专利名称：配电负荷测控终端的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及配电系统的监控终端，特别是一种用于变配电变压器的配电负荷测控终端。
背景技术：
及时了解公共配电变压器的运行情况，减少无功损耗，降低线路损失，提高经济效益，了解电网谐波、电压、三相不平衡等电能质量状况，提高电压合格率，保证用户的供电质量是供电部门所关心的问题。但传统的公共配变电台区一般没有监测设备，配变的负荷监测主要靠人工巡检，不仅费时费力，而且数据不具有实时和同步的特点，使得数据的分析和管理意义大打折扣。近几年，随着科技的发展以及国家电网建设与改造力度和深度的加大，国内一些厂家纷纷投入配电在线监测这一领域，出现了以单片机控制为基础，能够实时监测配变电压、电流，有功及无功功率的配电监测仪。但此类监测仪由于采样点数较少，不能监测包括谐波、负序、闪变、电压波动等指标在内的电能质量状况，不能保证在有谐波和频率波动的情况下的精确度，不具备分相无功补偿控制和谐波滤波控制功能。因此，无法满足供电部门随时了解电能质量状况的需求。

发明内容
本实用新型的目的是克服上述不足，提供一种集配电负荷监控、电能质量监控、分相无功功率补偿和谐波滤波控制功能于一体，并可利用PDA掌上电脑采集、监控，利用有线或无线通讯方式就地或远方采集、监控的配电负荷测控终端。
本实用新型的上述目的是这样实现的配电负荷测控终端，由硬件及支持硬件的软件程序两部份构成，其特征是硬件部分包括有数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双端口数据存储器RAM、非易失性数据存储器NVRAM、电流、电压、温度摸拟量采样输入及A/D转换器、开关量输入端口及输入、输出回路、复位电路WDT、串行通讯扩展口COM、远程在线升级通讯口JTGA、实时时种芯片REAL TIMER及键盘和显示器，上述硬件中，数字信号处理器DSP和A/D转换器、非易失性数据存储器NVRAM、双口RAM，时钟芯片、键盘、显示器、开关量输入/输出回路及总线串行通讯扩展口COM通过数字信号处理器总线双向连接，微控制器MCU和双口RAM通过微控制器MCU总线双向连接。电流、电压输入采用交流采样、采样频率为6.4KHZ、128点/周波。模拟量由互感器隔离后，经运算放大器整形、放大后输入至A/D转换器，开关量输入/输出回路后设有光电隔离电路。三相电源经整流、滤波、合成后加限幅电路输入开关电源。
本实用新型的优点及效果(1)采用高速数字信号处理DSP和高频密集采样技术，保证了监测参数的准确性和控制的实时性；(2)高度集合了配电负荷监控、电能质量监控、分相无功功率补偿和谐波滤波控制等多相功能，使得一机多用，节约用户投资、方便管理；(3)完备的数据采集和通讯功能，支持多种通讯方式和协议，实现了“三遥功能”，可直接将数据传入各级配电自动化系统；(4)无功补偿控制使用了的Δ+Y复合模式，适应了电网三相负荷不平衡的现实。


图1是本实新型电路原理方框图；图2是数字信号处理器及片外数据区、复位电路的电气原理图；图3是数字信号处理器的总线扩展部分和微控制器电气原理图；图4是A/D采样回路、输入/输出回路和电源部分电气原理图；图5是本实用新型之外壳面板布置图。
具体实施方式
附图1中，本实用新型由数字信号处理器101(DSP)、微控制器112(MCU)、A/D转换器、电压/电流输入107、温度输入108、非易失性数据存储器114(NVRAM)、双口RAM113、实时时钟芯片115(REAL TIMER)、键盘104(KEYBOARD)、液晶显示器103(LCD)、开关量输入/输出端口及输出回路109、输入回路110、光电隔离电路106、串行通信口102(COM1)、119(COM2.DSP自有口)、111(COM3.MCU自有口)、复位电路118(WDT)、同步串行口117(SYNH)、远程在线升级口116(JTAG)、以及其他外围器件等组成。在电路框图中可以看出，数字信号处理器和A/D转换器、非易失性数据存储器、双口RAM、实时时钟芯片、键盘、液晶显示器、输入/输出控制回路及总线扩展串行口COM1通过数字信号处理器总线双向连接，成为电路的主要部分。微控制器和双端口数据存储器通过微控制器的总线连接，微控制器主用于通信或多机间的协调。本实用新型通过A/D转达换器实现对电压、电流、温度等模拟量的采集和转换，相关计算由数字信号处理器完成；通过输入/输出端口、输入回路、输出回路实现对外部开关量的采集和对外控制输出；数字信号处理器和微控制器之间通过双口RAM实现数据交换和协调；非易失性数据存储器实现历史记录的保存；实时时钟由实时时钟芯片提供；键盘和液晶显示器是人机交互通道，用于反映动态住处和对实用新型的控制。
