种结构 的好处是系统硬件结构简单，便于调试和升级，但是使用DSP或是ARM，会存在可扩展存储 空间小，通信接口少，数据调度能力差，人机交互父复杂，运算速度较慢，难以运用精确严格 的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力监测和故障录波的要求；采用双片双核的结 构，通常是一个DSP处理器和一个ARM处理器，DSP负责数据的运算和处理，ARM处理器负责 数据的调度和存储，人机交互等，两个处理器用双口随机存取存储器连接；这种结构虽然可 以很好的完成电能质量分析仪的各种功能，但是这种结构硬件电路复杂，价格昂贵，设备安 装和调试十分困难，后期的升级和维护十分不易。连接方式上，国内的产品要么只能作为整个电能质量分析和故障录波网络的一个 结点，对整个电能网络进行实时的分析和故障的记录时，必须多个电能质量分析仪和服务 器共同使用，不能单一使用；要么只能作为一个单独的便携式的仪表，对单相或三相的电力 线进行实时的分析和故障的记录，而不具体有实时的数据传输能力，即不能与多个电能质 量分析仪和服务器共同使用，对整个电能网络进行实时的分析和故障的记录。

发明内容
为了弥补以上电力电容保护结构之不足，本发明的提供一种采用单片双核处理器 的多功能电能质量监控分析系统，以达到硬件电路简单、易扩展、便于安装和调试的目的。本发明的技术方案是这样实现的本发明多功能电能质量监控分析系统包括多个 多功能电能质量监控分析仪、对时子系统和服务器计算机；多个多功能电能质量监控分析 仪分别通过以太网或CAN总线接口或RS232通讯接口或RS485接口与全球定位系统对时模 块和服务器计算机进行通讯；所述的多功能电能质量监控分析仪由信号采集模块1、信号分析调度模块2和电 源模块3、服务器4和全球定位系统5组成；所述的被测三相交流电压、三相交流电流分别 输入到信号采集模块1的电压信号输入端和电流信号输入端，开关量输入到信号采集模块 1的数字信号输入端；信号采集模块1的并行总线接口电路的输入输出端连接信号分析调 度模块2的并行总线接口电路的输入输出端；信号分析调度模块2的带隔离保护的以太网 接口电路的第二输入输出端、RS232通讯接口电路的第二输入输出端和RS485通讯接口电路的第二输入输出端分别连接服务器4的第一输入输出端、第二输入输出端和第三输入输 出端，信号分析调度模块2的CAN通讯接口电路的第二输入输出端连接全球定位系统5的 输入输出端；电源模块3的第一稳压电路输出端连接信号采集模块1的电源输入端，电源模 块3的第二稳压电路输出端连接信号采集模块1的电源输入端和信号分析调度模块2的电 源信号输入端；所述的信号采集模块1包括有电压保护电路1-1、电压调理电路1-2、第一模数转 换器1-3、电流保护电路1-4、电流调理电路1-5、第二模数转换器1-6、上拉电阻电路1-7、隔 离保护电路1-8、缓冲器1-9和复杂可编程逻辑器件1-10 ；三相交流电压连接电压保护电路 1-1的电压输入端，电压保护电路1-1的输出端连接电压调理电路1-2的输入端，电压调理 电路1-2的输出端连接第一模数转换器1-3的模拟信号输入端，第一模数转换器1-3的数 字信号输入输出端连接复杂可编程逻辑器件1-10的模数转换器控制器的第一数字信号输 入输出端；三相交流电流连接电流保护电路1-4的交流电流输入端，电流保护电路1-4的输 出端连接交流调理电路1-5的输入端，电流调理电路1-5的输出端连接第二模数转换器1-6 的模拟信号输入端，第二模数转换器1-6的数字信号输入输出端连接复杂可编程逻辑器件
1-10的模数转换器控制器的第二数字信号输入输出端；开关量信号连接上拉电阻1-7的一 端，上拉电阻电路1-7的另一端连接隔离保护电路的输入端，隔离保护电路1-8的输出端连 接缓冲器的输入端，缓冲器1-9的输入输出端连接复杂可编程控制器1-10的开关量采集控 制器的输入输出端；所述的信号分析调度模块2包括有双核处理器2-1、时钟电路2-2、实时时钟电路
2-3、USB存储电路2-4、以太网物理层电路2-5、带隔离保护的以太网接口电路2_6、RS232 转换隔离电路2-7、RS232通讯接口电路2-8、RS485转换隔离电路2_9、RS485通讯接口 电路2-10、触摸屏2-11、液晶屏2-12、带隔离保护的CAN物理层电路2_13、CAN接口电路 2-14.NANDFLASH内存储器2_15、同步动态随机存取存储器2_16 ；所述的双核处理器2_1的 并行总线接口的输入输出端、锁相环电路的输入端、实时时钟电路的输入端、USB控制器的 输入输出端、以太网控制器的数据总线地址总线输入输出端、第一通用异步接收/发送装 置UART1接口电路的输入输出端、第二通用异步接收/发送装置UART2接口电路的输入输 出端、触摸屏控制器的输入端、液晶屏控制器的数据地址总线输出端、CAN控制器的输入输 出端、第一存储器控制器A的数据地址总线的输入输出端、第二存储器控制器B的数据地址 总线输入输出端依次连接信号采集模块1的并行总线接口的输入输出端，时钟电路2-2的 输出端、实时时钟电路2-3的输出端、USB存储电路2-4的输入输出端、以太网物理层电路 2-5的数据地址总线的输入输出端、RS232转换隔离电路2-7的第一输入输出端、RS485转 换隔离电路2-9的第一输入输出端、触摸屏2-11的输出端、液晶屏2-12的数据地址总线输 入端、带隔离保护的CAN物理层电路2-13的第一输入输出端、NANDFLASH内存储器2_15的 数据地址总线的输入输出端和同步动态随机存取存储器2-16的输入输出端；以太网物理 层电路2-5的输入输出端连接带隔离保护的以太网接口电路2-6的第一输入输出端；RS232 转换隔离电路2-7的第二输入输出端连接RS232通讯接口电路2-8的第一输入输出端； RS485转换隔离电路2-9的第二输入输出端连接RS485通讯接口电路2_10的第一输入输出 端；带隔离保护的CAN物理层电路2-13的第二输入输出端连接CAN接口电路2_14的第一 输入输出端；
