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一種通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)，該方法由信號(hào)調(diào)理電路、隔離運(yùn)放電路、低通濾波電路、比較器電路和數(shù)字信號(hào)處理器組成。信號(hào)調(diào)理電路采用通用電路設(shè)計(jì)，交流工頻信號(hào)可以從1V到250V電壓范圍，滿足電力系統(tǒng)大部分應(yīng)用場(chǎng)合。隔離運(yùn)放電路用于隔離強(qiáng)電和弱電信號(hào)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的變壓器元件，低通濾波器和比較器電路配合隔離運(yùn)放電路，把交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，比較器電路輸出的信號(hào)無需信號(hào)隔離，可是直接接到數(shù)字信號(hào)處理器，完成頻率計(jì)算。該方法具有電路簡單、體積小、相位延時(shí)小等特點(diǎn)。
【專利說明】一種通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)屬于電氣系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及繼電保護(hù)裝置頻率測(cè)量技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置中，輸入信號(hào)都是二次互感器傳送來的工頻(50Hz)信號(hào)，電壓值可能是幾十伏到幾百伏，繼電保護(hù)裝置每周波(20mS)要采集固定點(diǎn)數(shù)(24點(diǎn)或40點(diǎn))實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)繼電保護(hù)裝置要進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)算法運(yùn)算，判斷電網(wǎng)是否有短路或接地等各種故障。為了保證保護(hù)算法的精確性和可靠性，每周波采集的數(shù)據(jù)要是實(shí)際頻率(50Hz)的整倍數(shù)，并且相位延時(shí)要盡量小。這樣就需要每個(gè)裝置有一個(gè)工頻信號(hào)頻率測(cè)量功能，根據(jù)測(cè)量的頻率確定采樣點(diǎn)的時(shí)刻。目前國內(nèi)絕大部分微機(jī)保護(hù)裝置都具有頻率測(cè)量功能，比如對(duì)交流輸入信號(hào)A相電壓測(cè)量，通過互感器轉(zhuǎn)換為0-5V的信號(hào)，再通過光耦器件或者比較器處理后送給單片機(jī)測(cè)量頻率，這些頻率測(cè)量方法都只能對(duì)固定輸入電壓的信號(hào)檢測(cè)，如果輸入信號(hào)是變化的，比如從5V到220V，目前的測(cè)量方法都很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)由于采用互感器器件，體積較大，這個(gè)電路也比較復(fù)雜，對(duì)輸入信號(hào)延時(shí)較長，精度難以保證。
[0003]專利201210108584.5《一種高精度測(cè)頻系統(tǒng)》公開了一種高精度測(cè)頻系統(tǒng)，包括激振電路、振弦式傳感器、傳感器測(cè)振電路和溫度補(bǔ)償電路，由于采用了溫度補(bǔ)償電路，所以提高了測(cè)量精度。該專利測(cè)量精度確實(shí)可以做的很高，不過由于采用了傳感器器件，電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，該電路面積和體積都比較大。另外，該專利對(duì)輸入電壓范圍和相位延時(shí)的適用范圍較窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中電力系統(tǒng)測(cè)頻系統(tǒng)體積較大、電路復(fù)雜、對(duì)輸入信號(hào)延時(shí)較長、精度難以保證或者適用范圍較窄等問題，提出了一種通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)，由信號(hào)調(diào)理電路、隔離運(yùn)放電路、低通濾波電路、比較器電路、數(shù)字信號(hào)處理器、供電電路和電源隔離電路組成；其特征為:
[0007]所述信號(hào)調(diào)理電路、隔離運(yùn)放電路、低通濾波電路、比較器電路、數(shù)字信號(hào)處理器順次連接，供電電路為隔離運(yùn)放電路、低通濾波電路、比較器電路、數(shù)字信號(hào)處理器提供所需電源。
