专利名称：一种电力监测设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力监测技术，尤其涉及一种电力监测设备。
技术背景传统的电力监测设备(Power Monitoring Device,简称PMD )通常用于 测量电流、电压、功率和电能值等基本电力参数(Power parameter )。随着 能源的供应与消耗之间矛盾的日益加剧，对电能质量(Power quality)进行 监测和分析的需求也在逐步增加。在电力监测过程中，多数的电能质量扰动 是非固定的、暂态的，要对电压跌落、电压骤升、波动、振荡和短时中断等 暂态电能质量扰动进行分析存在相当的难度，通常需要采用如小波变换 (Wavelet )、快速傅里叶变换(FFT)、人工神经网络(ANN )和模糊逻辑(FL )等复杂算法。现有的电力监测设备一般基于微控制器(MCU )或数字信号处理器(DSP ) 来实现。由于微控制器和数字信号处理器的结构是串行的，因此，采用微控 制器和/或数字信号处理器的电力监测设备也是一种串行结构，其相关功能 是通过一序列的指令来顺序实现的。这种串行的结构一i&只适合于完成一些 运算量较小的工作，其运算速度不能满足象上述的小波变换(Wavelet )、快 速傅里叶变换(FFT)、人工神经网络U丽)和模糊逻辑(FL)等复杂算法的 要求。所以，基于微控制器或数字信号处理器的电力监测设备通常只能提供 电力参数的测量等基本功能，而难于实现对电能质量的分析功能。图1示出了一种由微控制器和数字信号处理器相结合而实现的现有电 力监测设备。其中，电流转换单元将输入的电流信号II、 12、 13转换成较 小的、适于后续处理的电流信号，并提供给取样保持单元；电压转换单元将4输入的相对于Un的电压信号Ul、 U2、 U3转换成较小的、适于后续处理的电 压信号，并提供给取样保持单元。取样保持单元对来自电压转换单元的电压 进行取样、调整和滤波，将来自电流转换单元的电流转换成相应的电压信号， 并进行取样、调整和滤波，然后提供给模数转换单元进行模数转换。电力参 数测量单元基于数字信号处理器DSP实现，利用模数转换后得到的数字信号 进行电力参数的测算。电能质量分析单元也基于数字信号处理器DSP实现， 利用模数转换后得到的数字信号进行电能质量的分析。电力参数的测量结果 和电能质量的分析结果被提供给基于微控制器MCU实现的外围设备接口单 元。外围设备接口单元实现存储器控制、通信控制、显示控制、键盘控制和 输入/输出接口等对外围设备的控制与接口功能，从而将最终的监测及分析 结果进行输出。这类电力监测设备可以利用其中的数字信号处理器来实现少 量的电能质量分析功能，如对谐波、波形、事件记录等的稳态电能质量分析。 但是，这类电力监测设备仍不能实现对诸如电压凹陷、电压骤升、振荡、波 动和短时中断等暂态电能质量扰动进行分析，因为，能够实现这种分析的小 波变换、人工神经网络U丽)和模糊逻辑(FL)等算法会导致非常高的运算 负荷，这是串行结构的电力监测设备难以达到的。发明内容因此，本发明的目的是提供一种电力监测设备来实现更加全面、性能更 好的电力参数测量和电能质量分析。本发明的电力监测设备包括一个电力参数测量单元，用于根据获取的电 压和/或电流的数字信号，测量并计算得到电力参数的测量结果；所述电力监 测设备还包括一个电能质量分析单元，由现场可编程门阵列实现，用于根据 所述获取的电压和/或电流的数字信号，基于并行的方式执行小波变换算法、 快速傅里叶变换算法、人工神经网络算法或模糊逻辑算法的计算，对稳态和 暂态电能质量扰动进行分析，得到电能质量的分析结果。中，所述电力参数测量单元由现场可编程门阵列实 现。优选地，所述电力监测设备还包括一个外围设备接口单元，用于对外围 设备进行控制，以将所述电能质量的分析结果和/或所述电力参数的测量结 果提供给外围设备。