一种电网运行数据智能测试分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电网运行数据智能测试分析仪，包括用于采集电网运行数据的电网运行数据采集单元，用于基于所述电网运行数据采集单元采集所得电网运行数据进行处理的MCU单元，用于基于MCU单元的处理与外围设备进行交互的数据通信单元，以及用于向所述MCU单元供电的电源单元；所述电网运行数据采集单元、数据通信单元和电源单元，分别与MCU单元连接。本发明所述电网运行数据智能测试分析仪，可以克服现有技术中结构复杂、功能单一和使用不方便等缺陷，以实现结构简单、功能多和使用方便的优点。
【专利说明】一种电网运行数据智能测试分析仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电网测试【技术领域】，具体地，涉及一种电网运行数据智能测试分析仪。
【背景技术】
[0002] 电力系统继电保护及二次相关专业人员承担着巡检保养、现场修试、故障排除等 大量实际工作，不仅涉及的专业面广、综合性强，而且要求人员与设备具有高效率、快速反 应、机动灵活的特点。而目前现场故障诊断或投运实验往往要靠数字万用表、记忆示波器等 常规测量仪器与屏柜式固定录波器、继电保护试验仪、钳型伏安相位表等专业测量设备共 同完成。这些测量器具不仅品种繁杂、功能单一、携带不便，而且同时还要求操作人员能够 同时熟练掌握各种常规和专业检测设备的功性能特点与操作方法。检测设备与手段的落 后，往往直接导致现场作业程序繁琐、工作效率低下，已成为阻碍电力生产安全、高效、有序 进行的瓶颈。
[0003] 与此同时，由于国民经济高速增长对电力建设的迫切要求及电力电子技术的快速 更新，都急需检测技术与手段的有力支撑。所以，开发一种高精度、便携式、智能化、多功能 的电气参数综合分析装置就显得极为紧迫。
[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在结构复杂、功能单一和 使用不方便等缺陷。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种电网运行数据智能测试分析仪，以实 现结构简单、功能多和使用方便的优点。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电网运行数据智能测试分析仪， 包括用于采集电网运行数据的电网运行数据采集单元，用于基于所述电网运行数据采集单 元采集所得电网运行数据进行处理的MCU单元，用于基于MCU单元的处理与外围设备进行 交互的数据通信单元，以及用于向所述MCU单元供电的电源单元；所述电网运行数据采集 单元、数据通信单元和电源单元，分别与MCU单元连接。
[0007] 进一步地，以上所述的电网运行数据智能测试分析仪，还包括用于对所述电网运 行数据采集单元采集所得电网运行数据进行放大的程控增益放大器，所述程控增益放大器 连接在电网运行数据采集单元与MCU单元之间。
[0008] 进一步地，以上所述的电网运行数据智能测试分析仪，还包括用于在所述MCU单 元的控制下与程控增益放大器之间进行数据交互的计算与处理单元。
[0009] 进一步地，所述电网运行数据采集单元，包括依次连接至所述MCU单元的开关量 米样通道和第一光电隔离模块。
[0010] 进一步地，所述电网运行数据采集单元，还包括依次连接至所述MCU单元的多通 道交直流信号前置放大器和A/D采样与控制电路。
[0011] 进一步地，所述电网运行数据采集单元，还包括依次与所述MCU单元连接的第二 光电隔离模块和开关量输出通道。
[0012] 进一步地，所述数据通信单元，包括与所述MCU单元连接的I/O接口。
[0013] 进一步地，所述数据通信单元，还包括与所述MCU单元连接的LED显示器。
[0014] 进一步地，所述数据通信单元，还包括分别与所述MCU单元和LED显示器连接的显 示控制驱动模块。
[0015] 本发明各实施例的电网运行数据智能测试分析仪，由于包括用于采集电网运行数 据的电网运行数据采集单元，用于基于电网运行数据采集单元采集所得电网运行数据进行 处理的MCU单元，用于基于MCU单元的处理与外围设备进行交互的数据通信单元，以及用 于向MCU单元供电的电源单元；电网运行数据采集单元、数据通信单元和电源单元，分别与 MCU单元连接；从而可以克服现有技术中结构复杂、功能单一和使用不方便的缺陷，以实现 结构简单、功能多和使用方便的优点。
[0016] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
[0017] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0019] 图1为本发明电网运行数据智能测试分析仪的硬件系统框图；
