一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，包括同步采样信号模块以及依次连接的信号传感模块、信号调理模块、A/D采样模块、DSP及其外围电路和CPLD及其外围模块；数据传感模块还通过同步采样信号模块与A/D采样模块连接；信号传感模块与专线用户待测线路连接；同步采样信号模块包括依次连接的过零比较电路和锁相环同步倍频电路；A/D采样模块采用MAX1324芯片；锁相环同步倍频电路连接MAX1324芯片。本发明检测的电力参数，可用于耗能用户的节能潜力分析，达到最大潜力的节能。该装置具有操作简单、可便携、成本低、智能化强、测量精度高、抗干扰能力强、可靠性高等优点。
【专利说明】一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种节能诊断设备，特别是涉及一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统。
【背景技术】
[0002]我国进入二十一世纪以来迎来了一个建设发展的高速发展期，2010年我国⑶P超过日本成为全球第二大经济体，2011年我国可能将超过美国成为全球第一的能源消耗大国，但我国单位GDP能耗却仍是世界平均水平的三倍左右，在国际上处于很落后的位置。自20世纪70年代发生全球性的能源危机后，世界各国政府开始认识到能源的重要性，很多国家建立了自己的节能政策和审计计划。它是一种专业性审计活动，是审计单位依据国家有关的节能法规和标准，对企业和其他用能单位能源利用的物理过程和财务过程进行检验、核查和分析评价。
[0003]节能诊断作为能源审计中针对企业用电情况和节电潜力发掘的初步诊断，可以更好的判断企业生产电耗，对企业节电潜力挖掘，科学合理用电，注重用电质量与用电安全等目标，具有重大的意义。
[0004]用户端内部的配电系统普遍缺乏在线监测系统，即便有在线监测系统，但在电能质量数据采集、存储和分析方面技术存在着不足，故我们特研制了节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统。该装置“即插即用”、可至少存储一周数据，在用户不停电的条件下，对各类大用户的用电情况和电能质量可实施有效地在线监测和数据记录。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种采样同步性好，测量精度高，转换速度速率高，转换时间少的节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统。
[0006]一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，包括同步采样信号模块以及依次连接的信号传感模块、信号调理模块、Α/D采样模块、DSP及其外围电路和CPLD及其外围模块；数据传感模块还通过同步采样信号模块与Α/D采样模块连接；信号传感模块与专线用户待测线路连接；
[0007]所述信号传感模块包括电流互感器和电压互感器；信号调理模块包括依次连接的带通滤波器和运算放大器，电流互感器和电压互感器一端分别与专线用户待测线路连接，另一端分别与带通滤波器连接；
[0008]所述同步采样信号模块包括依次连接的过零比较电路和锁相环同步倍频电路；过零检测电路根据电压过零的点可检测出所测电路的周期，确定出所测电路的频率；A/D采样模块采用MAX1324芯片；锁相环同步倍频电路连接MAX1324芯片；锁相倍频电路包括CD4046和CD4040，CD4040为分频器；锁相倍频电路构成频率跟踪电路，对所测电路的频率进行同步倍频256次；
[0009]所述DSP及其外围电路包括DSP数据分析芯片，FLASH和RAM ;FLASH和RAM都是存储芯片，分别与DSP数据分析芯片连接；DSP数据分析芯片选用TMS320F2812芯片；MAX1324芯片与TMS320F2812芯片连接；数据处理芯片TMS320F2812对Α/D采样芯片模块的数字信号在所测的一个周期内采集128点的数据；经数据处理芯片TMS320FDSP2812处理得到三相电压、电流有效值，再对采样收集到的三相电压、电流进行运算，求出三相有功功率、无功功率、视在功率、频率偏差、电压偏差、功率因素，应用快速傅里叶变换算法把采样的电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算出电压电流的基波分量和各次谐波分量，并算出电压、电流谐波总畸变率；
[0010]所述CPLD及其外围模块包括CPLD、显示屏、键盘、通讯模块和存储模块；显示屏、键盘、通讯模块和存储模块分别与CPLD连接；TMS320F2812芯片与CPLD连接。
