专利名称：一种电能质量分析仪的制作方法
技术领域：
一种电能质量分析仪技术领域[0001]本实用新型属于供电技术领域，尤其涉及一种电能质量分析仪。
背景技术：
[0002]供电系统中的电能质量问题，对机场、通信枢纽、发射基地等高技术武器较集中的 场合的影响更加不可忽视，即使是飞机、独立供电系统，由于非线性、大功率的设备不断增 加，电能质量问题也日益突出。电能质量所引发故障的问题更应该引起高度注意，因为它们 时时刻刻都承担着关系国家安全的重大责任。[0003]本电能质量分析仪是我们发现和分析各种电能质量的有效工具，不仅能够使我们 掌握各种供电系统的稳态和瞬态供电状况，同时能够使我们取得大量的、详实的现场数据， 从而为分析诊断故障隐患提供了不可缺少的数据支持。[0004]我国电能质量分析仪的分类与国外基本一致，实时在线监测仪表，主要有南京顺 泰公司的XT-2，宝钢安大公司的PQ106II1、PQ104，深圳领步公司的PQM-1、PQM_2、PQM_3，航 天华辉公司的PQ secure，保定方长的DZ-3A和安徽振兴公司的PS-NET等型号。单相手持 式分析仪，主要有宝钢安大公司的PQ102，安徽振兴公司的PS-3H等型号。便携式电能质量 分析仪南京顺泰公司的EQT-1，宝钢安大公司的PQ116，航天华辉公司的U900F，保定方长的 DZ-4A和安徽振兴公司的PS-2S、PS-3等型号。[0005]在便携式电能质量分析仪方面，国产仪表基本上采用的是基于总线的工控机设 计，能够实时显示测试数据和波形，数据存储量大，但数据处理性能一般，大多没有瞬态测 试和间谐波测试功能，分析软件功能也不够强，数据离线分析生成的图形、曲线、报表方式 并存，格式固定，不能满足有关要求，不能用于各种电能质量检测分析。这些都制约了国产 电能质量分析仪在各种领域的使用。[0006]目前各种电能质量分析仪在设计过程中所依据的理论和数学模型都是一样的，其 关键的区别在于采用的测量标准有较大的区别，另外在工艺设计、单元电路也各有不同，整 体设计方案以不尽相同，不同的公司所采用的方法也依据采用的标准不同和应用方向不 同，所采用的方式也大有区别。[0007]国外的电能质量分析仪发展较早，技术成熟，功能较强，而且已成系列，适应各种 公共电网不同用户的需要。如福禄克公司的RPM1650系列、1950系列、F41和F43系列，莱 姆公司的PQPT1000系列、PQFix、3PQI1、AN2060、AN3060等，在国内应用较为广泛。但它们 都存在着如下问题[0008](I)价格很高，限制了仪器的使用场合。[0009](2)界面绝大多数没有汉化，使用步骤很复杂。即使个别的操作软件进行了汉化， 但操作步骤仍然是照搬外文的方法进行，不便操作。[0010](3)参照的标准和国标不一致，特别是与国军标不一致，使得判断的依据受到质疑。[0011 ] (4)手持式分析仪存储容量较小，一般只能存储8 20个屏幕的信息，无法及时打印结果，只能用计算机下载。而便携式分析仪自身都没有显示屏，必须和计算机连机使用， 否则仪器的参数无法现场设置和修改，测试参数也无法实时显示，因此使用起来十分不方 便。[0012](5)附件不适合实际使用的要求，用时连线很困难。[0013](6)测试电源频率只能适应50/60HZ工业电力系统，对400Hz各种电源供电系统都 不具备测试能力实用新型内容[0014]针对上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种电能质量分析仪。[0015]本实用新型实施例是这样实现的，一种电能质量分析仪，该电能质量分析仪包 括[0016]传感器单元，用于完成4路电压信号和4路电流信号的取样，实现高压隔离、电流 电压变换等，其取样过程应满足O. 05Hz 2MHz的取样带宽；[0017]输入调理单元，用于将外部输入的测试信号调理成规定幅度范围的电压信号，经 隔离后送到测量单元，同时产生频率参考信号，是本电能质量分析仪的模拟电路核心；[0018]测量单元，用于实现同步取样和数据采集的全过程，是仪器测量精度的基本保障 和质量分析仪的测试电路核心；[0019]瞬态分析单元，用于捕捉电压变化速率很高的电压闪变信号，作为专用采集器独 立存在；[0020]直流畸变频谱单元，用于对外来信号进行扫频分析，是为直流畸变频谱的高端进 行分析而设立的；[0021]数据处理单元，用于实现对采集到的数据进行谐波分析运算、有效值运算、瞬态电 压、电流运算、稳态电压、电流运算、各种有功无功功率运算、频率相位运算系列计算；[0022]主控单元，用于将从数据处理单元和瞬态分析单元中得到的各项电能质量参数和 各项具体标准进行比较，进行波形、频谱和数据的显示以及数据传递的作用；[0023]电源单元，用于将输入的交流和直流供电电压转换成本机所需的各种电压。