專利名稱：一種電能質(zhì)量分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種電能質(zhì)量分析儀技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型屬于供電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電能質(zhì)量分析儀。
背景技術(shù)：
[0002]供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)機(jī)場(chǎng)、通信樞紐、發(fā)射基地等高技術(shù)武器較集中的 場(chǎng)合的影響更加不可忽視，即使是飛機(jī)、獨(dú)立供電系統(tǒng)，由于非線性、大功率的設(shè)備不斷增 加，電能質(zhì)量問(wèn)題也日益突出。電能質(zhì)量所引發(fā)故障的問(wèn)題更應(yīng)該引起高度注意，因?yàn)樗鼈?時(shí)時(shí)刻刻都承擔(dān)著關(guān)系國(guó)家安全的重大責(zé)任。[0003]本電能質(zhì)量分析儀是我們發(fā)現(xiàn)和分析各種電能質(zhì)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(shí)能夠使我們?nèi)〉么罅康?、詳?shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)， 從而為分析診斷故障隱患提供了不可缺少的數(shù)據(jù)支持。[0004]我國(guó)電能質(zhì)量分析儀的分類與國(guó)外基本一致，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)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(lǐng)步公司的PQM-1、PQM_2、PQM_3，航 天華輝公司的PQ secure，保定方長(zhǎng)的DZ-3A和安徽振興公司的PS-NET等型號(hào)。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(hào)。便攜式電能質(zhì)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(zhǎng)的 DZ-4A和安徽振興公司的PS-2S、PS-3等型號(hào)。[0005]在便攜式電能質(zhì)量分析儀方面，國(guó)產(chǎn)儀表基本上采用的是基于總線的工控機(jī)設(shè) 計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)和波形，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，但數(shù)據(jù)處理性能一般，大多沒(méi)有瞬態(tài)測(cè) 試和間諧波測(cè)試功能，分析軟件功能也不夠強(qiáng)，數(shù)據(jù)離線分析生成的圖形、曲線、報(bào)表方式 并存，格式固定，不能滿足有關(guān)要求，不能用于各種電能質(zhì)量檢測(cè)分析。這些都制約了國(guó)產(chǎn) 電能質(zhì)量分析儀在各種領(lǐng)域的使用。[0006]目前各種電能質(zhì)量分析儀在設(shè)計(jì)過(guò)程中所依據(jù)的理論和數(shù)學(xué)模型都是一樣的，其 關(guān)鍵的區(qū)別在于采用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)有較大的區(qū)別，另外在工藝設(shè)計(jì)、單元電路也各有不同，整 體設(shè)計(jì)方案以不盡相同，不同的公司所采用的方法也依據(jù)采用的標(biāo)準(zhǔn)不同和應(yīng)用方向不 同，所采用的方式也大有區(qū)別。[0007]國(guó)外的電能質(zhì)量分析儀發(fā)展較早，技術(shù)成熟，功能較強(qiáng)，而且已成系列，適應(yīng)各種 公共電網(wǎng)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(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。但它們 都存在著如下問(wèn)題[0008](I)價(jià)格很高，限制了儀器的使用場(chǎng)合。[0009](2)界面絕大多數(shù)沒(méi)有漢化，使用步驟很復(fù)雜。即使個(gè)別的操作軟件進(jìn)行了漢化， 但操作步驟仍然是照搬外文的方法進(jìn)行，不便操作。[0010](3)參照的標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)不一致，特別是與國(guó)軍標(biāo)不一致，使得判斷的依據(jù)受到質(zhì)疑。[0011 ] (4)手持式分析儀存儲(chǔ)容量較小，一般只能存儲(chǔ)8 20個(gè)屏幕的信息，無(wú)法及時(shí)打印結(jié)果，只能用計(jì)算機(jī)下載。而便攜式分析儀自身都沒(méi)有顯示屏，必須和計(jì)算機(jī)連機(jī)使用， 否則儀器的參數(shù)無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置和修改，測(cè)試參數(shù)也無(wú)法實(shí)時(shí)顯示，因此使用起來(lái)十分不方 便。[0012](5)附件不適合實(shí)際使用的要求，用時(shí)連線很困難。[0013](6)測(cè)試電源頻率只能適應(yīng)50/60HZ工業(yè)電力系統(tǒng)，對(duì)400Hz各種電源供電系統(tǒng)都 不具備測(cè)試能力實(shí)用新型內(nèi)容[0014]針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型實(shí)施例的目的在于提供一種電能質(zhì)量分析儀。[0015]本實(shí)用新型實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種電能質(zhì)量分析儀，該電能質(zhì)量分析儀包 括[0016]傳感器單元，用于完成4路電壓信號(hào)和4路電流信號(hào)的取樣，實(shí)現(xiàn)高壓隔離、電流 電壓變換等，其取樣過(guò)程應(yīng)滿足O. 05Hz 2MHz的取樣帶寬；[0017]輸入調(diào)理單元，用于將外部輸入的測(cè)試信號(hào)調(diào)理成規(guī)定幅度范圍的電壓信號(hào)，經(jīng) 隔離后送到測(cè)量單元，同時(shí)產(chǎn)生頻率參考信號(hào)，是本電能質(zhì)量分析儀的模擬電路核心；[0018]測(cè)量單元，用于實(shí)現(xiàn)同步取樣和數(shù)據(jù)采集的全過(guò)程，是儀器測(cè)量精度的基本保障 和質(zhì)量分析儀的測(cè)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(hào)，作為專用采集器獨(dú) 立存在；[0020]直流畸變頻譜單元，用于對(duì)外來(lái)信號(hào)進(jìn)行掃頻分析，是為直流畸變頻譜的高端進(jìn) 行分析而設(shè)立的；[0021]數(shù)據(jù)處理單元，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析運(yùn)算、有效值運(yùn)算、瞬態(tài)電 壓、電流運(yùn)算、穩(wěn)態(tài)電壓、電流運(yùn)算、各種有功無(wú)功功率運(yùn)算、頻率相位運(yùn)算系列計(jì)算；[0022]主控單元，用于將從數(shù)據(jù)處理單元和瞬態(tài)分析單元中得到的各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)和 各項(xiàng)具體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，進(jìn)行波形、頻譜和數(shù)據(jù)的顯示以及數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成本機(jī)所需的各種電壓。