專利名稱：一種電能質量分析儀的制作方法
技術領域：
一種電能質量分析儀技術領域[0001]本實用新型屬于供電技術領域，尤其涉及一種電能質量分析儀。
背景技術：
[0002]供電系統(tǒng)中的電能質量問題，對機場、通信樞紐、發(fā)射基地等高技術武器較集中的 場合的影響更加不可忽視，即使是飛機、獨立供電系統(tǒng)，由于非線性、大功率的設備不斷增 加，電能質量問題也日益突出。電能質量所引發(fā)故障的問題更應該引起高度注意，因為它們 時時刻刻都承擔著關系國家安全的重大責任。[0003]本電能質量分析儀是我們發(fā)現和分析各種電能質量的有效工具，不僅能夠使我們 掌握各種供電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)供電狀況，同時能夠使我們取得大量的、詳實的現場數據， 從而為分析診斷故障隱患提供了不可缺少的數據支持。[0004]我國電能質量分析儀的分類與國外基本一致，實時在線監(jiān)測儀表，主要有南京順 泰公司的XT-2，寶鋼安大公司的PQ106II1、PQ104，深圳領步公司的PQM-1、PQM_2、PQM_3，航 天華輝公司的PQ secure，保定方長的DZ-3A和安徽振興公司的PS-NET等型號。單相手持 式分析儀，主要有寶鋼安大公司的PQ102，安徽振興公司的PS-3H等型號。便攜式電能質量 分析儀南京順泰公司的EQT-1，寶鋼安大公司的PQ116，航天華輝公司的U900F，保定方長的 DZ-4A和安徽振興公司的PS-2S、PS-3等型號。[0005]在便攜式電能質量分析儀方面，國產儀表基本上采用的是基于總線的工控機設 計，能夠實時顯示測試數據和波形，數據存儲量大，但數據處理性能一般，大多沒有瞬態(tài)測 試和間諧波測試功能，分析軟件功能也不夠強，數據離線分析生成的圖形、曲線、報表方式 并存，格式固定，不能滿足有關要求，不能用于各種電能質量檢測分析。這些都制約了國產 電能質量分析儀在各種領域的使用。[0006]目前各種電能質量分析儀在設計過程中所依據的理論和數學模型都是一樣的，其 關鍵的區(qū)別在于采用的測量標準有較大的區(qū)別，另外在工藝設計、單元電路也各有不同，整 體設計方案以不盡相同，不同的公司所采用的方法也依據采用的標準不同和應用方向不 同，所采用的方式也大有區(qū)別。[0007]國外的電能質量分析儀發(fā)展較早，技術成熟，功能較強，而且已成系列，適應各種 公共電網不同用戶的需要。如福祿克公司的RPM1650系列、1950系列、F41和F43系列，萊 姆公司的PQPT1000系列、PQFix、3PQI1、AN2060、AN3060等，在國內應用較為廣泛。但它們 都存在著如下問題[0008](I)價格很高，限制了儀器的使用場合。[0009](2)界面絕大多數沒有漢化，使用步驟很復雜。即使個別的操作軟件進行了漢化， 但操作步驟仍然是照搬外文的方法進行，不便操作。[0010](3)參照的標準和國標不一致，特別是與國軍標不一致，使得判斷的依據受到質疑。[0011 ] (4)手持式分析儀存儲容量較小，一般只能存儲8 20個屏幕的信息，無法及時打印結果，只能用計算機下載。而便攜式分析儀自身都沒有顯示屏，必須和計算機連機使用， 否則儀器的參數無法現場設置和修改，測試參數也無法實時顯示，因此使用起來十分不方 便。[0012](5)附件不適合實際使用的要求，用時連線很困難。[0013](6)測試電源頻率只能適應50/60HZ工業(yè)電力系統(tǒng)，對400Hz各種電源供電系統(tǒng)都 不具備測試能力實用新型內容[0014]針對上述問題，本實用新型實施例的目的在于提供一種電能質量分析儀。[0015]本實用新型實施例是這樣實現的，一種電能質量分析儀，該電能質量分析儀包 括[0016]傳感器單元，用于完成4路電壓信號和4路電流信號的取樣，實現高壓隔離、電流 電壓變換等，其取樣過程應滿足O. 05Hz 2MHz的取樣帶寬；[0017]輸入調理單元，用于將外部輸入的測試信號調理成規(guī)定幅度范圍的電壓信號，經 隔離后送到測量單元，同時產生頻率參考信號，是本電能質量分析儀的模擬電路核心；[0018]測量單元，用于實現同步取樣和數據采集的全過程，是儀器測量精度的基本保障 和質量分析儀的測試電路核心；[0019]瞬態(tài)分析單元，用于捕捉電壓變化速率很高的電壓閃變信號，作為專用采集器獨 立存在；[0020]直流畸變頻譜單元，用于對外來信號進行掃頻分析，是為直流畸變頻譜的高端進 行分析而設立的；[0021]數據處理單元，用于實現對采集到的數據進行諧波分析運算、有效值運算、瞬態(tài)電 壓、電流運算、穩(wěn)態(tài)電壓、電流運算、各種有功無功功率運算、頻率相位運算系列計算；[0022]主控單元，用于將從數據處理單元和瞬態(tài)分析單元中得到的各項電能質量參數和 各項具體標準進行比較，進行波形、頻譜和數據的顯示以及數據傳遞的作用；[0023]電源單元，用于將輸入的交流和直流供電電壓轉換成本機所需的各種電壓。