所述的电源模块3包括有DC-DC转换稳压电路3-1、电源转换模块3-2和AC-DC变 压器3-3，市电电压连接AD-DC变压器3-3的电压输入端，AD-DC变压器3_3的电源输出端 连接电源转换模块3-2的输入端，电源转换模块3-2的输出端连接DC-DC转换稳压电路3-1 的输入端；电源模块3的电压调理电路电源输出端、电源模块3的第一模数转换器电源输 出端、电源模块3的第二模数转换器电源输出端、电源模块3的隔离保护电路电源输入端、 电源模块3的缓冲器电源输出端依次连接信号采集模块1的电压调理电路电源输入端、第 一模数转换器电源输入端、第二模数转换器电源输入端、隔离保护电路电源输入端、缓冲器 电源输入端；电源模块3的USB存储电路输出端、电源模块3的以太网物理层电路电源输出 端、电源模块3的带隔离保护以太网接口电路电源输出端、电源模块3的RS232转换隔离电 路电源输出端、电源模块3的RS232通讯接口电路电源输出端、电源模块3的RS485转换隔 离电路电源输出端、电源模块3的RS485通讯接口电路电源输出端、电源模块3的触摸屏电 源输出端、电源模块3的液晶屏电源输出端、电源模块3的带隔离保护的CAN物理层电路电 源输出端、电源模块3的CAN接口电路电源输出端、电源模块3的NANDFLASH内存储器电源 输出端、电源模块3的同步动态随机存取存储器电源输出端依次连接USB存储电路输入端、 以太网物理电路电源输入端、带隔离保护的以太网接口电路电源输入端、RS232转换隔离电 路电源输入端、RS232通讯接口电路电源输入端、RS485转换隔离电路电源输入端、RS485通 讯接口电路电源输入端、触摸屏电源输入端、液晶屏电源输入端、带隔离保护的CAN物理层 电路电源输入端、CAN接口电路电源输入端、NANDFLASH内存储器电源输入端、同步动态随 机存取存储器电源输入端；本发明多功能电能质量监控分析系统的双核处理器中配置有仪器设置方法、实时 监测方法和故障录波操作方法；其中，仪器设置方法包括以下步骤步骤1 运行系统设置模块；步骤2 设置系统的工作模式，是单机工作还是作为监测网络的一个节点，如果是 作为单机跳转到步骤3，如果作为监测网络的一个节点跳转到步骤6 ；步骤3 手工设置仪器时间；步骤4 设置仪器监测的相数，单相、三相或四相，跳转到步骤12 ；步骤5 设置实时监控时，是否进行本地存储；步骤6 通过CAN总线从GPS读取系统时间，并设置成本机时间；步骤7 设置仪器监测的相数，单相、三相或四相；步骤8 设置系统的通信方式以太网通讯、RS485通讯或RS232通讯，如果是以太 网通讯则跳转到步骤9，如果是RS485通讯则跳转到步骤10，如果是RS232通讯则跳转到步 骤11 ；步骤9 设置以太网通信参数，跳转到步骤12 ；步骤10 设置RS485通信参数，跳转到步骤12 ；步骤11 设置RS232通信参数；步骤12 将设置结果写入系统的配置文件；步骤13 设置结束；实时监测方法包括以下步骤
7
步骤1 开始；步骤2 根据系统配置采集所需要电压、电流和开关量；步骤3 对采集的数据进行分析，计算出电力参数和电能质量指标，电力参数包括 电压、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数，电能质量指标包括电压偏 差、三相不平衡度、电压的正序、负序和零序分量、电网频率和谐波；步骤4:根据系统配置是单机模式，还是作为监测网络的一个节点，如果是网络的 一个节点，跳转到步骤7;步骤5 将采集到的原始数据和计算出电力参数和电能质量指标，在本地LCD进行 显不；步骤6 根据配置文件，判断是否进行本地存储，如果存储就存入本地的USB存储 器中，跳转到步骤2;步骤7 根据配置文件设置的通信模式，将采集到的原始数据和计算出电力参数 和电能质量指标发送给服务器，跳转到步骤2 ；故障录波操作方法包括以下步骤步骤1 开始；步骤2 根据系统配置采集所需要电压、电流和开关量；步骤3 对采集的数据进行分析，计算出电力参数和电能质量指标，电力参数包括 电压、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数，电能质量指标包括电压偏 差、三相不平衡度、电压的正序、负序和零序分量、电网频率和谐波；步骤4 判断是否发生故障，主要包括模拟量判断和开关量判断，依据如下(1)模拟量启动模拟量启动是故障录波最重要的启动量，它是根据故障录波采集的模拟量数据经 系统运算分析判定、启动录波，保存故障前的数据，记录故障、振荡全过程的数据，根据模拟 量的不同特征有不同的启动条件(a)由三相电压、电流和正序、负序及零序电压，电流的突变量判断启动；(c)差动判据发变机组大差启动判据；发电机差动电流判据；主变压器差动电流 判据；(d)突变量启动包括电压突变量和电流突变量启动，可整定电压、电流模拟量通 道是否突变启动，如启动可设定其定值，电压一般为额定值5%，电流一般为额定值10% ；(e)电压，电流越限(高限、低限)启动按通道整定，可设定越上限启动和越下限 启动，电压通道上限值一般在额定值的110%以上，下限值一般在额定值的90%以下，当电 压大于0. 5倍的额定电压且连续时间超过3s时，应自动退出电压越低限启动判据，以防止 连续录制故障数据，电流通道其设定值一般大于额定值；(f)三次谐波启动对指定通道进行三次谐波计算，三次谐波抑制比大于100 ；(g)发电机低励、失磁启动由机端测量阻抗和无功进相判断启动；(h)序分量启动包括负序电压、电流越限和零序电压、电流越限启动；(i)过励磁启动由发电机机端电压和频率之比判断启动；(j)逆功率启动由发电机有功功率判断启动；(k)非全相运行及三相负荷不平衡启动由负序电流稳态量判断启动；