[0024]進(jìn)一步，輸入調(diào)理單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含四個(gè)電壓通道、四個(gè)電流通道，主要由輸入電 路、隔離電路、信號(hào)調(diào)理電路和抗混疊濾波器組成，其具體的功能結(jié)構(gòu)連接為[0025]四個(gè)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(hào) 和一路直流電壓信號(hào)，以差動(dòng)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(hào)調(diào)理電路相連接，其作用是通過(guò)輸入電路內(nèi)部的程控衰減器根 據(jù)測(cè)試需要將測(cè)試信號(hào)衰減為適合傳輸?shù)?0VP_P* ±5V電壓信號(hào)，并送入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn) 行調(diào)理；[0027]信號(hào)調(diào)理電路，與抗混疊濾波器相連接，其作用是通過(guò)內(nèi)部的調(diào)理放大器將差動(dòng) 信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，對(duì)前端電路的工作零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)加入積分電路，使電流 傳感器中的微分過(guò)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(nèi)部的數(shù)字電路與儀 器外部實(shí)現(xiàn)隔離，避免外部強(qiáng)電壓信號(hào)對(duì)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(shí)輸入保護(hù)的TVS管；[0029]抗混疊濾波器，與測(cè)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(guò)程混疊效應(yīng)引起的失真，使提供測(cè)量單元使用的交流信號(hào)符合采樣定律，保證記錄 的波形數(shù)據(jù)與實(shí)際故障情況相一致，滿足諧波分析的測(cè)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(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)預(yù)處理并提供給測(cè)量單元使用。[0030]進(jìn)一步，測(cè)量單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含同步信號(hào)提取電路、幅度識(shí)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(jié)構(gòu)連接 為[0031]同步信號(hào)提取電路，其作用是與幅度識(shí)別電路相結(jié)合實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的信號(hào)整形， 然后分別經(jīng)基波相位提取送FPGA電路處理，經(jīng)交直流變換、幅度檢波后進(jìn)行幅度識(shí)別，以 滿足同步采樣和超范圍測(cè)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(duì)三個(gè)交流電壓通道、三個(gè)交流電 流通道所提供的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行同步的模擬幅值提取，以滿足測(cè)量的需要；[0033]16bit高速A/D變換電路，其作用是通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)電路分別完成對(duì)六路保持電壓 信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的精度測(cè)量；[0034]16bit低速A/D變換電路，其作用是完成對(duì)直流電壓、直流電流以及直流畸變頻譜 通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換；[0035]FPGA電路，其作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的測(cè)量、數(shù)據(jù)的采集控制、ADCl的數(shù)據(jù)讀取、保 存及底層的信號(hào)預(yù)處理計(jì)算；主要由頻率測(cè)量模塊和FFT模塊兩部分組成；頻率測(cè)量模塊 主要由周期計(jì)數(shù)器、瞬時(shí)頻率運(yùn)算、穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調(diào)制運(yùn)算和頻率數(shù)據(jù)存放區(qū)等子模塊 組成；FFT模塊主要由旋轉(zhuǎn)因子模塊、蝶形運(yùn)算模塊以及FFT運(yùn)算模塊構(gòu)成。[0036]進(jìn)一步，瞬態(tài)分析單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含時(shí)鐘分頻器、采樣控制器、數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)換器、 數(shù)值比較器、C51單片機(jī)、數(shù)據(jù)接口電路。[0037]進(jìn)一步，直流畸變頻譜單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生電路。[0038]進(jìn)一步，數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含DSP芯片、接口芯片及外部存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器包 括一片 Flash 和一片 SDRAM。[0039]進(jìn)一步，主控單元采用嵌入式PC104微機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含處理器、DDR內(nèi)存、實(shí)時(shí) 時(shí)鐘、固態(tài)盤(pán)、RS422/RS232串行接口、DSU調(diào)試口、看門狗、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口、鍵盤(pán)、LCD顯示器。[0040]進(jìn)一步，電源單元包含整流濾波電路、電壓識(shí)別控制、開(kāi)關(guān)電源、電池控制和DC/DC 變換電路。[0041]本實(shí)用新型采取基于傅里葉變換進(jìn)行諧波測(cè)量的測(cè)量方法，在此基礎(chǔ)上采用跟蹤 同步采樣的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，優(yōu)化提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性；為全面滿足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的貫徹， 本儀器將測(cè)試過(guò)程劃分為測(cè)量單元和瞬態(tài)分析單元，將測(cè)試過(guò)程進(jìn)行區(qū)別對(duì)待來(lái)完成大量 的數(shù)學(xué)運(yùn)算，利用不同電路的不同優(yōu)勢(shì)提高儀器整體測(cè)試精度和測(cè)試效率，同時(shí)也減少了 大量的不必要的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，從而也提高了儀器測(cè)試的穩(wěn)定性。此外，通過(guò)更換各種電能 質(zhì)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(chǎng)合的需要，還可 以滿足地方各級(jí)發(fā)電、供電公司及其他行業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的檢測(cè)分析，滿足用戶對(duì)電網(wǎng)電能 質(zhì)量的應(yīng)用要求，本設(shè)備具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。


