專利名稱：：一種電力用戶諧波監(jiān)測統(tǒng)計(jì)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)的諧波管理及統(tǒng)計(jì)裝置。技術(shù)背景近年來隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中接入了越來越多的大容量電力設(shè)備、整流換流設(shè)備以及其它非線性負(fù)荷，使電力供電系統(tǒng)中諧波電壓和諧波電流成分不斷增加，對電網(wǎng)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，電能質(zhì)量下降，并對電氣設(shè)備產(chǎn)生影響。諧波對電力系統(tǒng)的危害不僅表現(xiàn)在工程上，而且表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)上，使電力營運(yùn)企業(yè)成本大大增加，因此合理的電價(jià)和計(jì)費(fèi)制度的制定必須考慮諧波對電力的影響。對大諧波源用戶進(jìn)行諧波收費(fèi)，同時(shí)加強(qiáng)關(guān)于諧波對電力公司成本和收入影響的研究，制定諧波電價(jià)，從而迫使大諧波源用戶減少諧波的排放，以經(jīng)濟(jì)手段實(shí)現(xiàn)對電力諧波的治理是一項(xiàng)有效而必要的措施。由于目前在電力系統(tǒng)的用戶端還沒有能對諧波注入電流.畸變率及諧波污染量進(jìn)行長期監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)的裝置，這無疑給電力系統(tǒng)的諧波監(jiān)督與管理帶來困難，使目前對電力用戶的諧波管理僅限于根據(jù)用戶負(fù)荷性質(zhì)要求其安裝濾波裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對上述問題的存在，提供一種價(jià)格合理且可對諧波注入電流、畸變率及諧波污染量進(jìn)行長期監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)的電力用戶諧波監(jiān)測統(tǒng)計(jì)裝置。本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種電力用戶諧波監(jiān)測統(tǒng)計(jì)裝置，其特點(diǎn)是包括信號釆集調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號處理單元DSP、管理處理單元MCU、存儲(chǔ)單元、外部通訊單元、顯示單元、按鍵輸入單元，其中信號采集調(diào)理單元采集到的線電壓信號和相電流信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理得到對應(yīng)的數(shù)字信號，數(shù)字信號處理單元對所述的數(shù)字信號進(jìn)行各種計(jì)算處理并將需要存儲(chǔ)和顯示的數(shù)據(jù)利用串口通訊傳輸?shù)焦芾硖幚韱卧狹CU,管理處理單:小元利用nc總線將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)單元進(jìn)行永久存儲(chǔ)，并將所需顯示的數(shù)據(jù)送入顯示單元進(jìn)行顯示，并通過外部通訊單元實(shí)現(xiàn)RS485和調(diào)制解調(diào)器和串行打印機(jī)，GSM功能，通過按鍵輸入單元輸入相應(yīng)的功能指令。其中上述信號采集調(diào)理單元包括連接于三相電路中的至少二個(gè)電流互感器、至少十個(gè)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器、有源濾波器、鎖相環(huán)單元，其中通過精密電阻網(wǎng)絡(luò)分壓采集到的線電壓信號及電流互感器采集到的相電流信號經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，分別由運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離放大后，其一方面輸入到有濾波器進(jìn)行濾波處理得到對應(yīng)的電壓采樣信號和電流采樣信號，并將所述的電壓采樣信號和電流采樣信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的對應(yīng)輸入通道中，其另一方面輸入到鎖相環(huán)單元中進(jìn)行相位跟蹤處理得到采樣控制信號，并將采樣控制信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的控制輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元依據(jù)該控制輸入腳的采樣控制信號完成電壓數(shù)據(jù)采樣和電流數(shù)據(jù)采樣并將采樣的數(shù)據(jù)送到數(shù)掂總線上由數(shù)字信號處理單元DSP讀取對應(yīng)的數(shù)據(jù)和進(jìn)行各所所需的計(jì)》〖-。其中上述管理處理單元MCU采用內(nèi)置有鐵電存儲(chǔ)器的具有兩個(gè)SCT串行口的VRS51L3074,其通過SCI串行口一與數(shù)字'個(gè)信號處理單元DSP通訊，上述存儲(chǔ)單元采用內(nèi)置有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的RAMTR0N公司的FM31系列鐵電存儲(chǔ)器，其通過IIC總線與管理處理單元MCU進(jìn)行通訊；其通過SCI串行口二與外部通訊單元通訊，外部通訊單元通訊采用串口擴(kuò)展芯片GM8125，通過上述SCI總線二與管理處理單元MCU進(jìn)行通訊，其另一方面通過擴(kuò)展接口外接RS-485或調(diào)制解調(diào)器和串行打印接口或GSM接口等外部串行設(shè)備。