本實(shí)用新型涉及一種在線電能質(zhì)量錄波裝置，屬于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

一個(gè)理想的電力系統(tǒng)應(yīng)以恒定的頻率和正弦波形，按規(guī)定的電壓水平對(duì)用戶供電，但由于系統(tǒng)各元件(發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等)參數(shù)并不是理想線性或?qū)ΨQ的，加上調(diào)控手段的不完善，以及運(yùn)行操作、外來(lái)干擾和各種故障等原因的影響，這種理想狀態(tài)在實(shí)際應(yīng)用中基本不存在，從而引起公共供電點(diǎn)的電壓波形的不穩(wěn)定、非正弦性和不對(duì)稱性及電壓頻率的變化，由此產(chǎn)生了電網(wǎng)供電和用電過(guò)程中的各種問(wèn)題，導(dǎo)致電能質(zhì)量問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，電能質(zhì)量問(wèn)題可分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。前者包括電壓偏差、頻率偏差、電壓不平衡、電壓波動(dòng)與閃變和諧波等；后者包括電壓暫升、暫降和電壓中斷等。為提高電能質(zhì)量，需對(duì)各種電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和分析，而電能質(zhì)量錄波裝置可以在線記錄電壓、電流波形，為電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的分析提供必要的數(shù)據(jù)信息。

目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)的電能質(zhì)量錄波裝置，能夠滿足一定的要求，但仍存在以下不足。

1、功能冗余。市場(chǎng)上很多電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備功能過(guò)于復(fù)雜，集成了數(shù)據(jù)采集、指標(biāo)分析、波形記錄和突發(fā)事件記錄等。這些功能的實(shí)現(xiàn)伴隨著硬件成本的升高以及設(shè)備不穩(wěn)定性增加，市場(chǎng)上的裝置大部分采用DSP和ARM的雙核處理結(jié)構(gòu)。

2、錄波不完整?，F(xiàn)有的電能質(zhì)量錄波裝置，由于自身存儲(chǔ)空間受限，往往采用觸發(fā)方式記錄波形，即當(dāng)電壓暫升、暫降或者電壓中斷發(fā)生時(shí)才進(jìn)行波形記錄，容易造成某些暫態(tài)信號(hào)丟失或者記錄延遲產(chǎn)生的波形不完整，從而導(dǎo)致電能質(zhì)量分析出現(xiàn)偏差。

3、線下錄波?，F(xiàn)有的電能質(zhì)量錄波裝置，錄制的波形僅僅存儲(chǔ)在裝置自身的存儲(chǔ)器中，無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享以及在線控制。

基于以上監(jiān)測(cè)裝置的不足，本實(shí)用新型采用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種在線電能質(zhì)量錄波裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能穩(wěn)定的錄波裝置，既能實(shí)現(xiàn)不間斷的實(shí)時(shí)波形記錄，又能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享和在線控制功能，為電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)分析提供必要的數(shù)據(jù)信息。

為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案是：

一種在線電能質(zhì)量錄波裝置，包括主控器模塊、波形采集模塊和電源模塊，所述主控器模塊與波形采集模塊之間并行連接，所述電源模塊連接所述主控器模塊并為其供電，其中所述的波形采集模塊包括：

將配電網(wǎng)的電壓按設(shè)定比例進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電壓互感器；

將配電網(wǎng)的電電流按設(shè)定比例進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電流互感器；

連接所述電壓互感器，并對(duì)所述電壓互感器轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波的第一信號(hào)調(diào)理電路；

連接所述電電流互感器，并對(duì)所述電流互感器轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)進(jìn)行濾波的第二信號(hào)調(diào)理電路；

連接在所述信號(hào)調(diào)理電路和所述主控器模塊之間，并將信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)送給所述主控器模塊的A/D轉(zhuǎn)換器；

所述主控器模塊10接收所述A/D轉(zhuǎn)換器203發(fā)送的數(shù)字信號(hào)，并將接收到的數(shù)字信號(hào)作為所述配電網(wǎng)的電能波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給電能質(zhì)量分析系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)庫(kù)中。

