CN205120856U - 变电站电能质量监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种变电站电能质量监测装置，包括：电压和电流传感器、放大电路、锁相环同步采样电路、抗混叠滤波器、多通道A/D转换电路和DSP芯片；电压和电流传感器依次通过放大电路、锁相环同步采样电路、抗混叠滤波器、多通道A/D转换电路和DSP芯片相连。本实用新型能够实时监测并分析电网的电参数，对电能质量做出精确的检测和分析，有利于分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供依据；可一次性进行一个变电站所有回路的电能质量集中测试，使得变电站的投资成本大幅度降低且维护使用更加便捷。

Description

变电站电能质量监测装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种变电站电能质量监测装置。

背景技术

随着现代化工业、军事部门、通信、计算中心、金融、商业以及其它各行各业对供电可靠性和电能质量的要求越来越高，如何提高和保证全面电能质量，已成为电力系统迫切需要解决的重要课题之一。

随着超高压骨干网的建成和特高压输电技术的试验研究，维护电网的安全、可靠运行一直是一项重要任务。重要电气过程包括短路故障引起的电压暂升(降)，绝缘问题引起的脉冲、涌流，谐波源问题引起的责任界定等，只有通过动态电能质量参数才能反映出来。

但目前市场上的相关电能质量监测设备存在监测通道单一、使用成本高、监测数据不精准等缺陷，无法满足便捷、有效、高性价比的要求。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种变电站电能质量监测装置，能够实现一次性高精度地变电站所有回路的电能质量集中测试。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种变电站电能质量监测装置，包括：电压和电流传感器、放大电路、锁相环同步采样电路、抗混叠滤波器、多通道A/D转换电路和DSP芯片；电压和电流传感器依次通过放大电路、锁相环同步采样电路、抗混叠滤波器、多通道A/D转换电路和DSP芯片相连。

本实用新型变电站电能质量监测装置，与现有技术相互比较时，具备以下优点：

1、采用锁相环同步采样电路进行同步采样，实现信号的准确测量；采用抗混叠滤波器，消除各种电磁干扰产生的高次谐波，以保证50次以内的谐波不受影响，确保测量精度。本实用新型能够实时监测并分析电网的电参数，对电能质量做出精确的检测和分析，有利于分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供依据。

2、采用多通道A/D转换电路，保证多通道的信号同时高速高精度连续采样。监测通道多达75个，相较于现有技术中的一个变电站监测需要安装多台电能质量监测装置，本实用新型提供的电能质量监测装置可一次性进行一个变电站所有回路的电能质量集中测试，使得变电站的投资成本大幅度降低且维护使用更加便捷。

附图说明

图1为本实用新型变电站电能质量监测装置实施例的结构示意图；

图2为AD8221具体实施例的电路图；

图3为CD4046具体实施例的电路图；

图4为MAX275具体实施例的电路图；

图5为本实用新型主从卡级联的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型要解决的技术问题、采取的技术方案以及达到的技术效果，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细描述。

如图1所示，一种变电站电能质量监测装置，包括：电压和电流传感器100、放大电路200、锁相环同步采样电路300、抗混叠滤波器400、多通道A/D(模数)转换电路500和DSP(digitalsignalprocessing，数字信号处理)芯片600；电压和电流传感器100依次通过放大电路200、锁相环同步采样电路300、抗混叠滤波器400、多通道A/D转换电路500和DSP芯片600相连。

通过电压和电流传感器100采集得来的电压幅值较小，峰值约为40mV(毫伏)，不便于测量，因此需要通过放大电路200对采集的信号进行放大。目前市场上大部分仪用放大器的共模抑制比在200Hz(赫兹)处就开始衰减，不能满足本实用新型监测装置的设计要求，所以，在一个实施例中，所述放大电路200可以为增益可编程仪用放大器，例如增益可编程高性能仪用放大器AD8221等。可编程仪用放大器可以提供工业上较高的共模抑制比。例如，当增益为1时，AD8221能够在各级保持最小80dB(分贝)的共模抑制比，直至频率达到10kHz(千赫兹)，因而它能很好的抑制宽带干扰和线性失真。下面对AD8221进行简单介绍。

如图2所示，AD8221采用±12V的双电源供电，并采用等效串联电阻(ESR)极小的0.1uF(微法)瓷片电容和10uF的钽电容对输入的电源端进行去耦和滤波，将参考电源输入端接地。又由于前端CT(电流传感器)、PT(电压传感器)发送过来的电压信号值为0mV～40mV，并结合A/D转换0V～+5V的输入要求，所以采用AD8221进行信号放大的倍数最大应该为125倍。由AD8221的增益公式，可以得出GR的取值应大于399欧姆，选用阻值为412欧姆，0.1％的高精密电阻。

另外，AD8221不仅能对CT、PT取样得来的微弱电压信号进行放大，而且能对前后级负载阻抗进行匹配，提高输入电阻，隔离取样电路和后级A/D转换的采样保持电路，减小输出电阻，从而缩短ADC模块进行转换所需的跟踪时间。

在电网谐波测量中，由于电网频率的变化，若采样频率固定，则会造成非整周期采样，从而引起频谱泄漏，带来测量的附加误差。因此，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。同步采样就是将信号的一个周期或多个周期进行均匀离散，在每一离散点处取其信号的瞬时值。在电力系统测量中，除了要知道每路信号值大小外，还要知道每路信号之间的相位关系，这就要求采用同步采样技术来获得准确的信息。