[0008]其中，所述的信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的端口防護(hù)電路、差分濾波電路、電平鉗位電路和限流限壓電路；差分濾波電路濾掉輸入信號(hào)的高頻分量，并和電平鉗位電路一起把輸入寬范圍電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為固定電壓幅值的信號(hào)，限流限壓電路為后級(jí)電路提供過流過壓保護(hù)功能。
[0009]端口防護(hù)電路依次連接氣體放電管、差模電容和共模電容，氣體放電管放電電壓在300V，用于浪涌防護(hù)，差模電容和共模電容用于瞬變保護(hù)，同時(shí)還可以人身安全防護(hù)。
[0010]所述的隔離運(yùn)放電路采用差分隔離運(yùn)算放大器，隔離運(yùn)放電路的輸出通過低通濾波電路接到差分比較器電路，低通濾波電路采用無源差分RC濾波器，濾除高頻信號(hào)，同時(shí)通過不同上下拉電阻為差分比較器提供靜態(tài)工作點(diǎn)。
[0011 ] 所述供電電路通過電源隔離電路后把數(shù)字電路5V電壓轉(zhuǎn)換模擬電路5V為隔離運(yùn)放電路供電。電源隔離電路輸入和輸出之間隔離電壓為3000V，電源模塊輸出具備穩(wěn)壓性能，輸入端和輸出端均采用Π型濾波器實(shí)現(xiàn)，輸入側(cè)采用電容、磁珠、電容濾波電路，輸出側(cè)采用電容、電感、電容濾波電路，電感值大于4.7uH。
[0012]本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0013]1、通用電壓信號(hào)調(diào)理技術(shù)，由于電力二次互感器輸出電壓不一樣，有的可能是十幾伏有的可能是220V，傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路都是每種電壓等級(jí)的輸入信號(hào)用不同的電路實(shí)現(xiàn)，硬件通用性差、成本較高。本申請(qǐng)采用電阻電容和電平鉗位電路將寬范圍輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定電壓幅值的信號(hào)，這樣不管輸入信號(hào)如何變化，后續(xù)電路信號(hào)不會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)還有一定的濾波作用，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形。
[0014]2、良好的電路抗干擾能力，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置對(duì)于EMC要求極高，尤其是在現(xiàn)在數(shù)字化變電站中，浪涌能力要到4級(jí)，瞬變干擾能力要到4級(jí)，這就對(duì)電路隔離器件和端口防護(hù)提供了很高的要求。本申請(qǐng)端口防護(hù)電路依次連接氣體放電管、差模電容和共模電容，氣體放電管放電電壓在300V，用于浪涌防護(hù)，差模電容和共模電容用于瞬變保護(hù)，同時(shí)還可以人身安全防護(hù)。隔離運(yùn)放器和隔離電源都采用高隔離電壓和靜電防護(hù)的器件，保證電路在嚴(yán)酷電磁干擾環(huán)境中正常工作。
[0015]3、小體積工頻信號(hào)測(cè)量技術(shù)，繼電保護(hù)裝置功能越來越強(qiáng)，內(nèi)部板卡越來越多，板卡體積和面積要求也比較高，體積要盡量小。傳統(tǒng)的電壓互感器體積都比較大，使用非常不方便。本申請(qǐng)采用先進(jìn)的隔離運(yùn)放器代替?zhèn)鹘y(tǒng)電壓互感器，可以大大減小電路板面積和體積，隔離電壓和測(cè)量精度都比電壓互感器高，通用性更強(qiáng)，不但可以用在繼電保護(hù)裝置中，還可以用在風(fēng)電、水電等不同領(lǐng)域中。
[0016]4、小相位延時(shí)頻率測(cè)量技術(shù)，交流信號(hào)測(cè)量要求整周期等間隔采樣，一般都用工頻信號(hào)過零點(diǎn)作為采樣起始時(shí)刻，這樣頻率測(cè)量電路延時(shí)越小，測(cè)量實(shí)時(shí)性越好，精度也就越高。本申請(qǐng)采用高速轉(zhuǎn)換器件、比較器件和無源差分濾波電路，硬件延時(shí)很小，同時(shí)由于工頻信號(hào)測(cè)量，數(shù)字信號(hào)處理器軟件還可以根據(jù)上一周期的實(shí)際硬件延時(shí)提前設(shè)定下一周期采樣時(shí)刻，使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)相位延時(shí)極小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量電路示意圖；
[0018]圖2為通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量主電路圖；
[0019]圖3為隔離運(yùn)放電路輸入和輸出波形圖；
[0020]圖4為輸入電壓為IOV時(shí)比較器輸出端波形圖；
[0021]圖5為輸入電壓為220V時(shí)比較器輸出端波形圖。