具体地，所述外围设备接口单元由现场可编程门阵列、 微控制器或数字信号处理器实现。在另一个优选实施例中，所述电力参数测量单元由数字信号处理器实 现。优选地，所述电力监测设备还包括一个外围设备接口单元，由数字信号 处理器实现，用于对外围设备进行控制，以将所述电能质量的分析结果和/ 或所述电力参数的测量结果提供给夕卜围设备。进一步地，所述电力监测设备还包括 一个取样保持单元，用于对输入的电压信号和/或输入的电流信号进行取样、调整和滤波； 一个模数转换单 元，用于将来自取样保持单元的信号转换成数字信号。优选地，所述电力监 测设备还包括 一个模数转换控制单元，由现场可编程门阵列实现，用于以 并行的方式控制所述模数转换单元进行模数转换并从所述模数转换单元获 取所述数字信号，然后提供给电能质量分析单元和电力参数测量单元。具体地，所述电能质量分析单元包括 一个计算模块，用于根据所述获 取的电压和/或电流的数字信号，以并行的方式执行小波变换算法、快速傅 里叶变换算法、人工神经网络算法或模糊逻辑算法的计算； 一个分析模块， 用于根据所述计算模块的计算结果，对稳态和暂态电能质量扰动进行分析， 得到电能质量的分析结果。具有本发明上述结构的电力监测设备由于采用了现场可编程门阵列，因 而能够以较好的性能完成小波变换、快速傅里叶变换、人工神经网络和模糊 逻辑等运算等计算量大、需要并行计算的算法，从而实现现有电力监测设备 难于实现的电能质量分析功能，同时也能够以较好的性能实现电力参数测量 及其它外围功能。在另选方案中，也可以采用数字信号处理器或微控制器来实现如电力参 数测量、其它外围功能等其它对计算能力要求不高的功能，这样既可以实现 较好性能的电能质量分析，同时也可以减少对现场可编程门阵列进行例如VHDL或Verilog编程的工作量，从而缩短设计周期。
图1为一种现有技术的电力监测设备示意图； 图2为本发明实施例一的电力监测设备组成示意图； 图3为本发朋实施例二的电力监测设备组成示意图； 图4为本发明实施例三的电力监测设备组成示意图。 下面结合附图对本发明进行详细描述。
具体实施方式
现场可编程门阵列(FPGA)具有并行结构，可以通过并行的算法来提供优 于微控制器或数字信号处理器的计算和处理性能。因此，本发明在电力监测换、人工神经网络和模糊逻辑等运算，从而实现电能质量分析功能，使得电 力监测设备可以实现对暂态电能质量扰动的有效分析。该现场可编程门阵列还可以用来实现电力监测设备中的其它功能，如对 基本电力参数的测量和计算功能、对模数转换的控制功能、与外围设备的接 口功能等，由于现场可编程门阵列具有并行处理的能力，它在实现这些其它 功能时，同样也能使电力监测设备达到较好的性能。此外，出于减少现场可编程门阵列的编程量、缩短设计周期等考虑，本 发明还提出了将现场可编程门阵列与微控制器或数字信号处理器相结合的 电力监测设备的结构。以下通过具体的实施例来对本发明的电力监测设备进行详细描述。实施例一图2为本发明实施例一的电力监测设备组成示意图。实施例一采用了现 场可编程门阵列来取代现有电力监测设备中的微控制器和/或数字信号处理 器，使得实施例一的电力监测设备能够全面实现电能质量分析功能，同时还 可实现电力参数测量、模数转换控制以及与外围设备的接口等功能。实施例一的电力监测设备包括 一个取样保持单元、 一个模数转换单元、一个模数转换控制单元、 一个电能质量分析单元、 一个电力参数测量单元和 一个外围设备接口单元。其中，取样保持单元和模数转换单元采用与现有的电力监测设备中的取 样保持单元和模数转换单元相同的方式实现。取样保持单元用于对输入的电 压信号进行取样、调整和滤波，将输入的电流信号转换为相对应的电压信号 并进行取样、调整和滤波。模数转换单元用于将来自取样保持单元的信号转 换成数字信号。