進(jìn)一步，所述的主控器模塊包括微處理器、GPRS模塊和SD卡，所述微處理器接收所述A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送的數(shù)字信號(hào)，將接收到的數(shù)字信號(hào)作為所述波形數(shù)據(jù)保存在所述SD卡中，并且每經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間，通過(guò)所述GPRS模塊將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給所述電能質(zhì)量分析系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)庫(kù)。

更進(jìn)一步，所述的電壓信號(hào)調(diào)理電路具體包括：第一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器，其中第一運(yùn)算放大器的1引腳與2引腳通過(guò)R20、C18、R21、C19構(gòu)成一個(gè)二階濾波電路，1引腳與R21間接電阻R22；3引腳與R23串聯(lián)接地；4引腳接-12v電源；8引腳接+12v電源；

所述電壓互感器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)R20輸入，所述電壓信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后的電壓信號(hào)通過(guò)1引腳輸出。

更進(jìn)一步，所述的電流信號(hào)調(diào)理電路具體包括：第二運(yùn)算放大器，其中第二運(yùn)算放大器的7引腳與6引腳通過(guò)R24、C20、R26、C21構(gòu)成一個(gè)二階濾波電路，7引腳與R26間接電阻R25；

所述電流互感器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)R24輸入，所述電流信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后的電流信號(hào)通過(guò)7引腳輸出。

更進(jìn)一步，所述A/D轉(zhuǎn)換器為16位的AD7606的A/D轉(zhuǎn)換芯片，將電壓信號(hào)和電流信號(hào)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸?shù)剿鲋骺啬K。所述的主控模塊為微處理器S5PV210。

本實(shí)用新型提供的一種在線電能質(zhì)量錄波裝置，通過(guò)電壓/電流互感器分別將電壓和電流信號(hào)按比例降低到A/D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換范圍，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路過(guò)濾噪聲信號(hào)后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)給主控模塊，實(shí)現(xiàn)了電能信號(hào)的在線收集。主控模塊可控制A/D的采樣頻率，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的在線監(jiān)控，或者存儲(chǔ)到本地的SD卡中，每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的采集后，可通過(guò)GPRS模塊將SD卡中的數(shù)據(jù)發(fā)送到分析系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行分析與治理。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用單一的主控模塊作為處理器，不僅降低了整體制作成本，而且使得錄波功能更加穩(wěn)定。本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)電壓、電流信號(hào)的連續(xù)記錄，保證了突發(fā)信號(hào)的完整性。進(jìn)一步的本實(shí)用新型的A/D轉(zhuǎn)換器，選用16位的AD7606A/D轉(zhuǎn)換器，不僅轉(zhuǎn)換精度高，而且可同時(shí)多路轉(zhuǎn)換，無(wú)需增加信號(hào)保持電路。更進(jìn)一步本實(shí)用新型能通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在線控制錄波過(guò)程，也能在線將電能質(zhì)量錄波裝置中錄波的數(shù)據(jù)發(fā)送到電能質(zhì)量分析系統(tǒng)或者專門的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型提供的一種在線電能質(zhì)量錄波裝置的整體方框圖。

圖2為可以作為主控器模塊的微處理器S5PV210的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為一種電源模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為GPRS模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是SD卡的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6a為一種電壓互感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6b為一種電流互感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7a為一種電壓信號(hào)調(diào)理電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7b為一種電流信號(hào)調(diào)理電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為AD7606A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，為本實(shí)用新型提供的一種在線電能質(zhì)量錄波裝置的整體方框圖，主要有兩個(gè)組成部分：主控器模塊10和波形采集模塊20，主控器模塊10與波形采集模塊20采用并行連接。

1、主控器模塊10

主控器模塊10是在線電能質(zhì)量錄波裝置的核心模塊，主要負(fù)責(zé)波形數(shù)據(jù)接收、處理與轉(zhuǎn)發(fā)。微處理器S5PV210是所述模塊的核心部件，其可以采用ARM Cortex-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達(dá)1GHZ，64/32為內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32K的數(shù)據(jù)/指令一級(jí)緩存，512K的二級(jí)緩存，可以實(shí)現(xiàn)2000DMIPS（每秒運(yùn)算2億條指令集）的高性能運(yùn)算能力。微處理器S5PV210可控制A/D轉(zhuǎn)換器203的采樣頻率，并將轉(zhuǎn)換后的波形數(shù)據(jù)存到SD卡40中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，可通過(guò)GPRS模塊30將SD卡40中的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便電能質(zhì)量分析。整個(gè)錄波過(guò)程，可通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在線控制。電源模塊50為其供電。

