一种变电站无线多点电流电压相位伏安测量表计
阅读说明：本技术 一种变电站无线多点电流电压相位伏安测量表计 (Wireless multipoint current-voltage phase volt-ampere measuring meter of transformer substation ) 是由 黄智华 沈力 王元冬 袁峻 张南辉 刘志洪 刘洪兵 侯斌 李蕊 邹学翔 罗昕宇 于 2020-12-07 设计创作，主要内容包括：本发明是一种变电站无线多点电流电压相位伏安测量表计,该表计包含一个数据处理主机和2个电压采集单元、8个电流采集单元；电压采集单元与主机、电流采集单元与主机之间均通过无线通信进行数据传输,数据处理主机负责完成所有电压采集单元、电流采集单元的时间同步功能、数据采集控制功能。本发明满足了目前智能变电站电流电压采集特殊方式下,电流电压幅值相位测量所需的长距离数据同步采集及传输的需求。(The invention relates to a wireless multipoint current-voltage phase volt-ampere measuring meter of a transformer substation, which comprises a data processing host, 2 voltage acquisition units and 8 current acquisition units, wherein the data processing host is connected with the voltage acquisition units; the voltage acquisition unit and the host computer, the current acquisition unit and the host computer are in data transmission through wireless communication, and the data processing host computer is responsible for completing the time synchronization function and the data acquisition control function of all the voltage acquisition units and the current acquisition units. The invention meets the requirement of long-distance data synchronous acquisition and transmission required by current and voltage amplitude phase measurement in a special current and voltage acquisition mode of the intelligent substation.)
技术领域
本发明涉及电力系统测量技术领域，涉及一种变电站无线多点电流电压相位伏安测量表计。
背景技术
变电站二次系统继电保护装置所使用的电流电压向量在新建或改建投产带负荷后，均需要对前期验收的电流电压回路进行带负荷伏安特性测试，以通过实际负荷电流电压量的相位及幅值，验证电流电压回路接线及极性相序的正确性。
目前系统内使用的双钳形相位伏安表均采用有线连接及数据传输，电流电压测试通道一般配置两路电压输入、两路电流输入，此类型相位伏安表在二次系统测试时能够满足一般性对电流电压量的测量及验证。但受制于数据传输方式及有限的数据采集通道数量，此类型相位伏安表在一些需要同时对多个交流电流或电压量进行测量验证的场合，比如母线保护交流量，就必须多次反复测量，但电网系统瞬息万变，不同时间段测量的交流量放到一起进行系统验证时，并不能得出较为准确的结果。
另外，目前智能站发展迅速，智能站特殊的电流电压采集方式，部分变电站采用在智能变电站中，户外电流互感器、电压互感器二次输出模拟量通过模数转换，通过光回路上送至位于主控室智能合并单元上，这就造成智能站内保护屏不在像常规站保护屏内，可以轻易找到所有电压及电流回路，两个要测交流电压电流量可能相距数十米至数百米，目前所使用的的传统双钳相位伏安表根本无法满足变电站现场使用要求。因此，研制一种变电站无线多点电流电压相位伏安测量表计具有迫切的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变电站无线多点电流电压相位伏安测量表计，以解决目前电力系统内所使用的的传统双钳相位伏安表数据采集及传输上存在较大的局限性，无法满足部分保护装置多路交流量同时采集并加以向量分析的需求的问题。
本发明所采用的技术方案是:
一种变电站无线多点电流电压相位伏安测量表计，该表计包含一个数据处理主机和2个电压采集单元、8个电流采集单元；电压采集单元与主机、电流采集单元与主机之间均通过无线通信进行数据传输，数据处理主机负责完成所有电压采集单元、电流采集单元的时间同步功能、数据采集控制功能，数据采集控制集成在数据处理主机内，各个电压采集单元、电流采集单元在得到采集命令后只负责完成数据采集、数据装换及数据上送功能；