(1)频率启动由发电机组频率判断启动，含高频、低频启动和频率变化率启动；(m)直流信号启动其他形式的物理量经传感器变换成直流电压量，启动条件包 括过量和欠量启动；(2)开关量启动判据用于检测水轮机、锅炉、发电机、变压器、短路器等辅助接 点、继电保护装置(电气、非电气)等各开关量状态是否发生变化，开关量的启动方式可选 择为开关闭合启动或开关断开启动，任何一路或多路开关量均可设置作为启动信号；如果有任意一种故障跳转到步骤5，没有跳转到步骤2 ；步骤5 根据系统配置是单机模式，还是作为监测网络的一个节点，如果是一个节 点，跳转到步骤7;步骤6 将采集到的原始数据和计算出电力参数和电能质量指标，在本地的LCD进 行显不；步骤6 将采集到的原始数据和计算出电力参数和电能质量指标，按照《220 500kV电力系统故障动态记录技术准则》，存储存入本地的USB存储器中，跳转到步骤2 ；步骤7 根据配置文件设置的通信模式，将采集到的原始数据和计算出电力参数 和电能质量指标，按照《220 500kV电力系统故障动态记录技术准则》，发送给服务器，跳 转到步骤2 ；本发明的优点本发明多功能电能质量监控分析系统的硬件电路简单、易扩展、便 于安装和调试，本发明既可以作为整个电能质量分析和故障录波网络的一个结点，与多个 电能质量分析仪和服务器共同使用，对整个电能网络进行实时的分析和故障的记录；也可 以作为一个单独的便携式的仪表，对单相或三相的电力线进行实时的分析和故障的记录， 对整个电能网络进行实时的分析和故障的记录。


图1为本发明多功能电能质量监控分析仪总体结构框图；图2为本发明多功能电能质量监控分析仪硬件电路结构框图；图3为本发明多功能电能质量监控分析仪单相电压保护电路、电压调理电路及模 数转换器电路原理图；图4为本发明多功能电能质量监控分析仪单相电流保护电路、电流调理电路及模 数转换器电路原理图；图5为本发明多功能电能质量监控分析仪上拉电阻电路、隔离保护电路及缓冲器 电路原理图；图6为本发明多功能电能质量监控分析仪模数转换器、CPLD与双核处理器的连接 原理图；图7为本发明多功能电能质量监控分析仪时钟电路、实时时钟电路原理图；图8为本发明多功能电能质量监控分析仪USB电路及外围电路原理图；图9为本发明多功能电能质量监控分析仪以太网物理层电路、带隔离保护的以太 网接口电路原理图；图10为本发明多功能电能质量监控分析仪RS232转换隔离电路及RS232通讯接 口电路原理图11为本发明多功能电能质量监控分析仪触摸屏电路原理图；图12为本发明多功能电能质量监控分析仪液晶屏电路原理图；图13为本发明多功能电能质量监控分析仪带隔离保护的CAN物理层电路及CAN 接口电路原理图；图14为本发明多功能电能质量监控分析仪NANDFLASH存储器的电路连接示意 图；图15为本发明多功能电能质量监控分析仪同步动态随机存取存储器电路连接示 意图；图16本发明多功能电能质量监控分析系统设置方法流程图；图17本发明多功能电能质量监控分析系统实时监控方法流程图；图18本发明多功能电能质量监控分析系统故障录波操作方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。附图1为本发明的总体结构框图。本发明多功能电能质量监控分析仪由信号采集 模块1、信号分析调度模块2和电源模块3、服务器4和全球定位系统5组成；所述的被测三 相交流电压、三相交流电流分别输入到信号采集模块1的电压信号输入端和电流信号输入 端，开关量输入到信号采集模块1的数字信号输入端；信号采集模块1的并行总线接口电路 的输入输出端连接信号分析调度模块2的并行总线接口电路的输入输出端；信号分析调度 模块2的带隔离保护的以太网接口电路的第二输入输出端、RS232通讯接口电路的第二输 入输出端和RS485通讯接口电路的第二输入输出端分别连接服务器4的第一输入输出端、 第二输入输出端和第三输入输出端，使用时根据用户需要任意选择其中一种，信号分析调 度模块2的CAN通讯接口电路的第二输入输出端连接全球定位系统5的输入输出端；电源 模块3的第一稳压电路输出端连接信号采集模块1的电源输入端，电源模块3的第二稳压 电路输出端连接信号分析调度模块2的电源信号输入端；信号传递过程本发明采集三相四线制电力系统或三相三线制电力系统的模拟信号包括4路三 相交流电压和4路三相交流电流，相应装置空触点提供32路数字开关量信号；8路电压/电 流模拟信号经过信号采集模块1后转换成8个16位数据，32路数字开关量转换成2个16 位数据，这10个16位数据通过信号经信号采集模块1传递给信号分析调度模块2，信号分 析调度模块2接到数据后，对这些数据进行实时分析，计算出电力参数和电能质量指标，将 结果输出给服务器或在本地USB存储设备中存储。本发明信号采集模块1如图3 图6所示，包括有电压保护电路1-1、电压调理 电路1-2、第一模数转换器1-3、电流保护电路1-4、电流调理电路1-5、第二模数转换器1-6、 上拉电阻电路1-7、隔离保护电路1-8、缓冲器1-9和复杂可编程逻辑器件1-10 ；图3中，电压保护电路1-1由压敏电阻RVDR2、第一电容C10、第二电容C2和第三电 容C11组成；A相电压的+UA端连接压敏电阻RVDR2的一端、第一电容C10—端、第二电容C2 的一端和电压保护电路的第一输出端，A相电压的-UA端连接压敏电阻RVDR2的另一端、第 一电容C10的另一端、第三电容C11的一端和电压保护电路的第二输出端，第二电容C2的另一端与第三电容C11的另一端连接并接仪器外壳；压敏电阻RVDR2的型号为S20K250E2 ；电压调理电路1-2由限流电阻RA4、电压互感器PT2、瞬态电压稳压二极管D1、取 