高精度多模式低压负荷功率特性记录仪及其工作方法 技术领域 本发明属电网测量技术领域, 具体而言是一种集中 GPS 精确授时、 高频率采样、 高 精度测量、 三模式汇总发送的高精度多模式低压负荷功率特性记录仪及其工作方法。
背景技术 目前, 伴随智能电网规划和相关标准的相继推出及一些试点项目的陆续完成, 中 国智能电网市场将迎来井喷式发展, 国家电网正在大规模的进行新一轮的农网升级改造, 其中的一个重要环节就是测量仪表的更新。 并且整个电网行业正在积极推进阶梯电价和分 时电价的施行, 测量型同步功率仪表在今后将进入一个发展创新提高的全新阶段。
目前市场上已有的功率测量装置有以下特点 :
(1) 大多为即时功率显示, 用来检验用电设备的功率大小, 所测数据不能网络传 输, 不便于系统利用 ;
(2) 个别的功率测量装置可以实现单一数据网络传输, 将数据发送至终端显示, 但 是因为没有精确的同步授时模块, 不能实现多地测量的数据同步, 无法将不同地点的仪表 所测数据集中系统整合到一起, 进而无法分析功率负荷特征。
(3) 常规功率测量装置均是针对系统稳态情况进行设计, 也即只考虑电压、 频率偏 离额定值不大, 且变化缓慢的情况下, 此时对数据采样要求较低。而在电压、 频率快速变化 时, 则不能精确的获知功率特性 : 频率的快速变化对测频方法要求较高, 达到 PMU 的要求水 平; 对采样频率要求较高, 要在 1kHz 之上。 因此常规功率测量装置大都为稳态功率记录仪。
(4) 电力系统调度中心用来监视负荷的 EMS 以及电计量管理系统中应用的电能表 ( 非功率表 ), 主要实现电厂上网、 下网和夸省、 区电能量交易关口、 过网电能量关口、 直供 用户关口等联络线关口点电能量的计量, 分时段存储、 采集和处理, 数据的传输具有即时而 非实时性。也就是说, 由于这种系统的安装复杂、 成本较高、 主要设置在电网少数关键节点 等特点的局限性, 只能将较大区域内的负荷功率分布显示在电力中心调度部门, 无法将低 压用户侧社区乃至家庭用电的功率分布特性集中有效的汇总, 以便更为高效的管理低压侧 用电分布, 更无法做到将某一类用电设备在不同环境地点中的功率特性实时同步的汇总到 接收终端。
而且目前电网已用的数据传输包括专线信道和电话网, 乃至正在快速发展的公用 / 企业数据通信网络, 没有融入现在先进的 3G( 第三代无线通信技术 ) 无线通信技术。
目前国内还没有能够实现精确同步授时、 数据采集后采用三模式传输联网汇总的 低压侧家庭式功率记录跟踪仪。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题, 提供了一种结构简单、 成本低, 安装灵活不局 限于各计量关口, 能够实现联网同步精确授时、 高精度测量、 并且三模式发送的高精度多模 式低压负荷功率特性记录仪及其工作方法, 它可以实现负荷功率特性的高精度实时同步检测, 特别是适合于在电压、 频率变化比较大的暂态过程高精度记录低压负荷特性, 可以掌握 负荷电压 - 功率特性、 频率 - 功率特性, 以及功率时变特性, 可全面掌握低压负荷曲线特性, 对智能电网发展具有重要意义。
为实现上述目的, 本发明采用如下技术方案 :
一种高精度多模式低压负荷功率特性记录仪, 它包括 :
微处理器单元, 微处理器单元通过信号调理、 模数转换处理单元从低压侧电网采 集电网模拟信号, 并计算分析出电网低压侧相量信号的电压、 电流、 频率、 有功功率、 无功功 率、 功率因数, 利用双模式授时单元采集 GPS 或北斗导航信号得到时间信息, 与计算出的电 压、 电流、 频率、 有功功率、 无功功率、 功率因数整合, 得到时序的电网向量, 并通过三模式数 据发送单元将数据发送到服务器终端 ; 微处理器单元还通过电源单元从低压侧电网获得电 源电压, 并且与液晶显示单元和控制单元相连。