数据处理主机具备多点电流电压采集数据的伏安特性分析及测量数据统一基准下的向量图显示功能，与个数据采集从机之间通过2.4GHz无线数据传输方式连接，并对各单元通过同步信号对采集数据进行同步，确保交流量采集的通行及数据分析的准确性；
数据处理主机具备将测试结果显示于自带的LCD屏上，并可将测试结果及数据通过无线或有线数据传输接口送出；
电压采集单元由交流电压采集单元单片机及2.4GHz无线通信模块组成，并由数据处理主机控制其工作与退出；
电流采集单元由交流电流采集电流单元单片机及2.4GHz无线通信模块组成，并由数据处理主机控制其工作与退出。
进一步地，所述的数据处理主机硬件包括：
1）适配AC220V电源的充电模块；
2）锂电池管理模块以及锂电池组，电源管理模块设置有电池过充保护电路，电池过充保护电路与电池充电模块连接，所述电池组的后端设置有电池过放保护电路，电池过放保护电路与纯正弦波逆变器连接；锂电池组通过供电电路对数据处理主机其他各部件供电；
3）2.4GHz无线通信模块基于Nordic公司nRF24E1单片机与无线收发天线构成，用于与各电压采集单元、电流采集单元之间自由通信；nRF24E1内嵌2.4GHz无线内核nRF2401芯片，内置CRC校验和多点通信控制，用于点对多通信；
4）LCD液晶显示屏用于显示数据处理结果及信息；
5）数据处理及运算单元基于意法半导体公司STM32F103X主控芯片，提供16通道的12位A/D转换器，利用该芯片再带的时钟系统，与电压采集单元、电流采集单元实现数据采集同步，同时对单片机上位机进行数据采集系统的软件设计，实现对采集数据的处理及显示；
6）功能控制模块 采用德州仪器公司的 TMS320F2812 芯片，以实现对整个数据采集分析系统的集中控制，并对数据处理及运算单元发送控制命令。
进一步地，所述电压采集单元硬件包括：
1）适配AC220V电源的充电模块；
2）锂电池管理模块以及锂电池组，电源管理模块设置有电池过充保护电路，电池过充保护电路与电池充电模块连接，所述电池组的后端设置有电池过放保护电路，电池过放保护电路与纯正弦波逆变器连接；锂电池组通过供电电路对数据处理主机其他各部件供电；
3）2.4GHz无线通信模块基于Nordic公司nRF24E1单片机与无线收发天线构成，用于与各电压采集单元、电流采集单元自由通信，nRF24E1内嵌2.4GHz无线内核nRF2401芯片，内置CRC校验和多点通信控制，用于点对多通信；
4）电压采集单元采用霍尔互感器采集交流电压信号，将信号传送给意法半导体公司STM32芯片对采集的信号进行调整，信号处理电路将调整好的信号进行 A/D 采样并进行运算处理，并使用4GHz无线通信模块将数据上送集中数据处理单元。
进一步地，所述电流采集单元硬件包括：
1)适配AC220V电源的充电模块；
2）锂电池管理模块以及锂电池组，电源管理模块设置有电池过充保护电路，电池过充保护电路与电池充电模块连接，所述电池组的后端设置有电池过放保护电路，电池过放保护电路与纯正弦波逆变器连接，锂电池组通过供电电路对数据处理主机其他各部件供电；
3）2.4GHz无线通信模块基于Nordic公司nRF24E1单片机与无线收发天线构成，作为与各电压采集单元、电流采集单元自由通信；nRF24E1内嵌2.4GHz无线内核nRF2401芯片，内置CRC校验和多点通信控制，适合点对多通信；
4）采用霍尔互感器采集交流电压信号，将信号传送给STM32对采集的信号进行调整，信号处理电路将调整好的信号进行 A/D 采样并进行运算处理，并使用4GHz无线通信模块将数据上送集中数据处理单元。
本发明的有益效果：
1、本发明可完全替代目前系统内使用较为普遍的双钳相位伏安表，并可在其他特殊需求及测试条件严苛的变电站或其他场所使用，也可使用与目前发展较为迅速的智能变电站内电流电压伏安特性测试工作现场。
2、可实现同步测量同一时刻所有电流电压数据，电流及电压回路极性、接线正确性判断更为准确，完全解决现阶段相位伏安表测试数据存在的时间差，从而导致交流回路极性及接线正确性判断上存在的误差。也满足了目前智能变电站电流电压采集特殊方式下，电流电压幅值相位测量所需的长距离数据同步采集及传输的需求。
附图说明
图1是本发明的数据处理主机的结构示意图。
图2 是本发明的数据处理主机硬件框图。
图3 是本发明的电压采集单元结构示意图。
图4是本发明的电压采集单元硬件框图。
图5 是本发明的电流采集单元结构示意图。
图6 是本发明的电流采集单元硬件框图。
图中，1-2.4GHz无线通信模块，2-数据传输接口（USB），3-LCD液晶显示屏，4-通信指示灯，5-电源开关，6-功能按钮，7-充电端口，8-2.4GHz无线通信模块，9-通信指示灯，10-电源开关，11-电压采集接口（一路电压），12-充电端口，13-2.4GHz无线通信模块，14-通信指示灯，15-电源开关，16-电流采集接口（两路电流），17-充电端口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步详细说明。本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用仪器，器具未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本发明的变电站无线多点电流电压相位伏安测量表计，包括一个数据处理主机和2个电压采集单元、8个电流采集单元；电压采集单元与主机、电流采集单元与主机之间均通过无线通信进行数据传输，数据处理主机负责完成所有电压采集单元、电流采集单元的时间同步功能、数据采集控制功能，数据采集控制集成在数据处理主机内，各个电压采集单元、电流采集单元在得到采集命令后只负责完成数据采集、数据装换及数据上送功能。