[0024]進一步，輸入調理單元內部結構包含四個電壓通道、四個電流通道，主要由輸入電 路、隔離電路、信號調理電路和抗混疊濾波器組成，其具體的功能結構連接為[0025]四個電壓通道，與輸入電路相連接，其作用是傳輸電壓探頭的三相交流電壓信號 和一路直流電壓信號，以差動形式分別送入采取直接耦合的輸入電路；[0026]輸入電路，與信號調理電路相連接，其作用是通過輸入電路內部的程控衰減器根 據測試需要將測試信號衰減為適合傳輸的10VP_P* ±5V電壓信號，并送入信號調理電路進 行調理；[0027]信號調理電路，與抗混疊濾波器相連接，其作用是通過內部的調理放大器將差動 信號轉換成單端信號，對前端電路的工作零點實現了適當調整，同時加入積分電路，使電流 傳感器中的微分過程得以還原；[0028]隔離電路，始終存在其中，其作用首先是光電耦合器，將儀器內部的數字電路與儀 器外部實現隔離，避免外部強電壓信號對儀器的損害，其二是電壓輸入通道均采取高阻輸 入形式，使輸入通道始終工作于較低的電流下，同時輸入保護的TVS管；[0029]抗混疊濾波器，與測量單元相連接，是一組程控的八階低通濾波器，其作用是防止 采樣過程混疊效應引起的失真，使提供測量單元使用的交流信號符合采樣定律，保證記錄 的波形數據與實際故障情況相一致，滿足諧波分析的測量穩(wěn)定性，抗混疊濾波器的輸出作 為輸入電路的整體信號輸出，實現測量信號預處理并提供給測量單元使用。[0030]進一步，測量單元內部結構包含同步信號提取電路、幅度識別電路、采樣保持電 路、16bit高速A/D變換電路、16bit低速A/D變換電路、FPGA電路；其具體的功能結構連接 為[0031]同步信號提取電路，其作用是與幅度識別電路相結合實現被測信號的信號整形， 然后分別經基波相位提取送FPGA電路處理，經交直流變換、幅度檢波后進行幅度識別，以 滿足同步采樣和超范圍測量告警的需要；[0032]采樣保持電路，其作用是在同步脈沖的控制下，對三個交流電壓通道、三個交流電 流通道所提供的測量信號進行同步的模擬幅值提取，以滿足測量的需要；[0033]16bit高速A/D變換電路，其作用是通過模擬開關電路分別完成對六路保持電壓 信號的模數轉換，實現對交流信號的精度測量；[0034]16bit低速A/D變換電路，其作用是完成對直流電壓、直流電流以及直流畸變頻譜 通道的模數轉換；[0035]FPGA電路，其作用是實現信號頻率的測量、數據的采集控制、ADCl的數據讀取、保 存及底層的信號預處理計算；主要由頻率測量模塊和FFT模塊兩部分組成；頻率測量模塊 主要由周期計數器、瞬時頻率運算、穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調制運算和頻率數據存放區(qū)等子模塊 組成；FFT模塊主要由旋轉因子模塊、蝶形運算模塊以及FFT運算模塊構成。[0036]進一步，瞬態(tài)分析單元內部結構包含時鐘分頻器、采樣控制器、數據合并轉換器、 數值比較器、C51單片機、數據接口電路。[0037]進一步，直流畸變頻譜單元內部結構包含混頻電路、濾波放大電路和檢波電路, DDS、固定二本振，地址譯碼電路及掃頻頻率產生電路。[0038]進一步，數據處理單元內部結構包含DSP芯片、接口芯片及外部存儲器；存儲器包 括一片 Flash 和一片 SDRAM。[0039]進一步，主控單元采用嵌入式PC104微機，內部結構包含處理器、DDR內存、實時 時鐘、固態(tài)盤、RS422/RS232串行接口、DSU調試口、看門狗、網絡接口、USB接口、鍵盤、LCD顯示器。[0040]進一步，電源單元包含整流濾波電路、電壓識別控制、開關電源、電池控制和DC/DC 變換電路。[0041]本實用新型采取基于傅里葉變換進行諧波測量的測量方法，在此基礎上采用跟蹤 同步采樣的數據采集技術，優(yōu)化提高測量的準確度和穩(wěn)定性；為全面滿足測量標準的貫徹， 本儀器將測試過程劃分為測量單元和瞬態(tài)分析單元，將測試過程進行區(qū)別對待來完成大量 的數學運算，利用不同電路的不同優(yōu)勢提高儀器整體測試精度和測試效率，同時也減少了 大量的不必要的數據處理環(huán)節(jié)，從而也提高了儀器測試的穩(wěn)定性。此外，通過更換各種電能 質量分析儀軟件版本，同樣可以滿足其它供電系統(tǒng)，如軍艦、通訊樞紐等場合的需要，還可 以滿足地方各級發(fā)電、供電公司及其他行業(yè)對電能質量的檢測分析，滿足用戶對電網電能 質量的應用要求，本設備具有十分廣闊的市場前景。


