一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電能儀表技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，包括：處理器、電能計量模塊、前端檢測模塊、電力載波模塊以及指示模塊；前端檢測模塊采集用電現(xiàn)場的電壓和電流，并回傳給所述電能計量模塊；電能計量模塊與所述處理器相連，接收電壓及電流信息并依其計量電能，同時將其發(fā)送給處理器；處理器與電能計量模塊相連，接收電壓及電流信息，并進行FFT變換測定線路中的諧波，進行頻域分析得到電能污染指數(shù)；指示模塊與所述處理器相連，獲取并顯示諧波相關(guān)數(shù)據(jù)和電能污染指數(shù)；電力載波模塊與處理器相連，將諧波加載到電力線上，對外傳輸。本發(fā)明提供一種能夠?qū)崟r具體評估居民用電質(zhì)量，降低安全風險的裝置。
【專利說明】
-種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電能儀表技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著用電設(shè)備的日益增多，對于電力行業(yè)來說，要保持滿足用戶要求的電能質(zhì)量 變得越來越困難。而電能污染會引起電器異常發(fā)熱，縮短電器壽命甚至直接損壞電器;電能 污染還會導(dǎo)致供電系統(tǒng)的錯亂，降低系統(tǒng)的效率和利用率，導(dǎo)致計算機系統(tǒng)失效，使繼電器 拒動或誤動進而影響整個系統(tǒng)的正常運行。
[0003] 為保障用電設(shè)備安全運行，減少設(shè)備故障，必須加大檢測與提高電能質(zhì)量的力度。 據(jù)官方統(tǒng)計:近20年來，全球范圍內(nèi)因電能質(zhì)量引起的重大電力事故已達20多起，每年因電 能質(zhì)量擾動和電氣環(huán)境污染引起的經(jīng)濟損失高達300億美元！
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，為了保持用電安全，特別是大型用電環(huán)境，采用人工定期專業(yè)檢測， 維護W保證安全性。但是隨著民生家電的多樣化，普遍化使用;居民生活用電的安全風險也 越來越高;但是又缺乏必要的知識和工具，來降低安全風險，保障日常生活用電安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中居民用電電能污染風 險高，電能質(zhì)量不穩(wěn)定導(dǎo)致用電安全風險高，且缺乏必要管控的技術(shù)問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，包括:處理 器、電能計量模塊、前端檢測模塊、電力載波模塊W及指示模塊；
[0007] 所述前端檢測模塊與所述電能計量模塊相連，采集用電現(xiàn)場的電壓和電流，并回 傳給所述電能計量模塊；
[000引所述電能計量模塊與所述處理器相連，接收所述電壓及電流信息并依其計量電 能，同時將所述電壓及電流信息發(fā)送給所述處理器；
[0009] 所述處理器與所述電能計量模塊相連，接收所述電壓及電流信息，并進行FFT變換 測定線路中的諧波，進行頻域分析得到電能污染指數(shù)；
[0010] 所述指示模塊與所述處理器相連，獲取并顯示諧波相關(guān)數(shù)據(jù)和電能污染指數(shù)；
[00川所述電力載波模塊與所述處理器相連，將所述諧波加載到電力線上，對外傳輸；
[0012] 其中，所述處理器對接收到電壓和電流進行FFT算法變換后進行頻域分析，與標準 波形進行比對獲得諧波崎變率，得到電能污染指數(shù)；
[0013] 加載在電力線上的諧波可發(fā)送給遠程終端記錄電量和電能污染指數(shù)，或者現(xiàn)場電 源控制端，實現(xiàn)電源控制。
[0014] 進一步地，所述電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置還包括:固件更新模塊；
[0015] 所述固件更新模塊與所述處理器相連，實現(xiàn)處理器數(shù)據(jù)更新。
[0016] 進一步地，所述電能污染指數(shù)包括:電壓諧波崎變率；
[0017]