本實(shí)用新型由于采用管理處理單元MCI)和數(shù)字信號處理單元DSP有機(jī)結(jié)合的結(jié)構(gòu)，利用16位A/D轉(zhuǎn)換器和DSP高速數(shù)據(jù)處理器對三相三線制系統(tǒng)中的兩相電流、兩線電壓進(jìn)行采樣。通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算，由DSP部分完成對電參量測量、諧波分析、正、反向諧波有功電度及正、反向畸變無功電度計(jì)算等工作。計(jì)算數(shù)據(jù)通過高速通信接口與管理MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；管理部分采用16位MCU,斗主要完成顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、通信、裝置功能選擇以及初始化數(shù)據(jù)設(shè)定等工作。從而將DSP的高速數(shù)字信號處理功能和MCU完善的管理功能有機(jī)地結(jié)合為一體，既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶的電流、電壓畸變率，又可以通過正、反向諧波有功電度與正、反向畸變無功電度來監(jiān)測用戶諧波污染排放量。從而成功地解決了長期以來困擾電力系統(tǒng)的用戶諧波監(jiān)測，管理的問題。以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)圖l為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)組成方框圖；圖2是本實(shí)用新型的電原理方框圖；圖3是本實(shí)用新型鎖相環(huán)單元的電原理方框圖；圖4是本實(shí)用新型的按鍵輸入單元的電原理方框圖；圖5是本實(shí)用新型的顯示單元的電原理方框圖；圖6是本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)傳輸部分的電原理方框圖；圖7是本實(shí)用新型的外部通訊單元的電原理方框圖；圖8是本實(shí)用新型的鐵電存儲(chǔ)器的電原理方框圖；圖9是本實(shí)用新型的數(shù)字信號處理單元的結(jié)構(gòu)組成方框圖。具體實(shí)施方式如圖1-圖8所示，本實(shí)用新型所述的一種電力用戶諧波監(jiān)測統(tǒng)計(jì)裝皇，其特點(diǎn)是包括信號采集調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號處理單元DSP、管理處理單元MCIJ、存儲(chǔ)單元、外部通訊單元、顯示單元、按鍵輸入單元，其中信號采集調(diào)理單元采集到的線電壓信號和相電流信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理得到對應(yīng)的數(shù)字信號，數(shù)字信號處理單元DSP對所述的數(shù)字信號進(jìn)行各種計(jì)算處理并將需要存儲(chǔ)和顯示的數(shù)據(jù)利用串口通訊傳輸?shù)焦芾硖幚韱卧狹CU，管理處理單元MCU利用IIC總線將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)單元進(jìn)行永久存儲(chǔ)，并將所需顯示的數(shù)據(jù)送入顯示單元進(jìn)行顯示，并通過外部通訊單元實(shí)現(xiàn)RS-48;1或調(diào)制解調(diào)器和串行打印接口或GSM接口等功能，通過按鍵輸入單元輸入相應(yīng)的功能指令。上述信號采集調(diào)理單元包括連接于三相電路中的至少二個(gè)電流互感器、至少十個(gè)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器、有源濾波器、鎖相環(huán)單元，其中所述精密電阻網(wǎng)絡(luò)采集到的線電壓信號及電流互感器采集到的相電流信號經(jīng)精密電阻分壓轉(zhuǎn)換為電壓信號由運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離放大后其一方面輸入到有濾波器進(jìn)行濾波處理得到對應(yīng)的電壓采樣信號和電流采樣信號，此時(shí)所述的有源濾波器采用美國MAXIM公司開發(fā)的8階連續(xù)時(shí)間有源濾波器芯片MAX274，該MA義f74將4個(gè)二階節(jié)合而為一，最高中心設(shè)計(jì)頻率可達(dá)150kHz。該濾波器不需要外置電容，每個(gè)單元二階工的中心頻率FO、Q值，放大倍數(shù)均可由其外接電阻R1-R4的設(shè)計(jì)來確定。使用MAX274后，可以濾波電流電壓信號的高頻信號(〉=32OOHz),其外接元件少、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、不受運(yùn)放頻響影響，對電路雜散電容也有更優(yōu)的抗干擾性。并將所述的電壓采樣信號和電流采樣信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的對應(yīng)輸入通道中，其另一方面輸入到鎖相環(huán)單元中進(jìn)行相位跟蹤處理得到采樣控制信號，此時(shí)所述的鎖相環(huán)單元包括方波轉(zhuǎn)換電路，鎖相環(huán)芯片CD4046^分頻芯片CD4040等環(huán)節(jié)。Uab經(jīng)過方波轉(zhuǎn)換電路，其作用是把正弦的電信號轉(zhuǎn)換為同頻率的，適合CD4046輸入的方波信號，CD4046和CD4040組成倍頻電路，輸出頻率為Uab頻率的N倍的PLL信號，利用此PLL信號做為AD轉(zhuǎn)換器MAX125的采樣控制信號，在MAX125采樣完成后，將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，DSP中斷服務(wù)程序中讀取這些數(shù)據(jù)，并在DSP內(nèi)部進(jìn)行各種所需的計(jì)算。而方波轉(zhuǎn)換電路其實(shí)質(zhì)是一個(gè)電壓比較器，輸入為正弦電壓信號，輸出同頻率的方波信號。此時(shí)鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PI丄。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等