[0042]圖1是本實用新型實施例提供的電能質量分析儀系統(tǒng)硬件結構框圖；[0043]圖2是本實用新型實施例提供的輸入調理單元硬件結構框圖；[0044]圖3是本實用新型實施例提供的測量單元硬件結構框圖。
具體實施方式
[0045]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本實用新型，并不用于限定本實用新型。[0046]圖1為本電能質量分析儀的系統(tǒng)硬件框圖，主要由傳感器單元、輸入調理單元、測 量單元、瞬態(tài)分析單元、直流畸變頻譜單元、數據處理單元、主控單元和電源單元等八部分 組成。其各單元功能結構如下[0047](I)傳感器單元[0048]傳感器單元，用于完成4路電壓信號和4路電流信號的取樣，實現高壓隔離、電流 電壓變換等，其取樣過程應滿足O. 05Hz 2MHz的取樣帶寬，同時應達到國家強制的安全標 準，為準確的測試分析提供必要的保障。[0049]傳感器單元的內部結構包含電壓傳感器和電流傳感器，采用霍爾元件以及合金 鐵芯電感元件的綜合技術。[0050](2)輸入調理單元[0051]輸入調理單元，用于將外部輸入的測試信號調理成規(guī)定幅度范圍的電壓信號，經 隔離后送到測量單元，同時產生頻率參考信號，是本電能質量分析儀的模擬電路核心，[0052]輸入調理單元內部結構包含八個模擬通道(包括四個電壓通道、四個電流通道) 主要由輸入電路、隔離電路、信號調理電路和抗混疊濾波器等電路組成。其具體的功能結構 連接圖如圖2所示[0053]四個電壓通道，與輸入電路相連接，其作用是傳輸電壓探頭的三相交流電壓信號 和一路直流電壓信號，以差動形式分別送入采取直接耦合的輸入電路；[0054]輸入電路，與信號調理電路相連接，其作用是通過輸入電路內部的程控衰減器根 據測試需要將測試信號衰減為適合傳輸的10VP_P* ±5V電壓信號，并送入信號調理電路進 行調理；[0055]信號調理電路，與抗混疊濾波器相連接，其作用是通過內部的調理放大器將差動 信號轉換成單端信號，對前端電路的工作零點實現了適當調整，同時加入積分電路，使電流 傳感器中的微分過程得以還原；[0056]隔離電路，始終存在其中，其作用首先是光電耦合器，將儀器內部的數字電路與儀 器外部實現隔離，避免外部強電壓信號對儀器的損害，其二是電壓輸入通道均采取高阻輸 入形式，使輸入通道始終工作于較低的電流下，同時輸入保護的TVS管；[0057]抗混疊濾波器，與測量單元相連接，是一組程控的八階低通濾波器，其作用是防止 采樣過程混疊效應引起的失真，使提供測量單元使用的交流信號符合采樣定律，保證記錄 的波形數據與實際故障情況相一致，滿足諧波分析的測量穩(wěn)定性，抗混疊濾波器的輸出作為輸入電路的整體信號輸出，實現測量信號預處理并提供給測量單元使用。[0058](3)測量單元[0059]測量單元，用于實現同步取樣和數據采集的全過程，是儀器測量精度的基本保障 和質量分析儀的測試電路核心。[0060]測量單元內部結構包含同步信號提取電路、幅度識別電路、采樣保持電路、16bit 高速A/D變換電路、16bit低速A/D變換電路、FPGA電路等電路組成。其具體的功能結構連 接圖如圖3所示[0061]同步信號提取電路，其作用是與幅度識別電路相結合實現被測信號的信號整形， 然后分別經基波相位提取送FPGA電路處理，經交直流變換、幅度檢波后進行幅度識別，以 滿足同步采樣和超范圍測量告警的需要；[0062]采樣保持電路，其作用是在同步脈沖的控制下，對三個交流電壓通道、三個交流電 流通道所提供的測量信號進行同步的模擬幅值提取，以滿足測量的需要；[0063]16bit高速A/D變換電路，其作用是通過模擬開關電路分別完成對六路保持電壓 信號的模數轉換，實現對交流信號的精度測量；[0064]16bit低速A/D變換電路，其作用是完成對直流電壓、直流電流以及直流畸變頻譜 通道的模數轉換；[0065]FPGA電路，其作用是實現信號頻率的測量、數據的采集控制、ADCl的數據讀取、保 存及底層的信號預處理計算等。如圖3所示，主要由頻率測量模塊和FFT模塊兩部分組成。 頻率測量模塊主要由周期計數器、瞬時頻率運算、穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調制運算和頻率數據存 放區(qū)等子模塊組成。