[0024]进一步，输入调理单元内部结构包含四个电压通道、四个电流通道，主要由输入电 路、隔离电路、信号调理电路和抗混叠滤波器组成，其具体的功能结构连接为[0025]四个电压通道，与输入电路相连接，其作用是传输电压探头的三相交流电压信号 和一路直流电压信号，以差动形式分别送入采取直接耦合的输入电路；[0026]输入电路，与信号调理电路相连接，其作用是通过输入电路内部的程控衰减器根 据测试需要将测试信号衰减为适合传输的10VP_P* ±5V电压信号，并送入信号调理电路进 行调理；[0027]信号调理电路，与抗混叠滤波器相连接，其作用是通过内部的调理放大器将差动 信号转换成单端信号，对前端电路的工作零点实现了适当调整，同时加入积分电路，使电流 传感器中的微分过程得以还原；[0028]隔离电路，始终存在其中，其作用首先是光电耦合器，将仪器内部的数字电路与仪 器外部实现隔离，避免外部强电压信号对仪器的损害，其二是电压输入通道均采取高阻输 入形式，使输入通道始终工作于较低的电流下，同时输入保护的TVS管；[0029]抗混叠滤波器，与测量单元相连接，是一组程控的八阶低通滤波器，其作用是防止 采样过程混叠效应引起的失真，使提供测量单元使用的交流信号符合采样定律，保证记录 的波形数据与实际故障情况相一致，满足谐波分析的测量稳定性，抗混叠滤波器的输出作 为输入电路的整体信号输出，实现测量信号预处理并提供给测量单元使用。[0030]进一步，测量单元内部结构包含同步信号提取电路、幅度识别电路、采样保持电 路、16bit高速A/D变换电路、16bit低速A/D变换电路、FPGA电路；其具体的功能结构连接 为[0031]同步信号提取电路，其作用是与幅度识别电路相结合实现被测信号的信号整形， 然后分别经基波相位提取送FPGA电路处理，经交直流变换、幅度检波后进行幅度识别，以 满足同步采样和超范围测量告警的需要；[0032]采样保持电路，其作用是在同步脉冲的控制下，对三个交流电压通道、三个交流电 流通道所提供的测量信号进行同步的模拟幅值提取，以满足测量的需要；[0033]16bit高速A/D变换电路，其作用是通过模拟开关电路分别完成对六路保持电压 信号的模数转换，实现对交流信号的精度测量；[0034]16bit低速A/D变换电路，其作用是完成对直流电压、直流电流以及直流畸变频谱 通道的模数转换；[0035]FPGA电路，其作用是实现信号频率的测量、数据的采集控制、ADCl的数据读取、保 存及底层的信号预处理计算；主要由频率测量模块和FFT模块两部分组成；频率测量模块 主要由周期计数器、瞬时频率运算、稳态频率和频率调制运算和频率数据存放区等子模块 组成；FFT模块主要由旋转因子模块、蝶形运算模块以及FFT运算模块构成。[0036]进一步，瞬态分析单元内部结构包含时钟分频器、采样控制器、数据合并转换器、 数值比较器、C51单片机、数据接口电路。[0037]进一步，直流畸变频谱单元内部结构包含混频电路、滤波放大电路和检波电路, DDS、固定二本振，地址译码电路及扫频频率产生电路。[0038]进一步，数据处理单元内部结构包含DSP芯片、接口芯片及外部存储器；存储器包 括一片 Flash 和一片 SDRAM。[0039]进一步，主控单元采用嵌入式PC104微机，内部结构包含处理器、DDR内存、实时 时钟、固态盘、RS422/RS232串行接口、DSU调试口、看门狗、网络接口、USB接口、键盘、LCD显示器。[0040]进一步，电源单元包含整流滤波电路、电压识别控制、开关电源、电池控制和DC/DC 变换电路。[0041]本实用新型采取基于傅里叶变换进行谐波测量的测量方法，在此基础上采用跟踪 同步采样的数据采集技术，优化提高测量的准确度和稳定性；为全面满足测量标准的贯彻， 本仪器将测试过程划分为测量单元和瞬态分析单元，将测试过程进行区别对待来完成大量 的数学运算，利用不同电路的不同优势提高仪器整体测试精度和测试效率，同时也减少了 大量的不必要的数据处理环节，从而也提高了仪器测试的稳定性。此外，通过更换各种电能 质量分析仪软件版本，同样可以满足其它供电系统，如军舰、通讯枢纽等场合的需要，还可 以满足地方各级发电、供电公司及其他行业对电能质量的检测分析，满足用户对电网电能 质量的应用要求，本设备具有十分广阔的市场前景。


