高采样率的瞬态电能质量信息采集模块的制作方法
【专利摘要】一种高采样率的瞬态电能质量信息采集模块，包括逐级连接的输入接口、调理电路(采用电流钳输入信息的，无调理电路)、保护电路、采集控制模块和输出接口，输入接口包括设有八路采集通道的信号输入模块，调理电路包括互感器模块，保护电路包括EMC抗干扰模块和耐压保护模块，采集控制模块是设有FPGA模块作为主控单元的采集控制模块，其连接在ADC模块与输出接口之间，使采样频率最高为102.4kHz，各路采集通道的同步采集的时间精度误差最大为1μs。本发明的信息采集模块是瞬态电能质量监测／采集装置的前端采集模块，接口简单，集成方便，采样率高，数据同步性好，能够准确提取瞬态电能质量信息，可用于瞬态电能质量监测装置。
【专利说明】高采样率的瞬态电能质量信息采集模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及信息采集，特别是涉及一种高采样率的瞬态电能质量信息采集模块。【背景技术】
[0002]现有的电能质量监测分析装置受到采集硬件及数据处理的制约，采样率不高，只能实现电能质量稳态指标和电能质量暂态指标的监测，其中电能质量稳态指标包括电压偏差、频率偏差、电压/电流谐波、电压/电流三相不平衡、电压波动和闪变，电能质量暂态指标包括电压暂升、电压暂降和电压短时中断。如果采样率比较低，无法捕捉电力系统运行中出现的瞬态电能质量信息，这些瞬态电能质量信息是由于运行操作不当、发生雷击，以及出现故障而产生的。瞬态电能质量事件具有偶然性和快速性，要求监测装置具备大存储容量、高速采样、高信号辨识和处理能力，现有的电能质量装置中的瞬态电能质量监测/采集部件的的前端采集模块，难以满足国家标准GB / T18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》有关对瞬态电能质量的监测要求。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种高采样率的瞬态电能质量信息采集模块。
[0004]本发明所要解决的另一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块。
[0005]本发明的高采样率的瞬态电能质量信息采集模块技术问题通过以下技术方案予以解决。
[0006]这种高采样率的瞬态电能质量信息采集模块，包括逐级连接的输入接口、调理电路、保护电路、采集控制模块和输出接口，所述采集控制模块包括输入端分别与所述保护电路和所述输出接口连接的模拟数字转换(Analog Digital Converter,缩略词为ADC)模块、以及输入端与所述ADC模块连接、输出端与输出接口连接的复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammable Logic Device,缩略词为 CPLD),所述 ADC 模块包括 A / D 转换器及其外围电路，用于控制各路采集通道的采样率，稳定可靠地采集数据和转换数据，所述CPLD用于译码及逻辑控制输出，接收同步信号供给ADC模块，对ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自输入接口的多路通道数据。
[0007]这种高采样率的瞬态电能质量信息采集模块的特点是:
[0008]所述输入接口包括设有八路采集通道的信号输入模块，所述信号输入模块包括三相电压和三相电流输入接口、I路N相电压、I路N相电流输入接口，所述输入接口的功能是采集八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号，所述八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号是三路三相模拟电压信号、三路三相模拟电流信号、一路N相模拟电压信号和一路N相模拟电流信号。
[0009]所述调理电路包括互感器模块，所述互感器模块包括电压互感器、电流互感器，其功能是将输入接口采集的八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号转换为模拟量信号输入板能接受的八路3.53V电压信号。
[0010]所述保护电路包括由电容、磁珠、瞬变抑制二极管(Transient VoltageSuppressor,缩略词为TVS)管组成的电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,缩略词为EMC)抗干扰模块和耐压保护模块，所述保护电路的功能是对输入所述ADC模块的含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号提供EMC抗干扰与耐压保护。