为了使系统更高效地工作，该电力监测设备还包括一个由现场可编程门阵列FPGA实现的;f莫数转换控制单元，用于控制模数转换单元执行^^莫数转换 并从模数转换单元获取转换得到的数字信号，例如，向模数转换单元提供开 始转换启动信号，在收到模数转换单元的转换完成中断指示时从才莫数转换单 元读取转换得到的数字信号，然后将获取的电压和/或电流的数字信号提供 给电能质量分析单元和电力参数测量单元。由于现场可编程门阵列具有并行 处理的能力，因此模数转换控制单元与模数转换单元之间可以通过并行的方 式进行交互工作，这样也可以提高电力监测设备的性能。模数转换控制单元 也可将读取的数字信号先进行存储，在适当时再提供给电能质量分析单元和电力参数测量单元。电力监测设备的核心功能主要由电能质量分析单元和电力参数测量单 元来实现。电能质量分析单元由现场可编程门阵列FPGA实现，用于根据获取的电压和/或电流的数字信号，基于并行的方式执行小波变换算法、快速傅里叶 变换算法、人工神经网络算法或模糊逻辑算法的计算，对稳态和暂态电能质 量扰动进行分析，得到电能质量的分析结果。电能质量分析单元也可进一步 地将执行上述算法的计算结果和分析得到的电能质量分析结果进行存储，以 供后续步骤使用。暂态电能质量扰动可以是电压跌落、电压骤升、振荡、波 动或短时中断。采用小波变换、快速傅里叶变换等算法对这些稳态和暂态电 能质量进行分析的具体方法可参见现有技术。具体地，该电能质量分析单元可包括 一个计算模块和一个分析模块。 计算模块用于根据获取的电压和/或电流的数字信号，以并行的方式执行小 波变换算法、快速傅里叶变换算法、人工神经网络算法或模糊逻辑算法的计 算。计算模块还可用于存储上述算法的计算结果。分析模块用于根据所述计 算模块的计算结果，对稳态和暂态电能质量扰动进行检测、分类和分析，从 而得到电能质量的分析结果。分析模块还可用于存储对电能质量的分析结 果。电力参数测量单元用于根据来自模数转换单元的所述数字信号，测量并 计算得到电力参数的测量结果。电力参数测量单元还可进一步用于存储上述 测量结果，以供后续步骤使用。上述电力参数可以是电压、电流、频率、功 率或电能值等基本电力参数，可以采用现有的测量和计算方法来得到对这些 电力参数的测量结果。在实施例一中，电力参数测量单元由现场可编程门阵 列实现。电力监测设备的上述测量结果和分析结果通常需要通过外围设备输出 给用户，这些外围设备可以是通信装置、显示装置、键盘、存储器和输入/ 输出接口等。为此，该电力监测设备还可包括一个外围设备接口单元，用于 实现对外围设备的控制和接口功能，以将电能质量的分析结果和/或电力参 数的测量结果通过外围设备进行输出。在实施例一中，外围设备接口单元由现场可编程门阵列实现。 实施例二图3为本发明实施例二的电力监测设备组成示意图。实施例二与实施例 一的不同之处在于，实施例二的电力监测设备中，外围设备接口单元由微控 制器或数字信号处理器实现。采用这种结构来实现电力监测设备的优点在于，现场可编程门阵列主要 用于实现电能质量分析、电力参数测量等核心的、计算量大的功能，而外围 功能等则由微处理器或数字信号处理器实现，这样可以达到较好的电能质量 分析和电力参数监测性能。此外，通过采用微处理器或数字信号处理器实现部分功能，也可以减少对现场可编程门阵列进行例如VHDL或Verilog编程 的工作量，从而缩短设计周期。 实施例三图4为本发明实施例三的电力监测设备组成示意图。实施例三与实施例 一的不同之处在于，实施例三的电力监测设备中，电力参数测量单元、外围 设备接口单元由数字信号处理器实现。采用这种结构来实现电力监测设备的优点在于，现场可编程门阵列专注 于实现电能质量分析这类计算量大、需要并行计算的功能，而电力参数测量 及其它外围功能则由数字信号处理器实现，这样可以达到较好的电能质量分 析和电力参数监测性能，同时，通过采用数字信号处理器实现部分功能，也 可以减少对现场可编程门阵列进行例如VHDL或Verilog编程的工作量，从 而缩短设计周期。本领域技术人员可以理解，还可以采用现场可编程门阵列与数字信号处 理器和微控制器的其它组合结构来实现电力监测设备的功能。例如，现场可 编程门阵列实现电能质量分析功能，而数字信号处理器实现电力参数测量功能，微处理器实现与外围设备接口功能。因此，以上实施例仅为本发明的较 佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。
