电能质量检测系统及其操作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电能质量检测系统及其操作方法，属于电力领域。所述电能质量检测系统由信号连接的数据采集模块、数据处理模块、MCU人机接口模块、电源模块组成。本发明具有很高的测量速度和测量精度，人机界面友好，易于操作，功能齐全，具有可扩展性，便于系统的硬件和软件升级，具有很好的实用价值。
【专利说明】电能质量检测系统及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力领域，特别涉及一种电能质量检测系统及其操作方法。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，电力系统负载的复杂程度增加了，整流器、变频器以及电弧炉等各种非线性负载在工农业生产和输用电设备中得到了广泛的应用，电力线上传输的已经不再是纯净的50Hz交流电了，而变成包含着谐波和各种干扰的复杂的供电系统，这些负载的非线性、冲击性和不平衡性使得电网的供电质量日趋恶化，造成诸多的稳态、暂态电能质量问题，如浪涌干扰，高压尖峰干扰，电压跌落和骤变，电压的谐波影响，电压波动，三相不平衡等，所有这些带来了许多新的问题，如电网中存在的大量谐波电压和谐波电流会导致电机转子过热，导致系统元件产生附加谐波损耗，降低用电设备的使用效率，缩短使用寿命；瞬变干扰引起计算机和单片机系统的死机，还可能引起自动装置、继电保护装置误动作和工业生产电子控制装置失灵，使重要的生产过程中断；功率因数降低导致损耗增加等等。所有的这些问题将会造成巨大的经济损失和生产事故，产生严重的安全隐患。
[0003]基于以上各种因素，为了电力系统的安全运行，电力终端用户的安全用电，以及达到电力设备的要求，更为了降低损耗，提高用电效率，研究能够在用户设定的工作方式下(包括单项、三相三线和三相四线)，对电网各项参量进行检测，同时实现电能质量各项指标的测量和结果显示的电力系统综合测量装置，进行电网监测和电能治理成为近年来电力行业研究的新热点。
[0004]电力参数监测装置的发展经历了三个阶段:第一代是指针式仪器，第二代是数字式测量仪器，第三代是智能仪器。
[0005]国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能，而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对变电站的各级母线电压、主变压器各侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测量，对大中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。
[0006]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
上述的电能质量监测手段和管理模式存在着实时性差、测量指标少、工作量大、测量误差大、效率低等明显的局限性。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种电能质量检测系统及其操作方法。所述技术方案如下:
一方面，本发明提供了一种电能质量检测系统，
所述电能质量检测系统由信号连接的数据采集模块、数据处理模块、MCU人机接口模块、电源模块组成。[0008]优选地，所述数据采集模块包括ADI公司的六通道模拟输入16位串行可编程A/D转换器AD73360。
[0009]优选地，所述数据处理模块包括TI公司16位定点DSP处理器TMS320VC5402。
[0010]优选地，所述MCU人机接口模块中的单片机为TI公司的MSP430F149单片机。
[0011]另一方面，本发明还提供了一种电能质量检测系统操作方法，
所述电能质量检测系统操作方法包括:
开始；
系统上电复位DSP运行装载程序；
系统初始化:控制初始化、GPIO初始化、EV初始化、McBSP初始化等；
开中断；
AD73360进行数据采集；
数据处理及FFT谐波分析；
按键相应及数据显示和上位机通讯。
[0012]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
本系统具有很高的测量速度和测量精度，人机界面友好，易于操作，功能 齐全，具有可扩展性，便于系统的硬件和软件升级，具有很好的实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
[0014]图1是本发明实施例一提供的电能质量检测系统的结构框图；
图2是本发明实施例二提供的电能质量检测系统操作方法的方法流程图。
【具体实施方式】
[0015]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0016]实施例一
本发明实施例一提供了一种电能质量检测系统，参见图1，所述电能质量检测系统由信号连接的数据采集模块、数据处理模块、MCU人机接口模块、电源模块组成。
[0017]具体地，数据采集模块包括ADI公司的六通道模拟输入16位串行可编程A/D转换器AD73360。此芯片具有6个模拟量输入通道，特别适合于三相制电力运行参数测控。这6个通道可同时采样，并且无须CPU干涉，每个通道可输出长度为16位的数字量，计算可知，16位A/D的分辨率理论上可达0.00153%，完全满足系统精度要求。AD73360采用交流耦合的差分输入，通过McBSP接口与TMS320VC5402相连，接口信号线的数目只有6条，简捷高效。
[0018]具体地，数据处理模块包括TI公司16位定点DSP处理器TMS320VC5402。
[0019]TMS320VC5402的片内存储空间分为三个可选择的部分，分别是64K字的程序空间、数据空间和I/o空间。TMS320VC5402具有16K字片内DARAM和4K字的ROM，可以外扩最大IMX 16位的R0M、64K字RAM、64KI/0。TMS320VC5402所有片内和片外程序存储器以及片内和片外数据存储器分别统一变址，因此，通过工作方式寄存器PMST的3个位控信息MP/MC、OVLY、
DR0M，可以方便地将片内RAM定义为程序或数据存储器。
[0020]MCU选用一款高性能单片机MSP430F149负责数据的再处理以及显示、键盘控制、开关量输入输出等，与DSP构成一个主从式系统。