FFT模塊主要由旋轉因子模塊、蝶形運算模塊以及FFT運算模塊構成。[0066](4)瞬態(tài)分析單元[0067]瞬態(tài)分析單元，用于捕捉電壓變化速率很高的電壓閃變信號，作為專用采集器獨 立存在。[0068]瞬態(tài)分析單元內部結構包含時鐘分頻器、采樣控制器、數據合并轉換器、數值比 較器、C51單片機、數據接口電路等。關鍵器件CPLD芯片擬采用ALTERA公司的MAX7000系 列產品EPM7128進行設計。[0069](5)直流畸變頻譜單元[0070]直流畸變頻譜單元，用于對外來信號進行掃頻分析，是為直流畸變頻譜的高端 (IkHz 500kHz)進行分析而設立的。[0071]直流畸變頻譜單元內部結構包含混頻電路、濾波放大電路和檢波電路，DDS、固定 二本振，地址譯碼電路及掃頻頻率產生電路等。[0072](6)數據處理單元[0073]數據處理單元，用于實現對采集到的數據進行諧波分析運算、有效值運算、瞬態(tài)電 壓、電流運算、穩(wěn)態(tài)電壓、電流運算、各種有功無功功率運算、頻率相位運算等一系列計算。[0074]數據處理單元內部結構包含DSP芯片、接口芯片及外部存儲器構成。存儲器包括 一片 Flash 和一片 SDRAM。[0075](7)主控單元[0076]主控單元，用于將從數據處理單元和瞬態(tài)分析單元中得到的各項電能質量參數和 各項具體標準進行比較，進行波形、頻譜和數據的顯示以及數據傳遞的作用。[0077]主控單元采用嵌入式PC104微機，內部結構包含處理器、DDR內存、實時時鐘、固 態(tài)盤、RS422/RS232串行接口、DSU調試口、看門狗、網絡接口、USB接口、鍵盤、LCD顯示器等 基礎硬件。[0078](8)電源單元[0079]電源單元，用于將輸入的交流和直流供電電壓轉換成本機所需的各種電壓。[0080]電源單元內部結構包含整流濾波電路、電壓識別控制、開關電源、電池控制和 DC/DC變換等電路組成。[0081]本系統(tǒng)的工作原理為[0082]1.硬件系統(tǒng)[0083]本電能質量分析儀的硬件系統(tǒng)的構成主要由傳感器單元、輸入調理單元、測量單 元、瞬態(tài)分析單元、直流畸變頻譜單元、數據處理單元、主控單元和電源單元等八部分組成。 其中包括了一個主控系統(tǒng)，兩個嵌入式子系統(tǒng)，其各部分作用、組成和工作原理如下[0084](I)傳感器單元[0085]傳感器單元的作用是完成4路電壓信號和4路電流信號的取樣，實現高壓隔離、電 流電壓變換等，其取樣過程應滿足O. 05Hz 2MHz的取樣帶寬，同時應達到國家強制的安全 標準，為準確的測試分析提供必要的保障。[0086]傳感器單元分為電壓傳感器和電流傳感器，兩類傳感器又都有交流直流之分，其 中交流電壓傳感器主要涉及合金鐵芯電壓取樣技術，關鍵在于頻帶寬度的保障；直流電壓 傳感器主要涉及線性衰減和低噪聲技術，關鍵在于信號長線傳輸的抗干擾，確保直流和紋 波的分離及有效提取，方便于測量工作的完成。交流電流傳感器主要涉及霍爾元件和合金 鐵芯電感元件的綜合利用技術，關鍵在于寬頻帶的保障和工作穩(wěn)定性的保障；直流電流傳 感器主要涉及霍爾元件和低噪聲放大技術，關鍵在于取樣變換后的精度保障。[0087](2)輸入調理單元[0088]輸入調理單元作為本項目的模擬電路核心，將外部輸入的測試信號調理成規(guī)定幅 度范圍的電壓信號，經隔離后送到測量單元。輸入調理單元同時產生頻率參考信號。[0089]輸入調理單元分為八個模擬通道，包括四個電壓通道、四個電流通道，主要由輸入 電路、隔離電路、信號調理電路和抗混疊濾波器等電路組成。[0090]四個電壓通道的構成基本相同，來自電壓探頭的三相交流電壓信號和一路直流電 壓信號，首先以差動形式分別送入采取直接耦合的輸入電路，輸入電路內的程控衰減器根 據測試需要將測試信號衰減為適合傳輸的10VP_P* ±5V電壓信號，并送入信號調理電路進 行調理，調理放大器將差動信號轉換成單端信號，并對前端電路的工作零點實現了適當調 整。在這一過程中隔離電路始終存在其中，首先是光電耦合器，將儀器內部的數字電路與儀 器外部實現隔離，避免外部強電壓信號對儀器的損害，其二是電壓輸入通道均采取高阻輸 入形式，使輸入通道始終工作于較低的電流下，同時輸入保護的TVS管，實現了瞬態(tài)高電壓 信號對電路損害，調理放大器采用了寬帶隔離放大器保證了測量信號與儀器內部的可靠隔 離，同時也保證了儀器整體的測量帶寬。