技術(shù)領(lǐng)域：
。鎖相環(huán)主要由相位比較器(PC)、壓控振蕩器(vco)、低通濾波器三部分組成。CD4046鎖相環(huán)，能使用兩個(gè)電信號的相位保持同步的閉環(huán)系統(tǒng)叫鎖相環(huán)，12級二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(分頻器)CD4040:對壓控振蕩器的振蕩頻率進(jìn)行分頻。分頻后的信號頻率為力Z^，又作為CD4046的一路輸入信號，這樣形成一個(gè)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤頻率。每個(gè)周期固定等間隔采樣N點(diǎn)。力為輸入信號的頻率，N倍頻后為,每個(gè)周期等間隔采樣N點(diǎn)。由CD4046的、COUT輸出PLL信號給A/D轉(zhuǎn)換器的CONVST來啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換。并將采樣控制信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的控制輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元依據(jù)該控制輸入腳的采樣控制信號完成電壓數(shù)據(jù)采樣和電流數(shù)據(jù)采樣并將采樣的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上由數(shù)字信號處理單元DSP讀取對應(yīng)的數(shù)據(jù)和進(jìn)行各所所需的計(jì)算。橫數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用MAX125，該MAX125將多采樣保持器、模擬多路開關(guān)和高速的A/D轉(zhuǎn)換器集合在一起，自帶一個(gè)+2.5V的電壓基準(zhǔn)。可工作在A，B兩組各4個(gè)輸入通道循環(huán)采樣方式下，片內(nèi)時(shí)序控制器控制通道的切換。系統(tǒng)加電后，芯片的默認(rèn)工作模式是將CH1A端模擬輸入信號進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換，單一通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3us，轉(zhuǎn)換完成后結(jié)果儲(chǔ)存在芯片內(nèi)部的4xl4bitRAM中，外部電路接收到全部轉(zhuǎn)換完畢發(fā)出的中斷信號后，可以依次對MAX125的讀使能腳施加讀脈沖以讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)片選信號CS和寫信號WR同時(shí)有效時(shí)，可將控制位A3，A2，Al，A0寫入MAX125，以改變芯片的工作模式，該模式在不斷電情況下一直維持到下一次控制字的寫入。CONVST端的負(fù)脈沖啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于工作模式中的通道數(shù)。在轉(zhuǎn)換期間采樣/保持器處于保持狀態(tài)，另外的CONVST負(fù)脈沖也將被忽略。芯片工作模式的所有通道轉(zhuǎn)換結(jié)東后，INT端的輸出變成低電平，采樣/保持器重新處于采樣狀態(tài)，跟蹤模擬輸入的變化，以后可用CS和RD配合一次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，第一次有效讀信號RD到來后，INT信號變成高電平。因?yàn)镸AX125芯片內(nèi)部不是隨機(jī)存儲(chǔ)器，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取只能從CH1開始"依次讀取"，各通道數(shù)據(jù)讀取完成后，地址指針重新回到CH]。使用鎖相環(huán)CD4046產(chǎn)生的PLL信號做為采樣信號，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步采樣，為后續(xù)的分解各次諧波信號提供了良好的條件。使用AD轉(zhuǎn)換芯片MAX125可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高速四通道同時(shí)采樣。上述管理處理單元MC1)采用采用內(nèi)置有鐵電存儲(chǔ)器的具有兩個(gè)SCi串行口的VRS51L3074,其通過SCI串行口一與數(shù)字信號處理單元DSP通訊，上述存儲(chǔ)單元采用內(nèi)置有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的RAMTRON公司的l''M31系列鐵電存儲(chǔ)器，其通過IIC總線，管理處理單元MCU進(jìn)行通訊；其通過SCI串行口二與外部通訊單元通訊。外部通訊單元通訊采用串口擴(kuò)展芯片GM8125，通過上述SCI總線二與管理處理單元MCU進(jìn)行通訊，其另一方面通過擴(kuò)展接口外接RS-485或調(diào)制解調(diào)器和串行打印接口或GSM接口等外部串行設(shè)備。其中上述的按鍵輸入單元如閣4所示，當(dāng)所設(shè)置的功能或數(shù)字鍵按下時(shí)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能.