样电阻RA2、运算放大器U1、低通滤波电阻R2和第四电容C12组成；电压保护电路1-1的 第一输出端连接限流电阻RA4的输入端，电压保护电路1-1的第二输出端连接电压互感器 PT1的原边脚2 ；限流电阻RA4的输出端连接电压互感器PT2的原边脚1 ；电压互感器PT1 的副边脚4连接瞬态电压稳压二极管D1的一端、取样电阻RA2的一端和运算放大器U1的 脚2，电压互感器PT1的副边脚3连接瞬态电压稳压二极管D1的另一端和运算放大器的脚 3并接模拟地；取样电阻RA2的另一端连接运算放大器U1的脚6和低通滤波电阻R2的输 入端；运算放大器U1的脚4连接-15VA电源，运算放大器U1的脚7连接+15VA的电源，低 通滤波电阻R2的输出端连接第四电容C12的一端和电压调理电路1-2的输出端UA，第四电 容C12的另一端接模拟地；所述的电压互感器PT1型号为兵字TVA1421，运算放大器U1型 号为0PA211，瞬态电压稳压二极管D1型号为1. 5KE15(C)A ；另三相电压的电压保护电路和电压调理电路与此相同；电压调理电路将输入的 士500V的交流电压调理成士5V的交流电压输出信号，在调理的过程中要求非线性度不大 于0. 1%，相移小于5’ ；电压调理电路1-2的输出端UA连接第一模数转换器1. 3的脚33，其他三路交流电 压经相应的电压保护电路和电压调理电路后，其输出端依次连接第一模数转换器1. 3的脚 36、脚39和脚42 ；第一模数转换器1. 3的脚54、脚56、脚58、脚51依次连接第五电容C29 的一端、第六电容C28的一端、第七电容C17的一端、第八电容C18的一端，第五电容C29的 另一端连接第六电容C28的另一端、第七电容C17的另一端和第八电容C18的另一端并接 地；第一模数转换器1. 3的脚63连接脚61和脚24并接+3. 3V电源，第一模数转换器1_3 的62脚连接29脚和20脚并接地，第一模数转换器1-3的27脚连接电阻R9的一端和电阻 R10的一端，电阻R9的另一端接电源+3. 3V，电阻R10的另一端接地，第一模数转换器1_3 的64脚连接脚1 脚7并接地，脚11接地，脚12连接脚13 脚16并接地，脚17接+3. 3V 电源；所述的第一模数转换器1-3和第二模数转换器1-6的型号均为ADS8556 ；图4中，电流保护电路1-4由自恢复保险丝FS组成，三相交流电流的A相电流自 +IA端输入到自恢复保险丝FS的一端，自恢复保险丝FS的另一端作为电流保护电路1-4的 输出端；电流调理电路1-5由电流互感器CT1、瞬态电压稳压二极管D2、取样电阻RA5、运算 放大器U3、低通滤波电阻R3和第一电容R13组成；电流保护电路1-4的输出端连接电流互 感器RA5的5脚，A相电流-IA端连接到电流互感器CT1的脚6，电流互感器CT1的脚3连 接取样电阻RA5的输入端、瞬态电压稳压二极管D2的一端和运算放大器U3的脚2，电流互 感器CT1的脚4连接瞬态电压稳压二极管D3的另一端和运算放大器的脚3并接模拟地；运 算放大器U3的脚6连接取样电阻RA5的另一端和低通滤波电阻R3的输入端；运算放大器 U3的脚4连接-15VA电源，运算放大器U3的脚7连接+15VA的电源；低通滤波电阻R3的 输出端连接第一电容C13的一端和电流调理电路1-5的输出端IA ；第一电容C13的另一端 接模拟地；所述的电流互感器CT1型号为兵字TA1016，运算放大器U3的型号为0PA211，瞬 态电压二极管D2的型号为1.5KE15(C)A;另三相电流的电压保护电路和电压调理电路与此相同；电流调理电路将输入的士20A的交流电流转换成士20mA的额定输出电流，通过采样电阻使输出士5V的电压；电流调理电路1-5的输出端IA连接第二模数转换器1-6的脚33，同理，其他三路 电流信号分别连接第二模数转换器1-6的脚36、脚39和脚42 ；图5中，以一组8路数字开关量为例，说明上拉电阻电路1-7、隔离保护电路1-8、 缓冲器1-9的电路连接关系。上拉电阻电路1-7由第一电阻R7、第二电阻R4、第三电阻R3、第四电阻R2、第5电 阻R11、第六电阻R10、第七电阻R9、第八电阻R8组成；隔离保护电路1. 8由第一隔离保护 芯片U5和第二隔离保护芯片U6组成；缓冲器1. 9由缓冲器U7组成；8路开光量信号分别 连接脚DSI0 DSI3和脚DSI4 DSI7，脚DSI0连接第一电阻R7的一端和第一隔离保护芯 片U5的脚3，脚DSI1连接第二电阻R4的一端和第一隔离保护芯片U5的脚4，脚DSI2连接 第三电阻R3的一端和第一隔离保护芯片U5的脚5，DSI3端连接第四电阻R2的一端和第一 隔离保护芯片U5的脚6，第一电阻R7的另一端连接第二电阻R4的另一端、第三电阻R3的 另一端、第四电阻R2的另一端、第一电容C59的一端和隔离保护芯片U5的脚1并连接+5VE 电源，第一电容C59的另一端连接第一隔离保护芯片U5的脚2并仪器外壳；第一隔离保护 芯片U5的脚11、脚12、脚13和脚14依连接缓冲器U7的脚5、脚4、脚3、脚2 ；第一隔离保 护芯片U5的脚16连接第二电容C58的一端并接+3. 3V电源，第一隔离保护芯片U5的脚15 连接第二电容C58的另一端并接地；第一隔离保护芯片U5的脚10连接+3. 3V电源；第一隔 离保护芯片U5的脚9接地；脚DSI4连接第五电阻R11的一端和第二隔离保护芯片U6的脚3，脚DSI5连接第 六电阻R10的一端和第二隔离保护芯片U6的脚4，脚DSI6连接第七电阻R9的一端和第二 隔离保护芯片U6的脚5，脚DSI7连接第八电阻R8的一端和第二隔离保护芯片U6的脚6 ； 第五电阻R11的另一端、第六电阻R10的另一端、第七电阻R9的另一端和第八电阻R8的另 一端连接第三电容C65的一端和第二隔离保护芯片TO的脚1并接+5VE电源；第三电容C65 的另一端连接第二隔离保护芯片U6的脚2并接仪器外壳；第二隔离保护芯片U6的脚16连 接第四电容C66的一端并接+3. 