[0011]所述采集控制模块是设有现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,缩略词为FPGA)模块作为主控单元的采集控制模块，所述FPGA模块连接在所述ADC模块与所述输出接口之间，用于与所述CPLD联合控制所述ADC模块进行数据采集并缓存，使采样频率最高为102.4kHz，根据外部传入的IGIB-B码信号对瞬态电能质量采样数据的进行高精度对时处理，减小板卡内长期的时间误差积累，使各路采集通道的同步采集的时间精度误差最大为1μ S。所述ADC模块一次采样结束后，所述FPGA通过读操作读取所述ADC模块的数据，根据ADC模块产生的忙(BUSY)信号以及采集地址的选择信号输入地址线(SAI)产生控制ADC的片选(Chip Select，缩略词为CS)信号，接收写(SWR)信号以及输出地址线(SAO)信号驱动发光二极管(Light Emitting Diode，缩略词为LED)输出，作为相应测试或工作状态的指示。
[0012]本发明的高采样率的瞬态电能质量信息采集模块技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
[0013]所述采集控制模块还设有缓冲器(BUFFER)模块，所述BUFFER模块连接在所述ADC模块与所述输出接口之间作为门开关，当外部要采集模拟量数据时，控制所述BUFFER使能有效，所述BUFFER用于增强对模拟量信号的驱动能力，防止模拟量信号衰减，以及实现模拟量信号输入板阻抗匹配和模拟量信号滤波，保证瞬态电能质量采集数据的精度。
[0014]所述输出接口是96弯针的欧式插座，所述输出接口的输出端分别与所述BUFFER、所述FPGA模块以及所述CPLD连接，分别接收所述BUFFER、所述FPGA模块以及所述CPLD处理后的信号，所述输出接口还分别与数据总线和所述ADC模块连接，将接收的所述BUFFER、所述FPGA模块、所述CPLD处理后的信号输出至瞬态电能质量监测装置的其它模块，以及反馈同步信号至所述ADC模块，与所述CPLD的逻辑控制输出共同对所述ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自所述输入接口的多路通道数据。
[0015]所述输入接口是菲尼克斯连接器，设有4个连接点连接四路电流钳的输出。
[0016]本发明的高采样率的瞬态电能质量信息采集模块技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
[0017]所述电压互感器是型号为TV5202-120V / 3.53V的电压互感器。
[0018]所述电流互感器是型号为TV5202-10A / 3.53V的电流互感器。
[0019]所述A / D转换器是采用型号为AD7606的16位、八通道采集芯片的A / D转换器，需要配置片外的参考电压源。
[0020]所述CPLD 是型号为 EPM3202A 的 CPLD。
[0021]所述FPGA模块是型号为EP3C16F256I7的FPGA模块。
[0022]所述BUFFER 是型号为 SN74LVC16245ADGGR 的 BUFFER。
[0023]本发明的高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块技术问题通过以下技术方案予以解决。
[0024]这种高采样率的电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块，包括逐级连接的输入接口、保护电路、采集控制模块和输出接口，所述采集控制模块包括输入端分别与所述保护电路和所述输出接口连接的ADC模块、以及输入端与所述ADC模块连接、输出端与输出接口连接的CPLD，所述ADC模块包括A / D转换器及其外围电路，用于控制各路采集通道的采样率，稳定可靠地采集数据和转换数据，所述CPLD用于译码及逻辑控制输出，接收同步信号供给ADC模块，对ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自输入接口的多路通道数据。
[0025]这种高采样率的电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块的特点是:
[0026]所述输入接口包括设有八路采集通道的信号输入模块，所述信号输入模块包括电流钳输入接口、三相电压和三相电流输入接口、I路N相电压、I路N相电流输入接口，所述输入接口的功能是采集八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号，所述八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号是三路三相模拟电压信号、三路三相模拟电流信号、一路N相模拟电压信号和一路N相模拟电流信号。
[0027]所述保护电路包括由电容、磁珠、TVS管组成的EMC抗干扰模块和耐压保护模块，所述保护电路的功能是对输入所述ADC模块的含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号提供EMC抗干扰与耐压保护。
[0028]所述采集控制模块是设有FPGA模块作为主控单元的采集控制模块，所述FPGA模块连接在所述ADC模块与所述输出接口之间，用于与所述CPLD联合控制所述ADC模块进行数据采集并缓存，使采样频率最高为102.4kHz，根据外部传入的IGIB-B码信号对瞬态电能质量采样数据的进行高精度对时处理，减小板卡内长期的时间误差积累，使各路采集通道的同步采集的时间精度误差最大为I μ S。所述ADC模块一次采样结束后，所述FPGA通过读操作读取所述ADC模块的数据，根据ADC模块产生的忙(BUSY)信号以及采集地址的选择信号输入地址线(SAI)产生控制ADC的CS信号，接收写(SWR)信号以及输出地址线(SAO)信号驱动LED输出，作为相应测试或工作状态的指示。
