專利名稱：高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀及其工作方法
高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀及其工作方法技術領域
本發(fā)明屬電網(wǎng)測量技術領域，具體而言是一種集中GPS精確授時、高頻率采樣、高精度測量、三模式匯總發(fā)送的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀及其工作方法。
背景技術：
目前，伴隨智能電網(wǎng)規(guī)劃和相關標準的相繼推出及一些試點項目的陸續(xù)完成，中國智能電網(wǎng)市場將迎來井噴式發(fā)展，國家電網(wǎng)正在大規(guī)模的進行新一輪的農(nóng)網(wǎng)升級改造， 其中的一個重要環(huán)節(jié)就是測量儀表的更新。并且整個電網(wǎng)行業(yè)正在積極推進階梯電價和分時電價的施行，測量型同步功率儀表在今后將進入一個發(fā)展創(chuàng)新提高的全新階段。
目前市場上已有的功率測量裝置有以下特點
(1)大多為即時功率顯示，用來檢驗用電設備的功率大小，所測數(shù)據(jù)不能網(wǎng)絡傳輸，不便于系統(tǒng)利用；
(2)個別的功率測量裝置可以實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端顯示，但是因為沒有精確的同步授時模塊，不能實現(xiàn)多地測量的數(shù)據(jù)同步，無法將不同地點的儀表所測數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)整合到一起，進而無法分析功率負荷特征。
(3)常規(guī)功率測量裝置均是針對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況進行設計，也即只考慮電壓、頻率偏離額定值不大，且變化緩慢的情況下，此時對數(shù)據(jù)采樣要求較低。而在電壓、頻率快速變化時，則不能精確的獲知功率特性頻率的快速變化對測頻方法要求較高，達到PMU的要求水平；對采樣頻率要求較高，要在IkHz之上。因此常規(guī)功率測量裝置大都為穩(wěn)態(tài)功率記錄儀。
(4)電力系統(tǒng)調(diào)度中心用來監(jiān)視負荷的EMS以及電計量管理系統(tǒng)中應用的電能表 (非功率表)，主要實現(xiàn)電廠上網(wǎng)、下網(wǎng)和夸省、區(qū)電能量交易關口、過網(wǎng)電能量關口、直供用戶關口等聯(lián)絡線關口點電能量的計量，分時段存儲、采集和處理，數(shù)據(jù)的傳輸具有即時而非實時性。也就是說，由于這種系統(tǒng)的安裝復雜、成本較高、主要設置在電網(wǎng)少數(shù)關鍵節(jié)點等特點的局限性，只能將較大區(qū)域內(nèi)的負荷功率分布顯示在電力中心調(diào)度部門，無法將低壓用戶側社區(qū)乃至家庭用電的功率分布特性集中有效的匯總，以便更為高效的管理低壓側用電分布，更無法做到將某一類用電設備在不同環(huán)境地點中的功率特性實時同步的匯總到接收終端。
而且目前電網(wǎng)已用的數(shù)據(jù)傳輸包括專線信道和電話網(wǎng)，乃至正在快速發(fā)展的公用 /企業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，沒有融入現(xiàn)在先進的3G (第三代無線通信技術)無線通信技術。
目前國內(nèi)還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)精確同步授時、數(shù)據(jù)采集后采用三模式傳輸聯(lián)網(wǎng)匯總的低壓側家庭式功率記錄跟蹤儀。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供了一種結構簡單、成本低，安裝靈活不局限于各計量關口，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)同步精確授時、高精度測量、并且三模式發(fā)送的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀及其工作方法，它可以實現(xiàn)負荷功率特性的高精度實時同步檢測，特別是適合于在電壓、頻率變化比較大的暫態(tài)過程高精度記錄低壓負荷特性，可以掌握負荷電壓-功率特性、頻率-功率特性，以及功率時變特性，可全面掌握低壓負荷曲線特性， 對智能電網(wǎng)發(fā)展具有重要意義。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案
一種高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀，它包括
微處理器單元，微處理器單元通過信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元從低壓側電網(wǎng)采集電網(wǎng)模擬信號，并計算分析出電網(wǎng)低壓側相量信號的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)，利用雙模式授時單元采集GPS或北斗導航信號得到時間信息，與計算出的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)整合，得到時序的電網(wǎng)向量，并通過三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器終端；微處理器單元還通過電源單元從低壓側電網(wǎng)獲得電源電壓，并且與液晶顯示單元和控制單元相連。