鍵的信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。對于一組鍵或--個(gè)鍵盤，通用輸入/輸出(！/0)口101,102潛MCU相連。MCU可以采用查詢或中斷的方式了解有無鍵輸入并檢查是哪一個(gè)鍵按上，將該鍵號送入累加器A,然后通過散轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完又返回到原始狀態(tài)。按鍵的穩(wěn)定閉合時(shí)間，由操作人員的按鍵動(dòng)作所確定，一般為十分之幾幾秒。為了確保MCU--次閉合，僅作…次鍵輸入處理，必須消除抖動(dòng)的影響。消除抖動(dòng)影響的措施通?？赏ㄟ^硬件、軟件兩種方法實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用軟件消抖的方法。在第一次檢測到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)lms的子程序后，再確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則卻是有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。編制鍵盤程序，一個(gè)完善的鍵盤控制程序應(yīng)完成下述任務(wù)(1)監(jiān)測有無鍵按下。(2)有鍵按下后，在無硬件消抖電路的情況下，應(yīng)用軟件延時(shí)方法消除抖動(dòng)影響。(3)有可靠的邏輯處理方法，如鍵鎖定，即只處理一個(gè)^l建，其間任何按下又松開的鍵不產(chǎn)生影響，不管--次按鍵持續(xù)有多長時(shí)間，僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。在本裝置中，設(shè)置兩個(gè)按鍵Kcy一叩(向上翻頁)和l化y一do額(向下翻頁)。與MCU的101，102相連，MCU采用查詢I/O口的方法來確認(rèn)是否有按鍵被按下。若兩鍵中有一鍵被按下，則相應(yīng)的I/O口出現(xiàn)低電平，這時(shí)MCU檢測到低電平后，延遲--小段時(shí)間后重復(fù)檢測該I/O口，若依然檢測到為低電平，即人為的加入消除抖動(dòng)的影響，則確認(rèn)有按鍵被按下，執(zhí)行相關(guān)的按鍵程序。上述顯示單元采用LCD液晶，其如圖5所示，MCU通過8位數(shù)據(jù)總線DO-D8把要顯示的電量數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD,控制總線用來協(xié)調(diào)兩者的時(shí)序。LCD是一種被動(dòng)式顯示器，由于它的功耗極低、抗千擾能力強(qiáng)，故本設(shè)計(jì)中采用LCI)。本裝置中采用TinSharp公司的TC2004A液晶顯示模塊，利用DSP的對TC2004A各端口的控制，可以實(shí)現(xiàn)20字符*4行的顯示格式。在本設(shè)計(jì)中液晶屏的第一行顯示日期以及時(shí)間，第二、三、四行每行均顯示電量的代號、數(shù)據(jù)以及單位。液晶顯示器可以附加背光以更易閱讀(可選項(xiàng)),，數(shù)據(jù)傳輸部分如圖6所示，其主要是DSP把采集到的并且經(jīng)過計(jì)算的電量數(shù)據(jù)通過該通道傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。這些數(shù)據(jù)非常重要，一旦丟失將會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果。在本裝置的設(shè)計(jì)中從器件上和結(jié)構(gòu)上保證了該通道的可靠性。從器件上選擇鐵電FRAM存儲(chǔ)器。從結(jié)構(gòu)上選擇FRAM+鐵電EEP醒的存儲(chǔ)器方案。MCU(VRS51L3074)芯片中內(nèi)置了8K的FRAM，MCU通過SCI串行總線與DSP通訊，每隔--段時(shí)間就從DSP處獲得最新電量數(shù)據(jù)保存在FRAM中；同時(shí)EEPR0M通過1IC總線與MCU通訊，這樣數(shù)據(jù)就經(jīng)過MCU中轉(zhuǎn)被備份到了EKPR0M中。①SCI與I1C串行總線MCU(VRS51L3074)芯片包括兩個(gè)串行通信接口SCI模塊，一個(gè)用作DSP與MCU之間的數(shù)掂傳輸，另一個(gè)用于MCU發(fā)送數(shù)據(jù)到外部通訊模塊。SCI模塊支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式和異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個(gè)都有它自己單獨(dú)的使能和中斷標(biāo)志位。兩者都可以獨(dú)立工作，或者在全雙工的方式下同時(shí)工作。為了確保數(shù)據(jù)的完整性，SCI對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷檢測、奇偶性校驗(yàn)、超時(shí)和數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)的檢查。通過一個(gè)16位的波特率選擇寄存器，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤梢员痪幊虨?5535多種不同的方式。本文使用數(shù)據(jù)發(fā)送(或接收)特征如下一個(gè)起始位；8個(gè)數(shù)據(jù)位；.無奇/偶校驗(yàn)位；-1個(gè)停止位。IIC總線是一種硬件結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠的兩線總線，它對于提高系統(tǒng)的可靠性，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增加硬件構(gòu)成的靈活性，具有重要的意義。