[0042]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電能質(zhì)量分析儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖；[0043]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的輸入調(diào)理單元硬件結(jié)構(gòu)框圖；[0044]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的測(cè)量單元硬件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
[0045]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。[0046]圖1為本電能質(zhì)量分析儀的系統(tǒng)硬件框圖，主要由傳感器單元、輸入調(diào)理單元、測(cè) 量單元、瞬態(tài)分析單元、直流畸變頻譜單元、數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(hào)和4路電流信號(hào)的取樣，實(shí)現(xiàn)高壓隔離、電流 電壓變換等，其取樣過(guò)程應(yīng)滿足O. 05Hz 2MHz的取樣帶寬，同時(shí)應(yīng)達(dá)到國(guó)家強(qiáng)制的安全標(biāo) 準(zhǔn)，為準(zhǔn)確的測(cè)試分析提供必要的保障。[0049]傳感器單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)。[0050](2)輸入調(diào)理單元[0051]輸入調(diào)理單元，用于將外部輸入的測(cè)試信號(hào)調(diào)理成規(guī)定幅度范圍的電壓信號(hào)，經(jīng) 隔離后送到測(cè)量單元，同時(shí)產(chǎn)生頻率參考信號(hào)，是本電能質(zhì)量分析儀的模擬電路核心，[0052]輸入調(diào)理單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含八個(gè)模擬通道(包括四個(gè)電壓通道、四個(gè)電流通道) 主要由輸入電路、隔離電路、信號(hào)調(diào)理電路和抗混疊濾波器等電路組成。其具體的功能結(jié)構(gòu) 連接圖如圖2所示[0053]四個(gè)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(hào) 和一路直流電壓信號(hào)，以差動(dòng)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(hào)調(diào)理電路相連接，其作用是通過(guò)輸入電路內(nèi)部的程控衰減器根 據(jù)測(cè)試需要將測(cè)試信號(hào)衰減為適合傳輸?shù)?0VP_P* ±5V電壓信號(hào)，并送入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn) 行調(diào)理；[0055]信號(hào)調(diào)理電路，與抗混疊濾波器相連接，其作用是通過(guò)內(nèi)部的調(diào)理放大器將差動(dòng) 信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，對(duì)前端電路的工作零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)加入積分電路，使電流 傳感器中的微分過(guò)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(nèi)部的數(shù)字電路與儀 器外部實(shí)現(xiàn)隔離，避免外部強(qiáng)電壓信號(hào)對(duì)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(shí)輸入保護(hù)的TVS管；[0057]抗混疊濾波器，與測(cè)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(guò)程混疊效應(yīng)引起的失真，使提供測(cè)量單元使用的交流信號(hào)符合采樣定律，保證記錄 的波形數(shù)據(jù)與實(shí)際故障情況相一致，滿足諧波分析的測(cè)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(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)預(yù)處理并提供給測(cè)量單元使用。[0058](3)測(cè)量單元[0059]測(cè)量單元，用于實(shí)現(xiàn)同步取樣和數(shù)據(jù)采集的全過(guò)程，是儀器測(cè)量精度的基本保障 和質(zhì)量分析儀的測(cè)試電路核心。[0060]測(cè)量單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含同步信號(hào)提取電路、幅度識(shí)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(jié)構(gòu)連 接圖如圖3所示[0061]同步信號(hào)提取電路，其作用是與幅度識(shí)別電路相結(jié)合實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的信號(hào)整形， 然后分別經(jīng)基波相位提取送FPGA電路處理，經(jīng)交直流變換、幅度檢波后進(jìn)行幅度識(shí)別，以 滿足同步采樣和超范圍測(cè)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(duì)三個(gè)交流電壓通道、三個(gè)交流電 流通道所提供的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行同步的模擬幅值提取，以滿足測(cè)量的需要；[0063]16bit高速A/D變換電路，其作用是通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)電路分別完成對(duì)六路保持電壓 信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的精度測(cè)量；[0064]16bit低速A/D變換電路，其作用是完成對(duì)直流電壓、直流電流以及直流畸變頻譜 通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換；[0065]FPGA電路，其作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的測(cè)量、數(shù)據(jù)的采集控制、ADCl的數(shù)據(jù)讀取、保 存及底層的信號(hào)預(yù)處理計(jì)算等。如圖3所示，主要由頻率測(cè)量模塊和FFT模塊兩部分組成。 