一种低压台区分路监测装置及其录波与故障研判方法
技术领域
本发明涉及一种低压台区分路监测装置及其录波与故障研判方法，属于台区监测
技术领域
。背景技术
传统的低压监测装置基于专用ADC芯片，采用复杂外围模拟电路进行了相关功能的构建。这种架构中，基础计量功能与台区监测功能是分立存在的。具有实现电路复杂度高、成本高及占用空间多等缺陷。上述缺陷不符合目前低压监控装置的小型化、成本低廉化、电路智能化等发展趋势。
如图1所示为传统的低压台区分路监测装置模拟电路方案，该方案中基础计量和台区监测功能属于两个分立的分支。其中计量芯片可采用目前主流的HT7036等，属于满足IR46的双芯计量架构。台区监测功能由数据处理单元来实现，外部电压电流信号分别经过PT、CT隔离采样后送入到专门的信号调理电路，然后经过滤波、放大（包括选频放大）处理后再送入到专用ADC芯片中进行数据进一步处理，然后再由业务管理芯片读取ADC芯片数据并与主控平台进行数据交互，实现台区监测功能。在这种方案中，存在两个管理芯片，架构较为复杂。该方案用到的ADC芯片成本较高，且整体台区监测功能处理效果受前端滤波、选频放大等模拟电路效果影响，在工业级使用环境中，容易受外部EMC干扰。且这种架构对于主控平台结构复杂，成本高，占用空间大；
传统方案的缺点还有如下所示：
1、架构复杂。存在多个管理芯。
2、成本高。台区监测功能与基础计量功能分立存在。其中台区监测功能的实现依靠大量的模拟电路来实现信号调理，且采用的ADC芯片也往往成本较高。
3、稳定性差。台区监测功能对信号调理模拟电路依赖度极高，在复杂电磁环境中容易出现效果差、不稳定的情况。
4、占用空间大，不利于小型化安装。由于架构复杂，且采用较多的模拟电路来实现台区监测功能，整体装置需要占用较多的空间，不满足当前对于低压监测终端小型化、智能化及成本低廉化等要求。
5、对接口要求高，不利于广泛应用。计量管理芯与业务管理芯需要与主控平台同时存在交互通信，对于主控平台预留的接口要求高，不利于广泛应用在台区监测装置中。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种低压台区分路监测装置及其录波与故障研判方法，本发明使用高精度计量芯片HT7022E+差分转单端运放电路或SOC计量芯片+差分转单端运放电路，在计量芯片实现基础计量的同时，将ADC数据通过运放电路实时上传到业务管理芯的AD口，实现故障研判功能。
本发明的技术方案是：一种低压台区分路监测装置，包括AC-DC开关电源、后备电源、DC-DC/LDO电源、业务管理芯、三相电压采样电路、三相电流采样电路，还包括电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路和计量芯片HT7022E电路或SOC芯片RN2026；
所述三相电压采样电路、三相电流采样电路分别通过PT、CT与电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路连接；电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路均与计量芯片HT7022E电路或SOC芯片RN2026连接，计量芯片HT7022E电路或SOC芯片RN2026还与业务管理芯连接。
作为本发明的进一步方案，所述三相电压采样电路采集的三相电压、三相电流采样电路采集的三相电流包括零序电流分别经过PT、CT隔离后，相关交采信号送入电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路进行处理，处理后的信号送入计量芯片HT7022E电路或SOC芯片RN2026，计量芯片HT7022E电路或SOC芯片RN2026实现基础计量以及将原始ADC数据通过SPI的DMA功能外传到业务管理芯中。
作为本发明的进一步方案，还包括差分转单端运放电路，电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路均与差分转单端运放电路连接，差分转单端运放电路分别与计量芯片HT7022E电路或SOC芯片RN2026、业务管理芯连接。
作为本发明的进一步方案，所述电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路处理后的信号还能通过差分转单端运放电路处理后，将故障发生时的ADC数据实时的传送到业务管理芯中。
作为本发明的进一步方案，所述差分转单端运放电路由SGM8270 的4通道运放组成，一个SGM8270完成3路电压或者3路电流的差分转单端，剩余1路运放正好可以做电压跟随器给直流配置电压供电。