附图2中，“DSP BUS”表示数字信号处理器TMS320F206PZA的总线，“MCU BUS”表示微控制器W77E58的总线，双口RAM IDT7132拥有两套I/O口，因此可以作为数字信号处理器和微控制器之间的交互通道，数字信号处理器和微控制器的复位电路WDT使用带电压监测和复位时间可调的DS1232。
附图3主要包含译码电路EPM7132LC44、微控制器和数字信号处理器的部分总线扩展电路。微控制器W77E58内置32K EEPROM，因此总线上不外扩程序区；译码电路EPM7132LC44承担系统所有译码；数字信号处理器总线上键盘、输入/输出端口通过74HC245、74HC273实现，时钟芯片DS12887提供系统实时时钟；附图4是A/D采样部分电路图、电源部分电路图、输入/输出回路电路图。模拟量由互感器L隔离后以及温度传感器T输出，经运放TL072整形、放大，输入A/D转换器MAX125；电源采用三相先经硅桥整流，再合成，并加限幅电路后输入开关电源K，使在仅有一相有电的情况下能正常工作；开关量输入/输出回路都必须经过TLP521/6N137光电隔离。
由于本实用新型产品要求具有谐波分析和滤波控制功能，传统的直流采样难以完成，必须采用交流采样技术。按照奎耐斯特采样原理，采样频率必须大于信号频率的2们(工程上取10倍)，才能精密地还原原始信号，其过程是由系统二次电路来的电压(或电流)信号，经过二次PT(或CT)等变送到A/D适合的电压后，由CPU控制A/D以一定的采样频率进行模数转换，获得离散的采样数据，经过离散傅立叶变换(DFT)，计算出基波有效值及各次谐波值。我们采用6.4KHZ(128点/周波)的采样频率，在20毫秒内同时采集A、B、C三相电压、三相电流六路交流信号，利用FFT理论可计算出电压、电流的有效值和各次谐波含量以及功率因数，利用精密定时器可计算出每秒内各相有功功率和无功功率。
现在普遍采用的单片机很难在短时间内完成对三相电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、谐波的处理，并影响到实时控制，而且对电量的累计误差增大。所以必须选择一种运算速度更快的CPU。经过调查、分析我们选择了数字信号处理器(DSP)TMS320F206作为CPU来完成数据的采集、变换、滤波、计算等功能。TMS320F206是TI公司生产16位定点DSP芯片，用静态CMOS集成电路工艺制造而成，采用TQFP封装，四条边上各有25个引脚。由于该芯片采用了先进的哈佛结构(程序存储器和数据存储器具有各自的总线)、多级流水线、片内外设、片内存储器以及专用的指令集等使得对它的操作非常灵活，速度也很快，TMS320F206主要特点如下
(1)有程序、数据和I/O三个相互独立的存储空间，片上含有32KB的闪速存储器(两个16KBFlash RAM)以及4KB的RAM；(2)高速的处理能力，单周期指令执行时间最快25ns，即处理速度可达40MIPS；(3)有32位算术逻辑单元和32位累加器，16位并行乘法器以及功能强大的指令系统；(4)含有5个硬件中断，其中NMI和复位中断/RS是用户不可屏蔽的中断，/INT1、/INT2、以及/INT3，用户可通过设置有关的寄存器进行屏蔽；(5) 内含有1个16位的定时器以及一个同步串行口和一个异步串行口；(6)采用基于JTAG扫描的仿真技术，可在线仿真、调试、固化程序，利于提高开发速度。
为了获得精密的交流信号，减小相移，我们选用专用的电压、电流互感器。设计了双电源，数字信号处理器(DSP)TMS320F206作为CPU来完成数据的采信、变换、滤波、计算等功能，通过运算放大器获得差分交流信号，降低了信号失真，保证了数据的精度。
为了提高产品对电网的适应能力，正确记录电网缺相和停电事件，我们采用三相综合供电的专用电源，其输入电压范围为85-265V，在电网任意两相断电的情况下，仍能保证正常工作。
由于配电负荷测控终端显示的内容较多，我们选择了大屏幕点阵式宽温液晶作为显示器。用户可以清晰、直观的观察电网各种数据和运行状态。