[0091]調理放大器的輸出信號分別送給抗混疊濾波器、瞬態(tài)分析單元和測量單元的同步 信號提取電路使用，抗混疊濾波器是一組程控的八階低通濾波器，其截止頻率自動跟蹤被 測信號頻率的變化而變化，剔除信號瞬態(tài)變化量，防止采樣過程混疊效應引起的失真，使提供測量單元使用的交流信號符合采樣定律，保證記錄的波形數據與實際故障情況相一致， 滿足諧波分析的測量穩(wěn)定性?？够殳B濾波器的輸出作為輸入電路的整體信號輸出，實現測 量信號預處理并提供給測量單元使用。[0092]四個電流通道的構成基本相同，來自電流傳感器的交流電流測試信號信號和一路 直流電流信號，首先以單端形式分別送入采取直接耦合的輸入電路，由于電流傳感器(電 流鉗)輸出的信號幅度一般較小，輸入電路內的程控衰減器相對設置較小的衰減量，大多 情況是根據測試需要將測試信號經調理放大器放大到10VP-P或±5V電壓信號再進行程控 濾波。在信號調理過程中不同于電壓輸入通道的是加入了積分電路，使電流傳感器中的微 分過程得以還原。[0093]對于直流畸變頻譜的測量由于交流幅度相對較小，為了提高測量精度，在直流電 壓輸入通道前端并接了交流耦合測量通道，在直流電壓信號在未衰減前，直接通過電容耦 合方式進行交流成分的提取，經過IkHz高通濾波器，送到掃頻分析單元進行直流畸變頻譜 分析。[0094](3)測量單元[0095]測量單元作為本項目的測試電路核心，其實現了同步取樣和數據采集的全過程， 是儀器測量精度的基本保障。其內部包括同步信號提取電路、幅度識別電路、采樣保持電 路、16bit高速A/D變換電路、16bit低速A/D變換電路、FPGA電路等電路組成。[0096]同步信號提取電路與幅度識別電路相結合，主要實現了被測信號的信號整形，后 分別經基波相位提取送FPGA電路處理，經交直流變換、幅度檢波后進行幅度識別，以滿足 同步采樣和超范圍測量告警的需要。[0097]采樣保持電路是進行多通道進行同步采樣所必需的過程，該電路共有六個單元電 路，其作用是在同步脈沖的控制下，對三個交流電壓通道、三個交流電流通道所提供的測量 信號進行同步的模擬幅值提取，以滿足測量的需要。[0098]16bit高速A/D變換電路主要是通過模擬開關電路分別完成對六路保持電壓信號 的模數轉換，實現對交流信號的精度測量。該部分電路包括了電壓基準源和差動輸入激勵 放大器，確保瞬間記錄波形的準確性和穩(wěn)定性。[0099]16bit低速A/D變換電路主要是完成對直流電壓、直流電流以及直流畸變頻譜通 道的模數轉換，這種采用高低速度分離的A/D轉換器設計，不僅可以降低成本，更重要的是 重點考慮了直流飄移的準確測量，充分借助不同A/D電路的測量優(yōu)勢。[0100]在測量電路中，所有的數字電路都集成在FPGA電路中，該電路內部集合了邏輯控 制電路、同步周期計數電路、取樣時鐘生成電路、ADC測量數據緩存、數據重新組合電路和 FFT運算單元，以及瞬時頻率運算、頻率調制運算電路和頻率數據存放區(qū)等電路，使數字電 路部分實現了小型化設計。[0101]經調理后的3路交流電壓信號UA、UB、UC和3路交流電流信號IA、IB、1C，首先送到 幅度識別電路，判斷信號的有無，一方面送到機箱的發(fā)光二極管顯示電路，指示工作狀態(tài)， 另一方面根據控制邏輯的要求，選擇其中的一路送到整形電路，產生頻率參考信號，滿足測 量電路進行頻率測量，同時利用頻率參考信號的參考相位滿足生成256倍的同步采樣頻率 信號，進行對交流電壓信號和電流信號同步采樣，交流測試信號經A/D轉換后，進行FFT分 析和有效值運算，得到交流畸變的頻譜、基波相位角和電壓、電流的瞬態(tài)值，以及各次諧波的瞬態(tài)值，在經過進一步計算得到各項參數得穩(wěn)態(tài)值。[0102]直流電壓信號UO和直流電流信號IO經過8階IkHz低通濾波器輸出，減小高頻 信號影響，同時克服混疊效應引起的失真，濾波后的直流測試信號送入低速16bitA/D變換 器，經測量后進行直流畸變頻譜低頻段(IOHz IkHz)的FFT分析。[0103]FPGA模塊主要由頻率測量模塊和FFT模塊兩部分組成。頻率測量模塊主要由周 期計數器、瞬時頻率運算、穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調制運算和頻率數據存放區(qū)等子模塊組成。FFT 模塊主要由旋轉因子模塊、蝶形運算模塊以及FFT運算模塊構成。該模塊整體主要完成數 據采集控制、ADCl的數據讀取、保存及底層的信號預處理計算等。其子模塊有ADC控制模 塊、ADC采樣數據保存區(qū)、FFT工作RAM、FFT運算結果保存區(qū)等。[0104]ADC控制模塊，根據取樣頻率產生通道選擇和ADC轉換啟動信號C0NVST，接收ADC 的BUSY信號和DO D15數據，并將其存儲到ADC采樣數據保存區(qū)。