一种低压台区分路监测装置的录波与故障研判方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、系统上电进行初始化；
Step2、当ADC数据产生DMA半满、满中断，在中断服务程序中启动专用SPI传输，将ADC数据传到主控MCU指定BUFF；主控MCU对数据分别进行故障判断及信号识别处理；
故障判断处理：先对ADC采样数据进行归一化处理，实时计算电压电流的实时值，对数据进行各种故障判断；当有故障产生时，主动上报并保存故障信息，同时进行故障录波；
识别判断处理：先对ADC采样数据进行合法性分析，然后进行FFT变换，对变换后的数据进行识别分析；若识别到特征信号，保存识别记录，并等待记录读取；最终由终端及主站生成整个拓扑。
作为本发明的进一步方案，所述Step1中，初始化包括ADC采样数据相关初始化，ADC DMA、SPI DMA初始化，DMA半满、满中断初始化。
本发明中应用到了高精度专用计量芯片HT7022E（其他等同功能计量芯片也可以用），利用了差分转单端运放电路，实现ADC数据实时外传功能，实现了基础计量与台区故障监测功能融合存在。
本发明取消了传统方案数据处理单元中的中间芯片，改为由高精度专用计量芯片HT7022E电路+差分转单端运放电路，通过差分转单端运放电路将故障发生时的ADC数据实时的传送到业务管理芯中。将传统方案中单一的交采计量功能改为交采+故障研判双实现，既可以取消了成本较高的专用中间芯片，又增加了实时故障研判功能，同时对于业务管理芯的要求进一步降低，整体架构更加简单，起到了较大幅度的降成本。本发明方案充分利用了集成电路，缩减了对空间的占用要求。应用新方案的低压台区监测装置具有稳定性强、智能化高等优势，同时对于主控接口要求进一步降低，针对主控接口只有一个SPI或者USB的场景，业务管理芯可以以透传的方式来保留基础计量功能。
本发明的有益效果是：
1.成本低廉。充分利用了大规模集成电路优势，取消了对于专用中间管理芯片的使用，降低了业务管理芯的选型要求。
2.可靠性高。基于专用高精度计量芯片的使用，不再存在外围模拟电路带来的电磁环境影响，具有较高的可靠性。
3.智能化高。软件算法取代了模拟元器件组成的信号调理电路，可配置性高，可维护性强，方便升级处理。
4.通用性强。对主控接口要求低，适合大规模应用在低压监控装置中。
5.小型化程度高。简化的电路设计，对空间要求降低，便于低压监控装置的小型化。
6. 本发明中描述的低压分路监测装置能够实现基础计量与台区故障监测功能融合。它能够实时监测采集海量原始交采数据，并对数据做分析处理；
7. 本发明中描述的低压分路监控装置取消了复杂的中间管理芯片，改为采用专用计量芯片+运放电路方式，充分利用了成熟的大规模集成电路来实现相关功能电路的构建。将大量原模拟电路实现的功能，改为软件算法来实现，具有成本低廉、占用空间小及高度智能化等优势。另外，本发明还针对低压台区的故障特点，结合低压分路监测装置的原理，提出了低压台区典型故障研判方法。
附图说明
图1为传统的低压台区分路监测装置结构示意图；
图2为本发明的低压台区分路监测装置结构示意图；
图3为本发明的录波与故障研判方法流程图；
图4为本发明的A相电压信号采样及调理电路原理图；
图5为本发明的A相电流信号采样及调理电路原理图；
图6为本发明的计量芯片HT7022E电路原理图；
图7为本发明的电流交采电路原理图；
图8、图9均为本发明的运放电路原理图。
具体实施方式
实施例1：如图1-3所示，一种低压台区分路监测装置，包括AC-DC开关电源、后备电源、DC-DC/LDO电源、业务管理芯、三相电压采样电路、三相电流采样电路、电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路、计量芯片HT7022E电路；所述三相电压采样电路、三相电流采样电路分别通过PT、CT与电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路连接；电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路均与计量芯片HT7022E电路连接，计量芯片HT7022E电路还与业务管理芯连接。所述三相电压采样电路采集的三相电压、三相电流采样电路采集的三相电流包括零序电流分别经过PT、CT隔离后，相关交采信号送入电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路进行处理，处理后的信号送入计量芯片HT7022E电路，计量芯片HT7022E电路实现基础计量以及将原始ADC数据通过SPI的DMA功能外传到业务管理芯中。