[0011]为进一步实现本发明的目的，优选地，所述运算放大器为0P4227PA型运算放大器。所述电压互感器采用霍尔传感器CLSM- 10mA。所述CPLD选用大规模集成电路芯片EPM3256SQC144。所述通讯模块采用UART芯片TL16C550。所述存储模块采用U盘或SD卡。
[0012]本发明具有如下优点:
[0013]I)本发明可高精度的监测各项数据，包括电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率、视在功率、电压偏差、频率偏差、基波功率因素、三相电压不平衡、三相电流不平衡、各次电压电流谐波量、各次谐波畸变率、间谐波等电力参数，为能源审计提供精确、详细的数据，也对解决电能质量问题的针对措施具有重要的意义。
[0014]2)本发明采用MAX1324芯片作为AD采样数据芯片，测量精度高，转换速度速率高，使转换时间大大减小，而且也减少了 AD转换芯片硬件设置和软件设计的复杂度。
[0015]3)本发明采样信号模块应用锁相倍频采样，可消除采样不同步和周期测量误差对测量精度的影响。
[0016]4)本发明存储方式可用U盘或SD卡，灵活多变，且可移动，可大容量存储。这样可使数据的拷贝更为方便，使监测得到的数据就地分析或实现长时间的数据记录，更有利于对所测数据的分析与研究。
[0017]5)本发明从成本控制及系统优化上考虑芯片选型，充分利用外设资源，使得系统简约高效，从而使得该装置成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统的原理图。
[0019]图2为本发明节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统连接示意图。
[0020]图3为DSP处理的流程框图。
[0021]图4为利用快速傅里叶变换算法计算各电力参数的流程框图。
【具体实施方式】
[0022]为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述，但是本发明的实施方式不限如此。
[0023]如图1、2所示，一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，包括同步采样信号模块4以及依次连接的信号传感模块2、信号调理模块3、Α/D采样模块5、DSP及其外围电路6和CPLD及其外围模块7 ;数据传感模块2还通过同步采样信号模块4与A/D采样模块5连接；信号传感模块2与专线用户待测线路I连接；
[0024]信号传感模块2包括电流互感器21和电压互感器22 ;信号调理模块4包括相互连接的带通滤波器41和运算放大器42，运算放大器42优选为0P4227PA型运算放大器；电流互感器21和电压互感器22 —端分别与专线用户待测线路I连接，另一端分别与带通滤波器41连接；电压互感器3优选采用霍尔传感器CLSM-1OmA ；
[0025]同步采样信号模块4包括依次连接的过零比较电路41和锁相环同步倍频电路42 ；Α/D采样模块5采用MAX1324芯片；锁相环同步倍频电路42连接MAX1324芯片；锁相倍频电路包括⑶4046和⑶4040，⑶4046为通用CMOS锁相环集成电路，由线性压控振荡器、2个相位比较器和低通滤波电路组成KD4040为分频器；
[0026]DSP及其外围电路包括DSP数据分析芯片61，FLASH62和RAM63 ;FLASH62和RAM63都是存储芯片，分别与DSP数据分析芯片61连接；DSP数据分析芯片61选用TMS320F2812芯片；MAX1324芯片与TMS320F2812芯片连接；
[0027]CPLD及其外围模块7包括CPLD71、显示屏72、键盘73、通讯模块74和存储模块75 ;显示屏72、键盘73、通讯模块74和存储模块75分别与CPLD71连接；CPLD71选用大规模集成电路芯片EPM3256SQC144 ；TMS320F2812芯片与CPLD71连接；通讯模块20采用UART芯片TL16C550 ;存储模块21采用U盘或SD卡。
[0028]本发明专线用户待测线路I上的三相电压、电流的信号传感模块2与相连。专线用户三相线路的大电流通过电流互感器21转换为小电流，高电压通过电压互感器22转换为低电压，电压互感器3采用的霍尔传感器CLSM -1OmA具有线性输出、高精度、高响应速度、抗干扰能力强的特点。
[0029]经信号传感模块2变换的三相电压、电流信号，再由信号调理模块4进行信号的调理，首先由带通滤波器5进行滤波处理，继而由0P4227PA运算放大器6对三相电压电流进行增益放大处理，确保整体数据处理分析的精度。