[0042]图1是本实用新型实施例提供的电能质量分析仪系统硬件结构框图；[0043]图2是本实用新型实施例提供的输入调理单元硬件结构框图；[0044]图3是本实用新型实施例提供的测量单元硬件结构框图。
具体实施方式
[0045]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。[0046]图1为本电能质量分析仪的系统硬件框图，主要由传感器单元、输入调理单元、测 量单元、瞬态分析单元、直流畸变频谱单元、数据处理单元、主控单元和电源单元等八部分 组成。其各单元功能结构如下[0047](I)传感器单元[0048]传感器单元，用于完成4路电压信号和4路电流信号的取样，实现高压隔离、电流 电压变换等，其取样过程应满足O. 05Hz 2MHz的取样带宽，同时应达到国家强制的安全标 准，为准确的测试分析提供必要的保障。[0049]传感器单元的内部结构包含电压传感器和电流传感器，采用霍尔元件以及合金 铁芯电感元件的综合技术。[0050](2)输入调理单元[0051]输入调理单元，用于将外部输入的测试信号调理成规定幅度范围的电压信号，经 隔离后送到测量单元，同时产生频率参考信号，是本电能质量分析仪的模拟电路核心，[0052]输入调理单元内部结构包含八个模拟通道(包括四个电压通道、四个电流通道) 主要由输入电路、隔离电路、信号调理电路和抗混叠滤波器等电路组成。其具体的功能结构 连接图如图2所示[0053]四个电压通道，与输入电路相连接，其作用是传输电压探头的三相交流电压信号 和一路直流电压信号，以差动形式分别送入采取直接耦合的输入电路；[0054]输入电路，与信号调理电路相连接，其作用是通过输入电路内部的程控衰减器根 据测试需要将测试信号衰减为适合传输的10VP_P* ±5V电压信号，并送入信号调理电路进 行调理；[0055]信号调理电路，与抗混叠滤波器相连接，其作用是通过内部的调理放大器将差动 信号转换成单端信号，对前端电路的工作零点实现了适当调整，同时加入积分电路，使电流 传感器中的微分过程得以还原；[0056]隔离电路，始终存在其中，其作用首先是光电耦合器，将仪器内部的数字电路与仪 器外部实现隔离，避免外部强电压信号对仪器的损害，其二是电压输入通道均采取高阻输 入形式，使输入通道始终工作于较低的电流下，同时输入保护的TVS管；[0057]抗混叠滤波器，与测量单元相连接，是一组程控的八阶低通滤波器，其作用是防止 采样过程混叠效应引起的失真，使提供测量单元使用的交流信号符合采样定律，保证记录 的波形数据与实际故障情况相一致，满足谐波分析的测量稳定性，抗混叠滤波器的输出作为输入电路的整体信号输出，实现测量信号预处理并提供给测量单元使用。[0058](3)测量单元[0059]测量单元，用于实现同步取样和数据采集的全过程，是仪器测量精度的基本保障 和质量分析仪的测试电路核心。[0060]测量单元内部结构包含同步信号提取电路、幅度识别电路、采样保持电路、16bit 高速A/D变换电路、16bit低速A/D变换电路、FPGA电路等电路组成。其具体的功能结构连 接图如图3所示[0061]同步信号提取电路，其作用是与幅度识别电路相结合实现被测信号的信号整形， 然后分别经基波相位提取送FPGA电路处理，经交直流变换、幅度检波后进行幅度识别，以 满足同步采样和超范围测量告警的需要；[0062]采样保持电路，其作用是在同步脉冲的控制下，对三个交流电压通道、三个交流电 流通道所提供的测量信号进行同步的模拟幅值提取，以满足测量的需要；[0063]16bit高速A/D变换电路，其作用是通过模拟开关电路分别完成对六路保持电压 信号的模数转换，实现对交流信号的精度测量；[0064]16bit低速A/D变换电路，其作用是完成对直流电压、直流电流以及直流畸变频谱 通道的模数转换；[0065]FPGA电路，其作用是实现信号频率的测量、数据的采集控制、ADCl的数据读取、保 存及底层的信号预处理计算等。如图3所示，主要由频率测量模块和FFT模块两部分组成。 频率测量模块主要由周期计数器、瞬时频率运算、稳态频率和频率调制运算和频率数据存 放区等子模块组成。FFT模块主要由旋转因子模块、蝶形运算模块以及FFT运算模块构成。