权利要求
1、一种电力监测设备，包括一个电力参数测量单元，用于根据获取的电压和/或电流的数字信号，测量并计算得到电力参数的测量结果；一个电能质量分析单元，用于根据所述获取的电压和/或电流的数字信号，分析得到电能质量的分析结果；其特征在于，所述电能质量分析单元由现场可编程门阵列实现，用于基于并行的方式执行小波变换算法、快速傅里叶变换算法、人工神经网络算法或模糊逻辑算法的计算，对稳态和暂态电能质量扰动进行分析，以得到电能质量的分析结果。
2、 根据权利要求1所述的电力监测设备，其特征在于，所述电力参数 测量单元由现场可编程门阵列实现。
3、 根据权利要求1或2所述的电力监测设备，其特征在于，所述电力 监测设备还包括一个外围设备接口单元，用于对外围设备进行控制，以将所述电能质量 的分析结果和/或所述电力参数的测量结果提供给外围设备。
4、 根据权利要求3所述的电力监测设备，其特征在于，所述外围设备 接口单元由现场可编程门阵列、纟效控制器或数字信号处理器实现。
5、 根据权利要求1所述的电力监测设备，其特征在于，所述电力参数 测量单元由数字信号处理器实现。
6、 根据权利要求5所述的电力监测设备，其特征在于，所述电力监测 设备还包括一个外围设备接口单元，由数字信号处理器实现，用于对外围设备进行 控制，以将所述电能质量的分析结果和/或所述电力参数的测量结果提供给 外围设备。
7、 根据权利要求1所述的电力监测设备，其特征在于，所述电力监测设备还包括一个取样保持单元，用于对输入的电压信号和/或输入的电流信号进行 取样、调整和滤波；一个才莫数转换单元，用于将来自所述取样保持单元的信号转换成数字信
8、 根据权利要求7所述的电力监测设备，其特征在于，所述电力监测 设备还包括一个模数转换控制单元，由现场可编程门阵列实现，用于以并行的方式 控制所述模数转换单元进行模数转换并从所述模数转换单元获取所述数字 信号，然后提供给所述电能质量分析单元和所述电力参数测量单元。
9、 根据权利要求1所述的电力监测设备，其特征在于，所述电能质量 分析单元包括一个计算模块，用于根据所述获取的电压和/或电流的数字信号，以并 行的方式执行小波变换算法、快速傅里叶变换算法、人工神经网络算法或模 糊逻辑算法的计算；一个分析模块，用于根据所述计算模块的计算结果，对稳态和暂态电能 质量扰动进行分析，得到电能质量的分析结果。
全文摘要
本发明提供了一种电力监测设备，该电力监测设备包括一个电力参数测量单元，用于根据获取的电压和/或电流的数字信号，计算得到基本电力参数的测量结果；一个电能质量分析单元，由现场可编程门阵列实现，用于根据所述获取的电压和/或电流的数字信号，基于并行的方式执行小波变换算法、快速傅里叶变换算法、人工神经网络算法或模糊逻辑算法，对稳态和暂态电能质量扰动进行分析，得到电能质量的分析结果。本发明的电力监测设备由于采用了现场可编程门阵列，因而能够以较好的性能实现电能质量分析以及电力参数测量和其它外围功能。
文档编号G01R19/00GK101614760SQ20081013051
公开日2009年12月30日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年6月26日
发明者俞毅刚, 吴剑强, 李剑铎, 汤光强, 胡飞凰, 挺 谢 申请人:西门子公司