所述微处理器单元为基于 ARM 的中央计算模块。
所述信号调理、 模数转换处理单元包括负载电流互感器模块和电网电压互感器模 块, 它们分别与各自的滤波模块连接, 滤波模块为 RC 滤波电路, 将谐波滤去, 转换成采样的 信号, 两滤波模块与模数转换处理计算模块连接。
所述模数转换处理单元为芯片 CS5460A, 其驱动电压 +5V, 采样频率设为 2KHZ, 即 每 0.5ms 对模拟信号进行一次采样, 进行一次 AD 转换 ; 数字信号输出形式为 24 位的二进制 补码, 转换完成时向微处理器单元发出中断请求, 微处理器单元响应中断读出 AD 转换的电 压瞬时值数据 ; 它与微处理器单元间采用标准 SPI 通信方式进行通信, 通信占用四个通信 线。
所述控制单元为键盘。
双模式授时单元有两套授时系统 : GPS 系统和北斗导航系统, 普通状态下选择 GPS 系统对装置进行授时, 并自动检测 GPS 信号质量, 当其信号不可用时自动切换到北斗导航 系统 ;
双模式授时单元发送频率为 1Hz, 即数据每一秒中接收一次卫星信息, 更新上传数 据一次, 比特率设置为 38400bps, 发送数据包括, 格林时间信息, 地理信息。
所述三模式数据发送单元包括三部分组成 : GPRS 或 3G 或 CDMA 无线通信模块, 串 行通信模块, Internet 有线通信模块 ; 其中,
GPRS 或 3G 或 CDMA 无线通信模块为装有开通相关业务的 SIM 手机卡, 通过 USB 接 口与微处理器单元通信, 接收指令, 在系统初始化设置后与服务器终端建立连接, 与服务器 终端进行通信 ;
Internet 有线通信模块为嵌入式以太网串口数据转换模块, 10/100M 自适应以太 网接口, 实现串口数据与以太网数据的转换, 连接 Internet 网络, 进行数据传输 ;
微处理器单元控制三模式数据发送单元连接服务器终端后, 向三模式数据发送单 元发送固定格式的电网相量数据, 三模式数据发送单元通过无线或有线网络将数据发送到 服务器终端固定端口号, 服务器终端监听端口号, 对数据进行接收、 分析, 完成数据采集。
一种高精度多模式低压负荷功率特性记录仪的工作方法它的工作步骤为 :
(1) 系统开始初始化 ;
(2) 进行数据无线通信传输时, 执行步骤 (3) ; 若采用串行通信或 Internet 有线传输时, 执行步骤 (6) ;
(3) 检测无线通信单元的网络质量 ;
(4) 判断是否找到无线通信网络 ; 未找到则返回步骤 (3), 如找到则转入下一步 ;
(5)3G、 CDMA 或 GPRS 无线通信模块成功连接服务器终端 ;
(6) 串行通信或 Internet 有线模块成功连接服务器终端 ;
(7) 双模式授时单元接收 GPS 信息, 若可用直接上传 ; 若不可用, 则接收北斗导航 信息, 若可用上传 ;
(8) 微处理器单元接收时间信息, 对时间信号进行处理得到北京时间 ;
(9) 开始信号采集、 模数转换, 在微处理器单元的控制下, 模数转换处理单元芯片 CS5460A 采集负荷电压、 电流信号, 经过分析计算得到同步电压相量和电流相量, 再进而计 算出频率、 有功功率和无功功率, 分别储存在不同的寄存器中 ;
(10) 向三模式数据通信单元发送相量信息, 三模式数据通信单元将数据发送到服 务器终端 ;
(11) 检测时间信号是否可用, 不可用转入步骤 (7), 可用转入步骤 (9) ;
(12) 显示时间、 功率及其他电量信息 ; 转入步骤 (7)。 所述步骤 (9) 中, 频率、 电压、 电流相量的计算过程为 :
模数转换处理单元开始模数转换后, 采样频率为 2K, 将采样数据顺序放在长度为 100 的缓冲区 ; 每 0.5ms 模数转换中断一次, 每次中断将采样值放到缓冲区, 并判断相邻两 次采样之间是否存在过零点, 如果过零则计算过零时间, 并将过零时间保存 ;