[0066](4)瞬态分析单元[0067]瞬态分析单元，用于捕捉电压变化速率很高的电压闪变信号，作为专用采集器独 立存在。[0068]瞬态分析单元内部结构包含时钟分频器、采样控制器、数据合并转换器、数值比 较器、C51单片机、数据接口电路等。关键器件CPLD芯片拟采用ALTERA公司的MAX7000系 列产品EPM7128进行设计。[0069](5)直流畸变频谱单元[0070]直流畸变频谱单元，用于对外来信号进行扫频分析，是为直流畸变频谱的高端 (IkHz 500kHz)进行分析而设立的。[0071]直流畸变频谱单元内部结构包含混频电路、滤波放大电路和检波电路，DDS、固定 二本振，地址译码电路及扫频频率产生电路等。[0072](6)数据处理单元[0073]数据处理单元，用于实现对采集到的数据进行谐波分析运算、有效值运算、瞬态电 压、电流运算、稳态电压、电流运算、各种有功无功功率运算、频率相位运算等一系列计算。[0074]数据处理单元内部结构包含DSP芯片、接口芯片及外部存储器构成。存储器包括 一片 Flash 和一片 SDRAM。[0075](7)主控单元[0076]主控单元，用于将从数据处理单元和瞬态分析单元中得到的各项电能质量参数和 各项具体标准进行比较，进行波形、频谱和数据的显示以及数据传递的作用。[0077]主控单元采用嵌入式PC104微机，内部结构包含处理器、DDR内存、实时时钟、固 态盘、RS422/RS232串行接口、DSU调试口、看门狗、网络接口、USB接口、键盘、LCD显示器等 基础硬件。[0078](8)电源单元[0079]电源单元，用于将输入的交流和直流供电电压转换成本机所需的各种电压。[0080]电源单元内部结构包含整流滤波电路、电压识别控制、开关电源、电池控制和 DC/DC变换等电路组成。[0081]本系统的工作原理为[0082]1.硬件系统[0083]本电能质量分析仪的硬件系统的构成主要由传感器单元、输入调理单元、测量单 元、瞬态分析单元、直流畸变频谱单元、数据处理单元、主控单元和电源单元等八部分组成。 其中包括了一个主控系统，两个嵌入式子系统，其各部分作用、组成和工作原理如下[0084](I)传感器单元[0085]传感器单元的作用是完成4路电压信号和4路电流信号的取样，实现高压隔离、电 流电压变换等，其取样过程应满足O. 05Hz 2MHz的取样带宽，同时应达到国家强制的安全 标准，为准确的测试分析提供必要的保障。[0086]传感器单元分为电压传感器和电流传感器，两类传感器又都有交流直流之分，其 中交流电压传感器主要涉及合金铁芯电压取样技术，关键在于频带宽度的保障；直流电压 传感器主要涉及线性衰减和低噪声技术，关键在于信号长线传输的抗干扰，确保直流和纹 波的分离及有效提取，方便于测量工作的完成。交流电流传感器主要涉及霍尔元件和合金 铁芯电感元件的综合利用技术，关键在于宽频带的保障和工作稳定性的保障；直流电流传 感器主要涉及霍尔元件和低噪声放大技术，关键在于取样变换后的精度保障。[0087](2)输入调理单元[0088]输入调理单元作为本项目的模拟电路核心，将外部输入的测试信号调理成规定幅 度范围的电压信号，经隔离后送到测量单元。输入调理单元同时产生频率参考信号。[0089]输入调理单元分为八个模拟通道，包括四个电压通道、四个电流通道，主要由输入 电路、隔离电路、信号调理电路和抗混叠滤波器等电路组成。[0090]四个电压通道的构成基本相同，来自电压探头的三相交流电压信号和一路直流电 压信号，首先以差动形式分别送入采取直接耦合的输入电路，输入电路内的程控衰减器根 据测试需要将测试信号衰减为适合传输的10VP_P* ±5V电压信号，并送入信号调理电路进 行调理，调理放大器将差动信号转换成单端信号，并对前端电路的工作零点实现了适当调 整。在这一过程中隔离电路始终存在其中，首先是光电耦合器，将仪器内部的数字电路与仪 器外部实现隔离，避免外部强电压信号对仪器的损害，其二是电压输入通道均采取高阻输 入形式，使输入通道始终工作于较低的电流下，同时输入保护的TVS管，实现了瞬态高电压 信号对电路损害，调理放大器采用了宽带隔离放大器保证了测量信号与仪器内部的可靠隔 离，同时也保证了仪器整体的测量带宽。[0091]调理放大器的输出信号分别送给抗混叠滤波器、瞬态分析单元和测量单元的同步 信号提取电路使用，抗混叠滤波器是一组程控的八阶低通滤波器，其截止频率自动跟踪被 测信号频率的变化而变化，剔除信号瞬态变化量，防止采样过程混叠效应引起的失真，使提供测量单元使用的交流信号符合采样定律，保证记录的波形数据与实际故障情况相一致， 满足谐波分析的测量稳定性。