[0021]利用C5402自带的HP1-8接口实现与单片机的通信，双方通过共享C5402的片上存储器来完成通信，单片机为主控部分，采用端口方式直接访问HPI 口。
[0022]具体地，MCU人机接口模块中的单片机为TI公司的MSP430F149，MSP430F149采用“冯诺依曼”结构，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内，最大寻址地址为62KB (60K的FLASH ROM，2K的RAM)。内部还集成有I个硬件乘法器、I个精确的模拟比较器、2个具有捕获/比较寄存器的定时器、8路12位A/D转换器、片内看门狗定时器、2个串行通信接口以及48个I/O引脚，每个I/O 口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用I/O 口可复用，大大增强了端口功能和灵活性，提高了对外围设备的开发能力。
[0023]同时，MSP430F149是FLASH存储器型单片机，具有良好的仿真开发技术，设置有JTAG仿真接口和高级语言编译器。在系统支持软件下，在线实现对目标系统的硬件调试及软件开发，包括汇编、C语言、连接及动态调试，具有单步、多断点和跟踪，并且开放全部存储器、寄存器，可以方便可靠地对系统进行硬件、软件开发。
[0024]具体地，液晶显示电路为金鹏电子有限公司0CM12864-3型液晶显示屏。0CM12864-3是一种128*64点阵(EL背光)的液晶显示器，它由两片带控制器的列驱动电路KS0108和一片行驱动电路KS0107组成主要硬件电路，KS0108将控制显示屏分为左右半屏，通过CS1、CS2选择。
[0025]电能质量检测系统以TI公司的TMS320VC5402芯片为核心，包括电流/电压隔离电路、信号调理及A/D采样电路、以16位低功耗单片机MSP430F149为核心的人机接口电路以及系统辅助电源，实现了对包括三相电流电压在内的各电参量的测量、显示控制以及通信等功能。整个系统以准确采样与处理为基础，兼顾整体的设计简单，成本低廉等因素。
[0026]首先三相电压/电流经过精密电压电流互感器转换后滤除高次谐波，再经过信号调理电路变换为适合AD73360采样的信号进行采样。AD73360将采样完成后将数字信号送ADSP0由DSP对采样数据作进一步作抗混叠处理后，计算出各电力参数并通过快速傅里叶算法进行谐波分析，并将各需要参数进行存储。经过DSP处理后的各实时电参量经通讯单元送给以MSP430F149为核心的上位机进行显示。系统设计有键盘输入控制电路以及IXD液晶显示电路，实现友好、直观的人机接口。
[0027]综上，电力参数实时测量系统的最终目标是以高速处理器DSP为核心，通过FFT数字信号处理算法实现三相电力基本参数及电能质量参数的实时、准确测量，本系统的具体功能如下:
(I)实现对三相六路电网信号的同步采集，通过数字信号处理算法实现对电力基本参数的实时测量，包括:三相电压、电流有效值，有功功率，无功功率，视在功率，功率因数等；六路被测电网信号电能质量参数的实时测量，包括:电压偏差，频率偏差等；
(2)谐波分析，通过算法计算谐波电压电流幅值、频率、相位等；
(3)通过键盘选择各路电网信号、被测参数等，对测量结果进行显示。
[0028]实施例二
本发明实施例二提供了一种电能质量检测系统操作方法，参见图2，所述电能质量检测系统操作方法包括:
DSP程序设计首先要完成DSP的BOOTLOADER引导程序并开始系统的初始化。本系统MP/MC引脚接地，上电RESET时，DSP选择微计算机方式，程序从内部ROM的FF80H地址开始运行，在FF80H处有一跳转到BOOT程序的指令，执行内部固化好的BOOT程序。
[0029]软件先要完成对系统各个硬件的初始化，初始化的主要功能是读入系统程 序初始化代码，将运行所需的各种数据设置初值，由初始化函数init_PQMonitor() 来完成；初始化对象包括TMS320VC5402，AD73360、异步通信模块、时钟等。
[0030]为了使串口能够配合AD73360开始工作，需要对DSP的McBSP串口进行设置，其中包括对字长、允许产生中断的设置等。开始工作后串口的时钟由AD73360产生，接着由设置好的串口对A/D进行初始化，打开六路采样通道，设置采样模式等。然后打开INTO中断。INTO由PLL电路产生，由此来实现同步采样。DSP在收到INTO后，打开发送中断向A/D发送采样指令，并同时打开数据接收中断开始接收数据，采样后对数据进行FFT分析以及处理后的数据显示与传输。
[0031]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
本系统具有很高的测量速度和测量精度，人机界面友好，易于操作，功能齐全，具有可扩展性，便于系统的硬件和软件升级，具有很好的实用价值。
[0032]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电能质量检测系统，其特征在于， 所述电能质量检测系统由信号连接的数据采集模块、数据处理模块、MCU人机接口模块、电源模块组成。
2.根据权利要求1所述的电能质量检测系统，其特征在于， 所述数据采集模块包括ADI公司的六通道模拟输入16位串行可编程A/D转换器AD73360。
3.根据权利要求1所述的电能质量检测系统，其特征在于， 所述数据处理模块包括TI公司16位定点DSP处理器TMS320VC5402。
4.根据权利要求1所述的电能质量检测系统，其特征在于， 所述MCU人机接口模块中的单片机为TI公司的MSP430F149单片机。
5.一种如权利要求1所述的电能质量检测系统操作方法，其特征在于， 所述电能质量检测系统操作方法包括: 开始； 系统上电复位DSP运行装载程序； 系统初始化:控制初始化、GPIO初始化、EV初始化、McBSP初始化等； 开中断； AD73360进行数据采集； 数据处理及FFT谐波分析； 按键相应及数据显示和上位机通讯。
【文档编号】G01R22/10GK103454493SQ201310420681
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】孙世五, 王金成 申请人:国网河南省电力公司焦作供电公司