[0105]本系統(tǒng)在FFT分析64次諧波時，整個運算分6級。在第一級蝶形運算中，蝶形運 算單元根據算法控制模塊的控制信號，從ADC采樣數據保存區(qū)取出原始數據，從旋轉因子 ROM中取出旋轉因子，進行FFT的第一級蝶形運算，并將結果存入FFT工作RAM。在以后的 各級蝶形運算中，蝶形運算單元從FFT工作RAM中取出間數據，從旋轉因子ROM中取出旋轉 因子，進行運算，直至第六級蝶形運算結束，并將結果存放到運算結果保存區(qū)，以便進行各 次諧波系數計算。在FFT運算中，為了節(jié)省器件的內部資源，其計算內核采用復用技術進行 設計，一個蝶形運算單元和一組工作RAM被重復使用，其中最重要的是FFT工作控制邏輯的 實現。它主要完成從ADC采樣數據保存區(qū)取出數據、向FFT工作RAM中寫入和讀取數據以 及向FFT結果存放區(qū)存放結果等工作。FFT運算的結果Z = A+jB，將被送入數據處理單元 進行進一步的分析和處理，DSP根據公式# = 4dmr2 +.戸將對FFT運算結果進行可編程 邏輯器件難以實現的浮點開平方運算，得到各次諧波的系數# ,從而得到各次諧波參數。[0106]FPGA電路一系列計算結果的精確性和分析故障波形的準確性，如功率、相位、相移 等，只有同一瞬間測量、計算所得到的結果才是有意義的，采用了通道同步采樣，即所有通 道的波形數據是同一瞬間的。為此必須對6路的交流信號進行采樣/保持。采用了采樣/ 保持器電路，再由多路開關依次選擇這6路信號，輸入到ADCl中進行A/D轉換。由FPGA發(fā) 出CONVST信號開始轉換，待轉換結束，A/D發(fā)出BUSY信號，通知FPGA讀取轉換結果，達到 同步采樣和實時性的要求。[0107]頻率測量采用周期測量法，輸入的頻率參考信號對5MHz的標準頻率信號進行計 數，得到信號的周期，經倒數運算得到瞬時頻率信息，再進行穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調制的計算， 相關數值存放在頻率數據存放區(qū)，由控制單元調用。瞬時頻率同時送到取樣頻率產生電路， 由于電源頻率的跨度較大，達到10個倍頻程以上，采用傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)路或數字鎖相環(huán) 路，均難以達到精度的要求，因此采用了數字直接頻率合成(DDS)的方案。根據取樣頻率和 程控濾波器的要求，將瞬時的頻率由DDS電路產生1280倍的倍頻信號，作為濾波器的時鐘 信號，同時5分頻作為取樣頻率。用上一個周期作為下一個待采樣信號的采樣周期，這樣 就減小了由于待采樣信號頻率的漂移而帶來的采樣周期的誤差。鎖定頻率范圍為45Hz 500Hz，產生的采樣周期Ts能夠滿足實際應用的要求。[0108](4)瞬態(tài)分析單元[0109]瞬態(tài)分析單元作為捕捉電壓變化速率很高的電壓閃變信號的專用采集器獨立存在。從輸入調理單元送來的電壓信號UA、UB、UC、U0，首先通過輸入電路，轉換成符合高速 ADC電路輸入要求的模擬電平范圍。后由IOBit的高速A/D轉換器對其進行20MHz的測量 轉換，測試數據送入數據合并轉換器后進行必要的數據合并轉換后一方面進行雙端口 64k RAM的暫存，另一方面與預先設定存儲在Flash存儲器中的規(guī)定閾值進行比較，如果測試 數值沒有達到觸發(fā)閾值，RAM進行移位式循環(huán)暫存，不進行數據閃存；如果數據超出觸發(fā)閾 值，雙端口 RAM將在CPLD的控制下將測試數據向閃存內進行存儲，進行觸發(fā)事件數據的記 錄，直至完成規(guī)定的時間或數據長度。在數據紀錄完畢，無觸發(fā)事件態(tài)，由CPLD芯片內嵌入 C51單片機系統(tǒng)控制，對閃存內的數據進行向主控單元的數據傳遞，主控單元將進行數據分 析完成整個瞬態(tài)的分析過程。[0110]瞬態(tài)分析單元關鍵器件CPLD芯片擬采用ALTERA公司的MAX7000系列產品 EPM7128進行設計，在其內部劃分為若干電路，如時鐘分頻器、采樣控制器、數據合并轉換 器、數值比較器、C51單片機、數據接口電路等。由于該芯片工作頻率可高達100M，管腳間最 大延遲為5ns，所以可滿足高速采樣以及數據高速傳輸要求。[0111](5)直流畸變頻譜單元[0112]直流畸變頻譜單元是為直流畸變頻譜的高端(IkHz 500kHz)進行分析而設立 的，其主要測試過程是對外來信號進行掃頻分析。[0113]由于直流畸變頻譜的頻帶很寬，高頻成分較高，采用FFT分析困難很大，所以采用 了分段的方法進行分析，IkHz以下的低端采用FFT分析，IkHz以上的高端采用傳統(tǒng)的掃頻 分析的方法，分析帶寬為1kHz。