锁相环同步采样电路300可以采用现有技术中已有的电路实现。在一个实施例中，所述锁相环同步采样电路300可以包括集成锁相环芯片和计数器。集成锁相环芯片可以选用广泛应用的通用性集成锁相环芯片CD4046等，计数器可以采用12级二进制计数器(分频器)CD4040。下面对CD4046进行简单介绍。

CD4046是由CMOS电路构成的多功能单片集成锁相环，具有低功耗、输入阻抗高、电源电压范围宽等优点，在信号处理和数字系统中得到广泛的应用。CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容与电阻作为充放电元件。CD4046内部有线性放大器和整形电路，可将输入的100mv左右的微弱电压信号变成方波或者脉冲信号送到相位比较器。如图3所示，选择VA、VB、VC三相作为频率参考量，是为了防止出现当其中某一相或某两相掉电时，锁相环停止工作的情况出现。同时，CD4046的分频输出端设置了倍频选择端子，这样可灵活的根据实际情况的需要，改变每周波的采样点数，实现每周波64点、128点的采样。光耦隔离芯片两端应采用+5V的隔离电源供电，两端的模拟地和数字地隔离。

为防止混叠现象，电压和电流需经过抗混叠滤波器400，将高次谐波滤除，以保证50次以内的谐波不受影响，确保测量精度。在一个实施例中，所述抗混叠滤波器可以为有源滤波芯片，例如通用型有源滤波芯片MAX275等。MAX275内含两个独立的二阶有源滤波电路，可分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波，其中心截止频率在100Hz～300kHZ内可调，精确度在±0.1％之内。

如图4所示，V1、V2分别是两路信号电压的输入，Vo1、Vo2表示两路低通滤波的输出。MAX275采用+5V单端电源供电，根据设计要求，中心截止频率Fo取值为3.2kHZ，品质因素Q为0.7071，低通滤波器的增益Holp取1，并考虑实际选择电阻的方便，R1、R2、R3、R4分别取值为121kΩ、604kΩ、86.6kΩ、590kΩ。另外，V+和GND均应对V-引脚并接0.1uF的瓷片电容和4.7uF的钽电容，进行去耦和旁路。

多通道A/D转换电路500可以采用现有技术中的模数转换电路，例如AD7665等。多通道A/D转换电路500需保证多通道的信号同时高速高精度连续采样。由于采集通道可以多达75个，因此，连续采样速率及如何实现多通道的时钟同步问题尤为关键，否则将无法进行精准地定位分析。另外，电能质量的多个分析指标如闪变源、谐波源定位等均要求所有监测回路的时钟信号同步。在一个实施例中，如图5所示，为了保证多通道监测下的数据采集时钟同步，所述多通道A/D转换电路500的主从卡级联。

采用主从卡级联时，主卡一般使用内时钟源模式，而从卡使用外时钟源模式。待主卡、从卡按相应的时钟源模式被初始化完成后，先启动所有从卡，由于主卡还没有被启动没有输出时钟信号，所以从卡进入等待状态，直到主卡被启动的同时所有的从卡被启动，即实现了多卡同步启动的功能。当需要的采样通道数大于一个卡的通道数时，使用多卡级联的方式扩展通道数量。

DSP芯片600采用现有技术中已有的芯片实现，例如TMS320VC5509ADSP等。DSP芯片600除了输入多通道A/D转换电路输出的信号外，还输入经光电隔离后的GPS的分脉冲信号和触发录波的开关量。在一个实施例中，本实用新型装置可以包括与所述DSP芯片600相连的工控机。DSP芯片600对输入的数字信号进行电能质量分析(包括频率、频谱、三相不平衡度、电压偏差、闪变、电压变动)及相关数据处理(开关量触发录波和精确对时)，然后将测试结果通过PCI(外设部件互连标准)总线送工控机。另外，在电能质量超标时，DSP芯片600输出超标开关量。

在一个实施例中，本实用新型装置还可以包括与所述工控机相连的上位机。工控机通过以太网或无线通信将数据传输至上位机。上位机经过处理可以得到用户所需的各种测试报表、实时报表、统计报表、趋势图、波形图、频谱图等等，并可显示、打印、保存数据，以及进行数据共享和数据转换等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种变电站电能质量监测装置，其特征在于，包括：电压和电流传感器、放大电路、锁相环同步采样电路、抗混叠滤波器、多通道A/D转换电路和DSP芯片；电压和电流传感器依次通过放大电路、锁相环同步采样电路、抗混叠滤波器、多通道A/D转换电路和DSP芯片相连。

2.根据权利要求1所述的变电站电能质量监测装置，其特征在于，所述放大电路为增益可编程仪用放大器。

3.根据权利要求1所述的变电站电能质量监测装置，其特征在于，所述锁相环同步采样电路包括集成锁相环芯片和计数器。

4.根据权利要求1所述的变电站电能质量监测装置，其特征在于，所述抗混叠滤波器为有源滤波芯片。

5.根据权利要求1所述的变电站电能质量监测装置，其特征在于，所述多通道A/D转换电路的主从卡级联。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的变电站电能质量监测装置，其特征在于，还包括与所述DSP芯片相连的工控机。

7.根据权利要求6所述的变电站电能质量监测装置，其特征在于，还包括与所述工控机相连的上位机。