[0030]经信号调理模块4得到的电压、电流信号传到Α/D采样芯片模块10上，把模拟信号转换成数字信号，再将数字信号传送到DSP数据分析模块4上；A/D采样芯片模块10采用的MAX1324芯片是一种14位高速并行A/D，8个采样通道、同步采样ADC转换器，可提供±5V或O至+5V模拟出入范围，可提供土 16.5V的过压保护，具有转换速率快、优异的动态特性和采集精度。
[0031]Α/D采样芯片模块10采样方式是通过同步采样信号模块4控制实现。同步采样信号模块4包括过零检测电路41和锁相倍频电路42。首先，过零检测电路根据电压过零的点可检测出所测电路的周期，从而确定出所测电路的频率，再利用锁相倍频电路42构成频率跟踪电路，对所测电路的频率进行同步倍频256次，得到的倍频信号作为Α/D采样的周期控制信号，实现了在一个工频周期里采集256个点的采样频率，且这256个点间是同步等间隔采样的，供后面的DSP芯片及其外围模块的快速傅里叶变换(FFT)运算分析。这种采样方式提高测量数据的实时性和可靠性。由于锁相环具有实时跟踪性，当被测信号频率变化时，电路能自动、快速跟踪并锁定，始终保证采样频率为所测线路频率的256倍。
[0032]DSP芯片及其外围电路6中，DSP数据分析芯片61选用的TMS320F2812芯片是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150MHz下工作。此芯片具有大量的可控制GPIO 口，方便控制与外围电路的连接。该芯片集成度非常高、运算速度快，具有卓越的数字信号处理能力，是数字信号控制领域最常用的芯片平台。数据处理芯片TMS320F2812利用CS片选拉低，对Α/D采样芯片模块的数字信号在所测的一个周期内采集128点的数据。经数据处理芯片TMS320FDSP2812可得到三相电压、电流有效值，再对采样收集到的三相电压、电流进行运算，即可求出三相有功功率、无功功率、视在功率、频率偏差、电压偏差、功率因素，再应用快速傅里叶变换(FFT)算法。快速傅立叶变换(FFT)是一种将时域信号转变为频域信号的变换形式，是数字信号处理中对信号进行分析时经常采用的一种方法。利用快速傅立叶变换(FFT)方法能把采样的电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算出电压电流的基波分量和各次谐波分量，并算出电压、电流谐波总畸变率。
[0033]DSP及其外围电路6中，与TMS320F2812芯片相连的还有外扩的存储芯片FLASH62和RAM63。由于所测的数据庞大，仅DSP处理后数据内置的RAM己保存的空间已不够用；夕卜扩RAM存储芯片和FLASH存储芯片可完整地存放数据和供外部设备读取，使得DSP芯片与同步采样信号模块、CPLD及其外围模块数据传输更为简便快捷。
[0034]CPLD及其外围模块7包括CPLD71、显示屏72、键盘73、通讯模块74和存储模块75 ;显示屏72、键盘73、通讯模块74和存储模块75分别与CPLD71连接；CPLD71选用大规模集成电路芯片EPM3256SQC144 ；TMS320F2812芯片与CPLD71连接；
[0035]CPLD71与TMS320F2812芯片相连，由大规模集成电路芯片EPM3256SQC144元件组成，具有110个I/O 口，逻辑运算快。该元件将TMS320F2812芯片与通讯模块74、存储模块75、显示屏和键盘实现无缝对接，完成对显示屏72、键盘73、通讯模块74和存储模块75的逻辑控制，使得TMS320F2812芯片与显示屏72、键盘73、通讯模块74和存储模块75之间数据传输更为快捷，增强了系统抗干扰能力。数据处理芯片TMS320F2812芯片计算所得到的数据，可通过显示屏72显示。显示屏72可采用IXD12864模块，带有中文字库，其显示分辨率高，可构成全中文人机交互图形界面。可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。该显示屏与键盘18 —起构成人机相互单元。
[0036]通讯模块20采用UART芯片TL16C550 ;通讯模块20采用UART芯片TL16C550，它采用RS232与RS485两种通讯方式。其主要功能是为数据电路端接设备(DCE)和数据终端设备(DTE)之间提供可靠、灵活的接口服务。通过RS232或RS485接口与监测设备通信，提供传输测量数据和实时监测，在线监测的功能。存储模块21采用U盘或SD卡；存储模块21利用文件管理控制芯片CH376读写USB存储设备(如U盘)或者SD卡中的文件，USB存储设备可存储大量的数据。采用USB存储设备可使该装置的存储容量大大增加，同时使得该装置具有可插拔移动存储的功能。