[0018] 其中，化為第2次諧波電壓有效值，Un為第n次諧波電壓的有效值，Ui為基波電壓有 效值。
[0019] 進一步地，所述標準波形為現(xiàn)場單相220V，5監(jiān)波形；
[0020] 其中，采樣率為3.2K。
[0021] 本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：
[0022] 本申請實施例中提供的電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，通過電能計量模塊實現(xiàn)實時獲 取用電信息，構(gòu)成基礎(chǔ)的電能電表;并創(chuàng)造性的，增加處理器W及電力載波模塊，執(zhí)行FFT算 法W及電能污染分析，實現(xiàn)電能質(zhì)量分析和安全性分析，從而實現(xiàn)居民小單位用電安全管 控;大大提升了用電安全性，降低居民用電環(huán)境風險。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明實施例提供的電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明實施例提供的FFT算法蝶形分解的示意圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明實施例提供的FFT算法的流程圖。
【具體實施方式】
[0026] 本申請實施例通過提供一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中居民用電 電能污染風險高，電能質(zhì)量不穩(wěn)定導(dǎo)致用電安全風險高，且缺乏必要管控的技術(shù)問題。
[0027] 為解決上述技術(shù)問題，本申請實施例提供技術(shù)方案的總體思路如下：
[002引一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，包括:處理器、電能計量模塊、前端檢測模塊、電力 載波板塊W及指不板塊；
[0029] 所述前端檢測模塊與所述電能計量模塊相連，采集用電現(xiàn)場的電壓和電流，并回 傳給所述電能計量模塊；
[0030] 所述電能計量模塊與所述處理器相連，接收所述電壓及電流信息并依其計量電 能，同時將所述電壓及電流信息發(fā)送給所述處理器；
[0031] 所述處理器與所述電能計量模塊相連，接收所述電壓及電流信息，并進行FFT變換 測定線路中的諧波，進行頻域分析得到電能污染指數(shù)；
[0032] 所述指示模塊與所述處理器相連，獲取并顯示諧波相關(guān)數(shù)據(jù)和電能污染指數(shù)；
[0033] 所述電力載波模塊與所述處理器相連，將所述諧波加載到電力線上，對外傳輸；
[0034] 其中，所述處理器對接收到電壓和電流進行FFT算法變換后進行頻域分析，與標準 波形進行比對獲得諧波崎變率，得到電能污染指數(shù)；
[0035] 加載在電力線上的諧波可發(fā)送給遠程終端記錄電量和電能污染指數(shù)，或者現(xiàn)場電 源控制端，實現(xiàn)電源控制。
[0036] 通過上述內(nèi)容可W看出，通過FFT算法實時分析用電線路的諧波信息，得到必要的 質(zhì)量評估;并進一步地，通過實時與標準波形比對，便于進行電源控制；同時通過電力載波 模塊實現(xiàn)信息傳遞，便于電能計量信息傳遞和質(zhì)量評估信息的顯示和回傳。
[0037] 為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖W及具體的實施方式對上 述技術(shù)方案進行詳細說明，應(yīng)當理解本發(fā)明實施例W及實施例中的具體特征是對本申請技 術(shù)方案的詳細的說明，而不是對本申請技術(shù)方案的限定，在不沖突的情況下，本申請實施例 W及實施例中的技術(shù)特征可W相互組合。
[0038] 參見圖1，本發(fā)明實施例提供的一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，包括:處理器、電能 計量模塊、前端檢測模塊、電力載波模塊W及指示模塊；
[0039] 所述前端檢測模塊與所述電能計量模塊相連，采集用電現(xiàn)場的電壓和電流，并回 傳給所述電能計量模塊；