3V电源；第二隔离保护芯片U6的脚15连接第四电容C66 的另一端并接地；第二隔离保护芯片U6的脚14、脚13、脚12和脚11依次连接缓冲器U7的 脚6、脚7、脚8和脚9 ；第二隔离保护芯片U6的脚9接地；第二隔离保护芯片U6的脚10接 +3. 3V电源；缓冲器U7的脚1连接第九电阻R25的一端并接+3. 3V电源；第九电阻R25的 另一端连接缓冲器U7的脚19 ；缓冲器U7的脚20连接第五电容C62的一端并接+3. 3V电 源，缓冲器U7的脚10连接第五电容的另一端并接地；第一隔离保护芯片和第二隔离保护芯 片的型号均为IS07240，缓冲器的型号为SN74LVTH245A ；如图6为第一模数转换器1-3、第二模数转换器1-6和复杂可编程逻辑器件1-10、 双核处理器2-1的电路原理图。第一模数转换器1-3的脚7、脚11、脚18、脚19、脚21、脚 22、脚23和脚28依次连接复杂可编程逻辑器件1-10的脚112、脚113、脚118、脚117、脚 109、脚110、脚111和脚114 ；第二模数转换器1-6的脚7、脚11、脚18、脚19、脚21、脚22、 脚23和脚28依次连接复杂可编程逻辑器件1-10的脚123、脚124、脚129、脚127、脚120、 脚121、脚122和脚125 ；缓冲器1-9的脚11 脚18依次连接复杂可编程逻辑器件1_10的 脚137 脚144，其他3组8路数字开关量信号分别连接至复杂可编程逻辑器件1-10的脚1 脚8、脚11 脚16、脚21 脚24、脚27 脚32、脚37 脚44 ；可编程逻辑器件CPLD1-10的脚87 脚88、脚93 脚98、脚101 108脚、脚 71 脚72、脚73 81脚和84脚 86脚、脚58、脚59、脚62、脚63、脚66、脚67、脚68、脚 69和脚70依次连接双核处理器2-1并行总线接口 EMIFA的脚EMA_D14 EMA_D15、EMA_ D8 EMA_D13、EMA_D0 EMA_D7、EMA_A12 EMA_A13、EMA_A3 EMA_A11、EMA_A0 EMA_ A2、CS0、CS4、CS5、BA1、BA0、WE、DQM2、DQM1 和 0E ；双核处理器的型号为 0MAPL137。信号分析调度模块2的电路连接如图7 图15所示。图7为时钟电路2-2、实时时钟电路2-3与双核处理器2_1电路原理图；时钟电路2-2连接到双核处理器2-1内部的锁相环，锁相环对时钟电路2-2提供 的时钟进行倍频，为双核处理器提供时钟。时钟电路2-2中，第一晶振Y1的一端连接第一 电容C14的一端和双核处理器2-1的脚F2，第一晶振Y1的另一端连接第二电容C27的一端 并与双核处理器2-1的脚F1连接，第二电容C27的另一端连接第一电容C14的另一端后与 双核处理器的脚E2连接；磁环F1的脚1连接和第三电容C39的一端并接+1. 2V电源，磁环 F1的脚3连接第四电容C40的一端、第五电容C42的一端和双核处理器2-1的脚D1，第三 电容C39的另一端连接磁环F1的脚2、第四电容C40的另一端、第五电容C42的另一端和双 核处理器2-1的脚E1并接地；实时时钟电路2-3中，双核处理器的脚G1依次连接第六电容C25的一端、第七电 容C26的一端、第八电容CF1的一端和二极管D3的负极，第六电容C25的另一端与第七电 容C26的另一端连接并接地，第八电容CF1的另一端接地；二极管D3的正极连接第一电阻 R7的一端，第一电阻R7的另一端接+1.8V电源，第二晶振Y2的一端连接第二电阻R8的一 端和第九电容C38的一端并与双核处理器2-1的脚HI连接，第二晶振Y2的另一端连接第 二电阻R8的另一端、第十电容C44的一端并与双核处理器2-1的脚H2连接，第十电容C44 的另一端、第九电容C38的另一端连接第三电阻R9的一端，第三电阻R9的另一端连接双核 处理器2-1的脚G2 ；图8为USB控制器极其外围电路2-4，该电路包括配电器、电磁兼容保护芯片、 配电器、磁环、电容和电感，USB控制器外围插头J4的脚1 脚4连接U盘1-4的输入 输出端；配电器的型号为TPS2065，电磁兼容保护芯片的型号为TPPD2E001、磁环的型号 NFM21PC474R1C3D ；图9为以太网控制电路，包括以太网物理层2-5、带隔离保护的以太网接口电路 2-6，所述的以太网物理层电路2-5由以太网物理层芯片U11组成，带隔离保护的以太网接 口电路2-6由带隔离保护的以太网接口 J7和保护芯片组成；以太网物理层芯片U15A的脚 2、脚5、脚6、脚9、脚10、脚15、脚16、脚17、脚18依次连接双核处理器2-1的脚A6、脚C7、 脚B7、脚A7、脚D7、脚A4、脚D8、脚B8、脚C8，以太网物理层芯片U11的脚1连接第一电阻 R32的一端和双核处理器的脚B6，第一电阻R32的另一端连接+3. 3V电源，以太网物理层芯 片U11的脚14接地，脚19和脚20连接并接地，脚21连接第二电阻R35的一端，脚22连接 第三电阻R34的一端，第二电阻R35的另一端和第三电阻R34的另一端连接并接+3. 3V电 源；以太网物理层芯片U11的脚41连接第四电阻RA5的一端、第一保护芯片的脚1和带隔 离保护的以太网接口电路J7的脚1，第四电阻RA5的另一端依次连接第五电阻RA6的一端、 第六电阻RA7的一端、第七电阻RA8的一端、带隔离保护的以太网接口电路J7的脚5和脚