頻率測(cè)量模塊主要由周期計(jì)數(shù)器、瞬時(shí)頻率運(yùn)算、穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調(diào)制運(yùn)算和頻率數(shù)據(jù)存 放區(qū)等子模塊組成。FFT模塊主要由旋轉(zhuǎn)因子模塊、蝶形運(yùn)算模塊以及FFT運(yùn)算模塊構(gòu)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(hào)，作為專用采集器獨(dú) 立存在。[0068]瞬態(tài)分析單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含時(shí)鐘分頻器、采樣控制器、數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)換器、數(shù)值比 較器、C51單片機(jī)、數(shù)據(jù)接口電路等。關(guān)鍵器件CPLD芯片擬采用ALTERA公司的MAX7000系 列產(chǎn)品EPM7128進(jìn)行設(shè)計(jì)。[0069](5)直流畸變頻譜單元[0070]直流畸變頻譜單元，用于對(duì)外來(lái)信號(hào)進(jìn)行掃頻分析，是為直流畸變頻譜的高端 (IkHz 500kHz)進(jìn)行分析而設(shè)立的。[0071]直流畸變頻譜單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生電路等。[0072](6)數(shù)據(jù)處理單元[0073]數(shù)據(jù)處理單元，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析運(yùn)算、有效值運(yùn)算、瞬態(tài)電 壓、電流運(yùn)算、穩(wěn)態(tài)電壓、電流運(yùn)算、各種有功無(wú)功功率運(yùn)算、頻率相位運(yùn)算等一系列計(jì)算。[0074]數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含DSP芯片、接口芯片及外部存儲(chǔ)器構(gòu)成。存儲(chǔ)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(shù)據(jù)處理單元和瞬態(tài)分析單元中得到的各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)和 各項(xiàng)具體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，進(jìn)行波形、頻譜和數(shù)據(jù)的顯示以及數(shù)據(jù)傳遞的作用。[0077]主控單元采用嵌入式PC104微機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含處理器、DDR內(nèi)存、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、固 態(tài)盤(pán)、RS422/RS232串行接口、DSU調(diào)試口、看門狗、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口、鍵盤(pán)、LCD顯示器等 基礎(chǔ)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(zhuǎn)換成本機(jī)所需的各種電壓。[0080]電源單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含整流濾波電路、電壓識(shí)別控制、開(kāi)關(guān)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(zhì)量分析儀的硬件系統(tǒng)的構(gòu)成主要由傳感器單元、輸入調(diào)理單元、測(cè)量單 元、瞬態(tài)分析單元、直流畸變頻譜單元、數(shù)據(jù)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(gè)主控系統(tǒng)，兩個(gè)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(hào)和4路電流信號(hào)的取樣，實(shí)現(xiàn)高壓隔離、電 流電壓變換等，其取樣過(guò)程應(yīng)滿足O. 05Hz 2MHz的取樣帶寬，同時(shí)應(yīng)達(dá)到國(guó)家強(qiáng)制的安全 標(biāo)準(zhǔn)，為準(zhǔn)確的測(cè)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(shù)，關(guān)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(shù)，關(guān)鍵在于信號(hào)長(zhǎng)線傳輸?shù)目垢蓴_，確保直流和紋 波的分離及有效提取，方便于測(cè)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(shù)，關(guān)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(shù)，關(guān)鍵在于取樣變換后的精度保障。[0087](2)輸入調(diào)理單元[0088]輸入調(diào)理單元作為本項(xiàng)目的模擬電路核心，將外部輸入的測(cè)試信號(hào)調(diào)理成規(guī)定幅 度范圍的電壓信號(hào)，經(jīng)隔離后送到測(cè)量單元。輸入調(diào)理單元同時(shí)產(chǎn)生頻率參考信號(hào)。[0089]輸入調(diào)理單元分為八個(gè)模擬通道，包括四個(gè)電壓通道、四個(gè)電流通道，主要由輸入 電路、隔離電路、信號(hào)調(diào)理電路和抗混疊濾波器等電路組成。[0090]四個(gè)電壓通道的構(gòu)成基本相同，來(lái)自電壓探頭的三相交流電壓信號(hào)和一路直流電 壓信號(hào)，首先以差動(dòng)形式分別送入采取直接耦合的輸入電路，輸入電路內(nèi)的程控衰減器根 據(jù)測(cè)試需要將測(cè)試信號(hào)衰減為適合傳輸?shù)?0VP_P* ±5V電壓信號(hào)，并送入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn) 行調(diào)理，調(diào)理放大器將差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，并對(duì)前端電路的工作零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)調(diào) 整。在這一過(guò)程中隔離電路始終存在其中，首先是光電耦合器，將儀器內(nèi)部的數(shù)字電路與儀 器外部實(shí)現(xiàn)隔離，避免外部強(qiáng)電壓信號(hào)對(duì)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(shí)輸入保護(hù)的TVS管，實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)高電壓 信號(hào)對(duì)電路損害，調(diào)理放大器采用了寬帶隔離放大器保證了測(cè)量信號(hào)與儀器內(nèi)部的可靠隔 離，同時(shí)也保證了儀器整體的測(cè)量帶寬。[0091]調(diào)理放大器的輸出信號(hào)分別送給抗混疊濾波器、瞬態(tài)分析單元和測(cè)量單元的同步 信號(hào)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(dòng)跟蹤被 測(cè)信號(hào)頻率的變化而變化，剔除信號(hào)瞬態(tài)變化量，防止采樣過(guò)程混疊效應(yīng)引起的失真，使提供測(cè)量單元使用的交流信號(hào)符合采樣定律，保證記錄的波形數(shù)據(jù)與實(shí)際故障情況相一致， 滿足諧波分析的測(cè)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(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)測(cè) 量信號(hào)預(yù)處理并提供給測(cè)量單元使用。