过零点判断和过零时刻计算方法如下 :
固定采样间隔, 采样频率为 2KHz ; 对相邻的两个采样值 (tk-1, Vk-1)、 (tk, Vk), 判断 两个电压值符号是否相同 : 如果符号相同则不进行计算 ; 如果符号不同, 则认为 (tk-1, Vk-1)、 (tk, Vk) 两点之间的曲线近似为直线, 计算通过两点的直线与横轴的交点对应的时间, 也即 过零点的时间, 计算公式为 :
k: 采样点序列标记 ; tk : 采样点时间 ; Vk : 采样点幅值 ; t: 过零点时间 ; 以上述方法进行采样、 过零判断 ; 采样满 100 次时, 假设共有 n 次过零, 则频率为 :式中 t1 和 tn 分别是第 1 次和第 n 次过零采样对应的时间, f0 为过零方法计算的频率; 以最小二乘法, 对前述 100 个采样点进行拟合, 拟合成为正弦曲线, 如式 (3) 所示 ; 根据 f0 调整采样频率, 重新进行采样, 得到采样点序列 {Xk, k = 0, …, 99} ; 前 20 个点根据 式 (4)、 (5) 计算得到第 1 个电压、 电流相量
7X(t) : 电压、 电流的连续时域信号 ; X: 电压、 电流有效值 ; ω: 角速度 ; φ: 相角 ;CN 102508082 A
说明书4/11 页当前电压、 电流相量形式 ; 由 FFT 计算的到的基波相量 ; XcXs : 定义的实部虚部;
对上述计算窗口内的 20 个点, 去掉第 1 个, 在最后增加 1 个, 得到下一个数据窗口 数据序列, 由式 (6)、 (7) 递归得到当前相量, 由式 (5) 得到当前相量的幅值、 相角, 得到第二 个相量值, 依次类推, 计算完 100 个数据点, 共得到 81 个相量值,
XN : 新增加的点 ; X0 : 摒弃的点 ;新增加点得到的相量实部虚部 ;根据得到的 81 个电压、 电流相量, 由相角的变化率根据式 (8) 计算频率, 作为当前 相量的频率 ; 最后一个相量的幅值、 相角为当前电网的幅值相角 ; 将计算得到的当前相量 信息送入数据发送和显示模块 ;
ψ: 相量的相角 ; f: 最终频率 ;
至此在电压相量、 电流向量和频率得到的同时, 微处理器单元会将信息整合进而 计算出电网的有功功率、 无功功率、 功率因数, 最后和授时单元采集的时序整合后显示并发 送到服务器终端。
本发明的基本功能为 :
(1) 实时高精度测量低压负荷电压、 电流、 有功功率、 无功功率、 功率因数。
(2) 能在暂态过程中高精度测量电压、 频率信息, 从而提供电压、 频率快速变化时 的负荷功率特性。
(3) 实时采集精确的 GPS 或北斗导航信号, 得到精确时间信息, 并将时间标签赋予 采集数据, 从而得到带精确时标的同步相量, 能够实现多地点测量功率的同步联网。
(4) 通过三种模式可选的数据发送单元实时将测量数据发送到终端服务器, 便于 海量数据的收集、 系统分析。
本发明的工作方法及步骤 :
本发明中, 微处理器单元作为核心器件之一控制着各个分单元。微处理器单元控 制信号调理、 模数转换处理单元经过负载电流互感器模块和电网电压互感器模块以 2kHz 采样频率高精度采集交流侧电流信号、 电压信号, 经滤波 RC 电路后进入模数转换计算处理 单元, 计算得到高精度的电压相量、 电流相量, 继而计算出频率、 有功功率、 无功功率各值, 由微处理器控制在液晶单元全汉化显示测试主菜单。同时, 利用双模式授时单元 (GPS 和北 斗导航一体式 ) 得到高精度的全球统一时标的时间信息, 与计算出的电网低压侧的电压、