[0020] 图2为本发明电网运行数据智能测试分析仪的软件系统功能框图；
[0021] 图3为本发明中采用嵌入式操作系统为平台的功能操作流程图；
[0022] 图4为本发明中系统上电后进行系统初始化的初始化流程图；
[0023] 图5为本发明中初始化完成后，系统进入任务调度并等待按键事件的流程图；
[0024] 图6为本发明中有按键事件产生后，将建立对应的按键事件任务的结构示意图；
[0025] 图7为本发明中录波控制各段采样率、记录时间、采样参数的结构示意图；
[0026] 图8为本发明中录波过程控制流程图；
[0027] 图9为本发明中人机界面采用目前比较流行的嵌入式CTI进行设计其主界面图；
[0028] 图10为本发明中基本测量菜单的结构示意图；
[0029] 图11为本发明中有效值/相位/频率的结构示意图；
[0030] 图12为本发明中功率/功角/功率因素的结构示意图；
[0031] 图13为本发明中向量图；
[0032] 图14为本发明中序量测量图；
[0033] 图15为本发明中波形测量图；
[0034] 图16为本发明中不平衡的效果示意图；
[0035] 图17为本发明中谐波分析的效果示意图；
[0036] 图18为本发明中故障录波菜单界面图；
[0037] 图19为本发明中定值管理菜单界面图；
[0038] 图20为本发明中定值导入界面图；
[0039] 图21为本发明中AC电压定值设置界面图；
[0040] 图22为本发明中AC电流定值设置界面图；
[0041] 图23为本发明中直流/开关量定值设置界面图；
[0042] 图24为本发明中录波控制设置界面图；
[0043] 图25为本发明中启动控制设直界面图；
[0044] 图26为本发明中存储介质查询对话框图；
[0045] 图27为本发明中稳态定时启动录波设置界面1图；
[0046] 图28为本发明中稳态定时启动录波设置界面2图；
[0047] 图29为本发明中稳态定时启动录波通道设置界面图；
[0048] 图30为本发明中配线参数设置界面1图；
[0049] 图31为本发明中配线参数设置界面2图；
[0050] 图32为本发明中配线参数设置界面3图；
[0051] 图33为本发明中配线参数设置界面4图；
[0052] 图34为本发明中配线参数设置界面5图；
[0053] 图35为本发明中配线参数设置界面6图；
[0054] 图36为本发明中暂态故障巡检1界面图；
[0055] 图37为本发明中暂态故障巡检2界面图；
[0056] 图38为本发明中稳态循环录波界面图；
[0057] 图39为本发明中稳态定时录波界面图；
[0058] 图40为本发明中故障事件记录界面图；
[0059] 图41为本发明中电压/电流波形分析界面1图；
[0060] 图42为本发明中电压/电流波形分析界面2图；
[0061] 图43为本发明中电压/电流波形分析界面3图；
[0062] 图44为本发明中电压/电流波形分析界面4图；
[0063] 图45为本发明中直流/开关量波形分析界面图；
[0064] 图46为本发明中向量分析界面图；
[0065] 图47为本发明中向量设置界面图；
[0066] 图48为本发明中序量分析界面图；
[0067] 图49为本发明中谐波分析列表显示界面图；
[0068] 图50为本发明中谐波分析柱状图显示界面图；
[0069] 图51为本发明中AC电压定值查询界面图；
[0070] 图52为本发明中AC电流定值查询界面图；
[0071] 图53为本发明中直流/开关量电压定值查询界面图；
[0072] 图54为本发明中保护分析菜单图；
[0073] 图55为本发明中变压器分析菜单界面图；
[0074] 图56为本发明中母差分析菜单界面图；
[0075] 图57为本发明中变压器类型设置界面1图；
[0076] 图58为本发明中变压器类型设置界面2图；
[0077] 图59为本发明中母差连接单元设置界面图；
[0078] 图60为本发明中变压器接线设置界面1图；
[0079] 图61为本发明中变压器接线设置界面2图；
[0080] 图62为本发明中变压器CT接线设置界面图；
[0081] 图63为本发明中母差CT接线设置界面图；
[0082] 图64为本发明中测量选项设置界面图；
[0083] 图65为本发明中测量界面1图；
[0084] 图66为本发明中测量界面2图；
[0085] 图67为本发明中分析界面1图；
[0086] 图68为本发明中分析界面2图；
[0087] 图69为本发明中设置界面1图；
[0088] 图70为本发明中设置界面2图；
[0089] 图71为本发明中设置界面3图；
[0090] 图72为本发明中设置界面4图；
[0091] 图73为本发明中电源框图，为系统提供多种电压；
[0092] 图74为本发明中多通道交直流信号前置放大器的原理框图，选用电力行业通用 的变压器隔离采样技术；