数据处理主机具备多点电流电压采集数据的伏安特性分析及测量数据统一基准下的向量图显示功能，与个数据采集从机之间通过2.4GHz无线数据传输方式连接，并对各单元通过同步信号对采集数据进行同步，确保交流量采集的通行及数据分析的准确性。
数据处理主机具备将测试结果显示于自带的LCD屏上，并可将测试结果及数据通过无线或有线数据传输接口送出。
电压采集单元由交流电压采集单元单片机及2.4GHz无线通信模块组成，并由数据处理主机控制其工作与退出。
电流采集单元由交流电流采集电流单元单片机及2.4GHz无线通信模块组成，并由数据处理主机控制其工作与退出。
如图1所示，数据处理主机机体结构包括：壳体1、数据传输接口（USB）2、LCD液晶显示屏3、通信指示灯4、电源开关5、功能按钮6、充电端口7。
如图2 所示，数据处理主机硬件包含：
1）适配AC220V电源的充电模块；
2）锂电池管理模块以及锂电池组，电源管理模块设置有电池过充保护电路，电池过充保护电路与电池充电模块连接，所述电池组的后端设置有电池过放保护电路，电池过放保护电路与纯正弦波逆变器连接；锂电池组通过供电电路对数据处理主机其他各部件供电；
3）2.4GHz无线通信模块基于Nordic公司nRF24E1单片机与无线收发天线构成，用于与各电压采集单元、电流采集单元之间自由通信；nRF24E1内嵌2.4GHz无线内核nRF2401芯片，内置CRC校验和多点通信控制，用于点对多通信；
4）LCD液晶显示屏用于显示数据处理结果及信息；
5）数据处理及运算单元基于意法半导体公司STM32F103X主控芯片，提供16通道的12位A/D转换器，利用该芯片再带的时钟系统，与电压采集单元、电流采集单元实现数据采集同步，同时对单片机上位机进行数据采集系统的软件设计，实现对采集数据的处理及显示；
6）功能控制模块 采用德州仪器公司的 TMS320F2812 芯片，以实现对整个数据采集分析系统的集中控制，并对数据处理及运算单元发送控制命令。
如图3所示，本发明有2个电压采集单元，其机体结构包括壳体8、通信指示灯9、电源开关10、电压采集接口11（一路电压）、充电端口12。
如图4所示，本发明的电压采集单元硬件包：
1）适配AC220V电源的充电模块；
2）锂电池管理模块以及锂电池组，电源管理模块设置有电池过充保护电路，电池过充保护电路与电池充电模块连接，所述电池组的后端设置有电池过放保护电路，电池过放保护电路与纯正弦波逆变器连接；锂电池组通过供电电路对数据处理主机其他各部件供电；
3）2.4GHz无线通信模块基于Nordic公司nRF24E1单片机与无线收发天线构成，用于与各电压采集单元、电流采集单元自由通信，nRF24E1内嵌2.4GHz无线内核nRF2401芯片，内置CRC校验和多点通信控制，用于点对多通信；
4）电压采集单元采用霍尔互感器采集交流电压信号，将信号传送给意法半导体公司STM32芯片对采集的信号进行调整，信号处理电路将调整好的信号进行 A/D 采样并进行运算处理，并使用4GHz无线通信模块将数据上送集中数据处理单元。
如图5 所示，本发明有8个电流采集单元，其机体结构包括：壳体13、通信指示灯14、电源开关15、电流采集接口（两路电流）16、充电端口17。
如图6 所示，本发明的电流采集单元硬件包括：
1)适配AC220V电源的充电模块；
2）锂电池管理模块以及锂电池组，电源管理模块设置有电池过充保护电路，电池过充保护电路与电池充电模块连接，所述电池组的后端设置有电池过放保护电路，电池过放保护电路与纯正弦波逆变器连接，锂电池组通过供电电路对数据处理主机其他各部件供电；
3）2.4GHz无线通信模块基于Nordic公司nRF24E1单片机与无线收发天线构成，作为与各电压采集单元、电流采集单元自由通信；nRF24E1内嵌2.4GHz无线内核nRF2401芯片，内置CRC校验和多点通信控制，适合点对多通信；
4）采用霍尔互感器采集交流电压信号，将信号传送给STM32对采集的信号进行调整，信号处理电路将调整好的信号进行 A/D 采样并进行运算处理，并使用4GHz无线通信模块将数据上送集中数据处理单元。
本测量表计包含2路电压采集单元、8路电流采集单元，两种类型采集单元配置数量根据作业现场需求进行配置，相互之间功能独立，互不干扰。所有采集单元均由数据处理主机进行统一控制，通过自身的电压、电流采集功能，在接收到数据处理主机下达的工作命令后，在变电站各个地点完成电压、电流数据量的采集，然后通过各自配备的无线通信模块将数据上送数据处理主机，各电压、电流采集单元同时还能接受数据处理主机下送的工作指令及时钟同步指令；
数据处理主机集成本采集仪器的总控制功能，负责在具备测量条件时，向各电压、电流采集单元下送工作控制指令、下送采集数据时钟同步指令；同时利用自身具备的数据处理功能，对各个电压采集单元、电流采集单元所采集的数据在同一标度下进行处理级向量折算，然后最终将数据处理结果显示在主机LCD屏内，供测试人员使用。