專利名稱：用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種電能數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)通訊裝置，尤其是涉及ー種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。
技術(shù)背景電能質(zhì)量(Power Quality),從嚴(yán)格意思上講,衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講是指優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。其可以定義為導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或瞬態(tài)過(guò)電壓、波形畸變(諧波)、電壓暫降、電壓中斷、電壓暫升以及供電連續(xù)性等。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的提高，對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，對(duì)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求也在不斷提高。近年來(lái)，國(guó)家發(fā)布了一批電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，基本適應(yīng)了供需雙方在生產(chǎn)運(yùn)行中的要求。之前，行業(yè)中的電カ表計(jì)主要測(cè)量的都是電壓、電流這些基本數(shù)據(jù)，不能有效的監(jiān)測(cè)電カ系統(tǒng)中三相不平衡、系統(tǒng)諧波分析、電壓波動(dòng)與閃變等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。因此不能對(duì)電網(wǎng)中的系統(tǒng)情況做一個(gè)完善的分析。順著智能電網(wǎng)的建設(shè)，電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)的需求日益明顯。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種監(jiān)測(cè)精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、功耗低、安裝方便的用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)—種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、控制模塊、以太網(wǎng)控制器和高速通訊總線，所述的數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與運(yùn)算放大器連接，所述的運(yùn)算放大器通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片與控制芯片連接，所述的控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)控制器與高速通訊總線連接；所述的數(shù)據(jù)采集模塊采集外部電能信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊的一路輸出信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器信號(hào)調(diào)理后傳輸給A/D轉(zhuǎn)換芯片，另一路輸出信號(hào)做有源濾波處理后直接傳輸給A/D轉(zhuǎn)換芯片，A/D轉(zhuǎn)換芯片將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸給控制模塊，控制模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)做打包處理并將數(shù)據(jù)包傳輸給以太網(wǎng)控制器，最后通過(guò)高速通訊總線下發(fā)給控制設(shè)備。所述的電源模塊包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、電源控制器、鋰電池組和DC/DC轉(zhuǎn)換器，所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端與外部交流電源連接，所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端、鋰電池組均通過(guò)電源控制器與DC/DC轉(zhuǎn)換器連接，所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器分別與運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、控制模塊及以太網(wǎng)控制器連接。所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括信號(hào)傳感器、帶通濾波器、PLL鎖相環(huán)電路，所述的信號(hào)傳感器的輸入端連接外部電能信號(hào)，信號(hào)傳感器的輸出端分別連接所述運(yùn)算放大器和帶通濾波器，所述的帶通濾波器與PLL鎖相環(huán)電路連接，所述的PLL鎖相環(huán)電路與所述A/D轉(zhuǎn)換芯片連接。所述的信號(hào)傳感器包括電壓互感器和電流互感器，所述的外部電能信號(hào)包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)。所述的控制模塊為DSP芯片，所述的DSP芯片分別與A/D轉(zhuǎn)換芯片和以太網(wǎng)控制器連接；所述的DSP芯片通過(guò)SPI高速同步串行接口向A/D轉(zhuǎn)換芯片獲取采樣數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、分包、存儲(chǔ)，最后依次通過(guò)以太網(wǎng)控制器、高速通訊總線發(fā)送至控制設(shè)備。所述的電壓互感器和電流互感器均為高精度霍爾型隔離互感器。所述的運(yùn)算放大器是高精度、高共模抑制比的差分輸入運(yùn)算放大器。 所述的DSP芯片為主頻300Mhz的浮點(diǎn)處理芯片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)勢(shì)I)高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本實(shí)用新型采用16位6通道的A/D轉(zhuǎn)換器芯片和誤差僅為千分之幾的差分運(yùn)算放大器，數(shù)據(jù)采集通過(guò)運(yùn)算放大器，再傳傳輸?shù)降礁呔鹊腁/D轉(zhuǎn)換芯片，并由DSP控制芯片最終獲取采樣的數(shù)據(jù)；2)高精度前端信號(hào)傳感器本實(shí)用新型的電壓、電流采樣互感器采用的是高精度霍爾型隔離互感器，在信號(hào)進(jìn)入采樣電路的前段霍爾傳感器保證了信號(hào)的最小失真和最小相移，同時(shí)還能采集系統(tǒng)中的直流分量；3)擁有強(qiáng)大實(shí)時(shí)處理芯片本實(shí)用新型的DSP芯片采用的是主頻高達(dá)300Mhz的實(shí)時(shí)浮點(diǎn)處理芯片，強(qiáng)大的內(nèi)核使得數(shù)據(jù)采集終端能擁有最快捷的數(shù)據(jù)分析、轉(zhuǎn)發(fā)速率；4)高性能帶通濾波電路與PLL電路的結(jié)合使用任何一個(gè)采集系統(tǒng)都要有一個(gè)采樣時(shí)間信號(hào)基準(zhǔn)源，一般的做法是采用A相電壓信號(hào)作為時(shí)間同步信號(hào)的基準(zhǔn)源，但由于線路上的相移以及諧波的存在使得我們的時(shí)間基準(zhǔn)源易于受干擾，為了克服這一弊端我們?cè)贏相電壓的輸入端加入了一組高性能濾波電路，該濾波電路保證了設(shè)備的輸出信號(hào)為50HZ的基波頻率信號(hào)，再將這一信號(hào)輸入至PLL壓控振蕩器，就可以將50HZ的電壓輸入信號(hào)提高至任意2n倍的頻率，這組倍頻信號(hào)被用作為A/D芯片的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，這套電路的使用保證了 