抗混叠滤波器的输出作为输入电路的整体信号输出，实现测 量信号预处理并提供给测量单元使用。[0092]四个电流通道的构成基本相同，来自电流传感器的交流电流测试信号信号和一路 直流电流信号，首先以单端形式分别送入采取直接耦合的输入电路，由于电流传感器(电 流钳)输出的信号幅度一般较小，输入电路内的程控衰减器相对设置较小的衰减量，大多 情况是根据测试需要将测试信号经调理放大器放大到10VP-P或±5V电压信号再进行程控 滤波。在信号调理过程中不同于电压输入通道的是加入了积分电路，使电流传感器中的微 分过程得以还原。[0093]对于直流畸变频谱的测量由于交流幅度相对较小，为了提高测量精度，在直流电 压输入通道前端并接了交流耦合测量通道，在直流电压信号在未衰减前，直接通过电容耦 合方式进行交流成分的提取，经过IkHz高通滤波器，送到扫频分析单元进行直流畸变频谱 分析。[0094](3)测量单元[0095]测量单元作为本项目的测试电路核心，其实现了同步取样和数据采集的全过程， 是仪器测量精度的基本保障。其内部包括同步信号提取电路、幅度识别电路、采样保持电 路、16bit高速A/D变换电路、16bit低速A/D变换电路、FPGA电路等电路组成。[0096]同步信号提取电路与幅度识别电路相结合，主要实现了被测信号的信号整形，后 分别经基波相位提取送FPGA电路处理，经交直流变换、幅度检波后进行幅度识别，以满足 同步采样和超范围测量告警的需要。[0097]采样保持电路是进行多通道进行同步采样所必需的过程，该电路共有六个单元电 路，其作用是在同步脉冲的控制下，对三个交流电压通道、三个交流电流通道所提供的测量 信号进行同步的模拟幅值提取，以满足测量的需要。[0098]16bit高速A/D变换电路主要是通过模拟开关电路分别完成对六路保持电压信号 的模数转换，实现对交流信号的精度测量。该部分电路包括了电压基准源和差动输入激励 放大器，确保瞬间记录波形的准确性和稳定性。[0099]16bit低速A/D变换电路主要是完成对直流电压、直流电流以及直流畸变频谱通 道的模数转换，这种采用高低速度分离的A/D转换器设计，不仅可以降低成本，更重要的是 重点考虑了直流飘移的准确测量，充分借助不同A/D电路的测量优势。[0100]在测量电路中，所有的数字电路都集成在FPGA电路中，该电路内部集合了逻辑控 制电路、同步周期计数电路、取样时钟生成电路、ADC测量数据缓存、数据重新组合电路和 FFT运算单元，以及瞬时频率运算、频率调制运算电路和频率数据存放区等电路，使数字电 路部分实现了小型化设计。[0101]经调理后的3路交流电压信号UA、UB、UC和3路交流电流信号IA、IB、1C，首先送到 幅度识别电路，判断信号的有无，一方面送到机箱的发光二极管显示电路，指示工作状态， 另一方面根据控制逻辑的要求，选择其中的一路送到整形电路，产生频率参考信号，满足测 量电路进行频率测量，同时利用频率参考信号的参考相位满足生成256倍的同步采样频率 信号，进行对交流电压信号和电流信号同步采样，交流测试信号经A/D转换后，进行FFT分 析和有效值运算，得到交流畸变的频谱、基波相位角和电压、电流的瞬态值，以及各次谐波的瞬态值，在经过进一步计算得到各项参数得稳态值。[0102]直流电压信号UO和直流电流信号IO经过8阶IkHz低通滤波器输出，减小高频 信号影响，同时克服混叠效应引起的失真，滤波后的直流测试信号送入低速16bitA/D变换 器，经测量后进行直流畸变频谱低频段(IOHz IkHz)的FFT分析。[0103]FPGA模块主要由频率测量模块和FFT模块两部分组成。频率测量模块主要由周 期计数器、瞬时频率运算、稳态频率和频率调制运算和频率数据存放区等子模块组成。FFT 模块主要由旋转因子模块、蝶形运算模块以及FFT运算模块构成。该模块整体主要完成数 据采集控制、ADCl的数据读取、保存及底层的信号预处理计算等。其子模块有ADC控制模 块、ADC采样数据保存区、FFT工作RAM、FFT运算结果保存区等。[0104]ADC控制模块，根据取样频率产生通道选择和ADC转换启动信号C0NVST，接收ADC 的BUSY信号和DO D15数据，并将其存储到ADC采样数据保存区。[0105]本系统在FFT分析64次谐波时，整个运算分6级。