[0114]直流畸變頻譜單元主要由混頻電路、濾波放大電路和檢波電路，DDS、固定二本振， 地址譯碼電路及掃頻頻率產生電路等組成。[0115]直流畸變頻譜單元主要原理就是按照數據處理單元送來的控制信號和地址信號， 轉換成一本振電路DDS所需的頻率代碼，DDS輸出的頻率信號結合固定的二本振輸出的頻 率信號，將待分析的信號進行兩次頻率搬移，得到頻率較低的二中頻信號，經檢波得到相應 頻率成分的直流電壓，該電壓送入測量單元后由低速16bitA/D芯片完成模數轉換得到高 次諧波測試結果，該測試結果送數據處理單元進行數據處理，與低端FFT分析得到的諧波 數據合成，生成完整的直流畸變頻譜信息。[0116](6)數據處理單元[0117]數據處理單元主要是為滿足對數據采集得到的數據進行諧波分析運算、有效值 運算、瞬態(tài)電壓、電流運算、穩(wěn)態(tài)電壓、電流運算、各種有功無功功率運算、頻率相位運算等 等而設立的，該單元主要由DSP擴展子系統(tǒng)構成。該子系統(tǒng)承擔整個系統(tǒng)的數據處理任務 及數據的輸入輸出接口，主要由DSP芯片、接口芯片及外部存儲器構成。存儲器包括一片 Flash和一片SDRAM。FLASH選用存儲容量為128KX8bit，映射為DSP的異步存儲器空間。 Flash的作用是存儲完成數據輸入輸出和各種信號處理任務的DSP的應用程序，SDRAM為 DSP的動態(tài)存儲器擴展空間，選用一片4MX32bit的SDRAM，可滿足主控系統(tǒng)處理其它數據 時，DSP子系統(tǒng)數據存儲和處理的需要。[0118]DSP芯片擬采用浮點信號處理器TMS320C6000，該芯片采用TI公司專利的超長指 令字結構，在150MHz時鐘頻率下其峰值處理能力達900MIPS ;該芯片具有8/16/32bit的高 性能外部存儲器接口(EMIF)，提供了與SDRAM、SBSRAM和SRAM等同步/異步存儲器的直接接口 ；片內集成多種外設，如多通道EDMA控制器、多通道緩沖串口(McBSP)和32bit通用計數器等，具有強大的信號處理能力和HPI接口，以滿足數據傳送和與主控系統(tǒng)接口的能力。[0119]DSP子系統(tǒng)啟動后，DSP芯片將運行程序從Flash存儲器中讀出并存入片內程序存儲器中，芯片將按照程序的規(guī)定向測量單元CPLD中的時序控制電路發(fā)出指令，當接受到測試數據后，將對測試數據進行組合、運算，并將運算結果按照規(guī)定的數據格式依次存出到數據存儲器中，數據的輸出是在與主控模塊PC104之間，遵照規(guī)定的通訊協(xié)議下進行的，由于 DSP子系統(tǒng)與PC104間存在著運行速率的差異，所以進行必要的數據校驗非常必要，同時， 由于PC104系統(tǒng)在接到瞬態(tài)分析單元的中斷指令時，需暫停與DSP子系統(tǒng)的聯系，此時，DSP 子系統(tǒng)中的SDRAM將及時保存未發(fā)送的數據信息，避免數據的丟失。[0120]下面以交流電壓為例，說明交流量有效值的計算方法。計算交流電壓有效值如所
權利要求1.一種電能質量分析儀，其特征在于，該電能質量分析儀包括 用于完成4路電壓信號和4路電流信號的取樣，實現高壓隔離、電流電壓變換等，取樣過程應滿足O. 05Hz 2MHz的取樣帶寬的傳感器單元； 用于將外部輸入的測試信號調理成規(guī)定幅度范圍的電壓信號，經隔離后送到測量單元，同時產生頻率參考信號的輸入調理單元； 用于實現同步取樣和數據采集的全過程，是儀器測量精度的基本保障和質量分析儀的測試電路核心的測量單元； 用于捕捉電壓變化速率很高的電壓閃變信號，作為專用采集器獨立存在的瞬態(tài)分析單元; 用于對外來信號進行掃頻分析，是為直流畸變頻譜的高端進行分析而設立的直流畸變頻譜單元； 用于實現對采集到的數據進行諧波分析運算、有效值運算、瞬態(tài)電壓、電流運算、穩(wěn)態(tài)電壓、電流運算、各種有功無功功率運算、頻率相位運算系列計算的數據處理單元； 用于將從數據處理單元和瞬態(tài)分析單元中得到的各項電能質量參數和各項具體標準進行比較，進行波形、頻譜和數據的顯示以及數據傳遞的作用的主控單元； 用于將輸入的交流和直流供電電壓轉換成本機所需的各種電壓的電源單元。