[0093] 图75为本发明中多通道可编程增益放大器原理与框图；
[0094] 图76为本发明中录波启动与控制原理与框图；
[0095] 图77为本发明中A/D采样与控制原理与框图；
[0096] 图78为本发明中计算、处理单元原理与框图；
[0097] 图79为本发明中显示选用5. 7吋65536色TFT彩色显示屏、IXD控制器为MCU内 置的电路图79 ;
[0098] 图80为本发明中用于数据存储的SD卡使用MCU自带的SD卡控制器，其接口电路 图；
[0099] 图81为本发明中产品使用DM9000A扩展以太网接口，其接口电路图。
【具体实施方式】
[0100] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0101] 根据本发明实施例，如图1-图80所示，提供了一种电网运行数据智能测试分析 仪。
[0102] 本实施例的电网运行数据智能测试分析仪，包括用于采集电网运行数据的电网运 行数据采集单元，用于基于电网运行数据采集单元采集所得电网运行数据进行处理的MCU 单元，用于基于MCU单元的处理与外围设备进行交互的数据通信单元，以及用于向MCU单 元供电的电源单元；电网运行数据采集单元、数据通信单元和电源单元，分别与MCU单元 连接。该电网运行数据智能测试分析仪，还包括用于对电网运行数据采集单元采集所得电 网运行数据进行放大的程控增益放大器，程控增益放大器连接在电网运行数据采集单元与 MCU单元之间。该电网运行数据智能测试分析仪，还包括用于在MCU单元的控制下与程控 增益放大器之间进行数据交互的计算与处理单元。
[0103] 其中，上述电网运行数据采集单元，包括依次连接至MCU单元的开关量采样通道 和第一光电隔离模块。电网运行数据采集单元，还包括依次连接至MCU单元的多通道交直 流信号前置放大器和A/D采样与控制电路。电网运行数据采集单元，还包括依次与MCU单 元连接的第二光电隔离模块和开关量输出通道。
[0104] 上述数据通信单元，包括与MCU单元连接的I/O接口。数据通信单元，还包括与 MCU单元连接的LED显示器，以及分别与MCU单元和LED显示器连接的显示控制驱动模块。
[0105] 本发明抟术方案中的关键抟术分析如下:
[0106] ⑴多电量参数的精确测量
[0107] ①常规电力参数测量方法往往只适合一个干扰因素的影响，当被测信号同时受多 个干扰因素影响时，难以得到准确结果；
[0108] ②要解决微弱信号检测与宽动态范围内高精度测量这一矛盾；
[0109] ③当电力系统频率偏离50Hz时，在固定采样频率条件下，利用快速Fourier变换 (FFT)计算电压和电流的基波，会产生较大的误差；
[0110] ⑵暂态故障录波精确启动
[0111] 传统的故障录波仪定值设置相对固定，项目成果应提供更加灵活和全面的录波启 动判据及定值设置，可以和传统故障录波仪形成互补。
[0112] ⑶多电量参数的实时波形显示
[0113] 传统的电参数测量仪表由于受硬件资源限制，一般不提供实时波形显示。但测量 数据和实时波形结合可使得测量更加容易发现问题。
[0114] ⑷数据处理能力
[0115] 要解决在有限的硬件系统平台上如何实现多通道高速数据采集、多启动判据实时 计算及大容量数据交换这些难题。
[0116] (5)差动保护接线正确性分析专家系统
[0117] 传统的相位测量仪表不具备自动分析功能，尤其是自藕变及励磁变的保护回路接 线正确性智能诊断更是一个全新的课题。
[0118] (6)谐波测量与分析
[0119] 随着各种非线性负荷特别是电力电子设备在电力系统中的广泛应用，电网谐波污 染日益严重。对谐波成分的检测将有利于电能质量的评估，并可采取必要的措施加以治理。 离散傅立叶变换（DFT)特别是快速傅立叶变换（FFT)算法因其易于微机实现而被作为谐波 分析的主要方法，但是在应用离散傅立叶变换时存在影响测量准确性的频谱泄漏问题。频 谱泄漏包括长范围泄漏和短范围泄漏两部分。长范围泄漏是由于信号截断造成的信号频谱 旁瓣之间的相互干扰；短范围泄漏是指由于离散频谱的栏栅效应导致的信号峰值点观测上 的偏差。
[0120] (7)便携式结构与外观设计
[0121] 考虑到继保工作人员经常需要到偏远、交通不便利的现场工作，随身还要携带其 它设备和工具，另外在保护屏柜中测量也不方便长时间操作体积大且笨重的仪器，项目成 果应是一款便于携带、易于操作的手持式便携设备。
[0122] 本发明抟术方案的总体设计如下:
[0123] ⑴硬件系统
[0124] 硬件系统包含：电源单元、多通道交直流信号前置放大器、多通道可编程增益放大 器、录波启动与控制电路、A/D采样与控制电路、计算/处理单元、显示驱动与控制电路、I/O 接口与控制电路等几部分组成。
[0125] ?电源单元：采用AC-DC适配器及干电池二组供电方式，输出电压如下：