[0029]本发明的高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
[0030]所述采集控制模块还设有BUFFER模块，所述BUFFER模块连接在所述ADC模块与所述输出接口之间作为门开关，当外部要采集模拟量数据时，控制所述BUFFER使能有效，所述BUFFER用于增强对模拟量信号的驱动能力，防止模拟量信号衰减，以及实现模拟量信号输入板阻抗匹配和模拟量信号滤波，保证瞬态电能质量采集数据的精度。
[0031]所述输出接口是96弯针的欧式插座，所述输出接口的输出端分别与所述BUFFER、所述FPGA模块以及所述CPLD连接，分别接收所述BUFFER、所述FPGA模块以及所述CPLD处理后的信号，所述输出接口还分别与数据总线和所述ADC模块连接，将接收的所述BUFFER、所述FPGA模块、所述CPLD处理后的信号输出至瞬态电能质量监测装置的其它模块，以及反馈同步信号至所述ADC模块，与所述CPLD的逻辑控制输出共同对所述ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自所述输入接口的多路通道数据。
[0032]所述输入接口是菲尼克斯连接器。
[0033]本发明的高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
[0034]所述A / D转换器是采用型号为AD7606的16位、八通道采集芯片的A / D转换器，需要配置片外的参考电压源。
[0035]所述CPLD 是型号为 EPM3202A 的 CPLD。
[0036]所述FPGA模块是型号为EP3C16F256I7的FPGA模块。
[0037]所述BUFFER 是型号为 SN74LVC16245ADGGR 的 BUFFER。
[0038]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0039]本发明的信息采集模块是瞬态电能质量监测/采集装置的前端采集模块，接口简单，集成方便，采样率高，数据同步性好，能够准确提取瞬态电能质量信息，可用于瞬态电能质量监测装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是本发明【具体实施方式】一的组成方框图；
[0041]图2是本发明【具体实施方式】二的组成方框图；
[0042]图3是图1、图2中的采集控制模块的组成方框图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合【具体实施方式】并对照附图对本发明进行说明。
[0044]【具体实施方式】一
[0045]一种如图1、3所示的高采样率的瞬态电能质量信息采集模块，包括逐级连接的输入接口、调理电路、保护电路、采集控制模块和输出接口，采集控制模块包括输入端分别与保护电路和输出接口连接的ADC模块、以及输入端与ADC模块连接、输出端与输出接口连接的型号为EPM3202A的CPLD，ADC模块包括型号为AD7606的16位、八通道采集芯片的A /D转换器A / D转换器及其外围电路，包括配置片外的参考电压源，用于控制各路采集通道的采样率，稳定可靠地采集数据和转换数据，CPLD用于译码及逻辑控制输出，接收同步信号供给ADC模块，对ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自输入接口的多路通道数据。
[0046]输入接口包括设有八路采集通道的信号输入模块，信号输入模块包括三相电压和三相电流输入接口、I路N相电压、I路N相电流输入接口，输入接口的功能是采集八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号，八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压号和电流号是二路二相模拟电压号、二路二相模拟电流号、一路N相模拟电压信号和一路N相模拟电流信号。
[0047]调理电路包括互感器模块，互感器模块包括型号为TV5202-120V / 3.53V的电压互感器、型号为TV5202-10A / 3.53V的电流互感器，其功能是将输入接口采集的八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号转换为模拟量信号输入板能接受的八路
3.53V电压信号。
[0048]保护电路包括由电容、磁珠、TVS管组成的EMC抗干扰模块和耐压保护模块，保护电路的功能是对输入ADC模块的含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号提供EMC抗干扰与耐压保护。