[0092]四個(gè)電流通道的構(gòu)成基本相同，來(lái)自電流傳感器的交流電流測(cè)試信號(hào)信號(hào)和一路 直流電流信號(hào)，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(hào)幅度一般較小，輸入電路內(nèi)的程控衰減器相對(duì)設(shè)置較小的衰減量，大多 情況是根據(jù)測(cè)試需要將測(cè)試信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大器放大到10VP-P或±5V電壓信號(hào)再進(jìn)行程控 濾波。在信號(hào)調(diào)理過(guò)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(guò)程得以還原。[0093]對(duì)于直流畸變頻譜的測(cè)量由于交流幅度相對(duì)較小，為了提高測(cè)量精度，在直流電 壓輸入通道前端并接了交流耦合測(cè)量通道，在直流電壓信號(hào)在未衰減前，直接通過(guò)電容耦 合方式進(jìn)行交流成分的提取，經(jīng)過(guò)IkHz高通濾波器，送到掃頻分析單元進(jìn)行直流畸變頻譜 分析。[0094](3)測(cè)量單元[0095]測(cè)量單元作為本項(xiàng)目的測(cè)試電路核心，其實(shí)現(xiàn)了同步取樣和數(shù)據(jù)采集的全過(guò)程， 是儀器測(cè)量精度的基本保障。其內(nèi)部包括同步信號(hào)提取電路、幅度識(shí)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(hào)提取電路與幅度識(shí)別電路相結(jié)合，主要實(shí)現(xiàn)了被測(cè)信號(hào)的信號(hào)整形，后 分別經(jīng)基波相位提取送FPGA電路處理，經(jīng)交直流變換、幅度檢波后進(jìn)行幅度識(shí)別，以滿足 同步采樣和超范圍測(cè)量告警的需要。[0097]采樣保持電路是進(jìn)行多通道進(jìn)行同步采樣所必需的過(guò)程，該電路共有六個(gè)單元電 路，其作用是在同步脈沖的控制下，對(duì)三個(gè)交流電壓通道、三個(gè)交流電流通道所提供的測(cè)量 信號(hào)進(jìn)行同步的模擬幅值提取，以滿足測(cè)量的需要。[0098]16bit高速A/D變換電路主要是通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)電路分別完成對(duì)六路保持電壓信號(hào) 的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的精度測(cè)量。該部分電路包括了電壓基準(zhǔn)源和差動(dòng)輸入激勵(lì) 放大器，確保瞬間記錄波形的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。[0099]16bit低速A/D變換電路主要是完成對(duì)直流電壓、直流電流以及直流畸變頻譜通 道的模數(shù)轉(zhuǎn)換，這種采用高低速度分離的A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，不僅可以降低成本，更重要的是 重點(diǎn)考慮了直流飄移的準(zhǔn)確測(cè)量，充分借助不同A/D電路的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。[0100]在測(cè)量電路中，所有的數(shù)字電路都集成在FPGA電路中，該電路內(nèi)部集合了邏輯控 制電路、同步周期計(jì)數(shù)電路、取樣時(shí)鐘生成電路、ADC測(cè)量數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)重新組合電路和 FFT運(yùn)算單元，以及瞬時(shí)頻率運(yùn)算、頻率調(diào)制運(yùn)算電路和頻率數(shù)據(jù)存放區(qū)等電路，使數(shù)字電 路部分實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。[0101]經(jīng)調(diào)理后的3路交流電壓信號(hào)UA、UB、UC和3路交流電流信號(hào)IA、IB、1C，首先送到 幅度識(shí)別電路，判斷信號(hào)的有無(wú)，一方面送到機(jī)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(jù)控制邏輯的要求，選擇其中的一路送到整形電路，產(chǎn)生頻率參考信號(hào)，滿足測(cè) 量電路進(jìn)行頻率測(cè)量，同時(shí)利用頻率參考信號(hào)的參考相位滿足生成256倍的同步采樣頻率 信號(hào)，進(jìn)行對(duì)交流電壓信號(hào)和電流信號(hào)同步采樣，交流測(cè)試信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行FFT分 析和有效值運(yùn)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(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得到各項(xiàng)參數(shù)得穩(wěn)態(tài)值。[0102]直流電壓信號(hào)UO和直流電流信號(hào)IO經(jīng)過(guò)8階IkHz低通濾波器輸出，減小高頻 信號(hào)影響，同時(shí)克服混疊效應(yīng)引起的失真，濾波后的直流測(cè)試信號(hào)送入低速16bitA/D變換 器，經(jīng)測(cè)量后進(jìn)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(cè)量模塊和FFT模塊兩部分組成。頻率測(cè)量模塊主要由周 期計(jì)數(shù)器、瞬時(shí)頻率運(yùn)算、穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調(diào)制運(yùn)算和頻率數(shù)據(jù)存放區(qū)等子模塊組成。FFT 模塊主要由旋轉(zhuǎn)因子模塊、蝶形運(yùn)算模塊以及FFT運(yùn)算模塊構(gòu)成。該模塊整體主要完成數(shù) 據(jù)采集控制、ADCl的數(shù)據(jù)讀取、保存及底層的信號(hào)預(yù)處理計(jì)算等。其子模塊有ADC控制模 塊、ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)、FFT工作RAM、FFT運(yùn)算結(jié)果保存區(qū)等。[0104]ADC控制模塊，根據(jù)取樣頻率產(chǎn)生通道選擇和ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)C0NVST，接收ADC 的BUSY信號(hào)和DO D15數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)到ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)。[0105]本系統(tǒng)在FFT分析64次諧波時(shí)，整個(gè)運(yùn)算分6級(jí)。