HCMJS(InterICBUS)是Philips推出的芯片間串行傳輸總線，與SPI、MICROWIRE/PLUS接口不同，它以兩根連線實(shí)現(xiàn)了宄善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以極方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。HC總線采用了器件地址的硬件設(shè)置方法，通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有最簡單而靈活的擴(kuò)展方法。按照"r總線規(guī)范，總線傳輸中的所有狀態(tài)都生成相對應(yīng)的狀態(tài)碼，系統(tǒng)中的主機(jī)能夠依照這些狀態(tài)碼自動(dòng)地進(jìn)行總線管理，用戶只要存程序中裝入這些標(biāo)準(zhǔn)處理模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)操作要求完成iic總線的初始化，啟動(dòng)總線就能自動(dòng)完成規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送操作。由于hc總線接口均為開漏或集電極輸出，故需加上拉電阻R，系統(tǒng)中所有的單片機(jī)、外圍器件都將SDA(數(shù)據(jù)線)、SCL(時(shí)鐘線)的同名端相連在一起，總線上的所有節(jié)點(diǎn)都由器件和引腳給定地址。nc總線的尋址約定。為了消kc總線系統(tǒng)中主控器與被控器的地址選擇線，最大限度地簡化總線連接線，iic總線采用了獨(dú)特的尋址約定，規(guī)定了起始信號后的第一個(gè)字節(jié)為尋址字節(jié)，用來尋址被控器件，并規(guī)定數(shù)據(jù)的傳送方向。JD鐵電在電力參數(shù)監(jiān)測中的應(yīng)用，電力參數(shù)監(jiān)測儀主要用于記錄電力用戶每個(gè)小時(shí)的用電量和整點(diǎn)時(shí)電流、電壓的瞬時(shí)值，這些數(shù)據(jù)需存于非易失性存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要的時(shí)候經(jīng)過市話線路被送至供電管理部門，進(jìn)行處理。管理者通過這些數(shù)據(jù)可以及時(shí)、準(zhǔn)確地了解轄區(qū)內(nèi)各電力用戶詳細(xì)的用電情況，以便作出更加合理的決策，使有限的電力資源發(fā)揮更大的作用，同時(shí)使用電管理手段上一新的臺階。通常情況下，停電是不可避免的，為了不破壞系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，必須使用非易失性存儲(chǔ)器，如果使用服PROM或閃速存儲(chǔ)器(l'lashMetnory)作為存儲(chǔ)介質(zhì)顯然是不合適的，因?yàn)樗鼈兊膶懖僮餍枰獢?shù)十毫秒，特別是在實(shí)時(shí)性要求較高的場合必須用電池支持的SRAM，它既有RAM的讀寫速度，又有ROM掉電數(shù)據(jù)不丟失的特性。另外使用電池支持的SRAM,還有--個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以在SRAM中放置一些密碼字，起到硬件加密的作用。但是電池支持的SRAM在實(shí)際使用過程中有數(shù)據(jù)不可靠，容易丟失。另外電池容易受到環(huán)境閎數(shù)的影響，例如濕度，振動(dòng)。R緒TRON公司研制的鐵電存儲(chǔ)器成功批量生產(chǎn)解決了電池問題。它有以下特點(diǎn)1.非易失性掉電后數(shù)據(jù)能保存10年，所有產(chǎn)品都是工業(yè)級。2.擦寫次數(shù)多5V供電的FRAM的擦寫次數(shù)10的10次方次，低電壓的FRAM的擦寫次數(shù)為無限次。3.速度快串口總線的FRAM的CLK的頻率高達(dá)';,0M,并且沒有10fliS的寫等待周期，并口的訪問速度70nS。4.功耗低靜態(tài)電流小于10uA,讀寫電流小于150uA。5.5V供電的FRAM在讀寫次數(shù)超過IOO億次后還能和RAM—樣工作，只是數(shù)據(jù)不能保存。所述的！'，M31系列鐵電存儲(chǔ)器的原理如罔8所示，該系列產(chǎn)品是一族包含基于處理器系統(tǒng)的通用功能需求的集成器件，主要功能包含各種容量大小的鐵電非易性存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓復(fù)位、看門狗記數(shù)器、非易失的亊件記數(shù)器、可鎖定的串行數(shù)字標(biāo)識，和--個(gè)通用的比較器，用于電源失效中斷輸出或其它用途，所有器件的操作電壓范圍為2.7V-5.5V.。隨系列器件包含4Kb、16Kb、64Kb、256Kb內(nèi)部EEPR0M，快速的寫速度及無限制讀寫次數(shù)，使得此存儲(chǔ)器可以像一個(gè)外部RAM或傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器那樣使用，相對于電池后備方式，它是真正的非易失性存儲(chǔ)器。實(shí)時(shí)時(shí)鐘以BCD碼的形式提供時(shí)間及曰期信息，它可以永久地由后備電源供電，后備電源可以是電容，也可以是電池。時(shí)鐘使用32.768K晶振并可以通過軟件校準(zhǔn)以此提時(shí)鐘的精確度。內(nèi)部通用比較器將一個(gè)外部引腳輸入電壓與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，這可用于產(chǎn)生電源失效中斷。