DSP所獲取的每一個(gè)離散信號(hào)都是等間隔的，保障了系統(tǒng)時(shí)序的穩(wěn)定性能；5)高速工業(yè)以太網(wǎng)總線高速工業(yè)以太網(wǎng)總線的最大傳輸速率可達(dá)100M，再配合工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或者多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，由于基于的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所有的組網(wǎng)設(shè)備只需要兼容TCP/IP就可以輕松組網(wǎng)；6)更先進(jìn)、更有效的數(shù)據(jù)包打包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)本實(shí)用新型采用的是符合電能質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)包協(xié)議，可以最大效率的傳輸系統(tǒng)中需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容；7)功耗低、有掉電工作的功能設(shè)備內(nèi)部有鋰電池裝置，在設(shè)備意外掉電后可以持續(xù)工作6小時(shí)，并提供掉電報(bào)警功能。

圖I為本實(shí)用新型的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的功能框圖。具體實(shí)施立式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例如圖I所示，ー種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括電源模塊I、數(shù)據(jù)采集模塊2、運(yùn)算放大器3、A/D轉(zhuǎn)換芯片4、控制模塊5、以太網(wǎng)控制器6和高速通訊總線7。電源模塊I分別連接數(shù)據(jù)采集模塊2、運(yùn)算放大器3、A/D轉(zhuǎn)換芯片4、控制模塊和以太網(wǎng)控制器6 ;如圖2數(shù)據(jù)采集模塊2包括信號(hào)傳感器、帶通濾波器23和PLL鎖相環(huán)電路24，信號(hào)傳感器的一路輸出端通過(guò)運(yùn)算放大器3與A/D轉(zhuǎn)換芯片4連接，另一路輸出端與帶通濾波電路23連接做有源濾波處理，帶通濾波電路23的輸出端與PLL鎖相環(huán)電路24連接，PLL鎖相環(huán)電路24最終作為A/D轉(zhuǎn)換芯片4的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)連接至A/D轉(zhuǎn)換芯片4 ；A/D轉(zhuǎn)換芯片4通過(guò)控制模塊5、以太網(wǎng)控制器6以及數(shù)據(jù)交換機(jī)8與高速通訊總線7連接。上述裝置工作時(shí)，數(shù)
據(jù)采集模塊2采集外部模擬信號(hào)，處理后的信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器3信號(hào)調(diào)理后傳輸給A/D轉(zhuǎn)換芯片4，A/D轉(zhuǎn)換芯片4將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸給控制模塊5，控制模塊5對(duì)接收到的數(shù)據(jù)做打包處理并將數(shù)據(jù)包傳輸給以太網(wǎng)控制器6，最后通過(guò)高速通訊總線7下發(fā)給エ業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的控制設(shè)備。電源模塊I包括AC/DC轉(zhuǎn)換器11、電源控制器12、鋰電池組14和DC/DC轉(zhuǎn)換器13，AC/DC轉(zhuǎn)換器11的輸入端與外部交流電源連接，AC/DC轉(zhuǎn)換器11的輸出端通過(guò)電源控制器12與DC/DC轉(zhuǎn)換器13連接，電源控制器12與鋰電池組14連接，并通過(guò)充電芯片為鋰電池組14充電。所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器13有3組，第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出±12V電源，其輸出端分別與運(yùn)算放大器3、A/D轉(zhuǎn)換芯片4連接；第二 DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出5V電源，其輸出端與控制模塊5連接；第三DC/DC轉(zhuǎn)換器3輸出5V電源，其輸出端與以太網(wǎng)控制器6連接。數(shù)據(jù)采集模塊2中的信號(hào)傳感器包括電壓互感器21和電流互感器22，它采集外部系統(tǒng)的電流和電壓數(shù)據(jù)，將外部的高壓輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于識(shí)別的低壓信號(hào)；信號(hào)傳感器使用的是高精度霍爾型傳感器，采樣精度高相移小，在各種頻率信號(hào)下無(wú)衰減能識(shí)別直流信號(hào)。帶通濾波器23采用了專門(mén)的帶通濾波芯片，該芯片完成了 A相電壓信號(hào)的濾波，通過(guò)相位和幅值的調(diào)節(jié)真實(shí)的還原系統(tǒng)中的基波源信號(hào)；帶通濾波器23的輸入端與A相電壓信號(hào)的跟隨電路連接，輸出端通過(guò)比較電路連接至PLL鎖相環(huán)電路24。PLL鎖相環(huán)電路24采用了專門(mén)的鎖相環(huán)芯片74hct9046，該芯片通過(guò)對(duì)壓控振蕩器的調(diào)節(jié)完成了 A相電壓信號(hào)的倍頻處理，在提取基波相位的同時(shí)產(chǎn)生出A/D轉(zhuǎn)換芯片所需要的高頻信號(hào)，PLL鎖相環(huán)電路24的輸入端與帶通濾波器23的輸出端連接，鎖相環(huán)的倍頻信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換芯片4的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制管腳連接。運(yùn)算放大器3采用了高精度、高共模抑制比的差分輸入運(yùn)算放大器；該運(yùn)算放大器負(fù)責(zé)了第一級(jí)的信號(hào)取樣，信號(hào)的増益設(shè)定，運(yùn)算放大器的輸入端通過(guò)取樣電阻與信號(hào)傳感器直接連接，運(yùn)算放大器3的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換芯片4連接。