在第一级蝶形运算中，蝶形运 算单元根据算法控制模块的控制信号，从ADC采样数据保存区取出原始数据，从旋转因子 ROM中取出旋转因子，进行FFT的第一级蝶形运算，并将结果存入FFT工作RAM。在以后的 各级蝶形运算中，蝶形运算单元从FFT工作RAM中取出间数据，从旋转因子ROM中取出旋转 因子，进行运算，直至第六级蝶形运算结束，并将结果存放到运算结果保存区，以便进行各 次谐波系数计算。在FFT运算中，为了节省器件的内部资源，其计算内核采用复用技术进行 设计，一个蝶形运算单元和一组工作RAM被重复使用，其中最重要的是FFT工作控制逻辑的 实现。它主要完成从ADC采样数据保存区取出数据、向FFT工作RAM中写入和读取数据以 及向FFT结果存放区存放结果等工作。FFT运算的结果Z = A+jB，将被送入数据处理单元 进行进一步的分析和处理，DSP根据公式# = 4dmr2 +.戸将对FFT运算结果进行可编程 逻辑器件难以实现的浮点开平方运算，得到各次谐波的系数# ,从而得到各次谐波参数。[0106]FPGA电路一系列计算结果的精确性和分析故障波形的准确性，如功率、相位、相移 等，只有同一瞬间测量、计算所得到的结果才是有意义的，采用了通道同步采样，即所有通 道的波形数据是同一瞬间的。为此必须对6路的交流信号进行采样/保持。采用了采样/ 保持器电路，再由多路开关依次选择这6路信号，输入到ADCl中进行A/D转换。由FPGA发 出CONVST信号开始转换，待转换结束，A/D发出BUSY信号，通知FPGA读取转换结果，达到 同步采样和实时性的要求。[0107]频率测量采用周期测量法，输入的频率参考信号对5MHz的标准频率信号进行计 数，得到信号的周期，经倒数运算得到瞬时频率信息，再进行稳态频率和频率调制的计算， 相关数值存放在频率数据存放区，由控制单元调用。瞬时频率同时送到取样频率产生电路， 由于电源频率的跨度较大，达到10个倍频程以上，采用传统的模拟锁相环路或数字锁相环 路，均难以达到精度的要求，因此采用了数字直接频率合成(DDS)的方案。根据取样频率和 程控滤波器的要求，将瞬时的频率由DDS电路产生1280倍的倍频信号，作为滤波器的时钟 信号，同时5分频作为取样频率。用上一个周期作为下一个待采样信号的采样周期，这样 就减小了由于待采样信号频率的漂移而带来的采样周期的误差。锁定频率范围为45Hz 500Hz，产生的采样周期Ts能够满足实际应用的要求。[0108](4)瞬态分析单元[0109]瞬态分析单元作为捕捉电压变化速率很高的电压闪变信号的专用采集器独立存在。从输入调理单元送来的电压信号UA、UB、UC、U0，首先通过输入电路，转换成符合高速 ADC电路输入要求的模拟电平范围。后由IOBit的高速A/D转换器对其进行20MHz的测量 转换，测试数据送入数据合并转换器后进行必要的数据合并转换后一方面进行双端口 64k RAM的暂存，另一方面与预先设定存储在Flash存储器中的规定阈值进行比较，如果测试 数值没有达到触发阈值，RAM进行移位式循环暂存，不进行数据闪存；如果数据超出触发阈 值，双端口 RAM将在CPLD的控制下将测试数据向闪存内进行存储，进行触发事件数据的记 录，直至完成规定的时间或数据长度。在数据纪录完毕，无触发事件态，由CPLD芯片内嵌入 C51单片机系统控制，对闪存内的数据进行向主控单元的数据传递，主控单元将进行数据分 析完成整个瞬态的分析过程。[0110]瞬态分析单元关键器件CPLD芯片拟采用ALTERA公司的MAX7000系列产品 EPM7128进行设计，在其内部划分为若干电路，如时钟分频器、采样控制器、数据合并转换 器、数值比较器、C51单片机、数据接口电路等。由于该芯片工作频率可高达100M，管脚间最 大延迟为5ns，所以可满足高速采样以及数据高速传输要求。[0111](5)直流畸变频谱单元[0112]直流畸变频谱单元是为直流畸变频谱的高端(IkHz 500kHz)进行分析而设立 的，其主要测试过程是对外来信号进行扫频分析。[0113]由于直流畸变频谱的频带很宽，高频成分较高，采用FFT分析困难很大，所以采用 了分段的方法进行分析，IkHz以下的低端采用FFT分析，IkHz以上的高端采用传统的扫频 分析的方法，分析带宽为1kHz。[0114]直流畸变频谱单元主要由混频电路、滤波放大电路和检波电路，DDS、固定二本振， 地址译码电路及扫频频率产生电路等组成。