电流、 频率、 功率信号整合, 得到时序的负荷电气量, 并通过三模式数据发送单元 (GPRS 无 线通信、 串行通信和 Internet 有线通信 ) 将数据发送到服务器终端。微处理器还与输入控 制单元、 电源单元连接。 本发明能实现高精度稳态和暂态过程中的负荷功率特性采集, 并具 有灵活的数据通信方式, 可以从 GPRS 无线通信、 串行通信和 Internet 有线通信选择其一将 数据发送到主站, 并且安装方面, 类似一个增强型插排, 方便使用。
本发明的有益效果是 :
(1) 对低压负荷的电气量 ( 电压、 电流、 频率、 有功功率、 无功功率、 功率因数 ) 进行 实时的时采集、 发送、 统计分析。
(2) 不仅能高精度采集稳态时电气量信息, 还可高精度采集暂态过程负荷功率特 性, 为分析负荷的电压 - 功率特性、 频率 - 功率特性提供实测数据。
(3) 本发明的模数转换处理单元采用 CS5460A 的设计应用, 大大减轻了微处理器 的负荷, 加之掉电检测、 非易失性存储器的使用, 使功率表的整体性能和可靠性大大增强。
(4) 模数转换、 授时、 数据分析、 数据发送、 显示等功能模块化, 便于各个模块的功 能升级, 维护。
(5) 优先通过 GPS 系统卫星授时, 时间信号精度高, 在 GPS 失准时自动切换到北斗 导航系统, 时间信号可靠性高, 实现不同装置之间的时间同步, 便于服务器对电力系统不同 地点的功率负荷分布进行分析。 (6) 数据发送单元可选根据装置的具体安装地点选择通信方式, 3G 通信或是有线 Intemet 通信, 两种通信方式互为补充, 扩大了功率测量数据发送的广度, 便于服务器收集 不同装置的信息, 集中分析电力系统低压侧的功率负荷分布特性。 实现电力系统广域测量, 集中分析。
附图说明 :
图 1 为系统整体结构图。
图 2 为信号调理、 模数转换处理单元结构图。
图 3 为三模式数据发送单元结构连接图。
图 4 为双模式授时单元连接图。
图 5 为液晶显示单元接线图。
图 6 为模拟电压采集电路原理图。
图 7 为模拟电流采集电路原理图。
图 8 为模数转换处理计算电路图。
图 9 过零检测频率算法示意图。
图 10 为频率计算流程。
图 11 为电压相量计算流程。
图 12 为电流相量计算流程。
图 13 为系统流程图。
其中, 1. 微处理器单元, 2. 信号调理、 模数转换处理单元, 3. 双模式授时单元, 4. 液晶显示单元, 5. 三模式数据发送单元, 6. 低压侧电网, 7. 电源单元, 8. 控制单元, 9. 电压互感器模块, 10. 电流互感器模块, 11. 电压 RC 滤波电路, 12. 电流 RC 滤波电路,13.CS5460A 模数转换处理模块, 14.GPRS 无线通信模块, 15. 串行通信模块, 16.Internet 有 线通信模块。 具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
在图 1 中, 微处理器单元 1 通过信号调理、 模数转换处理单元 2 从低压侧电网 6 采 集电网模拟信号, 并计算分析出低压侧电网 6 相量信号的电压、 电流、 频率、 有功功率、 无功 功率、 功率因数, 利用双模式授时单元 3 采集 GPS 或北斗导航信号得到时间信息, 与计算出 的电压、 电流、 频率、 有功功率、 无功功率、 功率因数整合, 得到时序的电网向量, 并通过三模 式数据发送单元 5 将数据发送到服务器终端。微处理器单元 1 还通过电源单元 7 从低压侧 电网 6 获得 5V 电源电压, 并且与液晶显示单元 4 和控制单元 8 相连。
电力系统低压侧电压电流信号, 被调理、 滤波后转换为模拟信号。信号调理、 模数 转换处理单元 2 在微处理器单元 1 的控制下完成模数转换, 并将数字信号 ( 电压、 电流瞬时 值 ) 传递给微处理器单元 1。 微处理器单元 1 分析出电网的电压相量、 电流向量、 频率、 有功 功率、 无功功率、 功率因数, 采集授时单元的信号得到时间信息, 与计算出的相量整合, 得到 时序的电网相量, 并控制三模式数据发送单元 5 将数据发送到服务器终端。