主控器模塊10的處理系統(tǒng)采用現(xiàn)有軟件構(gòu)成，分為三部分：Bootloader部分、操作系統(tǒng)（Linux）部分和應(yīng)用程序部分。Bootloader用于硬件初始化以及引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動(dòng)；操作系統(tǒng)是用戶和計(jì)算機(jī)的接口，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)硬件和其它軟件的接口；應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)所述在線電能質(zhì)量錄波裝置對(duì)波形數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能。這三部分都是本領(lǐng)域技術(shù)人員慣常使用的計(jì)算機(jī)技術(shù)，這里不再展開論述。

2、波形采集模塊20

波形采集模塊20主要由以下幾部分構(gòu)成：電壓互感器2011和電流互感器2012，電壓信號(hào)調(diào)理電路2021和電流信號(hào)調(diào)理電路2022，以及A/D轉(zhuǎn)換器203。電壓互感器2011和電流互感器2012可將配電網(wǎng)的電壓、電流按設(shè)定比例轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器203的采集范圍；電壓信號(hào)調(diào)理電路2021和電流信號(hào)調(diào)理電路2022負(fù)責(zé)過(guò)濾采集波形中的噪聲信號(hào)，以提高波形信號(hào)的提取精度；A/D轉(zhuǎn)換器203將模擬信號(hào)準(zhǔn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)送給主控器模塊10，其轉(zhuǎn)換精度可達(dá)16位。主控器模塊10接收A/D轉(zhuǎn)換器203發(fā)送的數(shù)字信號(hào)，可以直接將接收到是數(shù)字信號(hào)作為波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給電能質(zhì)量分析系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)庫(kù)中。

主控器模塊10中還可以包括GPRS模塊和SD卡，主控器模塊10可以將波形數(shù)據(jù)保存在本地SD卡中，并且每經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間，通過(guò)GPRS模塊將波形數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行更新或者同步。

下面提供一種本實(shí)用新型所述的在線電能質(zhì)量錄波裝置的具體結(jié)構(gòu)，其中：圖2為可以作為主控器模塊的微處理器S5PV210電路圖，圖3為一種電源模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為GPRS模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是SD卡的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖6a為一種電壓互感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖6b為一種電流互感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖7a和圖7b分別為電壓信號(hào)和電流信號(hào)的信號(hào)調(diào)理電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖、圖8為作為A/D轉(zhuǎn)換器波的AD7606電路結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖2所示，微處理器S5PV210電路圖中，1引腳與圖3中U1的3引腳相連。圖2所示微處理器S5PV210的2引腳與圖3中CN1的3引腳相連。圖2所示微處理器S5PV210的5引腳與一復(fù)位式開關(guān)K1相連組成復(fù)位電路。圖2所示微處理器S5PV210的7引腳、9引腳、11引腳、13引腳、15引腳、17引腳、19引腳分別與圖5中的CON1的2引腳、5引腳、7引腳、8引腳、9引腳、1引腳、11引腳對(duì)應(yīng)相連。圖2所示微處理器S5PV210的8引腳、10引腳、20~50 (偶)引腳、51~57(奇)引腳分別與圖8所示的AD7606的49引腳、51引腳、16~33引腳、9引腳、12引腳、13引腳、11引腳對(duì)應(yīng)相連。圖2所示微處理器S5PV210的39引腳、41引腳、43引腳分別與圖4中 GPRS的2引腳、3引腳、5引腳相連。圖2所示微處理器S5PV210的70引腳與一撥動(dòng)開關(guān)S2相連作為系統(tǒng)啟動(dòng)選項(xiàng)。

圖3是電源電路。圖3中CN1外接直流電源5V，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片U1得到3.3V電壓，為圖2、圖4、圖5、圖8提供不同等級(jí)工作電壓。