132、第一电容C90的一端、第二电容C97的一端并接+3. 3V电源，以太网物理层芯片U11的脚 40连接第一保护芯片的脚2和带隔离保护的以太网接口芯片J7的脚3，以太网物理层芯片 U11的脚33连接第六电阻R47的另一端、第二保护芯片的脚1和带隔离保护的以太网接口 电路J7的脚4，以太网物理层芯片U11的脚32连接第二保护芯片的脚2和带隔离保护的以 太网接口电路J7的脚6，第一电容C90的另一端和第二电容C97的另一端连接并接地，带 隔离保护的以太网接口电路J7的脚9和脚11连接并接+3. 3V电源；以太网物理层芯片的 脚26和脚27依次连接带隔离保护的以太网接口的脚12和脚10 ；以太网物理层芯片的型 号为KSZ8001，带隔离保护的以太网接口芯片的型号为13F-60AGYD2PL2NL，保护芯片的型 号为 TPN3021 ；图10为RS232传输电路，包括RS232转换隔离电路2-7和RS232通讯接口电路 2-8，所述的RS232转换隔离电路2-7由电平转换隔离芯片U12组成；电平转换隔离芯片U12 的脚11和脚12依次连接双核处理器2-1的脚D6和脚C6，电平转换隔离芯片U6的脚1连 接第一电容C55的一端，电平转换隔离芯片U12的脚3连接第一电容C55的另一端，电平转 换隔离芯片U12的脚4连接第二电容C60的一端，电平转换隔离芯片U12的脚5连接第二 电容C60的另一端；电平转换隔离芯片U12的脚14和脚13依次连接RS232通讯接口电路 的脚RS232_1_TXD和脚RS232_1_RXD脚；电平转换隔离芯片U12的脚2连接第四电容C56 的一端，电平转换隔离芯片U12的脚6连接第三电容C50的一端，电平转换隔离芯片U12的 脚15连接第三电容C50的另一端、第四电容C56的另一端和第五电容C43的一端并接地， 电平转化隔离芯片U12的脚16连接第五电容C43的另一端并接+3. 3V电源；图11为触摸屏控制电路2-11，本实施例中通过双核处理器2-1的SPI0外扩一个 触摸屏控制器U13，双核处理器2-1的脚R5、脚R6、脚T5、脚P6、脚N4、脚B4依次连接触摸 屏控制器U13的脚11、脚12、脚16、脚14、脚15和脚13，触摸屏控制器U13的脚2 脚5连 接触摸屏输入端；其中触摸屏控制器的型号为TSC2046IPWR ；图12为液晶屏电路，包括集成负载开关U15、第一缓冲器U14、第二缓冲器U16和 IXD屏；集成负载开关U15的脚5连接双核处理器2-1的脚L2，第一缓冲器U14的脚2 脚 5、脚19依次连接双核处理器2-1的脚T11、脚R11、脚N8、脚P11和脚C5，第一缓冲器U14 的脚 18、脚 17、脚 16、脚 15 依次连接 LCD 屏的脚 LCD_DCLK、脚 LCD_HSYNC、脚 LCD_VSYNC、 脚LCD_nENB，第二缓冲器U16的脚47、脚46、脚44、脚43、脚41、脚40、脚38脚37、脚36、 脚35、脚33、脚32、脚30、脚29、脚27、脚26依次连接双核处理器2-4的脚M16、脚N14、脚 N16、脚 P14、脚 P16、脚 R14、脚 T14、脚 N12、脚 T9、脚 N9、脚 P8、脚 R8、脚 T10、脚 R10、脚 P10、 脚N10，第二缓冲器U16的脚2、脚3、脚5、脚6、脚8、脚9、脚11、脚12、脚13、脚14、脚16、脚 17、脚19、脚20、脚22、脚23依次连接LCD屏的脚LCD_D15 LCD_D0 ；集成负载开关的型号 为FDC6331L，第一缓冲器的型号为SN74LVTH245A，第二缓冲器的型号为SN74LVTH16245A ；图13为CAN传输模块电路，本实施例中通过双核处理器2-1的SPI1外扩一个CAN 控制器，该CAN传输模块包括CAN控制器、带隔离保护的CAN物理层电路2_13和CAN接口 电路2-14 ；CAN控制器U18的脚1、脚2脚分别连接带隔离保护的CAN物理层芯片U17的脚 3和脚4，CAN控制器U18的脚11连接第一电阻R30的一端，第一电阻R30的另一端连接第 一发光二极管D6的负极，第一发光二极管D6的正极连接+3. 3V电源；CAN控制器U18的脚 12连接第二电阻R31的一端，第二电阻R31的另一端连接第二发光二极管的负极，第二发光二极管的正极连接+3. 3V电源；CAN控制器的脚8连接晶振Y2的一端和第一电容C68的一 端，晶振Y2的另一端连接CAN控制器U18的脚9和第二电容C69的一端，第一电容C68的 另一端连接第二电容C69的另一端并接地；CAN控制器U15的脚18、脚17、脚16、脚14、脚 13依次连接脚P4、脚P5、脚N3、脚T6、脚R4，CAN控制器U18的脚20连接第三电容C70的 一端并接+3. 3V电源，CAN控制器U18的脚10连接第三电容C70的一端并接地；带隔离保 护的CAN物理层U17的1脚连接第四电容C71的一端，第四电容C71的另一端连接带隔离 保护的CAN物理层U17的2脚并接地；带隔离保护的CAN物理层U17的8脚接外壳，并经过 电容C72和电阻R28接CAN接头J11的2，7脚接CAN接头J11的3脚，带隔离保护的CAN 物理层U17的6脚接CAN接头J11的4脚；CAN控制器型号为MCP2515-1/ST，带隔离保护的 CAN物理层芯片的型号为CTM1050T ；图14为NANDFLASH存储器与双核处理器2_1的电路连接示意图，双核处理器2_1 的 EMA_WAIT0 脚、EMA_0E 脚、EMA_CS3 脚、EMA_CS2 脚、EMA_A2 脚、EMA_A1 脚、EMA_WE 脚、EMA_ DO脚 EMA_D7脚依次连接NASHFLASH存储器的6脚、8脚、9脚、10脚、16脚、17脚、18脚、 29脚 32脚，41脚 44脚，NASHFLASH存储器的12脚和37脚接+3. 