专利名称：一种发电机功角测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电力系统领域的测量装置，具体讲涉及一种发电机功角测量
直O
背景技术：
随着电力系统的迅猛发展，系统容量不断增加，作为电力系统中最主要部件之一 的发电机，保证其安全稳定运行对整个系统的作用尤为重要。功角是发电机内部能量转换 的一个重要参数，同时也是发电机稳定工作的一个重要标志量，它的引入将为发电机在异 常、故障及失稳情况下的事后分析提供非常重要的参考依据。发电机的功角指发电机的内 电势与机端电压之间的夹角，测量方法包括电气法和直接测量法两种电气法是用发电机 的机端电压、电流、发电机的参数，根据发电机模型的公式计算出来的；直接测量法是直接 测量发电机转子的空间位置，再利用机端电压测量出发电机的功角。传统的功角测量装置虽大都能完成功角测试功能，但均有其不足之处对输入信 号要求严格，适用性差；对输入的键相信号的频率和电压要求苛刻；功角测量方法复杂；无 法测量内电势绝对角；初始角校准方式单一等。

实用新型内容本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种适用性强、硬件电路集成度高、 测量算法简单、成本低的发电机功角实时测量装置。本实用新型提供的发电机功角测量装置，其改进之处在于所述装置包括FPGA处理模块、单片机处理模块、信号输入及前端模拟电路模块、 后台软件、液晶显示与按键模块、模拟量信号输出模块和电源模块；所述FPGA处理模块与前端模拟电路相连，所述FPGA处理模块包括FPGA芯片；所述单片机模块分别与FPGA芯片、前端模拟电路、液晶、按键、网络接口模块、输 出模块相连，所述单片机模块选择通用型51单片机；所述单片机模块分别与FPGA芯片、前端模拟电路、液晶、按键、网络接口模块、输 出模块相连，所述单片机模块选择通用型51单片机；所述装置的中央处理模块包括所述FPGA芯片和通用型51单片机。本实用新型提供的一种优选技术方案所述FPGA芯片包括4608个逻辑单元，89 个可用I/O管脚。本实用新型提供的第二种优选技术方案所述前端模拟电路包括运算放大器、光 耦合器和比较器。本实用新型提供的第三种优选技术方案所述运算放大器组成电压跟随器与前端 的电感构成两路滤波电路；所述比较器组成迟滞型电压比较器电路。本实用新型提供的第四种优选技术方案所述模拟量信号输出模块包括隔离放大
ο
3[0015]本实用新型提供的第五种优选技术方案所述信号输入模块与前端模拟电路模块 相连，信号输入模块的端子选择13针和4针。本实用新型提供的第六种优选技术方案所述液晶显示模块包括数据线、时钟信 号和背光控制信号线；所述按键模块包括按键KEYl KEY6，所述按键KEYl KEY6与单片 机相连。本实用新型提供的第七种优选技术方案所述电源模块采用通用开关电源为整个 装置提供稳定的5V和12V直流电源。本实用新型提供的发电机功角测量装置，其测量方法采用直接测量法，算法简单、 可靠；输入信号经过前端完善的滤波、隔离、波形整形模拟电路，在FPGA中判断信号有效后 利用高稳定度时钟，误差小于20ns，实现对相角的准确测量；键相脉冲和校准初始角方式 适应性强；在FPGA中利用锁相环对输入的机端电压和键相信号进行频率和相位拟合，可以 防止由于输入信号丢失导致的装置测量中断问题；本装置提供的测量结果可以在装置液晶 或后台软件上显示，同时兼容-9 +9V、(T5V、r20mA这3种模拟量输出，满足用户的多种需 要；本装置可同时对2个机组进行测量电路设计，集成度高、模块化清晰、成本低、装置体积

图1是本发明功角和内电势绝对角测量算法原理图；图2是本发明装置工作原理框图；图3是本发明单片机模块以及输出模块电路的原理图；图4是本发明前端模拟电路原理图；图5是本发明网络接口模块、液晶显示和按键模块的电路原理图；图6是发电机功角测量仪后台软件界面图；其中1、单片机模块，2、-9 +9V电源隔离放大器，3、0 5V电源隔离放大器，4、 圹20mA电源隔离放大器，5、电压跟随器电路，6、电压跟随器电路，7、光电隔离电路，8、迟滞 型电压比较器电路，9、网络接口模块，10、液晶显示器，11、按键电路。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。测量算法原理如附图1所示。本例功角测量采用直接测量法，初始角θ m为键相 信号与内电势之间夹角，在发电机达到额定转速并且并网之前，机端电压和内电势重合，所 以此时可以测得初始角θω，在发电机停机之前θω不变。在发电机并网后，键相脉冲与机 端电压脉冲之间夹角为S u，则发电机功角δ = δ u- θ m0在此基础上引入标准时间脉冲信 号，可以测量出其与机端电压间夹角Φ ，从而得到内电势绝对角Oq=。U+S。1、本实用新型提供的装置图2是本实用新型工作原理框图。