它還提供了一個(gè)以電池后備的事件記數(shù)器、用于記錄特定輸入引腳的上升或下降沿的次數(shù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘給電量計(jì)量提供時(shí)間基準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)是以絕對時(shí)間為準(zhǔn)，而非相對時(shí)間。在出廠時(shí)校準(zhǔn)后不允許斷電，否則時(shí)間會(huì)產(chǎn)生偏差。電壓正常時(shí)由電源給實(shí)時(shí)時(shí)鐘供應(yīng)電能，掉電后由電池供應(yīng)電能，在電池失效需要更換時(shí)，超級電容存儲(chǔ)的電荷足以支持替換電池時(shí)短暫的電能缺乏時(shí)間。同時(shí)，當(dāng)電力系統(tǒng)故障，PT檢修等都會(huì)導(dǎo)致電壓突然中斷。在電壓突然中斷時(shí)，裝置失去了電源供給，為避免丟失重要的電能參數(shù)，如何快速地保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)是非常重要的。l''M3i256是款自帶電壓監(jiān)測功能的芯片，它的輸入端接到開關(guān)電源輸出濾波電容之前，以便第一時(shí)間檢測到電壓跌落；當(dāng)電壓跌落發(fā)生的瞬間，F(xiàn)M31256的PF0端輸出一個(gè)跳變信號,該信號直接引發(fā)MCU的括將最近一次電能數(shù)據(jù)立即存儲(chǔ)進(jìn)B01256內(nèi)的EEPR0M，保存電壓跌落的當(dāng)前時(shí)間當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)，MCU復(fù)位，讀取保存在1'1UM中的電量數(shù)據(jù)，同時(shí)把存儲(chǔ)在EEPR0M內(nèi)的電量與FMM中的數(shù)據(jù)核對，如果誤差小于設(shè)定值，就通過數(shù)據(jù)傳輸通道發(fā)給DSP繼續(xù)電量計(jì)算，同時(shí)把最后一次掉電時(shí)間發(fā)送到液晶顯示器上。所述的外部通訊單元如圖7所示，MCU的串口1(SCI1)外接串口擴(kuò)展芯片GM8125組成外部通訊模塊，通過串口輸出電量數(shù)據(jù)給外部通訊模塊，最多可以外接4個(gè)外部串行設(shè)備(XSCIn),諸如RS485,調(diào)制解調(diào)器，串行打印機(jī)接口，GSM接口等。RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。RS-485的電氣特性邏輯'T，以兩線間的電壓差為+(2--6)V表示；邏輯"0"以兩線間的電壓差為-(2—6)V表示。接口信號電平比RS-'232--C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS-485具有以下特征①RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps②RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲f擾性好,，③RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3!)0()來，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接l個(gè)收發(fā)器，即單站能力u而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)28個(gè)收發(fā)器即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。時(shí)此，本實(shí)用新型所述的數(shù)字信號處理單元DSP的結(jié)構(gòu)組成如圖9所示，其主要包括采樣模塊、傅立葉變換模塊、計(jì)努.模塊、傳輸模塊、數(shù)字信號處理單元DSP通過對AD的采樣控制，將采集到的數(shù)字信號進(jìn)行快速傅立葉變換(即FFT),得到電流電壓的各次諧波分量，然后進(jìn)行各項(xiàng)電量統(tǒng)計(jì)計(jì)算，將計(jì)算完成的數(shù)據(jù)通過傳輸模塊送至MCU做進(jìn)一步的處理。其中DSP部分是通過傅立葉變換模塊的計(jì)算模塊來實(shí)成對電參量測量、諧波分析、正、反向畸變無功電度的計(jì)算等工作，使用傅立葉變換1'TT模塊可以進(jìn)行諧波分析運(yùn)算，可以快速準(zhǔn)確從離散信號中求出各次諧波il號的幅值以及相位。設(shè)電網(wǎng)電壓和電流含有L次諧波，且都是周期函數(shù)，則可用傅立葉基數(shù)表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>分別為電壓和電流在f時(shí)刻的采樣點(diǎn)。且存在<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>、4,分別為第*次電壓諧波和第A次電流諧波的幅值。由此可見只要將AA,q,《解出，就可以得到k次諧波的幅值和相位。在實(shí)際計(jì)算中，對連續(xù)信號w(0，/(/)所測量的A'點(diǎn)的電壓時(shí)域系列{"(")}和電流時(shí)域系列Ww"，構(gòu)造的--個(gè)復(fù)數(shù)系列為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>復(fù)數(shù)系列W^的離散傅立葉變換(DI'T)為頻域系列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>可得到電壓、電流系列及其頻譜為FFT速度直接影響著系統(tǒng)的速度。這里采用是基二時(shí)間抽取(DIT)FFT算法。由于系統(tǒng)的采樣值是電壓和電流，都為實(shí)函數(shù)，為提高運(yùn)算速度，根據(jù)FFT的奇、偶、虛、實(shí)對稱特性，把兩個(gè)通道的采樣值組成一個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，從而同時(shí)得到兩個(gè)通道的各次諧波值。