所述微處理器單元為基于ARM的中央計算模塊。
所述信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元包括負載電流互感器模塊和電網(wǎng)電壓互感器模塊，它們分別與各自的濾波模塊連接，濾波模塊為RC濾波電路，將諧波濾去，轉(zhuǎn)換成采樣的信號，兩濾波模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換處理計算模塊連接。
所述模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元為芯片CSM60A，其驅(qū)動電壓+5V，采樣頻率設為2KHZ，即每0. 5ms對模擬信號進行一次采樣，進行一次AD轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號輸出形式為M位的二進制補碼，轉(zhuǎn)換完成時向微處理器單元發(fā)出中斷請求，微處理器單元響應中斷讀出AD轉(zhuǎn)換的電壓瞬時值數(shù)據(jù)；它與微處理器單元間采用標準SPI通信方式進行通信，通信占用四個通信線。
所述控制單元為鍵盤。
雙模式授時單元有兩套授時系統(tǒng)GPS系統(tǒng)和北斗導航系統(tǒng)，普通狀態(tài)下選擇GPS 系統(tǒng)對裝置進行授時，并自動檢測GPS信號質(zhì)量，當其信號不可用時自動切換到北斗導航系統(tǒng)；
雙模式授時單元發(fā)送頻率為1Hz，即數(shù)據(jù)每一秒中接收一次衛(wèi)星信息，更新上傳數(shù)據(jù)一次，比特率設置為38400bps，發(fā)送數(shù)據(jù)包括，格林時間信息，地理信息。
所述三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元包括三部分組成GPRS或3G或CDMA無線通信模塊，串行通信模塊，Internet有線通信模塊；其中，
GPRS或3G或CDMA無線通信模塊為裝有開通相關業(yè)務的SIM手機卡，通過USB接口與微處理器單元通信，接收指令，在系統(tǒng)初始化設置后與服務器終端建立連接，與服務器終端進行通信；
Internet有線通信模塊為嵌入式以太網(wǎng)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，10/100M自適應以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，連接hternet網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)傳輸；
微處理器單元控制三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元連接服務器終端后，向三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元發(fā)送固定格式的電網(wǎng)相量數(shù)據(jù)，三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元通過無線或有線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器終端固定端口號，服務器終端監(jiān)聽端口號，對數(shù)據(jù)進行接收、分析，完成數(shù)據(jù)采集。
一種高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀的工作方法它的工作步驟為
(1)系統(tǒng)開始初始化；
(2)進行數(shù)據(jù)無線通信傳輸時，執(zhí)行步驟(3)；若采用串行通信或hternet有線傳輸時，執(zhí)行步驟(6)；
(3)檢測無線通信單元的網(wǎng)絡質(zhì)量；
(4)判斷是否找到無線通信網(wǎng)絡；未找到則返回步驟(3)，如找到則轉(zhuǎn)入下一步；
(5) 3G、CDMA或GPRS無線通信模塊成功連接服務器終端；
(6)串行通信或hternet有線模塊成功連接服務器終端；
(7)雙模式授時單元接收GPS信息，若可用直接上傳；若不可用，則接收北斗導航信息，若可用上傳；
(8)微處理器單元接收時間信息，對時間信號進行處理得到北京時間；
(9)開始信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換，在微處理器單元的控制下，模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元芯片 CS5460A采集負荷電壓、電流信號，經(jīng)過分析計算得到同步電壓相量和電流相量，再進而計算出頻率、有功功率和無功功率，分別儲存在不同的寄存器中；
(10)向三模式數(shù)據(jù)通信單元發(fā)送相量信息，三模式數(shù)據(jù)通信單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器終端；
(11)檢測時間信號是否可用，不可用轉(zhuǎn)入步驟(7)，可用轉(zhuǎn)入步驟(9)；
(12)顯示時間、功率及其他電量信息；轉(zhuǎn)入步驟(7)。
所述步驟(9)中，頻率、電壓、電流相量的計算過程為