在第一級(jí)蝶形運(yùn)算中，蝶形運(yùn) 算單元根據(jù)算法控制模塊的控制信號(hào)，從ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)取出原始數(shù)據(jù)，從旋轉(zhuǎn)因子 ROM中取出旋轉(zhuǎn)因子，進(jìn)行FFT的第一級(jí)蝶形運(yùn)算，并將結(jié)果存入FFT工作RAM。在以后的 各級(jí)蝶形運(yùn)算中，蝶形運(yùn)算單元從FFT工作RAM中取出間數(shù)據(jù)，從旋轉(zhuǎn)因子ROM中取出旋轉(zhuǎn) 因子，進(jìn)行運(yùn)算，直至第六級(jí)蝶形運(yùn)算結(jié)束，并將結(jié)果存放到運(yùn)算結(jié)果保存區(qū)，以便進(jìn)行各 次諧波系數(shù)計(jì)算。在FFT運(yùn)算中，為了節(jié)省器件的內(nèi)部資源，其計(jì)算內(nèi)核采用復(fù)用技術(shù)進(jìn)行 設(shè)計(jì)，一個(gè)蝶形運(yùn)算單元和一組工作RAM被重復(fù)使用，其中最重要的是FFT工作控制邏輯的 實(shí)現(xiàn)。它主要完成從ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)取出數(shù)據(jù)、向FFT工作RAM中寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)以 及向FFT結(jié)果存放區(qū)存放結(jié)果等工作。FFT運(yùn)算的結(jié)果Z = A+jB，將被送入數(shù)據(jù)處理單元 進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，DSP根據(jù)公式# = 4dmr2 +.戸將對(duì)FFT運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行可編程 邏輯器件難以實(shí)現(xiàn)的浮點(diǎn)開(kāi)平方運(yùn)算，得到各次諧波的系數(shù)# ,從而得到各次諧波參數(shù)。[0106]FPGA電路一系列計(jì)算結(jié)果的精確性和分析故障波形的準(zhǔn)確性，如功率、相位、相移 等，只有同一瞬間測(cè)量、計(jì)算所得到的結(jié)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(shù)據(jù)是同一瞬間的。為此必須對(duì)6路的交流信號(hào)進(jìn)行采樣/保持。采用了采樣/ 保持器電路，再由多路開(kāi)關(guān)依次選擇這6路信號(hào)，輸入到ADCl中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由FPGA發(fā) 出CONVST信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，待轉(zhuǎn)換結(jié)束，A/D發(fā)出BUSY信號(hào)，通知FPGA讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，達(dá)到 同步采樣和實(shí)時(shí)性的要求。[0107]頻率測(cè)量采用周期測(cè)量法，輸入的頻率參考信號(hào)對(duì)5MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì) 數(shù)，得到信號(hào)的周期，經(jīng)倒數(shù)運(yùn)算得到瞬時(shí)頻率信息，再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調(diào)制的計(jì)算， 相關(guān)數(shù)值存放在頻率數(shù)據(jù)存放區(qū)，由控制單元調(diào)用。瞬時(shí)頻率同時(shí)送到取樣頻率產(chǎn)生電路， 由于電源頻率的跨度較大，達(dá)到10個(gè)倍頻程以上，采用傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)路或數(shù)字鎖相環(huán) 路，均難以達(dá)到精度的要求，因此采用了數(shù)字直接頻率合成(DDS)的方案。根據(jù)取樣頻率和 程控濾波器的要求，將瞬時(shí)的頻率由DDS電路產(chǎn)生1280倍的倍頻信號(hào)，作為濾波器的時(shí)鐘 信號(hào)，同時(shí)5分頻作為取樣頻率。用上一個(gè)周期作為下一個(gè)待采樣信號(hào)的采樣周期，這樣 就減小了由于待采樣信號(hào)頻率的漂移而帶來(lái)的采樣周期的誤差。鎖定頻率范圍為45Hz 500Hz，產(chǎn)生的采樣周期Ts能夠滿足實(shí)際應(yīng)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(hào)的專用采集器獨(dú)立存在。從輸入調(diào)理單元送來(lái)的電壓信號(hào)UA、UB、UC、U0，首先通過(guò)輸入電路，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行20MHz的測(cè)量 轉(zhuǎn)換，測(cè)試數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)換器后進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)換后一方面進(jìn)行雙端口 64k RAM的暫存，另一方面與預(yù)先設(shè)定存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中的規(guī)定閾值進(jìn)行比較，如果測(cè)試 數(shù)值沒(méi)有達(dá)到觸發(fā)閾值，RAM進(jìn)行移位式循環(huán)暫存，不進(jìn)行數(shù)據(jù)閃存；如果數(shù)據(jù)超出觸發(fā)閾 值，雙端口 RAM將在CPLD的控制下將測(cè)試數(shù)據(jù)向閃存內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)，進(jìn)行觸發(fā)事件數(shù)據(jù)的記 錄，直至完成規(guī)定的時(shí)間或數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。在數(shù)據(jù)紀(jì)錄完畢，無(wú)觸發(fā)事件態(tài)，由CPLD芯片內(nèi)嵌入 C51單片機(jī)系統(tǒng)控制，對(duì)閃存內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行向主控單元的數(shù)據(jù)傳遞，主控單元將進(jìn)行數(shù)據(jù)分 析完成整個(gè)瞬態(tài)的分析過(guò)程。[0110]瞬態(tài)分析單元關(guān)鍵器件CPLD芯片擬采用ALTERA公司的MAX7000系列產(chǎn)品 EPM7128進(jìn)行設(shè)計(jì)，在其內(nèi)部劃分為若干電路，如時(shí)鐘分頻器、采樣控制器、數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)換 器、數(shù)值比較器、C51單片機(jī)、數(shù)據(jù)接口電路等。由于該芯片工作頻率可高達(dá)100M，管腳間最 大延遲為5ns，所以可滿足高速采樣以及數(shù)據(jù)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(jìn)行分析而設(shè)立 的，其主要測(cè)試過(guò)程是對(duì)外來(lái)信號(hào)進(jìn)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(jìn)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(chǎn)生電路等組成。