一种低压台区分路监测装置的录波与故障研判方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、系统上电进行初始化；初始化包括ADC采样数据相关初始化，ADC DMA、SPIDMA初始化，DMA半满、满中断初始化；
Step2、当ADC数据产生DMA半满、满中断，在中断服务程序中启动专用SPI传输，将ADC数据传到主控MCU指定BUFF；主控MCU对数据分别进行故障判断及信号识别处理；
故障判断处理：先对ADC采样数据进行归一化处理，实时计算电压电流的实时值，对数据进行各种故障判断；当有故障产生时，主动上报并保存故障信息，同时进行故障录波；
识别判断处理：先对ADC采样数据进行合法性分析，然后进行FFT变换，对变换后的数据进行识别分析；若识别到特征信号，保存识别记录，并等待记录读取；最终由终端及主站生成整个拓扑。
实施例2：如图1-图4、图6所示，一种低压台区分路监测装置，包括AC-DC开关电源、后备电源、DC-DC/LDO电源、业务管理芯、三相电压采样电路、三相电流采样电路、电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路、计量芯片HT7022E电路、差分转单端运放电路；所述三相电压采样电路、三相电流采样电路分别通过PT、CT与电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路连接；电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路均与计量芯片HT7022E电路连接，计量芯片HT7022E电路还与业务管理芯连接。所述三相电压采样电路采集的三相电压、三相电流采样电路采集的三相电流包括零序电流分别经过PT、CT隔离后，相关交采信号送入电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路进行处理，处理后的信号送入计量芯片HT7022E电路，计量芯片HT7022E电路实现基础计量以及将原始ADC数据通过SPI的DMA功能外传到业务管理芯中。电压计量信号调理电路、电流计量信号调理电路均与差分转单端运放电路连接，差分转单端运放电路分别与计量芯片HT7022E电路、业务管理芯连接。
所述差分转单端运放电路由SGM8270 的4通道运放组成，一个SGM8270完成3路电压或者3路电流的差分转单端，剩余1路运放正好可以做电压跟随器给直流配置电压供电。
一种低压台区分路监测装置的录波与故障研判方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、系统上电进行初始化；初始化包括ADC采样数据相关初始化，ADC DMA、SPIDMA初始化，DMA半满、满中断初始化；
Step2、当ADC数据产生DMA半满、满中断，在中断服务程序中启动专用SPI传输，将ADC数据传到主控MCU指定BUFF；主控MCU对数据分别进行故障判断及信号识别处理；
故障判断处理：先对ADC采样数据进行归一化处理，实时计算电压电流的实时值，对数据进行各种故障判断；当有故障产生时，主动上报并保存故障信息，同时进行故障录波；
识别判断处理：先对ADC采样数据进行合法性分析，然后进行FFT变换，对变换后的数据进行识别分析；若识别到特征信号，保存识别记录，并等待记录读取；最终由终端及主站生成整个拓扑。
如图6所示为本发明采用的计量芯片HT7022E电路原理图；
本发明的工作原理简述如下：三相电压和三相电流（包括零序电流）分别经过PT(电压互感器)、CT(电流互感器)隔离后，相关交采信号送入计量信号调理电路。该电路为成熟应用的谍影滤波电路，处理后的计量信号送入到计量芯片HT7022E电路对应的电压电流相位ADC中，计量芯片HT7022E电路既可以实现基础计量功能，又可以将原始ADC数据通过专有SPI的DMA功能外传到业务管理芯中。基础计量功能可以通过与主控板对接的SPI口进行数据交互。
实施例3：如图1-图5、图7-图9所示，本实施例与实施例2相同，不同之处在于，实施例2中的计量芯片HT7022E电路替换为SOC芯片RN2026；