[0037]DSP数据分析芯片61的主程序流程图如图3所示。首先，DSP数据分析芯片61进行定时器、中断向量、液晶模块等初始化。其次，开放相关的中断，Α/D采样模块5开始启动。DSP数据分析芯片61接收MAX1324芯片传过来的数字信号，再运用快速傅里叶变换(FFT)进行运算，得到有功功率、无功功率、各次谐波量等电力参数。再通过显示屏显示结果，并把三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、各次谐波及其谐波畸变率等相关数据存到U盘或SD卡里。
[0038]快速傅里叶变换(FFT)算法计算各电力参数的具体流程图如图4所示，采样在所测线路的每个周期内采样256个点，直到采满为止，再利用快速傅里叶变换(FFT)算法计算各电力参数；采样阶段结束后，数据信号处理器DSP对采样得到的三相电流、三相电压等数据进行有功功率、无功功率等基本运算，利用快速傅里叶变换算法可分离得到电压、电流的各次谐波，从而计算对应的各次谐波畸变率等。
[0039]本发明具有强大的计算处理能力和分析能力，能准确测量电压、电流、功率因素、各次电压电流谐波、谐波畸变率等电力参数，液晶显示效果好，分辨率高，且配备有大容量的可移动存储空间。本发明检测的电力参数，可用于耗能用户的节能潜力分析，达到最大潜力的节能。该装置具有操作简单、可便携、成本低、智能化强、测量精度高、抗干扰能力强、可靠性高等优点，在节能装置上实现了创新。
【权利要求】
1.一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，其特征在于:包括同步采样信号模块以及依次连接的信号传感模块、信号调理模块、Α/D采样模块、DSP及其外围电路和CPLD及其外围模块；数据传感模块还通过同步采样信号模块与Α/D采样模块连接；信号传感模块与专线用户待测线路连接； 所述信号传感模块包括电流互感器和电压互感器；信号调理模块包括依次连接的带通滤波器和运算放大器，电流互感器和电压互感器一端分别与专线用户待测线路连接，另一端分别与带通滤波器连接； 所述同步采样信号模块包括依次连接的过零比较电路和锁相环同步倍频电路；过零检测电路根据电压过零的点可检测出所测电路的周期，确定出所测电路的频率;A/D采样模块采用MAX1324芯片；锁相环同步倍频电路连接MAX1324芯片；锁相倍频电路包括⑶4046和CD4040，CD4040为分频器；锁相倍频电路构成频率跟踪电路，对所测电路的频率进行同步倍频256次； 所述DSP及其外围电路包括DSP数据分析芯片，FLASH和RAM ；FLASH和RAM都是存储芯片，分别与DSP数据分析芯片连接；DSP数据分析芯片选用TMS320F2812芯片；MAX1324芯片与TMS320F2812芯片连接；数据处理芯片TMS320F2812对Α/D采样芯片模块的数字信号在所测的一个周期内采集128点的数据；经数据处理芯片TMS320FDSP2812处理得到三相电压、电流有效值，再对采样收集到的三相电压、电流进行运算，求出三相有功功率、无功功率、视在功率、频率偏差、电压偏差、功率因素，应用快速傅里叶变换算法把采样的电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算出电压电流的基波分量和各次谐波分量，并算出电压、电流谐波总畸变率； 所述CPLD及其外围模块包括CPLD、显示屏、键盘、通讯模块和存储模块；显示屏、键盘、通讯模块和存储模块分别与CPLD连接；TMS320F2812芯片与CPLD连接。
2.根据权利要求1所述的一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，其特征在于:所述运算放大器为OP4227PA型运算放大器。
3.根据权利要求1所述的一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，其特征在于:所述电压互感器采用霍尔传感器CLSM-lOmA。
4.根据权利要求1所述的一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，其特征在于:所述CPLD选用大规模集成电路芯片EPM3256SQC144。
5.根据权利要求1所述的一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，其特征在于:所述通讯模块采用UART芯片TL16C550。
6.根据权利要求1所述的一种节电潜力在线自动检测和快速能源审计智能系统，其特征在于:所述存储模块采用U盘或SD卡。
【文档编号】G01R31/00GK103487701SQ201310461313
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】黎有锡, 唐捷, 胡秀珍, 余涛, 彭健福, 周彬, 姜静, 程乐峰, 梁泽勇 申请人:广东电网公司韶关供电局, 华南理工大学