2.如權利要求1所述的電能質量分析儀，其特征在于，輸入調理單元內部結構包含四個電壓通道、四個電流通道，主要由輸入電路、隔離電路、信號調理電路和抗混疊濾波器組成，其具體的功能結構連接為 四個電壓通道，與輸入電路相連接，其作用是傳輸電壓探頭的三相交流電壓信號和一路直流電壓信號，以差動形式分別送入采取直接耦合的輸入電路； 輸入電路，與信號調理電路相連接，其作用是通過輸入電路內部的程控衰減器根據測試需要將測試信號衰減為適合傳輸的10VP_P* ±5V電壓信號，并送入信號調理電路進行調理； 信號調理電路，與抗混疊濾波器相連接，其作用是通過內部的調理放大器將差動信號轉換成單端信號，對前端電路的工作零點實現了適當調整，同時加入積分電路，使電流傳感器中的微分過程得以還原； 隔離電路，始終存在其中，其作用首先是光電耦合器，將儀器內部的數字電路與儀器外部實現隔離，避免外部強電壓信號對儀器的損害，其二是電壓輸入通道均采取高阻輸入形式，使輸入通道始終工作于較低的電流下，同時輸入保護的TVS管； 抗混疊濾波器，與測量單元相連接，是一組程控的八階低通濾波器，其作用是防止采樣過程混疊效應引起的失真，使提供測量單元使用的交流信號符合采樣定律，保證記錄的波形數據與實際故障情況相一致，滿足諧波分析的測量穩(wěn)定性，抗混疊濾波器的輸出作為輸入電路的整體信號輸出，實現測量信號預處理并提供給測量單元使用。
3.如權利要求1所述的電能質量分析儀，其特征在于，測量單元內部結構包含同步信號提取電路、幅度識別電路、采樣保持電路、16bit高速A/D變換電路、16bit低速A/D變換電路、FPGA電路；其具體的功能結構連接為 同步信號提取電路，其作用是與幅度識別電路相結合實現被測信號的信號整形，然后分別經基波相位提取送FPGA電路處理，經交直流變換、幅度檢波后進行幅度識別，以滿足同步采樣和超范圍測量告警的需要； 采樣保持電路，其作用是在同步脈沖的控制下，對三個交流電壓通道、三個交流電流通道所提供的測量信號進行同步的模擬幅值提取，以滿足測量的需要； 16bit高速A/D變換電路，其作用是通過模擬開關電路分別完成對六路保持電壓信號的模數轉換，實現對交流信號的精度測量； 16bit低速A/D變換電路，其作用是完成對直流電壓、直流電流以及直流畸變頻譜通道的模數轉換； FPGA電路，其作用是實現信號頻率的測量、數據的采集控制、ADCl的數據讀取、保存及底層的信號預處理計算；主要由頻率測量模塊和FFT模塊兩部分組成；頻率測量模塊主要由周期計數器、瞬時頻率運算、穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調制運算和頻率數據存放區(qū)等子模塊組成；FFT模塊主要由旋轉因子模塊、蝶形運算模塊以及FFT運算模塊構成。
4.如權利要求1所述的電能質量分析儀，其特征在于，瞬態(tài)分析單元內部結構包含時鐘分頻器、采樣控制器、數據合并轉換器、數值比較器、C51單片機、數據接口電路。
5.如權利要求1所述的電能質量分析儀，其特征在于，直流畸變頻譜單元內部結構包含混頻電路、濾波放大電路和檢波電路，DDS、固定二本振，地址譯碼電路及掃頻頻率產生電路。
6.如權利要求1所述的電能質量分析儀，其特征在于，數據處理單元內部結構包含DSP芯片、接口芯片及外部存儲器；存儲器包括一片Flash和一片SDRAM。
7.如權利要求1所述的電能質量分析儀，其特征在于，主控單元采用嵌入式PC104微機，內部結構包含處理器、DDR內存、實時時鐘、固態(tài)盤、RS422/RS232串行接口、DSU調試口、看門狗、網絡接口、USB接口、鍵盤、IXD顯示器。
8.如權利要求1所述的電能質量分析儀，其特征在于，電源單元包含整流濾波電路、電壓識別控制、開關電源、電池控制和DC/DC變換電路。
專利摘要本實用新型公開了一種電能質量分析儀，主要由傳感器單元、輸入調理單元、測量單元、瞬態(tài)分析單元、直流畸變頻譜單元、數據處理單元、主控單元和電源單元等八部分組成。本實用新型采取基于傅里葉變換進行諧波測量的測量方法，在此基礎上采用跟蹤同步采樣的數據采集技術，優(yōu)化提高測量的準確度和穩(wěn)定性；本儀器將測試過程劃分為測量單元和瞬態(tài)分析單元，利用不同電路的不同優(yōu)勢提高儀器整體測試精度和測試效率，同時也減少了大量的不必要的數據處理環(huán)節(jié)，從而也提高了儀器測試的穩(wěn)定性。此外，通過更換各種電能質量分析儀軟件版本，可以滿足不同供電系統(tǒng)對電能質量的檢測分析，滿足用戶對電網電能質量的應用要求。
文檔編號G01R31/00GK202870226SQ20122062465
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權日2012年11月23日
發(fā)明者劉建博, 李玉金, 楊增, 王國太 申請人:天津市新策電子設備科技有限公司