控制模塊5為以DSP芯片51為核心的邏輯電路，DSP芯片51通過(guò)MCBSP接ロ與A/D轉(zhuǎn)換芯片4連接，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)同步獲取實(shí)時(shí)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；DSP芯片51以基波的頻率信號(hào)作為發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的同步標(biāo)準(zhǔn)源將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、分包、存儲(chǔ)，通過(guò)SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至工業(yè)以太網(wǎng)控制器6，并按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過(guò)數(shù)據(jù)交換機(jī)和高速通訊總線7發(fā)送至各控制設(shè)備。上述DSP芯片51為主頻300Mhz的浮點(diǎn)處理芯片，高速通訊總線7采用的是工業(yè)以太網(wǎng)控制總線。上述用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)用靈活多變，它可以作電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的前端數(shù)據(jù)采集裝置為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備提供可靠的分析數(shù)據(jù)，亦可作為一些組網(wǎng)控制設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊，同時(shí)在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元可以用于系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)內(nèi) 的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；強(qiáng)大的以太網(wǎng)控制器使得設(shè)備能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換機(jī)輕松組網(wǎng)；為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要提取電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的中斷設(shè)備提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可靠地?cái)?shù)據(jù)交換平臺(tái)。
權(quán)利要求1.一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、控制模塊、以太網(wǎng)控制器和高速通訊總線，所述的數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與運(yùn)算放大器連接，所述的運(yùn)算放大器通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片與控制芯片連接，所述的控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)控制器與高速通訊總線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，所述的電源模塊包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、電源控制器、鋰電池組和DC/DC轉(zhuǎn)換器，所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端與外部交流電源連接，所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端、鋰電池組均通過(guò)電源控制器與DC/DC轉(zhuǎn)換器連接，所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器分別與運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、控制模塊及以太網(wǎng)控制器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括信號(hào)傳感器、帶通濾波器、PLL鎖相環(huán)電路，所述的信號(hào)傳感器的輸入端連接外部電能信號(hào)，信號(hào)傳感器的輸出端分別連接所述運(yùn)算放大器和帶通濾波器，所述的帶通濾波器與PLL鎖相環(huán)電路連接，所述的PLL鎖相環(huán)電路與所述A/D轉(zhuǎn)換芯片連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，所述的信號(hào)傳感器包括電壓互感器和電流互感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，所述的控制模塊為DSP芯片，所述的DSP芯片分別與A/D轉(zhuǎn)換芯片和以太網(wǎng)控制器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，所述的電壓互感器和電流互感器均為霍爾型隔離互感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，所述的運(yùn)算放大器是差分輸入運(yùn)算放大器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其特征在于，所述的DSP芯片為主頻300Mhz的浮點(diǎn)處理芯片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于電能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、控制模塊、以太網(wǎng)控制器和高速通訊總線，所述的數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與運(yùn)算放大器連接，所述的運(yùn)算放大器通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片與控制芯片連接，所述的控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)控制器與高速通訊總線連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、功耗低、安裝方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠、通訊速率塊、高速組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R22/10GK202522624SQ20122010420
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
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