[0049]采集控制模块是设有型号为EP3C16F256I7的FPGA模块作为主控单元的采集控制模块，FPGA模块连接在ADC模块与输出接口之间，用于与CPLD联合控制ADC模块进行数据采集并缓存，使采样频率最高为102.4kHz，根据外部传入的IGIB-B码信号对瞬态电能质量采样数据的进行高精度对时处理，减小板卡内长期的时间误差积累，使各路采集通道的同步采集的时间精度误差最大为I μ s。ADC模块一次采样结束后，FPGA通过读操作读取ADC模块的数据，根据ADC模块产生的忙(BUSY)信号以及采集地址的选择信号输入地址线(SAI)产生控制ADC的片选(Chip Select，缩略词为CS)信号，接收写(SWR)信号以及输出地址线(SAO)信号驱动发光二极管(Light Emitting Diode，缩略词为LED)输出，作为相应测试或工作状态的指示。
[0050]采集控制模块还设有型号为SN74LVC16245ADGGR的BUFFER模块，BUFFER模块连接在ADC模块与输出接口之间作为门开关，当外部要采集模拟量数据时，控制BUFFER使能有效，BUFFER用于增强对模拟量信号的驱动能力，防止模拟量信号衰减，以及实现模拟量信号输入板阻抗匹配和模拟量信号滤波，保证瞬态电能质量采集数据的精度。
[0051 ] 输出接口是96弯针的欧式插座，输出接口的输出端分别与BUFFER、FPGA模块以及CPLD连接，分别接收BUFFER、FPGA模块以及CPLD处理后的信号，输出接口还分别与数据总线和ADC模块连接，将接收的BUFFER、FPGA模块、CPLD处理后的信号输出至瞬态电能质量监测装置的其它模块，以及反馈同步信号至ADC模块，与CPLD的逻辑控制输出共同对ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自输入接口的多路通道数据。
[0052]输入接口是菲尼克斯连接器。
[0053]【具体实施方式】二
[0054]一种如图2、3所示的高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块，其组成电路基本与【具体实施方式】一相同，区别在于:用于电流钳输入信息，不需要设置调理电路。
[0055]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
【权利要求】
1.一种高采样率的瞬态电能质量信息采集模块，包括逐级连接的输入接口、调理电路、保护电路、采集控制模块和输出接口，所述采集控制模块包括输入端分别与所述保护电路和所述输出接口连接的模拟数字转换ADC模块、以及输入端与所述ADC模块连接、输出端与输出接口连接的复杂可编程逻辑器件CPLD，所述ADC模块包括A / D转换器及其外围电路，用于控制各路采集通道的采样率，稳定可靠地采集数据和转换数据，所述CPLD用于译码及逻辑控制输出，接收同步信号供给ADC模块，对ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自输入接口的多路通道数据，其特征在于: 所述调理电路包括互感器模块，所述互感器模块包括电压互感器、电流互感器，其功能是将输入接口采集的八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号转换为模拟量信号输入板能接受的八路3.53V电压信号； 所述保护电路包括由电容、磁珠、瞬变抑制二极管TVS管组成的电磁兼容EMC抗干扰模块和耐压保护模块，所述保护电路的功能是对输入所述ADC模块的含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号提供EMC抗干扰与耐压保护； 所述采集控制模块是设有现场可编程门阵列FPGA模块作为主控单元的采集控制模块，所述FPGA模块连接在所述ADC模块与所述输出接口之间，用于与所述CPLD联合控制所述ADC模块进行数据采集并缓存，使采样频率最高为102.4kHz，根据外部传入的IGIB-B码信号对瞬态电能质量采样数据的进行高精度对时处理，减小板卡内长期的时间误差积累，使各路采集通道的同步采集的时间精度误差最大为1μ s，所述ADC模块一次采样结束后，所述FPGA通过读操作读取所述ADC模块的数据，根据ADC模块产生的忙信号以及采集地址的选择信号输入地址线产生控制ADC的片选CS信号，接收写信号以及输出地址线信号驱动发光二极管LED输出，作为相应测试或工作状态的指示。
2.如权利要求1所述的高采样率的瞬态电能质量信息采集模块，其特征在于: 所述采集控制模块还设有缓冲器BUFFER模块，所述BUFFER模块连接在所述ADC模块与所述输出接口之 间作为门开关，当外部要采集模拟量数据时，控制所述BUFFER使能有效，所述BUFFER用于增强对模拟量信号的驱动能力，防止模拟量信号衰减，以及实现模拟量信号输入板阻抗匹配和模拟量信号滤波，保证瞬态电能质量采集数据的精度。
3.如权利要求1或2所述的高采样率的瞬态电能质量信息采集模块，其特征在于: 所述输出接口是96弯针的欧式插座，所述输出接口的输出端分别与所述BUFFER、所述FPGA模块以及所述CPLD连接，分别接收所述BUFFER、所述FPGA模块以及所述CPLD处理后的信号，所述输出接口还分别与数据总线和所述ADC模块连接，将接收的所述BUFFER、所述FPGA模块、所述CPLD处理后的信号输出至瞬态电能质量监测装置的其它模块，以及反馈同步信号至所述ADC模块，与所述CPLD的逻辑控制输出共同对所述ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自所述输入接口的多路通道数据。
