專利名稱：高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬電網測量技術領域，具體而言是一種集中GPS精確授時、高頻率采樣、高精度測量、三模式匯總發送的高精度多模式低壓負荷功率特性記錄儀。
背景技術：
目前，伴隨智能電網規劃和相關標準的相繼推出及一些試點項目的陸續完成，中國智能電網市場將迎來井噴式發展，國家電網正在大規模的進行新一輪的農網升級改造， 其中的一個重要環節就是測量儀表的更新。并且整個電網行業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展創新提高的全新階段。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，所測數據不能網絡傳輸，不便于系統利用；(2)個別的功率測量裝置可以實現單一數據網絡傳輸，將數據發送至終端顯示，但是因為沒有精確的同步授時模塊，不能實現多地測量的數據同步，無法將不同地點的儀表所測數據集中系統整合到一起，進而無法分析功率負荷特征。(3)常規功率測量裝置均是針對系統穩態情況進行設計，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，此時對數據采樣要求較低。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。因此常規功率測量裝置大都為穩態功率記錄儀。(4)電力系統調度中心用來監視負荷的EMS以及電計量管理系統中應用的電能表 (非功率表)，主要實現電廠上網、下網和夸省、區電能量交易關口、過網電能量關口、直供用戶關口等聯絡線關口點電能量的計量，分時段存儲、采集和處理，數據的傳輸具有即時而非實時性。也就是說，由于這種系統的安裝復雜、成本較高、主要設置在電網少數關鍵節點等特點的局限性，只能將較大區域內的負荷功率分布顯示在電力中心調度部門，無法將低壓用戶側社區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。而且目前電網已用的數據傳輸包括專線信道和電話網，乃至正在快速發展的公用 /企業數據通信網絡，沒有融入現在先進的3G (第三代無線通信技術)無線通信技術。目前國內還沒有能夠實現精確同步授時、數據采集后采用三模式傳輸聯網匯總的低壓側家庭式功率記錄跟蹤儀。
實用新型內容本實用新型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，能夠實現聯網同步精確授時、高精度測量、并且三模式發送的高精度2/11 頁
多模式低壓負荷功率特性記錄儀，它可以實現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，對智能電網發展具有重要意義。為實現上述目的，本實用新型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理、模數轉換處理單元從低壓側電網采集電網模擬信號，并計算分析出電網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，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、功率因數整合，得到時序的電網向量，并通過三模式數據發送單元將數據發送到服務器終端；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。所述信號調理、模數轉換處理單元包括負載電流互感器模塊和電網電壓互感器模塊，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，轉換成采樣的信號，兩濾波模塊與模數轉換處理計算模塊連接。所述模數轉換處理單元為芯片CSM60A，其驅動電壓+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轉換；數字信號輸出形式為M位的二進制補碼，轉換完成時向微處理器單元發出中斷請求，微處理器單元響應中斷讀出AD轉換的電壓瞬時值數據；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GPS系統和北斗導航系統，普通狀態下選擇 GPS系統對裝置進行授時，并自動檢測GPS信號質量，當其信號不可用時自動切換到北斗導航系統；雙模式授時單元發送頻率為1Hz，即數據每一秒中接收一次衛星信息，更新上傳數據一次，比特率設置為38400bps，發送數據包括，格林時間信息，地理信息。所述三模式數據發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串口數據轉換模塊，10/100M自適應以太網接口，實現串口數據與以太網數據的轉換，連接hternet網絡，進行數據傳輸；微處理器單元控制三模式數據發送單元連接服務器終端后，向三模式數據發送單元發送固定格式的電網相量數據，三模式數據發送單元通過無線或有線網絡將數據發送到服務器終端固定端口號，服務器終端監聽端口號，對數據進行接收、分析，完成數據采集。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)系統開始初始化；
4[0026](2)進行數據無線通信傳輸時，執行步驟(3)；若采用串行通信或hternet有線傳輸時，執行步驟(6)；(3)檢測無線通信單元的網絡質量；(4)判斷是否找到無線通信網絡；未找到則返回步驟(3)，如找到則轉入下一步；(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、模數轉換，在微處理器單元的控制下，模數轉換處理單元芯片 CS5460A采集負荷電壓、電流信號，經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)向三模式數據通信單元發送相量信息，三模式數據通信單元將數據發送到服務器終端；(11)檢測時間信號是否可用，不可用轉入步驟(7)，可用轉入步驟(9)；(12)顯示時間、功率及其他電量信息；轉入步驟(7)。所述步驟(9)中，頻率、電壓、電流相量的計算過程為模數轉換處理單元開始模數轉換后，采樣頻率為觀，將采樣數據順序放在長度為 100的緩沖區；每0. 5ms模數轉換中斷一次，每次中斷將采樣值放到緩沖區，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, VkJ、(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t = tk-Vk^^(1)
Vk-\ 一 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)
1Vl ~1η)式中、和、分別是第1次和第η次過零采樣對應的時間，&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fo調整采樣頻率，重新進行采樣，得到采樣點序列lXk，k = 0，-,99}；前20個點根據式⑷、(5)計算得到第1個電壓、電流相量Χ{ ) = φ.Χ η{ω + φ)(3)X(t)電壓、電流的連續時域信號；X:電壓、電流有效值；ω 角速度；Φ :相角；
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理、模數轉換處理單元從低壓側電網采集電網模擬信號，并計算分析出電網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，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、功率因數整合，得到時序的電網向量，并通過三模式數據發送單元將數據發送到服務器終端；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，所述信號調理、模數轉換處理單元包括負載電流互感器模塊和電網電壓互感器模塊，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，轉換成采樣的信號，兩濾波模塊與模數轉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，所述模數轉換處理單元為芯片CSM60A，其驅動電壓+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轉換；數字信號輸出形式為M位的二進制補碼，轉換完成時向微處理器單元發出中斷請求，微處理器單元響應中斷讀出AD轉換的電壓瞬時值數據；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GPS系統和北斗導航系統，普通狀態下選擇GPS系統對裝置進行授時，并自動檢測GPS信號質量，當其信號不可用時自動切換到北斗導航系統；雙模式授時單元發送頻率為1Hz，即數據每一秒中接收一次衛星信息，更新上傳數據一次，比特率設置為38400bps，發送數據包括，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，所述三模式數據發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串口數據轉換模塊，10/100M自適應以太網接口，實現串口數據與以太網數據的轉換，連接hternet網絡，進行數據傳輸；微處理器單元控制三模式數據發送單元連接服務器終端后，向三模式數據發送單元發送固定格式的電網相量數據，三模式數據發送單元通過無線或有線網絡將數據發送到服務器終端固定端口號，服務器終端監聽端口號，對數據進行接收、分析，完成數據采集。
專利摘要本實用新型公開了一種成本低，安裝靈活不局限于各計量關口，可實現聯網同步精確授時、高精度測量、三模式發送的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理、模數轉換處理單元從低壓側電網采集電網模擬信號，并計算分析出電網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，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、功率因數整合，得到時序的電網向量，并通過三模式數據發送單元將數據發送到服務器終端；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H04L29/08GK202330589SQ201120463429
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者張恒旭, 牛新生, 王春義 申請人:山東大學, 山東電力研究院