控制单元 8 为键盘, 用于控制启动, 显示内容等, 液晶显示单元 4 显示当前工作的 状态、 当前时间信息、 电网相量等。
图 2 中, 在微处理器单元 1 的控制下采集电网信息, 首先低压侧电网 6 电压、 电流 分别通过模拟信号采集电路, 经电压互感器模块 9、 电流互感器模块 10 将电压、 电流转换为 弱电信号, 然后经过各自的电压 RC 滤波电路 11、 电流 RC 滤波电路 12 将谐波等畸变滤去, 转 换成可采样的信号。其中模拟电压信号的采集电路原理图如图 6 所示, 模拟电流信号的采 集电路原理图如图 7 所示。转换调理后的电压、 电流信号进入信号调理、 模数转换处理单元 12 即 CS5460A 模数转换处理模块 13。该芯片 CS5460A 可以在单 +5V 电源或者双 +2.5V 电 源下运行, 电流通道输入范围可为 30mV 或者 150mV, 电压通道输入范围为 150mV。而考虑到 低压侧电网电压最大 250V, 电流 20A, 因此图 6、 图 7 中分压电阻的设置分别为 R1 = R2 = 110kΩ, R7 = 15Ω, 电压互感器模块 9 选择 2mA/2mA 的 TV1013-1 额定输入输出电流 2mA, 电流互感器模块 10 的变比选择 20A/10mA, 这样电流互感器二次侧的最大电流为 10mA, 流过 R7 = 15Ω, 可以保证芯片 CS5460A 的电流通道输入最大值为 150mV。
信号调理、 模数转换处理单元 13 如图 8 所示, 其核心部件是芯片 CS5460A。 CS5460A 是 Cirrus Logic 公司新推出的用于测量瞬时电压、 瞬时电流、 瞬时功率、 电能、 电压有效 值和电流有效值等的芯片, 精度高、 性能强且成本低 ; 该设备无需微控制器也可独立运行。 CS5460A 含 2 个增益可编程放大器、 2 个 Δ ∑调制器、 2 个高速滤波器, 具有系统校准和有效 值 / 功率计算等功能。
CS5460A 的功能控制是通过 SPI 口写命令字的方式实现的。这些 8 位长度的命令 字包括 “启动转换” “同步调整” 、 “上电 / 暂停控制” 、 “掉电控制” 、 “校准控制″和 、 “寄存器读 / 写” 等命令。CS5460 内部有 16 个 24 位长度的用户可访问的寄存器。对这些寄存器的访 问是根据填写在 “寄存器读 / 写” 命令中的地址进行的。这些寄存器包括 “基本配置” 、 “电 流、 电压偏移校准” 、 “电流、 电压增益校准” 、 “循环计数值 N” 、 “电能 / 脉冲转换尺度” 、 “前次转换的电流、 电压、 功率瞬时值” 、 “前个计算周期的电能、 电流有效值、 电压有效值” 、 “时基 校准” 、 “状态” 、 “中断屏蔽” 等寄存器。提供数字校准功能, 通过写指定的值到校准命令寄 存器即可实现系统偏置校准和系统的增益校准等。 执行校准时需把相应的校准信号加到电 压、 电流通道。读出相应的寄存器的值, 将其保存在外部非易失存储器, 系统复位后把值写 入相应的寄存器, 开始测量。
如图 8 所示, 芯片 CS5460A 驱动电压 +5V, 采样频率设为 2K HZ, 即每 0.5ms 对模拟 信号进行一次采样, 进行一次 AD 转换。数字信号输出形式为 24 位的二进制补码, 转换完成 时向微处理器发出中断请求, 微处理器单元 1 响应中断读出 AD 转换的电压瞬时值数据。
采用标准 SPI 通信方式进行通信, 通信占用四个通信线, 节约了芯片管脚, 同时为 PCB 的布局上节省了空间。