[0115]直流畸变频谱单元主要原理就是按照数据处理单元送来的控制信号和地址信号， 转换成一本振电路DDS所需的频率代码，DDS输出的频率信号结合固定的二本振输出的频 率信号，将待分析的信号进行两次频率搬移，得到频率较低的二中频信号，经检波得到相应 频率成分的直流电压，该电压送入测量单元后由低速16bitA/D芯片完成模数转换得到高 次谐波测试结果，该测试结果送数据处理单元进行数据处理，与低端FFT分析得到的谐波 数据合成，生成完整的直流畸变频谱信息。[0116](6)数据处理单元[0117]数据处理单元主要是为满足对数据采集得到的数据进行谐波分析运算、有效值 运算、瞬态电压、电流运算、稳态电压、电流运算、各种有功无功功率运算、频率相位运算等 等而设立的，该单元主要由DSP扩展子系统构成。该子系统承担整个系统的数据处理任务 及数据的输入输出接口，主要由DSP芯片、接口芯片及外部存储器构成。存储器包括一片 Flash和一片SDRAM。FLASH选用存储容量为128KX8bit，映射为DSP的异步存储器空间。 Flash的作用是存储完成数据输入输出和各种信号处理任务的DSP的应用程序，SDRAM为 DSP的动态存储器扩展空间，选用一片4MX32bit的SDRAM，可满足主控系统处理其它数据 时，DSP子系统数据存储和处理的需要。[0118]DSP芯片拟采用浮点信号处理器TMS320C6000，该芯片采用TI公司专利的超长指 令字结构，在150MHz时钟频率下其峰值处理能力达900MIPS ;该芯片具有8/16/32bit的高 性能外部存储器接口(EMIF)，提供了与SDRAM、SBSRAM和SRAM等同步/异步存储器的直接接口 ；片内集成多种外设，如多通道EDMA控制器、多通道缓冲串口(McBSP)和32bit通用计数器等，具有强大的信号处理能力和HPI接口，以满足数据传送和与主控系统接口的能力。[0119]DSP子系统启动后，DSP芯片将运行程序从Flash存储器中读出并存入片内程序存储器中，芯片将按照程序的规定向测量单元CPLD中的时序控制电路发出指令，当接受到测试数据后，将对测试数据进行组合、运算，并将运算结果按照规定的数据格式依次存出到数据存储器中，数据的输出是在与主控模块PC104之间，遵照规定的通讯协议下进行的，由于 DSP子系统与PC104间存在着运行速率的差异，所以进行必要的数据校验非常必要，同时， 由于PC104系统在接到瞬态分析单元的中断指令时，需暂停与DSP子系统的联系，此时，DSP 子系统中的SDRAM将及时保存未发送的数据信息，避免数据的丢失。[0120]下面以交流电压为例，说明交流量有效值的计算方法。计算交流电压有效值如所
权利要求1.一种电能质量分析仪，其特征在于，该电能质量分析仪包括 用于完成4路电压信号和4路电流信号的取样，实现高压隔离、电流电压变换等，取样过程应满足O. 05Hz 2MHz的取样带宽的传感器单元； 用于将外部输入的测试信号调理成规定幅度范围的电压信号，经隔离后送到测量单元，同时产生频率参考信号的输入调理单元； 用于实现同步取样和数据采集的全过程，是仪器测量精度的基本保障和质量分析仪的测试电路核心的测量单元； 用于捕捉电压变化速率很高的电压闪变信号，作为专用采集器独立存在的瞬态分析单元; 用于对外来信号进行扫频分析，是为直流畸变频谱的高端进行分析而设立的直流畸变频谱单元； 用于实现对采集到的数据进行谐波分析运算、有效值运算、瞬态电压、电流运算、稳态电压、电流运算、各种有功无功功率运算、频率相位运算系列计算的数据处理单元； 用于将从数据处理单元和瞬态分析单元中得到的各项电能质量参数和各项具体标准进行比较，进行波形、频谱和数据的显示以及数据传递的作用的主控单元； 用于将输入的交流和直流供电电压转换成本机所需的各种电压的电源单元。
2.如权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于，输入调理单元内部结构包含四个电压通道、四个电流通道，主要由输入电路、隔离电路、信号调理电路和抗混叠滤波器组成，其具体的功能结构连接为 四个电压通道，与输入电路相连接，其作用是传输电压探头的三相交流电压信号和一路直流电压信号，以差动形式分别送入采取直接耦合的输入电路； 输入电路，与信号调理电路相连接，其作用是通过输入电路内部的程控衰减器根据测试需要将测试信号衰减为适合传输的10VP_P* ±5V电压信号，并送入信号调理电路进行调理； 