本发明的工作原理简述如下：三相电压和三相电流（包括零序电流）分别经过PT(电压互感器)、CT(电流互感器)隔离后，相关交采信号送入计量信号调理电路。该电路为成熟应用的谍影滤波电路，处理后的计量信号送入到SOC芯片RN2026对应的电压电流相位ADC中，RN2026既可以实现基础计量功能，又可以将原始ADC数据通过专有SPI的DMA功能外传到业务管理芯中。基础计量功能可以通过与主控板对接的SPI口进行数据交互。
如图4所示，为本发明的A相电压信号调理电路；其中B、C相电压采样电路类似。工作原理图为：R24到R32为限流电阻，经过PT1隔离后，再经过π型滤波电路，其中R22、R31为采样电阻。VAN、VAP为送入RN2026电压采样通道的差分信号；
如图5所示，为本发明的A相电压信号调理电路；其中B、C相及零序电流采样电路类似。CT输出信号经过π型滤波电路，其中R23、R34为采样电阻。IAP、IAN为送入RN2026电流采样通道的差分信号；
图7为本发明的采用的电流交采电路原理图；图8、图9均为本发明采用的运放电路原理图；IA+、IA-为外部电流互感器的二次侧采样差分信号，R122、R125为采用电阻，R121+C52和R130+C58为一阶低通滤波电路，V28、V29为双向顺变抑制器。这里组成前端采样电压转换电路部分。运放SGM8270的单通道D40A、反向输入电阻R126、R123、抗混叠电容C53、正向输入电阻R131、直流偏置电阻R133、单端信号输出匹配电阻R128组成运放电路部分。运放SGM8270的单通道D40D、分压电阻R825、R820组成电压跟随电路，提高直流偏置电压Vref_U1的电流输出能力。
VA+/VA-、VB+/VB-、VC+/VC-；IAA+/IAA-、IBB+/IBB-、ICC+/ICC-、分别为对应的三相电压、三相电流采样信号输入通道。其中HT_CS、HT_CLK、HT_DIN、HT_DOUT为HT7022E对上层管理MCU的SPI通道。HT_PCF、HT_QCF分别为RN2026输出的有功脉冲、无功脉冲信号。
CS、CLK、DOUT、DIN为RN2026的专用SPI（支持DMA），用于将交采数据外传到业务管理芯或者主控平台，以实现业务管理芯或者主控平台基于ADC数据的进一步运算，实现负荷识别、故障研判及故障录波、电能质量分析等高级台区监测功能。
差分转单端运放外围电路的电压通道和电流通道原理基本一致，以电流采样通道为例说明；电流采样电路单元(电路二次侧采样电阻+一阶滤波、单运放+直流偏置+反向放大)、电压采样电路单元(电压一次侧限流电阻、电压互感器、电压二次采样电阻+一阶滤波、单运放+直流偏置+反向放大)电路。其中，运放电路主要由SGM8270 4通道运放组成，一个SGM82704可以完成3路电压或者3路电流的差分转单端，剩余1路运放正好可以做电压跟随器给直流配置电压供电，这样总体上比之前的常规电路可减少1片SGM8270 4通道运放及其附属电路。
本发明中，使用高精度计量芯片HT7022E（其他具备等同功能的SOC计量芯片也可以试用）+差分转单端运放电路，在计量芯片实现基础计量的同时，将ADC数据通过运放电路实时上传到业务管理芯的AD口，实现故障研判功能。
对于主控接口只存在1路SPI口或者1路USB口的情况下，业务管理芯既能实现基础计量的透传功能，又能利用ADC数据来实现台区监测功能。
使用专门的软件算法流程来实现ADC数据上传、信号放大及调理功能，取消了大量模拟元器件组成的信号调理电路。
本发明高精度计量芯片HT7022E+差分转单端运放电路组合具备交采计量功能+ADC数据实时上传功能。
本发明业务管理芯可以取消，可将模拟数据直接上送到主控层再实现相关台区监测功能。
本发明中描述的低压分路监测装置能够实现基础计量与台区故障监测功能融合。它能够实时监测采集海量原始交采数据，并对数据做分析处理，具备电压失压故障（欠压）、停电故障、断相故障、电压过压故障、电流过流故障、电流失流、单相接地短路故障、逆相序故障、负荷过载故障、掉电故障和零序电流偏大故障研判功能。支持暂态（电压和电流）录波、瞬态录波、召唤录波、开关变位触发录波以及自定义触发录波，充分挖掘数据应用价值。
本发明中描述的低压分路监控装置取消了复杂的中间管理芯片，改为采用专用计量芯片+运放电路方式，充分利用了成熟的大规模集成电路来实现相关功能电路的构建。将大量原模拟电路实现的功能，改为软件算法来实现，具有成本低廉、占用空间小及高度智能化等优势。另外，本发明还针对低压台区的故障特点，结合低压分路监测装置的原理，提出了低压台区典型故障研判方法。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