图 4 中, 双模式授时单元 3 有两套授时系统, GPS 系统和北斗导航系统。目前 GPS 系统授时精度大于北斗导航系统, 普通状态下选择 GPS 系统对装置进行授时。 自动检测 GPS 信号质量, 当其信号不可用时自动切换到北斗导航系统。
双模式授时单元 3 外接天线接收卫星信息, 对信号进行处理, 得到实时的时间信 息 ( 授时定位时间大约要 5 分钟, 即启动 5 分钟后才能得到精确的信息 ), 通过串口即 RXD3, TXD3 向微处理器传输信息。( 图 5 所示 )。 模块发送频率为 1Hz, 即数据每一秒中接收一次卫星信息, 更新上传数据一次, 比 特率设置为 38400bps, 发送数据包括, 格林时间信息, 地理信息等。微处理器打开串口 3, 即 可接收数据。上传数据格式 (ASCII 编码 ) 如表 3 所示 :
$GPRMC, 161229.487, A, 3723.2475, N, 12158.3416, W, 0.13, 309.62, 121089, , *10
表 3 信息格式说明
名称 讯息代号 时间 ( 格林时间 ) 授时定位状态 纬度 ( 选用 ) 南北半球 ( 选用 ) 经度 ( 选用 ) 东西半球 ( 选用 ) 对地速度 对地方向 示例 $GPRMC 161229.487 A 3723.2475 N 12158.3416 W 0.13 309.62 叙述 RMC 规范开头 时时分分秒秒 . 秒秒秒 A 可用 V 不可用 度度分分 . 分分分分 N 北半球 S 南半球 度度度分分 . 分分分 E 东半球 W 西半球 未采用 未采用11CN 102508082 A 日期
说121089明书日日月月年年8/11 页微处理器单元 1 接收到数据之后, 将数据暂存在自带 RAM 里面, 提取有用信息。
图 3 中, 三模式数据发送单元 5 为本装置与服务器终端建立连接实现数据通信的 单元, 它由三部分组成 : GPRS 无线通信模块 14, 串行通信模块 15, Internet 有线通信模块 16。在装置开始运行前可对通信方式进行设置, 选择 GPRS 无线、 串行或者有线通信方式。
GPRS 或 3G 或 CDMA 无线通信模块 14, 装有开通相关业务 SIM 手机卡, 是一个小型 的移动基站, 可通过 USB 接口与微处理器通信, 接收指令, 在系统初始化无线通信模块 14 等 设置后通过无线通信网络与服务器终端建立连接, 与服务器终端进行通信。
Internet 有线通信模块 6 为嵌入式以太网串口数据转换模块, 10/100M 自适应以 太网接口, 微处理器单元 1 进行数据格式转换, 实现串口数据与以太网数据的转换, 连接 Internet 网络, 进行数据传输。
GPRS 或 3G 或 CDMA 无线通信、 串行通信和 Internet 有线通信各有优势, 装置测量 地点可根据实地情况选择有利通信方式, 在装置初始化时选择通信方式, 微处理器单元 1 选择使用哪条通道。
微处理器单元 1 控制三模式数据发送单元 5 连接服务器终端后, 向三模式数据发 送单元 5 发送固定格式的电网相量数据, 三模式数据发送单元 5 通过无线或有线网络将数 据发送到服务器终端固定端口号, 服务器终端监听端口号, 对数据进行接收、 分析, 完成数 据采集。
控制单元 8、 液晶显示单元 4 为装置的外围扩展设备, 键盘主要功能为控制装置的 启动, 及装置的显示内容, 液晶显示单元 4 用于显示当前的装置工作状态, 当前功率、 电压、 电流、 频率、 时间等。
键盘主要功能 :
(1) 翻页功能 ;
(2) 显示切换 ;
键盘与微处理器单元 1 之间的通信过程 :
微处理器单元 1 扫描键盘信息, 当微处理器单元扫描到键盘信息后, 微处理器单 元的相应管脚检测到有效低电平, 切换液晶显示的显示内容。管脚连接如图 5 所示。