为了增加产品的抗干扰能力，我们采取了如下措施(1)用抗干扰的电源结构，加装电源滤波器；(2)合理的设计印制线路板，大面积有效接地，信号线尽量短粗并实行地线包容；(3)输入信号采用专用互感器隔离，输出信号采用光耦隔离；(4)利用软件监督系统运行，防止死机，提高可靠性。
本实用新型产品的主要功能有(1)时数据测量显示能实时测量显示三相电压，三相电流，零线电流，三相有功功率，三相无功功率，功率因数，频率，谐波电压，谐波电流，电容器投切状态，模拟量(温度)，开关量状态，实时日历时钟等电网参数。
(2)累计数据记录功能每月、日的电压偏差超上限和超下限时间及相应累计时间，停电情况参数，缺相时间，三相不平衡≥25％时间累计，三相3、5、7次谐波电压越限记录及出现/截止时间，电容器累计投运时间，累计动作次数，累计数据的起止时间。
(3)整点数据记录功能三相电压、三相电流、零线电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、总谐波电压畸变率、总谐波电流畸变率。
(4)统计数据记录功能每月、日有功功率、无功功率、电流、电压的最大/最小值及其出现时间，3、5、7次谐波的极值参数及出现时刻。记录数据保存应能保存2个月各类记录数据。
(5)自动无功补偿控制功能能灵活的适应三相共补、三相分补或两者结合的补偿方式(或三相+3、5、7次滤波控制)；具有手动控制和自动控制两种工作方式；能智能选择电容器投切组合；投切控制取样物理量为无功功率或无功电流；具有过压、欠压、缺相、谐波、轻载防振保护和报警功能；控制输出电路不少于9路，具有编码投切功能；控制输出能适应电子开关、交流接触器、复合电子开关或真空接触器等不同投切元件。
(6)失电保护功能一旦失去工作电源，其后备工作电源应保证失电保护时间不少于72小时。
(7)通讯接口有标准RS23和RS485串行通讯接口，可直接并入配电自动化系统接口，也可通过抄表器采用有线或无线方式就地抄取数据。通信协议遵循有关国家标准、国际标准，并向用户开放。
权利要求1.配电负荷测控终端，由硬件及支持硬件的软件程序两部份构成，其特征是硬件部分包括有数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双端口数据存储器RAM、非易失性数据存储器NVRAM、电流、电压、温度摸拟量采样输入及A/D转换器、开关量输入端口及输入、输出回路、复位电路WDT、串行通讯扩展口COM、远程在线升级通讯口JTGA、实时时种芯片REAL TIMER及键盘和显示器，上述硬件中，数字信号处理器DSP和A/D转换器、非易失性数据存储器NVRAM、双口RAM，时钟芯片、键盘、显示器、开关量输入/输出回路及总线串行通讯扩展口COM通过数字信号处理器总线双向连接，微控制器MCU和双口RAM通过微控制器MCU总线双向连接。
2.根据权利要求1所述的配电负荷测控终端，其特征是电流、电压输入采用交流采样、采样频率为6.4KHZ、128点/周波。
3.根据权利要求1或2所述的配电负荷测控终端，其特征是模拟量由互感器隔离后，经运算放大器整形、放大后输入至A/D转换器，开关量输入/输出回路后设有光电隔离电路。
4.根据权利要求3所述的配电负荷测控终端，其特征是三相电源经整流、滤波、合成后加限幅电路输入开关电源。
5.根据权利要求1或2所述的配电负荷测控终端，其特征是三相电源经整流、滤波、合成后加限幅电路输入开关电源。
专利摘要配电负荷测控终端，由硬件及软件程序两部分构成，硬件部分包括有数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双端口数据存储器RAM、非易失性数据存储器NVRAM、电流、电压、温度摸拟量采样输入及A/D转换器、开关量输入端口及输入、输出回路、复位电路WDT、串行通讯扩展口COM、远程在线升级通讯口JTGA、实时时钟芯片REAL TIMER及键盘和显示器，上述硬件中，数字信号处理器DSP和A/D转换器、非易失性数据存储器NVRAM、双口RAM，时钟芯片、键盘、显示器、开关量输入/输出回路及总线串行通讯扩展口COM通过数字信号处理器总线双向连接，微控制器MCU和双口RAM通过微控制器MCU总线双向连接。
文档编号G01R21/00GK2645323SQ03222439
公开日2004年9月29日 申请日期2003年6月3日 优先权日2003年6月3日
发明者张高锋, 蔡忠伟, 赵剑锋, 唐豪华 申请人:南京谷峰电子科技有限公司