[0040] 所述電能計量模塊與所述處理器相連，接收所述電壓及電流信息并依其計量電 能，同時將所述電壓及電流信息發(fā)送給所述處理器；
[0041] 所述處理器與所述電能計量模塊相連，接收所述電壓及電流信息，并進行FFT變換 測定線路中的諧波，進行頻域分析得到電能污染指數(shù)；
[0042] 所述指示模塊與所述處理器相連，獲取并顯示諧波相關(guān)數(shù)據(jù)和電能污染指數(shù)；
[0043] 所述電力載波模塊與所述處理器相連，將所述諧波加載到電力線上，對外傳輸；
[0044] 其中，所述處理器對接收到電壓和電流進行FFT算法變換后進行頻域分析，與標準 波形進行比對獲得諧波崎變率，得到電能污染指數(shù)；
[0045] 加載在電力線上的諧波可發(fā)送給遠程終端記錄電量和電能污染指數(shù)，或者現(xiàn)場電 源控制端，實現(xiàn)電源控制。
[0046] 下面將介紹所述裝置的結(jié)構(gòu)和工作過程。
[0047] 前端檢測模塊實現(xiàn)用電線路的實時數(shù)據(jù)檢測，具體包括：電壓互感器W及電流互 感器;分別檢測用電線路的實時電壓和電流，作為原始數(shù)據(jù)發(fā)送給電能計量模塊。
[004引具體來講，通過實時原始電壓電流數(shù)據(jù)的運算，得到有功功率、無功功率、視在功 率、功率因數(shù)、電流電壓相角、有功電能、無功電能、線頻率、快速脈沖計數(shù)等參數(shù)。
[0049] 電能計量模塊與所述處理器相連，將接收的電壓及電流信息并依其計量電能，同 時將所述電壓及電流信息發(fā)送給所述處理器。
[0050] 所述處理器依據(jù)原始電壓電流信息進行FFT變換測定線路中的諧波，進行頻域分 析得到電能污染指數(shù)。
[0051 ]具體來說，所述電能污染指數(shù)包括:電壓諧波崎變率；
[0化2]
[0化3] 其甲，U2刃弟2次諧汲電比巧效但，Un刃弟n次諧汲電比的巧效但，Ui為基波電壓有 效值。
[0054] 所述標準波形為現(xiàn)場單相220V，5監(jiān)波形;其中，采樣率為3.2K。
[0055] 基于上述裝置，下面詳述其工作過程。
[0056] 在進線端通過前端檢測模塊得到電壓電流的原始數(shù)據(jù)并經(jīng)由電能計量模塊發(fā)送 給處理器。
[0057] 通過FFT算法，即快速傅里葉變換算法來測定線路中諧波的大小。將諧波的大小通 過電力線載波技術(shù)加到電力線上。具體來說采用電力載波模塊實現(xiàn)電力線加載操作。
[005引將諧波的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示到指示模塊，具體來說，可采用客戶終端顯示屏。
[0059] 上位的電量計量設(shè)備，通過無線節(jié)點取出電力線上的諧波大小數(shù)據(jù)。另一方面，通 過并諧波大小與設(shè)定值進行比較，如果超過預(yù)設(shè)的安全值則切斷電源保護用電器的安全。
[0060] 具體的，通過在處理器上設(shè)置無線收發(fā)模塊，接收到上位的電量計量設(shè)備的抄表 模塊的請求后將用電使用量發(fā)送給抄表模塊，進而實現(xiàn)遠程抄表。
[0061] 進一步地，所述電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置還包括:固件更新模塊；
[0062] 所述固件更新模塊與所述處理器相連，實現(xiàn)處理器數(shù)據(jù)更新。
[0063] 下面具體描述具體工作過程。
[0064] 本實施例中，采用STM32F107處理器、ATT7022電能計量模塊、電力載波模塊等，原 理圖見附圖1，應(yīng)用數(shù)字采樣處理技術(shù)及SMT工藝。包括固件更新模塊、電力載波模塊、指示 模塊、電能計量模塊等。其中電能計量ATT7022D模塊，實現(xiàn)電能計量與電力信息采集、運算 等;核屯、處理器模塊，采用STM32F107處理器，做FFT運算W及電能污染評估、顯示算法等，
[0065] 首先通過電流互感器、電壓互感器采集現(xiàn)場電力信息，通過FFT運算得到2-50次的 高次諧波數(shù)據(jù)W及電流崎變率和電壓崎變率，標準評估電能污染指數(shù)，包括W下兩個方面：
[0066] 1、結(jié)合FIR數(shù)字濾波、RC濾波，設(shè)計高精度、低噪聲模擬采樣電路。