3V电源，13脚和36 脚接地；图15为同步动态随机存取存储器2-6与双核处理器2-1的电路连接示意图，双核 处理器的 EMB_D0 脚 EMB_D15 脚、EMB_WE_DQM0 脚、EMB_WE_DQM1 脚、EMB_A0 脚 EMB_A12 脚、EMB_B0 脚、EMB_BA1 脚、EMB_CLK 脚、EMB_SDCKE 脚、EMB_CS 脚、EMB_RAS 脚、EMB_PAS 脚、 EMB_WE脚依次连接第一同步动态随机存储器SDRAM的DO D15BA0脚、DQML脚、DQMH脚、AO 脚 A12脚、BA0脚、BA1脚、CLK脚、CKE脚、CS脚、RAS脚、PAS脚、WE脚；第一同步动态随 机存储器SDRAM的VDDQ. 1脚 VDDQ. 4脚和VDD. 1脚 VDD. 3脚同时接+3. 3V电源；第一 同步动态随机存储器SDRAM的VSS. 1脚 VSS. 3脚和VSSQ. 1脚 VSSQ. 4脚同时接地；双 核处理器的 EMB_D16 脚 EMB_D31 脚、EMB_WE_DQM2 脚、EMB_WE_DQM3 脚、EMB_A0 脚 EMB_ A12 脚、EMB_B0 脚、EMB_BA 1 脚、EMB_CLK 脚、EMB_SDCKE 脚、EMB_CS 脚、EMB_RAS 脚、EMB_PAS 脚、EMB_WE脚依次连接第一同步动态随机存储器SDRAM的DO D15BA0脚、DQML脚、DQMH 脚、AO脚 A12脚、BA0脚、BA1脚、CLK脚、CKE脚、CS脚、RAS脚、PAS脚、WE脚；第二同步 动态随机存储器SDRAM的VDDQ. 1脚 VDDQ. 4脚和VDD. 1脚 VDD. 3脚同时接+3. 3V电 源；第二同步动态随机存储器SDRAM的VSS. 1脚 VSS. 3脚和VSSQ. 1脚 VSSQ. 4脚同时 接地；同步动态随机存储器的型号为MT48LC16M16A2P-75 ；所述的电源模块3包括DC-DC转换稳压电路3-1、电源转换模块3_2和AC-DC变压 器3-3。所述的DC-DC转换稳压电路3-1，包括3个DC-DC稳压芯片，一个输出3. 3V，一个输 出1.8V和一个输出1.2V的，分别选用TPS54331、REG1117A-1.8和TPS54331 ；所述的电源 转换模块3-2包括三个DC-DC转换稳压电路第一 DC-DC电源转换芯片、第二 DC-DC电源转 换芯片和第三DC-DC电源转换芯片，型号分别为5V2W的4NIC-D2-S，5V15W的4NIC-D2-S、 士 15V5W的4NIC-DC5-D ；将220V50Hz的市电转换成12V的直流电接入电源转换模块3. 2的 输入端。电源转换模块3. 2将12V电压转换成两路5V和士 15V，并传给DC-DC转换稳压芯 片。DC DC转换稳压芯片将两路5V和士 15V转换成士 15V, 5VA, 5VD, 5VE, 3. 3V, 1. 8V和1. 2V 等，整个仪器供电，其中5VA表示用来给模拟器件供电的5V电，5VD表示给5V的数字器件供 电的5V电，5VE表示给数字开关量的隔离器件和通信接口的隔离器件供电的5V电。
权利要求
一种多功能电能质量监控分析系统，其特征在于包括多个多功能电能质量监控分析仪、全球定位系统和服务器计算机；多个多功能电能质量监控分析仪分别通过以太网或CAN总线接口或RS232通讯接口或RS485通讯接口与全球定位系统和服务器计算机进行通讯；所述的多功能电能质量监控分析仪由信号采集模块1、信号分析调度模块2和电源模块3、服务器4和全球定位系统5组成；所述的被测三相交流电压、三相交流电流分别输入到信号采集模块1的电压信号输入端和电流信号输入端，开关量输入到信号采集模块1的数字信号输入端；信号采集模块1的并行总线接口电路的输入输出端连接信号分析调度模块2的并行总线接口电路的输入输出端；信号分析调度模块2的带隔离保护的以太网接口电路的第二输入输出端、RS232通讯接口电路的第二输入输出端和RS485通讯接口电路的第二输入输出端分别连接服务器4的第一输入输出端、第二输入输出端和第三输入输出端，信号分析调度模块2的CAN通讯接口电路的第二输入输出端连接全球定位系统5的输入输出端；电源模块3的第一稳压电路输出端连接信号采集模块1的电源输入端，电源模块3的第二稳压电路输出端连接信号采集模块1的电源输入端和信号分析调度模块2的电源信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种多功能电能质量监控分析系统，其特征在于所述多功 能电能质量监控分析仪的信号采集模块1包括有电压保护电路1-1、电压调理电路1-2、 第一模数转换器1-3、电流保护电路1-4、电流调理电路1-5、第二模数转换器1-6、上拉电阻 电路1-7、隔离保护电路1-8、缓冲器1-9和复杂可编程逻辑器件1-10 ；三相交流电压连接 电压保护电路1-1的电压输入端，电压保护电路1-1的输出端连接电压调理电路1-2的输 入端，电压调理电路1-2的输出端连接第一模数转换器1-3的模拟信号输入端，第一模数转 换器1-3的数字信号输入输出端连接复杂可编程逻辑器件1-10的模数转换器控制器的第 一数字信号输入输出端；三相交流电流连接电流保护电路1-4的交流电流输入端，电流保 护电路1-4的输出端连接交流调理电路1-5的输入端，电流调理电路1-5的输出端连接第 二模数转换器1-6的模拟信号输入端，第二模数转换器1-6的数字信号输入输出端连接复 杂可编程逻辑器件1-10的模数转换器控制器的第二数字信号输入输出端；开关量信号连 接上拉电阻1-7的一端，上拉电阻电路1-7的另一端连接隔离保护电路的输入端，隔离保护 电路1-8的输出端连接缓冲器的输入端，缓冲器1-9的输入输出端连接复杂可编程控制器1-10的开关量采集控制器的输入输出端。