信号调理电路，与抗混叠滤波器相连接，其作用是通过内部的调理放大器将差动信号转换成单端信号，对前端电路的工作零点实现了适当调整，同时加入积分电路，使电流传感器中的微分过程得以还原； 隔离电路，始终存在其中，其作用首先是光电耦合器，将仪器内部的数字电路与仪器外部实现隔离，避免外部强电压信号对仪器的损害，其二是电压输入通道均采取高阻输入形式，使输入通道始终工作于较低的电流下，同时输入保护的TVS管； 抗混叠滤波器，与测量单元相连接，是一组程控的八阶低通滤波器，其作用是防止采样过程混叠效应引起的失真，使提供测量单元使用的交流信号符合采样定律，保证记录的波形数据与实际故障情况相一致，满足谐波分析的测量稳定性，抗混叠滤波器的输出作为输入电路的整体信号输出，实现测量信号预处理并提供给测量单元使用。
3.如权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于，测量单元内部结构包含同步信号提取电路、幅度识别电路、采样保持电路、16bit高速A/D变换电路、16bit低速A/D变换电路、FPGA电路；其具体的功能结构连接为 同步信号提取电路，其作用是与幅度识别电路相结合实现被测信号的信号整形，然后分别经基波相位提取送FPGA电路处理，经交直流变换、幅度检波后进行幅度识别，以满足同步采样和超范围测量告警的需要； 采样保持电路，其作用是在同步脉冲的控制下，对三个交流电压通道、三个交流电流通道所提供的测量信号进行同步的模拟幅值提取，以满足测量的需要； 16bit高速A/D变换电路，其作用是通过模拟开关电路分别完成对六路保持电压信号的模数转换，实现对交流信号的精度测量； 16bit低速A/D变换电路，其作用是完成对直流电压、直流电流以及直流畸变频谱通道的模数转换； FPGA电路，其作用是实现信号频率的测量、数据的采集控制、ADCl的数据读取、保存及底层的信号预处理计算；主要由频率测量模块和FFT模块两部分组成；频率测量模块主要由周期计数器、瞬时频率运算、稳态频率和频率调制运算和频率数据存放区等子模块组成；FFT模块主要由旋转因子模块、蝶形运算模块以及FFT运算模块构成。
4.如权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于，瞬态分析单元内部结构包含时钟分频器、采样控制器、数据合并转换器、数值比较器、C51单片机、数据接口电路。
5.如权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于，直流畸变频谱单元内部结构包含混频电路、滤波放大电路和检波电路，DDS、固定二本振，地址译码电路及扫频频率产生电路。
6.如权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于，数据处理单元内部结构包含DSP芯片、接口芯片及外部存储器；存储器包括一片Flash和一片SDRAM。
7.如权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于，主控单元采用嵌入式PC104微机，内部结构包含处理器、DDR内存、实时时钟、固态盘、RS422/RS232串行接口、DSU调试口、看门狗、网络接口、USB接口、键盘、IXD显示器。
8.如权利要求1所述的电能质量分析仪，其特征在于，电源单元包含整流滤波电路、电压识别控制、开关电源、电池控制和DC/DC变换电路。
专利摘要本实用新型公开了一种电能质量分析仪，主要由传感器单元、输入调理单元、测量单元、瞬态分析单元、直流畸变频谱单元、数据处理单元、主控单元和电源单元等八部分组成。本实用新型采取基于傅里叶变换进行谐波测量的测量方法，在此基础上采用跟踪同步采样的数据采集技术，优化提高测量的准确度和稳定性；本仪器将测试过程划分为测量单元和瞬态分析单元，利用不同电路的不同优势提高仪器整体测试精度和测试效率，同时也减少了大量的不必要的数据处理环节，从而也提高了仪器测试的稳定性。此外，通过更换各种电能质量分析仪软件版本，可以满足不同供电系统对电能质量的检测分析，满足用户对电网电能质量的应用要求。
文档编号G01R31/00GK202870226SQ20122062465
公开日2013年4月10日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者刘建博, 李玉金, 杨增, 王国太 申请人:天津市新策电子设备科技有限公司