[0067] 2、深入STM32F107底層寄存器，采用匯編編寫部分FFT代碼，優(yōu)化算法，提高運行效 率。
[0068] 本實施例中，采用ATT7022電能計量忍片作為前端電力信息采集，通過SPI協(xié)議與 STM32處理器通信，采集信息有電壓、電流，通過對電壓、電流等基本信息的運算處理，得出 有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、電流電壓相角、有功電能、無功電能、線頻率、快 速脈沖計數(shù)等參數(shù)。
[0069] 本裝置中，在AD內(nèi)部開辟了一個長度為240的緩存存儲區(qū)，用W實時保存原始采樣 數(shù)據(jù)，供用戶做進一步的分析。用戶發(fā)送命令(任務(wù)開始+預(yù)定channel的數(shù)據(jù))后，在每個采 樣周期將相應(yīng)的ADC數(shù)據(jù)保存到緩存中，直到緩存滿為止。只要不發(fā)送新的命令，緩存的數(shù) 據(jù)會保持上一次的數(shù)據(jù)。用戶可W隨時讀取緩存的內(nèi)容。通過Cl命令改變gWaveAd化ess,用 戶可W任意指定要讀的緩存的起始地址;每讀一次緩存后，該地址會自加一，大于緩存長度 后，會變?yōu)?。讀有效數(shù)據(jù)的方法是，用戶可W等待相應(yīng)采樣間隔W上的時間后，去讀取緩存 的內(nèi)容（比如：單通道時240個采樣間隔時間，雙通道120個采樣間隔時間，=通道80個采樣 間隔時間，采樣率為3.2k)?；蛘撸x取地址小于PtrWaveFormRd低字節(jié)的內(nèi)容。 (ptrWave化rmRd的低字節(jié)為內(nèi)部保存數(shù)據(jù)時的指針，對應(yīng)于7E的內(nèi)容。），SPI讀取到的數(shù)據(jù) 格式:低19bit的ADC數(shù)據(jù)，二進制補碼表示。多通道時的數(shù)據(jù)為實際的存儲順序，WUA、UB、 UC為例，在緩存中的數(shù)據(jù)依次為UA0UB0UC0UA1UB1UC1…UA79UB79UC79。緩存區(qū)的初始值 OxOO Ol 00~OxOOFO 00。
[0070] 在采集到數(shù)據(jù)后，ATT7022與STM32處理器之間通過SPI協(xié)議進行通信，STM32處理 器為主設(shè)備，ATT7022為從設(shè)備。處理器接收到數(shù)據(jù)后對其進行FFT算法變換其中的FFT算法 將信號從時域轉(zhuǎn)換為頻域，可W進行模擬信號的頻率分析，本方案中運用FFT做諧波的頻域 分析，得出電力系統(tǒng)的電能污染指數(shù)與設(shè)備運行狀況。
[0071] 參見圖2和圖3,本實施例給出另一種具體的FFT算法和流程圖。
[0072] N表示階數(shù)，M表示總級數(shù)，L表示當前級數(shù)，B表示每個蝶形的兩個輸入數(shù)據(jù)的間 隔，P表示旋轉(zhuǎn)因子指數(shù)，可W看出，流程圖總共有3個循環(huán)：
[0073] 外循環(huán):次數(shù)為級數(shù)L的變換范圍；
[0074] 中循環(huán):為根據(jù)當前L求出各個不同的P，循環(huán)次數(shù)為P的個數(shù)化-1;
[0075] 內(nèi)循環(huán):為每級中每個P對應(yīng)的蝶形運算個數(shù)，循環(huán)次數(shù)為2M-L，內(nèi)循環(huán)中k值每次 變換范圍（增量)為2L，運是同一級中每個相同的P對應(yīng)不同蝶形運算的間隔。
[0076] 從采樣到FFT實現(xiàn)過程：
[0077] 1、開啟采樣功能(OxCO命令:通道選擇+啟動）；
[0078] 2、等待采樣數(shù)據(jù)完成；
[0079] 3、設(shè)置用戶讀指針的起始地址(通過OxCl命令），讀取采樣數(shù)據(jù)；
[0080] 4、對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；
[0081 ] 5、FFT 變換；
[0082] 6、如需下一次操作，則執(zhí)行Stepl~5。