整个装置划分为FPGA处理模块、单片机处理模 块、信号输入及前端模拟电路模块、后台软件、液晶与按键模块、模拟量信号输出模块、电源 模块。1)FPGA处理模块FPGA与前端模拟电路相连，接收、处理输入信号，并将处理后的信号送入单片机。FPGA芯片具体工作包括解码^IG-B码型的GPS信号，提取秒脉冲IPPS ； 对机端电压、键相信号或转速信息及标准时间进行有效性判断；计算键相脉冲与机端电压 脉冲间相位差；计算键相脉冲与标准时间脉冲间相位差。本装置中的FPGA芯片选用Altera 公司cyclonell系列的EP2C5T144C8N，该芯片具有低成本、高性能和低功耗的优势，芯片有 4608个逻辑单元，89个可用I/O管脚，数据处理速度大于300Mhz。2)单片机处理模块单片机作为装置的CPU与FPGA芯片、前端模拟电路、液晶、按 键、网络接口模块、输出模块相连。单片机的具体工作包括将机组并网电流信号AD采样， 接收机组并网开关量信号进行机组并网判断；接收FPGA测得的功角、内电势绝对角信息； 将功角、内电势绝对角等测量结果DA装换后产生模拟信号输出；控制液晶显示和按键选 择；通过网络接口模块与后台软件通讯，接收用户的参数设置。单片机选择通用型51单片 机C8051F040，如附图3中模块1所示，本装置用到了片上的ADC、DAC、串口、FLASH、定时器 等功能。3)信号输入及前端模拟电路模块信号输入端子选择德国的菲尼克斯端子排，有 13针和4针的两种，分别用于接收两路键相信号、两路机端电压信号、两路机组并网开关量 信号、两路机组并网电流信号以及GPS信号，每路输入信号进入装置后都要经过各自的前 端模拟电路进行滤波、隔离和整形操作。以键相信号的前端模拟电路为例，如附图4所示， 芯片5和6为运算放大器LM258，其组成电压跟随器与前端的电感构成两路滤波电路，可以 分别接收电压和电流格式的键相信号输入。芯片7为光耦合器TIL117，作用是将前端的MV 电压电路与后端3. 3V电压电路进行有效隔离。芯片8为比较器LM393，其构成的迟滞型电 压比较器电路对信号进行波形整形，产生标准的脉冲信号送入FPGA中。4)后台软件后台软件是本装置的调试工具，安装于电脑上通过网口模块与装 置交互。通过该软件，用户可监视发电机功角和内电势绝对角、进行参数设置、监视内部 参数及报文等，界面如附图6所示。网络接口模块选用的是德国科联浦C0NEXT0P公司的 Neport-RE，该模块内部集成了网络协议以及串口、网络转换功能，无需用户再单独开发，同 时该模块体积较小，仅与普通网口相当。如附图5中模块9所示，网口模块接收网络信息后， 转换成RS-232串口协议，通过一对收发数据线Net_RXD和Net_T)(D与单片机C8051F040通 讯，从而实现后台软件与单片机之间的数据交互。5)液晶与按键模块装置液晶IXD12232如附图5中模块10所示，单片机通过数据 线LCD_SIG、时钟LCD_CLK、背光控制线LCD_Light这三根信号线控制液晶。装置共有6个 按键，电路原理图如附图5中的模块11所示，6个按键分别有KEY11EY6，这6个信号线与 单片机相连。6)模拟量信号输出模块如附图3中所示芯片2、3、4为3种不同型号的隔离放大 器IS0 EM-U4-P3-08、ISO U4-P3-04、ISO U4-P3-01，隔离电压均为 3000VDC。芯片 2、3、4 接收单片机的DAC外设输出后，分别用于产生-9 +9V、(T5V、r20mA三种模拟量信号输出。7)电源模块采用通用开关电源PD-45A为整个装置提供稳定的5V和12V直流电 源，利用稳压芯片AS1117-3. 3、LT1764AEQ为数字电路部分提供3. 3V和1. 2V直流电源，采 用电源隔离模块B0524LS-1W为前端模拟电路提供24V直流电源。2、本实用新型提供的装置工作步骤如下1)处理键相信号。键相信号进入装置后，首先经过前端模拟电路进行信号隔离、波
5形整形，整形后的信号进入FPGA中进行有效性判断，对判断有效的键相信号进行倍频或分 频操作，产生频率为50Hz的键相脉冲。2)处理机端电压信号。机端电压信号进入装置后，首先经过前端模拟电路进行信 号隔离、波形整形，整形后进入FPGA中进行有效性判断，判断有效的机端电压脉冲即可用 于相位比较。3)校准初始角。本装置支持四种初始角校准方式后台软件校准、用户手动校准、 机组并网开关量校准和机组并网电流信号校准。其中，前两种校准方式是用户手动完成的， 后两种校准方式是装置自动完成的。4)提取标准时间脉冲。本装置接收差分输入的^IG-B码标准时间信息，经过信号 隔离后进入FPGA芯片，在FPGA中提取GPS秒脉冲信号，50倍频后得到50Hz的标准时间脉 冲。5)计算功角和内电势绝对角。在FPGA中计算键相脉冲与机端电压脉冲之间相位 差得到夹角Su，计算标准时间脉冲信号与机端电压脉冲之间相位差得到夹角Φ ，在初始 角θ m校准完毕的情况下即可计算出发电机的功角和内电势绝对角，并将计算结果送入单 片机中用于显示和输出。