LCD 液晶显示 : 中文字库液晶显示模块型号 : HS12864-12。 液晶显示模块是 128*64 点阵的汉字图形液晶显示模块, 可现实汉字及图形, 可用串行连接方式。 LCD12864 受微处理 器控制, 进行信息显示。 LCD 液晶显示与微处理器之间的通信 :
LCD 与微处理器通信时, 将 LCD 的 PSB 端口置于低电平, 使之工作在串行传输方式, 等到 LCD 启动后, 初始化液晶显示器, 清屏, 为显示做准备。SCLK 管脚数字时钟信号, CS 管 脚为使能管脚, SID 为数据接收管脚。
微处理器单元 1 采用 STM32 系列微处理器 STM32F103R8, 其性价比高, 具有强大的 数据处理能力及可用的外设。128K FLASH、 20K SRAM、 2 个 SPI、 3 个串口、 1 个 USB、 1 个 CAN、 2 个 12 位的 ADC、 RTC、 51 个可用 I/O 脚, 这样的配置完全满足现在的硬件开发需求, 并满足 以后各个模块的升级。
STM32F103R8 为本装置的核心部件, 各个模块功能的协调、 数据处理都在此进行, STM32F103R8 的功能主要分为以下几个部分 :
(1) 控制模数转换单元进行模数转换, 采集电压、 电流瞬时值。
(2) 接收授时单元信息, 得到精确的同步卫星格林时间信号信息, 开启定时器得到 卫星同步时间。
(3) 由电压、 电流瞬时值计算相量 ( 电压、 电流幅值、 电压频率、 相角、 有功功率、 无 功功率、 功率因数 ) ;
(4) 给相量赋予时间信号, 得到实时电网相量 ;
(5) 初始化数据发送单元, 与终端服务器建立通信连接后, 实时计算电网相量并把 计算的结果发送到终端服务器。
(6) 接收键盘控制单元信息, 控制 LCD 的显示内容。
本发明工作流程图如图 13 所示 :
程序开始为初始化, STM32 初始化包括使能各个管脚, 配置定时器, 串口, USB 接口 等管脚 ; 初始化 CS5460A 模数转换处理模块 13 包括初始化其各个校准寄存器, 转换模式, 转 换频率 (2KHz) 等 ; 初始化液晶显示单元 4, 主要是启动液晶, 清屏, 设置背景光等, 初始化数 据发送模块包括三部分, 初始化无线通信模块 14、 串行通信模块 15、 初始化 Internet 有线 通信模块 16。 选择三模式数据发送单元 5 中的发送通道 ( 无线通信模块 14、 串行通信模块 15 或 Internet 有线通信模块 16) 连接服务器终端, 待其连接成功时打开串口接收授时定位单元 信息, 判断其信息有效性, 待其有效后接收时间信号, 微处理器处理得到标准北京时间。
微处理器单元 1 开启 CS5460A 模数转换处理模块 13 转换响应 AD 中断, 固定采样间 隔采样, 采样频率 2Hz。读取 AD 转换的电压、 电流瞬时值, 由两步式复合频率计算方法 ( 流 程图如图 10 所示 ) 计算频率, 同样运用两步式采样计算方法 ( 流程图如图 11、 12 所示 ) 计 算电压、 电流相量, 取最后一个相量的幅值、 相角, 得到电压、 电流相量, 进而微处理器在这 时候计算出有功功率、 无功功率、 功率因数, 将得到的数据填装到数据发送单元。
一秒钟计算 20 次相量后, 等待授时点位单元信号, 检测其是否可用, 可用则更新 液晶显示内容后继续 AD 转换。
一种高精度多模式低压负荷功率特性记录仪, 它的工作步骤为 :
(1) 系统开始初始化。
(2) 进行数据无线通信传输时, 执行步骤 (3) ; 若采用串行通信或 Internet 有线传 输时, 执行步骤 (6)。
(3) 检测无线通信单元的网络质量。
(4) 判断是否找到无线通信网络 ; 未找到则返回步骤 (3), 如找到则转入下一步。
(5)3G、 CDMA 或 GPRS 无线通信模块成功连接服务器终端。