4.如权利要求3所述的高采样率的瞬态电能质量信息采集模块，其特征在于: 所述输入接口是菲尼克斯连接器，设有4个连接点连接四路电流钳的输出。
5.如权利要求4所述的高采样率的瞬态电能质量信息采集模块，其特征在于: 所述电压互感器是型号为TV5202-120V / 3.53V的电压互感器； 所述电流互感器是型号为TV5202-10A / 3.53V的电流互感器； 所述A / D转换器是采用型号为AD7606的16位、八通道采集芯片的A / D转换器，需要配置片外的参考电压源； 所述CPLD是型号为EPM3202A的CPLD ； 所述FPGA模块是型号为EP3C16F256I7的FPGA模块； 所述 BUFFER 是型号为 SN74LVC16245ADGGR 的 BUFFER。
6.一种高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块，包括逐级连接的输入接口、保护电路、采集控制模块和输出接口，所述采集控制模块包括输入端分别与所述保护电路和所述输出接口连接的ADC模块、以及输入端与所述ADC模块连接、输出端与输出接口连接的CPLD，所述ADC模块包括A / D转换器及其外围电路，用于控制各路采集通道的采样率，稳定可靠地采集数据和转换数据，所述CPLD用于译码及逻辑控制输出，接收同步信号供给ADC模块，对ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自输入接口的多路通道数据，其特征在于: 所述输入接口包括设有八路采集通道的信号输入模块，所述信号输入模块包括电流钳输入接口、三相电压和三相电流输入接口、I路N相电压、I路N相电流输入接口，所述输入接口的功能是采集八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号，所述八路含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号是三路三相模拟电压信号、三路三相模拟电流信号、一路N相模拟电压信号和一路N相模拟电流信号； 所述保护电路包括由电容、磁珠、TVS管组成的EMC抗干扰模块和耐压保护模块，所述保护电路的功能是对输入所述ADC模块的含有瞬态电能质量信息的模拟量电压信号和电流信号提供EMC抗干扰与耐压保护； 所述采集控制模块是设有FPGA模块作为主控单元的采集控制模块，所述FPGA模块连接在所述ADC模块与所述输出接口之间，用于与所述CPLD联合控制所述ADC模块进行数据采集并缓存，使采样频率最高为102.4kH`z，根据外部传入的IGIB-B码信号对瞬态电能质量采样数据的进行高精度对时处理，减小板卡内长期的时间误差积累，使各路采集通道的同步采集的时间精度误差最大为I μ s，所述ADC模块一次采样结束后，所述FPGA通过读操作读取所述ADC模块的数据，根据ADC模块产生的忙信号以及采集地址的选择信号输入地址线产生控制ADC的CS信号，接收写信号以及输出地址线信号驱动LED输出，作为相应测试或工作状态的指示。
7.如权利要求6所述的高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块，其特征在于: 所述采集控制模块还设有BUFFER模块，所述BUFFER模块连接在所述ADC模块与所述输出接口之间作为门开关，当外部要采集模拟量数据时，控制所述BUFFER使能有效，所述BUFFER用于增强对模拟量信号的驱动能力，防止模拟量信号衰减，以及实现模拟量信号输入板阻抗匹配和模拟量信号滤波，保证瞬态电能质量采集数据的精度。
8.如权利要求6或7所述的高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块，其特征在于: 所述输出接口是96弯针的欧式插座，所述输出接口的输出端分别与所述BUFFER、所述FPGA模块以及所述CPLD连接，分别接收所述BUFFER、所述FPGA模块以及所述CPLD处理后的信号，所述输出接口还分别与数据总线和所述ADC模块连接，将接收的所述BUFFER、所述FPGA模块、所述CPLD处理后的信号输出至瞬态电能质量监测装置的其它模块，以及反馈同步信号至所述ADC模块，与所述CPLD的逻辑控制输出共同对所述ADC模块实现采集时序控制，同步采集来自所述输入接口的多路通道数据。
9.如权利要求8所述的高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块，其特征在于: 所述输入接口是菲尼克斯连接器。
10.如权利要求9所述的高采样率的用于电流钳输入信息的瞬态电能质量信息采集模块，其特征在于: 所述A / D转换器是采用型号为AD7606的16位、八通道采集芯片的A / D转换器，需要配置片外的参考电压源； 所述CPLD是型号为EPM3202A的CPLD ； 所述FPGA模块是型号为EP3C16F256I7的FPGA模块； 所述 BUFFER 是型号为 S·N74LVC16245ADGGR 的 BUFFER。
【文档编号】G01R31/00GK103852670SQ201410106695
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】白兴东, 牛启宏, 丁金良, 郝广平, 王锦程 申请人:国网甘肃省电力公司甘南供电公司