這樣不僅內(nèi)存空間節(jié)省了一半，而且速度又可提高近1倍。并且對三角函數(shù)進(jìn)行了預(yù)先計(jì)算，求出了正弦函數(shù)在一個(gè)周波內(nèi)N個(gè)采樣點(diǎn)的值，并存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組內(nèi)，而余弦函數(shù)的值可由滯后四分之一周期的正弦函數(shù)值得到。這樣避免了每次對正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的繁瑣計(jì)算，提高了速度。對DSP的開發(fā)可以利用匯編語言或C語言。在對1'I'T算法進(jìn)行開發(fā)時(shí)，也可以用C語言進(jìn)行開發(fā)。但是FPT的運(yùn)買量較大，特別是當(dāng)點(diǎn)數(shù)N較大時(shí)；并且用C語言開發(fā)不能直接利用DSP控制器特有的反序間接尋址等優(yōu)越的,特性，F(xiàn)FT運(yùn)算的實(shí)時(shí)性就不理想。綜合考慮各方面的原閣，W'T應(yīng)采用匯編語言開發(fā)。而I)SP的主程序則使用C語言進(jìn)行開發(fā)。因此，本設(shè)計(jì)采用的FFT算法程序，其運(yùn)算主體是用匯編語言編寫的，但是各子程序的入口和出口都考慮了與C語言的兼容性，使這個(gè)子程序能夠直接被C語言調(diào)用。在含非線性負(fù)載的電力系統(tǒng)中，非線性負(fù)載在吸收基波有功功率同時(shí)轉(zhuǎn)化和反饋諧波功率，在此基礎(chǔ)上，多個(gè)非線性負(fù)載之間存在著復(fù)雜的諧波有功功率相互傳遞關(guān)系。任意--個(gè)非線性負(fù)載既有可能在某次諧波頻率上發(fā)出該次諧波有功功率，功率數(shù)值為負(fù)，也有可能從供電系統(tǒng)的背景諧波(其他的非線性負(fù)載發(fā)出)中吸收該次有功功率，功率數(shù)值為正；而在另一個(gè)諧波頻率上，這個(gè)非線性負(fù)載//、.的諧波有功功率消耗情況同樣是既可以為正也可以為負(fù)?；蛘哒f，任意一個(gè)非線性負(fù)載〃、.在第/z,次發(fā)出有功功率的l司時(shí)在第次既可以吸收也可以發(fā)出有功功率。因此在考察用戶諧波有功污染f時(shí)必須對其電壓、電流進(jìn)行付氏級數(shù)分解，計(jì)算各次諧波功率，從而得到同--時(shí)刻的正向和反向諧波有功功率，進(jìn)而確定用戶消耗的諧波有功功率和發(fā)出的諧波有功功率。亊實(shí)上由于不同次諧波功率是不能相互抵消的，因此區(qū)分正向與反向諧波功率是必須的。在三相三線制系統(tǒng)中，第A次諧波有功功率可表示為其中7'為信號的周期，心'為第A次諧波AB線電壓值，《'為第A次諧波BC線電壓值，,:;"為第W欠諧波A相電流值，/:"為第yt次諧波C相電流值。長期以來對含電力非線性負(fù)載系統(tǒng)的諧波附加無功功率缺少正確的計(jì)算方法。實(shí)際上目前還沒有任何儀表能正確反映三相非正弦不對稱系統(tǒng)的無功功率，當(dāng)然更無法正確確定畸變無功功率。自上世紀(jì)80年代以來，關(guān)于三相非正弦不對稱系統(tǒng)的無功問題引起了廣泛的關(guān)注，日本學(xué)者Akagi瞬時(shí)無功理論得到了廣泛的承認(rèn)。在不考慮三終制系統(tǒng)零序電壓的情形下，三相三線制系統(tǒng)的Akagi瞬時(shí)無功可表示為這里，f/iu+、八,+、化+、^分別表示第a次諧波正序電壓、電流的有效值^其相應(yīng)的相角；、a、％,_分別表示第"欠諧波負(fù)序電壓、電流的有效值及其相應(yīng)的相角。上式中的第--項(xiàng)表示表示正序系統(tǒng)相間交換的功率，第二項(xiàng)表示負(fù)序系統(tǒng)相間交換的功率，由于負(fù)序系統(tǒng)與正序系統(tǒng)相間交換功率的相序相反，因此上式中的第二項(xiàng)前有負(fù)號。應(yīng)當(dāng)指出，在三相三線制系統(tǒng)中零序電壓是不定的，因此用戶不需對零序電壓引起的不對稱負(fù)責(zé)(事實(shí)上，系統(tǒng)不對稱度的定義中也僅考慮負(fù)序分量而不考慮零序分量)。類似前述有功功率的分析，由于不同次諧波不能相互抵消，因此需計(jì)算每次諧波的無功功率，從而得到正向畸變無功功率和反向畸變無功功率。第k次諧波無功功率由下式計(jì)算其中^為信號的周期，"'為第^次諧波AB線電壓值，"i:)為第A次諧波BC線電壓值，/:,"為第A次諧波A相電流值，,:"'為第"欠諧波c相電流值。將兩個(gè)線電壓、兩個(gè)相電流的數(shù)據(jù)送入DSP后，DSP對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)類似有功功率的定義方法，無功功率:算，得出各次電壓電流的諧波幅值、相位可代入以下計(jì)算中具體計(jì)算過程如下<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>表1諧波有功功率的計(jì)算流程其中，^為A、B兩相之間的線電壓，i為B、C兩相之間的線電壓，,"為A相的相電流，為C相的相電流，i表示第幾個(gè)周期，k代表諧波的次數(shù)(k的初值為1)。w磁為A、B兩相之間的第k次諧波線電壓l:il,"^為B、C兩相之間的第k次諧波線電壓值，L為A相的第k次諧波電流值、為C相的第k次諧波電流值。附/卿代表峰期正向諧波有功電度，附/，代表峰期反向諧波有功電度，ff/Z,代表谷期正向諧波有功電度，OT/,代表谷期反向諧波有功電度，環(huán)W^代表正向諧波有功電度，代表反向諧波有功電度。讀入第/個(gè)周期的<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>表2諧波無功功率的計(jì)算流程其中，^為A、B兩相之間的線電壓，^為B、C兩相之間的線電壓，,'u為A相的相電流，^為C相的相電流，i表示第幾個(gè)周期，k代表諧波的次數(shù)(k的初值為i)。