模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元開始模數(shù)轉(zhuǎn)換后，采樣頻率為觀，將采樣數(shù)據(jù)順序放在長度為 100的緩沖區(qū)；每0. 5ms模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷一次，每次中斷將采樣值放到緩沖區(qū)，并判斷相鄰兩次采樣之間是否存在過零點，如果過零則計算過零時間，并將過零時間保存；
過零點判斷和過零時刻計算方法如下
固定采樣間隔，采樣頻率為2KHz ；對相鄰的兩個采樣值(V1, Vlri)、(tk，Vk)，判斷兩個電壓值符號是否相同如果符號相同則不進行計算；如果符號不同，則認為(tk+Vn)、 (tk，Vk)兩點之間的曲線近似為直線，計算通過兩點的直線與橫軸的交點對應的時間，也即過零點的時間，計算公式為
權利要求
1.一種高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀，其特征是，它包括微處理器單元，微處理器單元通過信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元從低壓側電網(wǎng)采集電網(wǎng)模擬信號，并計算分析出電網(wǎng)低壓側相量信號的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、 功率因數(shù)，利用雙模式授時單元采集GPS或北斗導航信號得到時間信息，與計算出的電壓、 電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)整合，得到時序的電網(wǎng)向量，并通過三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器終端；微處理器單元還通過電源單元從低壓側電網(wǎng)獲得電源電壓，并且與液晶顯示單元和控制單元相連。
2.如權利要求1所述的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀，其特征是，所述微處理器單元為基于ARM的中央計算模塊。
3.如權利要求1所述的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀，其特征是，所述信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元包括負載電流互感器模塊和電網(wǎng)電壓互感器模塊，它們分別與各自的濾波模塊連接，濾波模塊為RC濾波電路，將諧波濾去，轉(zhuǎn)換成采樣的信號，兩濾波模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換處理計算模塊連接。
4.如權利要求3所述的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀，其特征是，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元為芯片CSM60A，其驅(qū)動電壓+5V，采樣頻率設為I HZ,即每0. 5ms對模擬信號進行一次采樣，進行一次AD轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號輸出形式為M位的二進制補碼，轉(zhuǎn)換完成時向微處理器單元發(fā)出中斷請求，微處理器單元響應中斷讀出AD轉(zhuǎn)換的電壓瞬時值數(shù)據(jù)；它與微處理器單元間采用標準SPI通信方式進行通信，通信占用四個通信線。
5.如權利要求1所述的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀，其特征是，所述控制單元為鍵盤。
6.如權利要求1所述的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀，其特征是，雙模式授時單元有兩套授時系統(tǒng)GPS系統(tǒng)和北斗導航系統(tǒng)，普通狀態(tài)下選擇GPS系統(tǒng)對裝置進行授時，并自動檢測GPS信號質(zhì)量，當其信號不可用時自動切換到北斗導航系統(tǒng)；雙模式授時單元發(fā)送頻率為1Hz，即數(shù)據(jù)每一秒中接收一次衛(wèi)星信息，更新上傳數(shù)據(jù)一次，比特率設置為38400bps，發(fā)送數(shù)據(jù)包括，格林時間信息，地理信息。
7.如權利要求1所述的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀，其特征是，所述三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元包括三部分組成GPRS或3G或CDMA無線通信模塊，串行通信模塊， Internet有線通信模塊；其中，GPRS或3G或CDMA無線通信模塊為裝有開通相關業(yè)務的SIM手機卡，通過USB接口與微處理器單元通信，接收指令，在系統(tǒng)初始化設置后與服務器終端建立連接，與服務器終端進行通信；Internet有線通信模塊為嵌入式以太網(wǎng)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，10/100M自適應以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，連接hternet網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)傳輸；微處理器單元控制三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元連接服務器終端后，向三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元發(fā)送固定格式的電網(wǎng)相量數(shù)據(jù)，三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元通過無線或有線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器終端固定端口號，服務器終端監(jiān)聽端口號，對數(shù)據(jù)進行接收、分析，完成數(shù)據(jù)采集。