6)输出测量结果。将发电机功角、内电势绝对角等测量结果显示在装置液晶屏和 后台软件的同时，可以通过单片机的DAC功能产生3种类型模拟量信号输出(T5V、-iT+9V、 4 20mA，满足用户的不同需要。7)曲线拟合技术。在FPGA中利用锁相环Wiase-Locked Loop模块对输入的机端 电压脉冲和键相脉冲信号进行频率和相位的持续跟踪，直至产生的输出信号与输入信号同 频、同相，即曲线拟合技术。其作用在于，当输入装置的机端电压和键相信号短暂消失时，锁 相环的输出仍能完整的代表输入信号。本装置利用发电机转子的空间位置信息和标准时钟信号，直接测量出发电机转子 位置和内电势相角，进而计算出功角及内电势绝对角。装置可独立使用，也可作为PMU子站 的配套设备使用，监测发电机运行状态、测量发电机功角。3、对键相信号的分频和倍频处理本实用新型中对键相信号的频率没有严格的要求。键相信号经过前端模拟电路滤 波、隔离和整形操作后形成方波键相脉冲信号，在FPGA中利用高稳定度的50MHz时钟对键 相脉冲计数，计算出键相脉冲的频率并通过单片机显示在后台软件上。如附图6中所示，相 反，用户根据键相脉冲的频率在后台软件中设置分频和倍频系数，并通过网线和网口模块 将系数送入装置单片机中，单片机通过与FPGA中之间通讯的地址线和数据线将系数写入 FPGA。我们FPGA中利用VHDL硬件描述语言分别设计了一个分频程序和一个倍频程序，利 用这两个程序模块并根据用户设置的分频、倍频系数对键相脉冲进行分频、倍频处理，这样 就可以产生功角测量所需要的50Hz标准键相脉冲。最后应该说明的是结合上述实施例对本发明进行了详细说明，但以上实施例仅 用以说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到本领域 技术人员阅读本发明实施例和说明书后可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同 替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利权利要求保护范围之中。
权利要求1.一种发电机功角测量装置，其特征在于所述装置包括FPGA处理模块、单片机处理 模块、信号输入及前端模拟电路模块、后台软件、液晶显示与按键模块、模拟量信号输出模 块和电源模块；所述FPGA处理模块与前端模拟电路相连，所述FPGA处理模块包括FPGA芯片；所述单片机模块分别与FPGA芯片、前端模拟电路、液晶、按键、网络接口模块、输出模 块相连，所述单片机模块选择通用型51单片机；所述装置的中央处理模块包括所述FPGA芯片和通用型51单片机。
2.如权利要求1所述的一种发电机功角测量装置，其特征在于所述FPGA芯片包括 4608个逻辑单元，89个可用I/O管脚。
3.如权利要求1所述的一种发电机功角测量装置，其特征在于所述前端模拟电路包 括运算放大器、光耦合器和比较器。
4.如权利要求3所述的一种发电机功角测量装置，其特征在于所述运算放大器组成 电压跟随器与前端的电感构成两路滤波电路；所述比较器组成迟滞型电压比较器电路。
5.如权利要求1所述的一种发电机功角测量装置，其特征在于所述模拟量信号输出 模块包括隔离放大器。
6.如权利要求1所述的一种发电机功角测量装置，其特征在于所述信号输入模块与 前端模拟电路模块相连，信号输入模块的端子选择13针和4针。
7.如权利要求1所述的一种发电机功角测量装置，其特征在于所述液晶显示模块 包括数据线、时钟信号和背光控制信号线；所述按键模块包括按键KEYl KEY6，所述按键 KEYl KEY6与单片机相连。
8.如权利要求1所述的一种发电机功角测量装置，其特征在于所述电源模块采用通 用开关电源为整个装置提供稳定的5V和12V直流电源。
专利摘要本实用新型涉及一种电力系统领域的测量装置，具体讲涉及一种发电机功角测量装置，此装置包括FPGA处理模块、单片机处理模块、信号输入及前端模拟电路模块、后台软件、液晶显示与按键模块、模拟量信号输出模块和电源模块；FPGA处理模块与前端模拟电路相连，所述FPGA处理模块包括FPGA芯片；单片机模块分别与FPGA芯片、前端模拟电路、液晶、按键、网络接口模块、输出模块相连，所述单片机模块选择通用型51单片机；此装置的中央处理模块包括所述FPGA芯片和通用型51单片机。本实用新型与传统的发电机功角测量装置相比具有适应性强、测量精度高、响应速度快、成本低、体积小等优点。
文档编号G01R25/00GK201892733SQ20102056887
公开日2011年7月6日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者吕大伟, 王俊永, 许勇 申请人:中国电力科学研究院, 中电普瑞科技有限公司