附圖4是GPRS電路。裝置可通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)共享。

附圖5是SD卡電路。用于臨時(shí)存儲(chǔ)電壓、電流波形，與微處理器采用SDIO接口通信。

附圖6a和6b分別是電壓互感器的接口電路和電流互感器的接口電路。在待測(cè)電壓、電流信號(hào)端口，選用正泰電壓互感器，將幅值為100V的電壓變換成3.75V后，接入接口J1；將幅值為5A的電流直接接入J2接口。

附圖7a和圖7b分別是電壓信號(hào)調(diào)理電路和電流信號(hào)調(diào)理電路，負(fù)責(zé)過(guò)濾采集波形中的噪聲信號(hào)。電壓信號(hào)u0，電流信號(hào)u1分別經(jīng)過(guò)一個(gè)有源二階低通濾波電路，過(guò)濾噪聲信號(hào)后，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器采集通道AD0、AD1。運(yùn)算放大器LF412的1引腳與2引腳通過(guò)R20、C18、R21、C19構(gòu)成一個(gè)二階濾波電路，1引腳與R21間接電阻R22；3引腳與R23串聯(lián)接地；4引腳接-12v電源；8引腳接+12v電源；5引腳與R27串聯(lián)接地；7引腳與6引腳通過(guò)R24、C20、R26、C21構(gòu)成一個(gè)二階濾波電路，7引腳與R26間接電阻R25。

附圖8是作為A/D轉(zhuǎn)換器器的AD7606。A/D的轉(zhuǎn)換精度為16位，與微處理器采用并行接口，可提高數(shù)據(jù)讀取速度。AD7606的1引腳、37引腳、38引腳、48引腳接VADD電源；2引腳、35引腳、40引腳、41引腳、47引腳接地。49引腳是模擬通道1，串聯(lián)電阻R12后與電壓信號(hào)調(diào)理電路輸出端AD0相接，51引腳是模擬通道2，串聯(lián)電阻R14后與電流信號(hào)調(diào)理電路輸出端AD1相接；50引腳、51引腳分別串聯(lián)電阻R13、R14后接地；9引腳、10引腳、11引腳、12引腳、13引腳是AD7606的控制引腳，控制A\D的轉(zhuǎn)換過(guò)程；49引腳與電容C8、C9相連接地，可用于測(cè)量AD7606內(nèi)部參考電壓；44引腳與46引腳間接電容C10；45引腳與44引腳相連，43引腳與46引腳相連；16-33引腳與微處理器S5PV210并行連接；34引腳、6引腳、7引腳分別與上拉電阻R16、R17、R18相連；23、26引腳與濾波電容C15、C16相連。

本實(shí)用新型提供的一種在線電能質(zhì)量錄波裝置，通過(guò)電壓/電流互感器分別將電壓和電流信號(hào)按比例降低到A/D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換范圍，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路過(guò)濾噪聲信號(hào)后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)給主控模塊，實(shí)現(xiàn)了電能信號(hào)的在線收集。主控模塊可控制A/D的采樣頻率，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的在線監(jiān)控，或者存儲(chǔ)到本地的SD卡中，每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的采集后，可通過(guò)GPRS模塊將SD卡中的數(shù)據(jù)發(fā)送到分析系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行分析與治理。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用單一的主控模塊作為處理器，不僅降低了整體制作成本，而且使得錄波功能更加穩(wěn)定。本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)電壓、電流信號(hào)的連續(xù)記錄，保證了突發(fā)信號(hào)的完整性。進(jìn)一步的本實(shí)用新型的A/D轉(zhuǎn)換器，選用16位的AD7606A/D轉(zhuǎn)換器，不僅轉(zhuǎn)換精度高，而且可同時(shí)多路轉(zhuǎn)換，無(wú)需增加信號(hào)保持電路。更進(jìn)一步本實(shí)用新型能通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在線控制錄波過(guò)程，也能在線將電能質(zhì)量錄波裝置中錄波的數(shù)據(jù)發(fā)送到電能質(zhì)量分析系統(tǒng)或者專門的數(shù)據(jù)庫(kù)中。