8.—種權利要求1所述的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀的工作方法，其特征是，它的工作步驟為(1)系統(tǒng)開始初始化；(2)進行數(shù)據(jù)無線通信傳輸時，執(zhí)行步驟(3)；若采用串行通信或hternet有線傳輸時，執(zhí)行步驟(6)；(3)檢測無線通信單元的網(wǎng)絡質(zhì)量；(4)判斷是否找到無線通信網(wǎng)絡；未找到則返回步驟(3)，如找到則轉(zhuǎn)入下一步；(5)3G、CDMA或GPRS無線通信模塊成功連接服務器終端；(6)串行通信或hternet有線模塊成功連接服務器終端；(7)雙模式授時單元接收GPS信息，若可用直接上傳；若不可用，則接收北斗導航信息， 若可用上傳；(8)微處理器單元接收時間信息，對時間信號進行處理得到北京時間；(9)開始信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換，在微處理器單元的控制下，模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元芯片 CS5460A采集負荷電壓、電流信號，經(jīng)過分析計算得到同步電壓相量和電流相量，再進而計算出頻率、有功功率和無功功率，分別儲存在不同的寄存器中；(10)向三模式數(shù)據(jù)通信單元發(fā)送相量信息，三模式數(shù)據(jù)通信單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器終端；(11)檢測時間信號是否可用，不可用轉(zhuǎn)入步驟(7)，可用轉(zhuǎn)入步驟(9)；
9.如權利要求8所述的工作方法，其特征是，所述步驟(9)中，頻率、電壓、電流相量的計算過程為模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元開始模數(shù)轉(zhuǎn)換后，采樣頻率為2K，將采樣數(shù)據(jù)順序放在長度為100 的緩沖區(qū)；每0. 5ms模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷一次，每次中斷將采樣值放到緩沖區(qū)，并判斷相鄰兩次采樣之間是否存在過零點，如果過零則計算過零時間，并將過零時間保存；過零點判斷和過零時刻計算方法如下固定采樣間隔，采樣頻率為2KHz ；對相鄰的兩個采樣值(V1, Vk_i)、(tk，Vk)，判斷兩個電壓值符號是否相同如果符號相同則不進行計算；如果符號不同，則認為(tk+U、(tk， Vk)兩點之間的曲線近似為直線，計算通過兩點的直線與橫軸的交點對應的時間，也即過零點的時間，計算公式為t = tk-Vk H(1)Vk_x-Vkk 采樣點序列標記；tk 采樣點時間；Vk 采樣點幅值；t 過零點時間；以上述方法進行采樣、過零判斷；采樣滿100次時，假設共有η次過零，則頻率為(2)2(d)式中、和tn分別是第1次和第η次過零采樣對應的時間，f0為過零方法計算的頻率；以最小二乘法，對前述100個采樣點進行擬合，擬合成為正弦曲線，如式(3)所示；根據(jù)fo調(diào)整采樣頻率，重新進行采樣，得到采樣點序列！Xk，k = 0，-,99}；前20個點根據(jù)式 ⑷、(5)計算得到第1個電壓、電流相量Χ{ ) = 42Χ η{ω + φ)(3)x(t):電壓、電流的連續(xù)時域信號；X 電壓、電流有效值；ω 角速度；Φ 相角；
全文摘要
本發(fā)明公開了一種成本低，安裝靈活不局限于各計量關口，可實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)同步精確授時、高精度測量、三模式發(fā)送的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀及其工作方法，它包括微處理器單元，微處理器單元通過信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元從低壓側電網(wǎng)采集電網(wǎng)模擬信號，并計算分析出電網(wǎng)低壓側相量信號的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)，利用雙模式授時單元采集GPS或北斗導航信號得到時間信息，與計算出的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)整合，得到時序的電網(wǎng)向量，并通過三模式數(shù)據(jù)發(fā)送單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器終端；微處理器單元還通過電源單元從低壓側電網(wǎng)獲得電源電壓，并且與液晶顯示單元和控制單元相連。
文檔編號G01R21/133GK102508082SQ201110370568
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權日2011年11月21日
發(fā)明者張恒旭, 牛新生, 王春義 申請人:山東大學, 山東電力研究院