[0115]直流畸變頻譜單元主要原理就是按照數(shù)據(jù)處理單元送來(lái)的控制信號(hào)和地址信號(hào)， 轉(zhuǎn)換成一本振電路DDS所需的頻率代碼，DDS輸出的頻率信號(hào)結(jié)合固定的二本振輸出的頻 率信號(hào)，將待分析的信號(hào)進(jìn)行兩次頻率搬移，得到頻率較低的二中頻信號(hào)，經(jīng)檢波得到相應(yīng) 頻率成分的直流電壓，該電壓送入測(cè)量單元后由低速16bitA/D芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換得到高 次諧波測(cè)試結(jié)果，該測(cè)試結(jié)果送數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與低端FFT分析得到的諧波 數(shù)據(jù)合成，生成完整的直流畸變頻譜信息。[0116](6)數(shù)據(jù)處理單元[0117]數(shù)據(jù)處理單元主要是為滿足對(duì)數(shù)據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析運(yùn)算、有效值 運(yùn)算、瞬態(tài)電壓、電流運(yùn)算、穩(wěn)態(tài)電壓、電流運(yùn)算、各種有功無(wú)功功率運(yùn)算、頻率相位運(yùn)算等 等而設(shè)立的，該單元主要由DSP擴(kuò)展子系統(tǒng)構(gòu)成。該子系統(tǒng)承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù) 及數(shù)據(jù)的輸入輸出接口，主要由DSP芯片、接口芯片及外部存儲(chǔ)器構(gòu)成。存儲(chǔ)器包括一片 Flash和一片SDRAM。FLASH選用存儲(chǔ)容量為128KX8bit，映射為DSP的異步存儲(chǔ)器空間。 Flash的作用是存儲(chǔ)完成數(shù)據(jù)輸入輸出和各種信號(hào)處理任務(wù)的DSP的應(yīng)用程序，SDRAM為 DSP的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器擴(kuò)展空間，選用一片4MX32bit的SDRAM，可滿足主控系統(tǒng)處理其它數(shù)據(jù) 時(shí)，DSP子系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的需要。[0118]DSP芯片擬采用浮點(diǎn)信號(hào)處理器TMS320C6000，該芯片采用TI公司專利的超長(zhǎng)指 令字結(jié)構(gòu)，在150MHz時(shí)鐘頻率下其峰值處理能力達(dá)900MIPS ;該芯片具有8/16/32bit的高 性能外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，提供了與SDRAM、SBSRAM和SRAM等同步/異步存儲(chǔ)器的直接接口 ；片內(nèi)集成多種外設(shè)，如多通道EDMA控制器、多通道緩沖串口(McBSP)和32bit通用計(jì)數(shù)器等，具有強(qiáng)大的信號(hào)處理能力和HPI接口，以滿足數(shù)據(jù)傳送和與主控系統(tǒng)接口的能力。[0119]DSP子系統(tǒng)啟動(dòng)后，DSP芯片將運(yùn)行程序從Flash存儲(chǔ)器中讀出并存入片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中，芯片將按照程序的規(guī)定向測(cè)量單元CPLD中的時(shí)序控制電路發(fā)出指令，當(dāng)接受到測(cè)試數(shù)據(jù)后，將對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式依次存出到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)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(jìn)行的，由于 DSP子系統(tǒng)與PC104間存在著運(yùn)行速率的差異，所以進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)校驗(yàn)非常必要，同時(shí)， 由于PC104系統(tǒng)在接到瞬態(tài)分析單元的中斷指令時(shí)，需暫停與DSP子系統(tǒng)的聯(lián)系，此時(shí)，DSP 子系統(tǒng)中的SDRAM將及時(shí)保存未發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，避免數(shù)據(jù)的丟失。[0120]下面以交流電壓為例，說(shuō)明交流量有效值的計(jì)算方法。計(jì)算交流電壓有效值如所
權(quán)利要求1.一種電能質(zhì)量分析儀，其特征在于，該電能質(zhì)量分析儀包括 用于完成4路電壓信號(hào)和4路電流信號(hào)的取樣，實(shí)現(xiàn)高壓隔離、電流電壓變換等，取樣過(guò)程應(yīng)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(cè)試信號(hào)調(diào)理成規(guī)定幅度范圍的電壓信號(hào)，經(jīng)隔離后送到測(cè)量單元，同時(shí)產(chǎn)生頻率參考信號(hào)的輸入調(diào)理單元； 用于實(shí)現(xiàn)同步取樣和數(shù)據(jù)采集的全過(guò)程，是儀器測(cè)量精度的基本保障和質(zhì)量分析儀的測(cè)試電路核心的測(cè)量單元； 用于捕捉電壓變化速率很高的電壓閃變信號(hào)，作為專用采集器獨(dú)立存在的瞬態(tài)分析單元; 用于對(duì)外來(lái)信號(hào)進(jìn)行掃頻分析，是為直流畸變頻譜的高端進(jìn)行分析而設(shè)立的直流畸變頻譜單元； 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析運(yùn)算、有效值運(yùn)算、瞬態(tài)電壓、電流運(yùn)算、穩(wěn)態(tài)電壓、電流運(yùn)算、各種有功無(wú)功功率運(yùn)算、頻率相位運(yùn)算系列計(jì)算的數(shù)據(jù)處理單元； 用于將從數(shù)據(jù)處理單元和瞬態(tài)分析單元中得到的各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)和各項(xiàng)具體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，進(jìn)行波形、頻譜和數(shù)據(jù)的顯示以及數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成本機(jī)所需的各種電壓的電源單元。
2.如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量分析儀，其特征在于，輸入調(diào)理單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含四個(gè)電壓通道、四個(gè)電流通道，主要由輸入電路、隔離電路、信號(hào)調(diào)理電路和抗混疊濾波器組成，其具體的功能結(jié)構(gòu)連接為 四個(gè)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(hào)和一路直流電壓信號(hào)，以差動(dòng)形式分別送入采取直接耦合的輸入電路； 輸入電路，與信號(hào)調(diào)理電路相連接，其作用是通過(guò)輸入電路內(nèi)部的程控衰減器根據(jù)測(cè)試需要將測(cè)試信號(hào)衰減為適合傳輸?shù)?0VP_P* ±5V電壓信號(hào)，并送入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理； 