3.根据权利要求1所述的一种多功能电能质量监控分析系统，其特征在于所述多功 能电能质量监控分析仪的信号分析调度模块2包括有双核处理器2-1、时钟电路2-2、实 时时钟电路2-3、USB存储电路2-4、以太网物理层电路2-5、带隔离保护的以太网接口电路2-6、RS232转换隔离电路2-7、RS232通讯接口电路2_8、RS485转换隔离电路2_9、RS485 通讯接口电路2-10、触摸屏2-11、液晶屏2-12、带隔离保护的CAN物理层电路2_13、CAN接 口电路2-14、NANDFLASH内存储器2_15、同步动态随机存取存储器2_16 ；所述的双核处理 器2-1的并行总线接口的输入输出端、锁相环电路的输入端、实时时钟电路的输入端、USB 控制器的输入输出端、以太网控制器的数据总线地址总线输入输出端、第一通用异步接收/ 发送装置UART1接口电路的输入输出端、第二通用异步接收/发送装置UART2接口电路的 输入输出端、触摸屏控制器的输入端、液晶屏控制器的数据地址总线输出端、CAN控制器的输入输出端、第一存储器控制器A的数据地址总线的输入输出端、第二存储器控制器B的 数据地址总线输入输出端依次连接信号采集模块1的并行总线接口的输入输出端，时钟电 路2-2的输出端、实时时钟电路2-3的输出端、USB存储电路2-4的输入输出端、以太网物 理层电路2-5的数据地址总线的输入输出端、RS232转换隔离电路2-7的第一输入输出端、 RS485转换隔离电路2-9的第一输入输出端、触摸屏2-11的输出端、液晶屏2_12的数据地 址总线输入端、带隔离保护的CAN物理层电路2-13的第一输入输出端、NANDFLASH内存储 器2-15的数据地址总线的输入输出端和同步动态随机存取存储器2-16的输入输出端；以 太网物理层电路2-5的输入输出端连接带隔离保护的以太网接口电路2-6的第一输入输出 端；RS232转换隔离电路2-7的第二输入输出端连接RS232通讯接口电路2_8的第一输入 输出端；RS485转换隔离电路2-9的第二输入输出端连接RS485通讯接口电路2_10的第一 输入输出端；带隔离保护的CAN物理层电路2-13的第二输入输出端连接CAN接口电路2-14 的第一输入输出端。
4.根据权利要求2所述的一种多功能电能质量监控分析系统，其特征在于所述多功 能电能质量监控分析仪的电压保护电路1-1由压敏电阻RVDR2、第一电容C10、第二电容C2 和第三电容C11组成；A相电压的+UA端连接压敏电阻RVDR2的一端、第一电容C10—端、 第二电容C2的一端和电压保护电路的第一输出端，A相电压的-UA端连接压敏电阻RVDR2 的另一端、第一电容C10的另一端、第三电容C11的一端和电压保护电路的第二输出端，第 二电容C2的另一端与第三电容C11的另一端连接并接仪器外壳。
5.根据权利要求2所述的一种多功能电能质量监控分析系统，其特征在于所述多功 能电能质量监控分析仪的电压调理电路1-2由限流电阻RA4、电压互感器PT2、瞬态电压稳 压二极管D1、取样电阻RA2、运算放大器U1、低通滤波电阻R2和第四电容C12组成；电压保 护电路1-1的第一输出端连接限流电阻RA4的输入端，电压保护电路1-1的第二输出端连 接电压互感器PT1的原边脚2 ；限流电阻RA4的输出端连接电压互感器PT2的原边脚1 ；电 压互感器PT1的副边脚4连接瞬态电压稳压二极管D1的一端、取样电阻RA2的一端和运算 放大器U1的脚2，电压互感器PT1的副边脚3连接瞬态电压稳压二极管D1的另一端和运算 放大器的脚3并接模拟地；取样电阻RA2的另一端连接运算放大器U1的脚6和低通滤波电 阻R2的输入端；运算放大器U1的脚4连接-15VA电源，运算放大器U1的脚7连接+15VA 的电源，低通滤波电阻R2的输出端连接第四电容C12的一端和电压调理电路1-2的输出端 UA，第四电容C12的另一端接模拟地。
6.根据权利要求2所述的一种多功能电能质量监控分析系统，其特征在于所述多功 能电能质量监控分析仪的电流保护电路1-4由自恢复保险丝FS组成，三相交流电流自+IA 端输入到自恢复保险丝FS的一端，自恢复保险丝FS的另一端作为电流保护电路1-4的输 出端。
7.根据权利要求2所述的一种多功能电能质量监控分析系统，其特征在于所述多功 能电能质量监控分析仪的电流调理电路1-5由电流互感器CT1、瞬态电压稳压二极管D2、取 样电阻RA5、运算放大器U3、低通滤波电阻R3和第一电容R13组成；电流保护电路1_4的输 出端连接电流互感器RA5的5脚，-IA端连接到电流互感器CT1的脚6，电流互感器CT1的 脚3连接取样电阻RA5的输入端、瞬态电压稳压二极管D2的一端和运算放大器U3的脚2， 电流互感器CT1的脚4连接瞬态电压稳压二极管D3的另一端和运算放大器的脚3并接模拟地；运算放大器U3的脚6连接取样电阻RA5的另一端和低通滤波电阻R3的输入端；运算 放大器U3的脚4连接-15VA电源，运算放大器U3的脚7连接+15VA的电源；低通滤波电阻 R3的输出端连接第一电容C13的一端和电流调理电路1-5的输出端IA ；第一电容C13的另 一端接模拟地。
全文摘要
一种多功能电能质量监控分析系统，属于电能质量监测技术领域。多功能电能质量监控分析系统包括多个多功能电能质量监控分析仪、对时子系统和服务器计算机；多个多功能电能质量监控分析仪分别通过以太网或CAN总线接口或RS232通讯接口或RS485接口与全球定位系统对时模块和服务器计算机进行通讯；其中所述的多功能电能质量监控分析仪由信号采集模块1、信号分析调度模块2和电源模块3、服务器4和全球定位系统5组成。本发明硬件电路简单、易扩展、便于安装和调试，既可以作为整个电能质量分析和故障录波网络的一个结点，也可以作为一个单独的便携式的仪表。
文档编号H02J13/00GK101860076SQ20101015191
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者佘黎煌, 张石, 李在林, 王明全, 王顼, 钱若函, 鲍喜荣 申请人:东北大学