[0126] ?模拟+5V/100mA
[0127] ?模拟一5V/100 m A
[0128] ?数字 5V/100mA
[0129] ?数字 3. 3V/400 m A
[0130] ? MCU 内核 1. 2V/200 m A
[0131] ?液晶背光电源12V/60 m A
[0132] ?液晶偏置电源15V，-10V
[0133] 多通道交直流信号前置放大器：
[0134] ? AC电压、AC电流、DC电流均采用非接触互感输入；
[0135] ?开关量通道米用光电隔尚方式输入；
[0136] ?多通道可编程增益放大器：由自动增益控制电路组成；
[0137] ?录波启动与控制电路：由定值设定及触发判定电路组成；
[0138] ? A/D采样与控制电路：由时钟发生分配器器及时序控制电路组成；
[0139] ?计算/处理单元：由MCU和DSP组成；
[0140] ?显示驱动与控制电路：由LED、点阵译码及显示驱动电路组成；
[0141] ? I/O接口与控制电路：由键盘、SD卡、UART接口、以太网接口等组成。
[0142] ⑵软件流程
[0143] ①系统框图：项目软件系统功能框图如图2。
[0144] ②功能流程：软件采用嵌入式操作系统为平台，其功能操作流程如图3所示。
[0145] ③初始化：系统上电后进行系统初始化，其初始化流程如图4所示。
[0146] ④按键响应：初始化完成后，系统进入任务调度并等待按键事件。其流程如图5所 /_J、1 〇
[0147] ⑤任务处理：有按键事件产生后，将建立对应的按键事件任务。参见图6。
[0148] ⑥录波控制
[0149] 暂态启动指当仪表根据定值巡检监测线路，当发现线路参数超越定值便启动录 波。根据《220?500kV电力系统故障动态记录一技术准则》(DL/T553- 94)规定暂态录波 时间顺序分ABCDE五段。各段采样率、记录时间、采样参数见图7和下表：
[0150]
【权利要求】
1. 一种电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，包括用于采集电网运行数据的电 网运行数据采集单元，用于基于所述电网运行数据采集单元采集所得电网运行数据进行处 理的MCU单元，用于基于MCU单元的处理与外围设备进行交互的数据通信单元，以及用于向 所述MCU单元供电的电源单元；所述电网运行数据采集单元、数据通信单元和电源单元，分 别与MCU单元连接。
2. 根据权利要求1所述的电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，还包括用于对 所述电网运行数据采集单元采集所得电网运行数据进行放大的程控增益放大器，所述程控 增益放大器连接在电网运行数据采集单元与MCU单元之间。
3. 根据权利要求2所述的电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，还包括用于在 所述MCU单元的控制下与程控增益放大器之间进行数据交互的计算与处理单元。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，所 述电网运行数据采集单元，包括依次连接至所述MCU单元的开关量采样通道和第一光电隔 离模块。
5. 根据权利要求4所述的电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，所述电网运行 数据采集单元，还包括依次连接至所述MCU单元的多通道交直流信号前置放大器和A/D采 样与控制电路。
6. 根据权利要求5所述的电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，所述电网运行 数据采集单元，还包括依次与所述MCU单元连接的第二光电隔离模块和开关量输出通道。
7. 根据权利要求1-3中任一项所述的电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，所 述数据通信单元，包括与所述MCU单元连接的I/O接口。
8. 根据权利要求7所述的电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，所述数据通信 单元，还包括与所述MCU单元连接的LED显示器。
9. 根据权利要求8所述的电网运行数据智能测试分析仪，其特征在于，所述数据通信 单元，还包括分别与所述MCU单元和LED显示器连接的显示控制驱动模块。
【文档编号】G01R31/00GK104090177SQ201410258020
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】纪青春, 张小勇, 叶建亚 申请人:国家电网公司, 国网甘肃省电力公司, 国网甘肃省电力公司兰州供电公司