[0083] 通過對采集回來的數(shù)據(jù)進行FFT變換后與正常的波形進行對比可W得出電能的污 染程度。本產(chǎn)品采集現(xiàn)場單相220W50Hz)線路的正常波形，采樣率為3.2K，橫坐標為采樣點 數(shù)，縱坐標為相對伏值(縱坐標*137.5為真實伏值)可見，一般線路電壓波形并非為完整的 正弦波，電壓信號由于外在因素影響，會出現(xiàn)崎變，運就是電能污染問題。
[0084] 不同用電設(shè)備激勵的諧波次數(shù)與諧波含量有很大的區(qū)別，本產(chǎn)品對用電設(shè)備激勵 的諧波進行特性分析，根據(jù)諧波屬性掌握設(shè)備當前運行狀況，判斷設(shè)備是否正常運行、是否 超負載，能及時作出故障預(yù)測與處理。對不同用電設(shè)備有針對性的處理，提示當前電力信息 會對特定用電設(shè)備帶來什么程度的危害，預(yù)了解設(shè)備運行狀況，監(jiān)聽設(shè)備運行，例如，一般 洗衣機對7、9、11次諧波比較敏感，正常運行、超負載運行W及臨界故障運行時反射出的7、 9、11次諧波變化較大，可通過分析7、9、11次諧波變化對洗衣機進行診斷。洗衣機一般采用 電阻分相起動運轉(zhuǎn)，一旦起動電路中的電容器和分相電阻損壞擊毀，電動機則無法正常運 轉(zhuǎn)工作，運也是一般洗衣機故障原因，本產(chǎn)品通過對洗衣機正常使用時的頻譜分析和洗衣 機臨界故障時的頻譜分析進而判斷洗衣機正常運行、超負載運行W及臨界故障運行情況， 只要掌握其他電器正常運行、超負載運行W及臨界故障運行等情況的諧波特性，同理也能 進行運行診斷，保障設(shè)備正常運行，減少故障發(fā)生，延長電器使用壽命。
[0085] 最后所應(yīng)說明的是，W上【具體實施方式】僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可W對本發(fā)明 的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
【主權(quán)項】
1. 一種電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，其特征在于，包括:處理器、電能計量模塊、前端檢測 模塊、電力載波模塊以及指示模塊； 所述前端檢測模塊與所述電能計量模塊相連，采集用電現(xiàn)場的電壓和電流，并回傳給 所述電能計量模塊； 所述電能計量模塊與所述處理器相連，接收所述電壓及電流信息并依其計量電能，同 時將所述電壓及電流信息發(fā)送給所述處理器； 所述處理器與所述電能計量模塊相連，接收所述電壓及電流信息，并進行FFT變換測定 線路中的諧波，進行頻域分析得到電能污染指數(shù)； 所述指示模塊與所述處理器相連，獲取并顯示諧波相關(guān)數(shù)據(jù)和電能污染指數(shù)； 所述電力載波模塊與所述處理器相連，將所述諧波加載到電力線上，對外傳輸； 其中，所述處理器對接收到電壓和電流進行FFT算法變換后進行頻域分析，與標準波形 進行比對獲得諧波畸變率，得到電能污染指數(shù)； 加載在電力線上的諧波可發(fā)送給遠程終端記錄電量和電能污染指數(shù)，或者現(xiàn)場電源控 制端，實現(xiàn)電源控制。2. 如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，其特征在于，還包括:固件更新模塊； 所述固件更新模塊與所述處理器相連，實現(xiàn)處理器數(shù)據(jù)更新。3. 如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，其特征在于，所述電能污染指數(shù)包 括:電壓諧波畸變率；其中，U2為第2次諧波電壓有效值，Un為第η次諧波電壓的有效值，ΙΛ為基波電壓有效值。4. 如權(quán)利要求3所述的電能質(zhì)量監(jiān)測與計量裝置，其特征在于:所述標準波形為現(xiàn)場單 相220V，5HZ波形； 其中，采樣率為3.2K。
【文檔編號】G01R22/10GK105954582SQ201610290356
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】楊柳, 黃文斌, 趙宏森, 賀南寧, 朱明增, 李明, 王塞北
【申請人】首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司