信號(hào)調(diào)理電路，與抗混疊濾波器相連接，其作用是通過(guò)內(nèi)部的調(diào)理放大器將差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，對(duì)前端電路的工作零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)加入積分電路，使電流傳感器中的微分過(guò)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(nèi)部的數(shù)字電路與儀器外部實(shí)現(xiàn)隔離，避免外部強(qiáng)電壓信號(hào)對(duì)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(shí)輸入保護(hù)的TVS管； 抗混疊濾波器，與測(cè)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(guò)程混疊效應(yīng)引起的失真，使提供測(cè)量單元使用的交流信號(hào)符合采樣定律，保證記錄的波形數(shù)據(jù)與實(shí)際故障情況相一致，滿足諧波分析的測(cè)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(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)預(yù)處理并提供給測(cè)量單元使用。
3.如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量分析儀，其特征在于，測(cè)量單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含同步信號(hào)提取電路、幅度識(shí)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(jié)構(gòu)連接為 同步信號(hào)提取電路，其作用是與幅度識(shí)別電路相結(jié)合實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的信號(hào)整形，然后分別經(jīng)基波相位提取送FPGA電路處理，經(jīng)交直流變換、幅度檢波后進(jìn)行幅度識(shí)別，以滿足同步采樣和超范圍測(cè)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(duì)三個(gè)交流電壓通道、三個(gè)交流電流通道所提供的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行同步的模擬幅值提取，以滿足測(cè)量的需要； 16bit高速A/D變換電路，其作用是通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)電路分別完成對(duì)六路保持電壓信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的精度測(cè)量； 16bit低速A/D變換電路，其作用是完成對(duì)直流電壓、直流電流以及直流畸變頻譜通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換； FPGA電路，其作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的測(cè)量、數(shù)據(jù)的采集控制、ADCl的數(shù)據(jù)讀取、保存及底層的信號(hào)預(yù)處理計(jì)算；主要由頻率測(cè)量模塊和FFT模塊兩部分組成；頻率測(cè)量模塊主要由周期計(jì)數(shù)器、瞬時(shí)頻率運(yùn)算、穩(wěn)態(tài)頻率和頻率調(diào)制運(yùn)算和頻率數(shù)據(jù)存放區(qū)等子模塊組成；FFT模塊主要由旋轉(zhuǎn)因子模塊、蝶形運(yùn)算模塊以及FFT運(yùn)算模塊構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量分析儀，其特征在于，瞬態(tài)分析單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含時(shí)鐘分頻器、采樣控制器、數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)換器、數(shù)值比較器、C51單片機(jī)、數(shù)據(jù)接口電路。
5.如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量分析儀，其特征在于，直流畸變頻譜單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生電路。
6.如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量分析儀，其特征在于，數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含DSP芯片、接口芯片及外部存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器包括一片F(xiàn)lash和一片SDRAM。
7.如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量分析儀，其特征在于，主控單元采用嵌入式PC104微機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含處理器、DDR內(nèi)存、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、固態(tài)盤(pán)、RS422/RS232串行接口、DSU調(diào)試口、看門狗、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口、鍵盤(pán)、IXD顯示器。
8.如權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量分析儀，其特征在于，電源單元包含整流濾波電路、電壓識(shí)別控制、開(kāi)關(guān)電源、電池控制和DC/DC變換電路。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種電能質(zhì)量分析儀，主要由傳感器單元、輸入調(diào)理單元、測(cè)量單元、瞬態(tài)分析單元、直流畸變頻譜單元、數(shù)據(jù)處理單元、主控單元和電源單元等八部分組成。本實(shí)用新型采取基于傅里葉變換進(jìn)行諧波測(cè)量的測(cè)量方法，在此基礎(chǔ)上采用跟蹤同步采樣的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，優(yōu)化提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性；本儀器將測(cè)試過(guò)程劃分為測(cè)量單元和瞬態(tài)分析單元，利用不同電路的不同優(yōu)勢(shì)提高儀器整體測(cè)試精度和測(cè)試效率，同時(shí)也減少了大量的不必要的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，從而也提高了儀器測(cè)試的穩(wěn)定性。此外，通過(guò)更換各種電能質(zhì)量分析儀軟件版本，可以滿足不同供電系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的檢測(cè)分析，滿足用戶對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的應(yīng)用要求。
文檔編號(hào)G01R31/00GK202870226SQ20122062465
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者劉建博, 李玉金, 楊增, 王國(guó)太 申請(qǐng)人:天津市新策電子設(shè)備科技有限公司