(6) 串行通信或 Internet 有线模块成功连接服务器终端。
(7) 双模式授时单元接收 GPS 信息, 若可用直接上传 ; 若不可用, 则接收北斗导航 信息, 若可用上传。
(8) 微处理器单元接收时间信息, 对时间信号进行处理得到北京时间。
(9) 开始信号采集、 模数转换, 在微处理器的控制下, 芯片 CS5460A 采集负荷电压、
电流信号, 经过分析计算得到同步电压相量和电流相量, 再进而计算出频率、 有功功率和无 功功率, 分别储存在不同的寄存器中。
(10) 向数据发送模块发送相量信息, 数据发送模块将数据发送到终端服务器。
(11) 检测时间信号是否可用, 不可用转入步骤 (7), 可用转入步骤 (9)。
(12) 显示时间、 功率等电量信息。转入步骤 (7)。
下面说明频率、 电压电流相量的计算过程。
AD 芯片开始模数转换后, 采样频率为 2K, 将采样数据顺序放在长度为 100 的缓冲 区; 每 0.5ms 模数转换中断一次, 每次中断将采样值放到缓冲区, 并判断相邻两次采样之间 是否存在过零点, 如果过零则计算过零时间, 并将过零时间保存 ; 过零点判断和过零时刻计 算方法如图 9 所示, 详细说明如下 :
固定采样间隔, 采样频率为 2KHz。对相邻的两个采样值 (tk-1, Vk-1)、 (tk, Vk), 判断 两个电压值符号是否相同 : 如果符号相同则不进行计算 ; 如果符号不同, 则认为 (tk-1, Vk-1)、 (tk, Vk) 两点之间的曲线近似为直线, 计算通过两点的直线与横轴的交点对应的时间, 也即 过零点的时间, 计算公式为 :
k: 采样点序列标记 ; tk : 采样点时间 ; Vk : 采样点幅值 ; t: 过零点时间。 以上述方法进行采样、 过零判断 ; 采样满 100 次时, 假设共有 n 次过零, 则频率为 :式中 t1 和 tn 分别是第 1 次和第 n 次过零采样对应的时间, f0 为过零方法计算的频率。 二次频率计算流程如图 10 所示, 电压相量计算流程如图 11 所示, 电流相量计算流 程如图 12 所示, 其中电压相量和电流向量是通过两个不同的通道进行采样计算的, 但是电 压、 电流的计算流程是一致的, 在此我们让二次频率计算和电压相量计算使用电压通道, 电 流向量的采样计算使用电流通道, 其原理现详细说明如下 :
以最小二乘法, 对前述 100 个采样点进行拟合, 拟合成为正弦曲线, 如式 (3) 所示。 根据 f0 调整采样频率, 重新进行采样, 得到采样点序列 {Xk, k = 0,…, 99}。前 20 个点根 据式 (4)、 (5) 计算得到第 1 个电压、 电流相量。
X(t) : 电压、 电流的连续时域信号 ; X: 电压、 电流有效值 ; ω: 角速度 ; φ: 相角。当前电压、 电流相量形式 ; 由 FFT 计算的到的基波相量 ; XcXs : 定义的实部虚部。
对上述计算窗口内的 20 个点, 去掉第 1 个, 在最后增加 1 个, 得到下一个数据窗口 数据序列, 由式 (6)、 (7) 递归得到当前相量, 由式 (5) 得到当前相量的幅值、 相角, 得到第二 个相量值。依次类推, 计算完 100 个数据点, 共得到 81 个相量值。
XN : 新增加的点 ; X0 : 摒弃的点 ;新增加点得到的相量实部虚部。根据得到的 81 个电压、 电流相量, 由相角的变化率根据式 (8) 计算频率, 作为当前 相量的频率 ; 最后一个相量的幅值、 相角为当前电网的幅值相角。 将计算得到的当前相量信 息送入数据发送和显示模块。
ψ: 相量的相角 ; f: 最终频率。至此在电压相量、 电流向量和频率得到的同时, 微处理器单元会将信息整合进而 计算出电网的有功功率、 无功功率、 功率因数。 最后和授时单元采集的时序整合后显示并发 送到终端。