ra柳代表反向諧波無功電度，ra州代表正向諧波無功電度，k^,代表正向無功電度，ra,.代表反向無功電度。^為A、B兩相之間的第k次諧波線電壓值，為B、C兩相之間的第k次諧波線電壓值，。為A相的第k次諧波電流值，,:,為C相的第k次諧波電流值。權(quán)利要求1、一種電力用戶諧波監(jiān)測統(tǒng)計(jì)裝置，其特征在于包括信號采集調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號處理單元DSP、管理處理單元MCU、存儲(chǔ)單元、外部通訊單元、顯示單元、按鍵輸入單元，其中信號采集調(diào)理單元采集到的線電壓信號和相電流信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理得到對應(yīng)的數(shù)字信號，數(shù)字信號處理單元對所述的數(shù)字信號進(jìn)行各種計(jì)算處理并將需要存儲(chǔ)和顯示的數(shù)據(jù)利用串口通訊傳輸?shù)焦芾硖幚韱卧狹CU，管理處理單元利用IIC總線將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)單元進(jìn)行永久存儲(chǔ)，并將所需顯示的數(shù)據(jù)送入顯示單元進(jìn)行顯示，并通過外部通訊單元實(shí)現(xiàn)RS485和調(diào)制解調(diào)器和串行打印機(jī)，GSM功能，通過按鍵輸入單元輸入相應(yīng)的功能指令。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力用戶諧波監(jiān)測統(tǒng)計(jì)裝置，其特征在于上述信號采集調(diào)理單元包括連接于三相電路中的至少二個(gè)電流互感器、至少十個(gè)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器、有源濾波器、鎖相環(huán)單元，其中通過精密電阻網(wǎng)絡(luò)分壓采集到的線電壓信號及電流互感器采集到的相電流佶號經(jīng)過精密電阻藉換為電壓信號，分別由運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離放大后，其一方面輸入到有濾波器進(jìn)行濾波處理得到對應(yīng)的電壓采樣信號和電流采樣信號，并將所述的電壓采樣信號和電流采樣信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的對應(yīng)輸入通道屮，其另一方面輸入到鎖相環(huán)單元中進(jìn)行相位跟蹤處理得到采樣控制信號，并將采樣控制信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的控制輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元依據(jù)該控制輸入腳的采樣控制信號完成電壓數(shù)據(jù)采樣和電流數(shù)據(jù)采樣并將采樣的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上由數(shù)字信號處理單元DSP讀取對應(yīng)的數(shù)據(jù)和進(jìn)行各所所需的計(jì)算。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力用戶諧波監(jiān)測統(tǒng)計(jì)裝置，其特征在于上述管理處理單元MCU采用內(nèi)置有鐵電存儲(chǔ)器的具-有兩個(gè)SCI串行口的VRS51L3074,其通過SCI串行口--與數(shù)字信號處理單元DSP通訊，上述存儲(chǔ)單元采用內(nèi)置有實(shí)時(shí)時(shí)鐘4莫塊的RAMTR0N/^司的FMM系列4失電存4諸器，其通過IIC總線與管理處理單元MCU進(jìn)行通訊；其通過SCI串行口二與外部通訊單元通訊，外部通訊單元通訊采用串口擴(kuò)展芯片GM8125,通過上述SCI總線二與管理處理單元MCU進(jìn)行通訊，其另一方面通過擴(kuò)展接口外接RS485或調(diào)制解調(diào)器和串行打印接口或GSM接口等外部串行設(shè)備。專利摘要一種電力用戶諧波監(jiān)測統(tǒng)計(jì)裝置，包括信號采集調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號處理單元、管理處理單元、存儲(chǔ)單元、外部通訊單元、顯示單元、按鍵輸入單元，其中信號采集調(diào)理單元采集到的信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理得到對應(yīng)的數(shù)字信號，數(shù)字信號處理單元對數(shù)字信號進(jìn)行各種計(jì)算處理并將需要存儲(chǔ)和顯示的數(shù)據(jù)利用串口通訊傳輸?shù)焦芾硖幚韱卧狹CU，管理處理單元利用IIC總線將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)單元進(jìn)行永久存儲(chǔ)并進(jìn)行顯示。本實(shí)用新型由于采用管理處理單元和數(shù)字信號處理單元有機(jī)結(jié)合的結(jié)構(gòu)，將DSP的高速數(shù)字信號處理功能和MCU完善的管理功能有機(jī)地結(jié)合為一體，成功地解決了長期以來困擾電力系統(tǒng)的用戶諧波監(jiān)測、管理的問題。文檔編號G01R23/16GK201035098SQ20072005115公開日2008年3月12日申請日期2007年4月30日優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日發(fā)明者劉永強(qiáng),林偉斌,趙富強(qiáng)申請人:劉永強(qiáng)