【具體實(shí)施方式】[0022]下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)介紹。
[0023]本發(fā)明提供一種通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量方法，如圖1所示為通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量電路示意圖。該方法通過信號(hào)調(diào)理電路、隔離運(yùn)放電路、低通濾波電路和比較器電路(即差分比較器電路)把電力二次互感器傳送來的寬范圍的通用電壓輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為固定頻率的脈沖信號(hào)，送給數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)時(shí)運(yùn)算采集。信號(hào)調(diào)理電路依次連接端口防護(hù)電路、差分濾波電路、電平鉗位電路和限流限壓電路。如附圖2通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量主電路圖所示，端口防護(hù)電路依次連接氣體放電管RV1、差模電容C6和共模電容Cl、C9。氣體放電管連接在通用電壓輸入信號(hào)L、N兩端，放電電壓300V，最大放電電流2kA，為通用電壓輸入信號(hào)提供過壓和浪涌防護(hù)，差模電容和氣體放電管并聯(lián)，差模電容為2kV/102，共模電容連接在輸入信號(hào)和保護(hù)地之間，共模電容275V/104，均為安規(guī)電容，為輸入信號(hào)提供快速脈沖干擾防護(hù)。
[0024]通用電壓輸入信號(hào)經(jīng)過防護(hù)電路后變?yōu)椴罘中盘?hào)，通過差分濾波電路(R6、R10、C5、C7、C8)濾掉輸入信號(hào)的高頻分量，并和電平鉗位電路(R6、RIO、DU D2) 一起把輸入寬范圍電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為固定電壓幅值的信號(hào)，輸入信號(hào)電壓范圍可以從IV到220V，正弦波、三角波和脈沖信號(hào)都可以識(shí)別。差分濾波器截止頻率可以根據(jù)需要設(shè)置為lOO-lOOOHz，避免高次諧波引入，保證信號(hào)線性度，電壓鉗位電路鉗位電壓為正負(fù)IV，限流限壓電路(R7、R11、R3、R13)為后級(jí)電路提供過流過壓保護(hù)功能，限流電路把信號(hào)電流限制在1mA，限壓電路為隔離運(yùn)放電路提供靜態(tài)工作點(diǎn)，限制共模電壓在2.5V。
[0025]經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后的信號(hào)送到隔離運(yùn)放電路，隔離運(yùn)放電路采用差分隔離運(yùn)算放大器U1，原端和副端通過5V轉(zhuǎn)5V的隔離電源模塊供電，隔離運(yùn)放隔離電壓可到4000V，精度可到0.1%，輸入信號(hào)頻率范圍可到60kHz，完全滿足電力系統(tǒng)測(cè)量要求。
[0026]隔離運(yùn)放輸出的差分信號(hào)還要經(jīng)過通過低通濾波電路接到差分比較器電路(U3、R4、C4)，低通濾波電路(R8、R9、C20、C21)采用無源差分RC濾波器，此處低通濾波電路主要用于濾除隔離運(yùn)放產(chǎn)生高頻干擾信號(hào)，濾波器截止頻率設(shè)為1kHz。由于無源濾波電路的引入，所以對(duì)比較器有一定的要求，比較器要能接收差分信號(hào)輸入，輸入阻抗要大于1ΜΩ，共模電壓范圍要大于0.5-4.5V范圍，比較器的輸出應(yīng)該為集電極開路方式，輸出信號(hào)壓擺率要足夠大，以適應(yīng)后續(xù)不同電壓等級(jí)輸入的要求。由于隔離運(yùn)放沒有信號(hào)輸入的時(shí)候，輸出為固定電平，此時(shí)差分電壓可能會(huì)有波動(dòng)導(dǎo)致比較器非正常翻轉(zhuǎn)，所以需要在比較器前端通過不同上下拉電阻(R5、R12)為差分比較器提供靜態(tài)工作點(diǎn)。
[0027]圖3所示為隔離運(yùn)放輸入和輸出波形圖，C2為隔離運(yùn)放輸入端信號(hào)，通過電平鉗位電路轉(zhuǎn)變?yōu)?1V?+IV，頻率為50.01Hz,Cl為隔離運(yùn)放輸出輸出信號(hào)，因?yàn)椴罘中盘?hào)，中心電壓為2.5V，變化范圍為±2.5V，所以信號(hào)范圍是O?5V，頻率為50.0lHz。從圖上可以看出，輸入正負(fù)IV交流正弦波信號(hào)通過隔離運(yùn)放后變?yōu)?V-5V電壓范圍的直流脈沖信號(hào)，頻率保持不變，延遲時(shí)間極短，小于10uS。
[0028]比較器輸出信號(hào)經(jīng)過上拉電阻接到數(shù)字信號(hào)處理器供電電壓5V上，輸出信號(hào)可以直接接到數(shù)字信號(hào)處理器，也可以通過施密特觸發(fā)器變換后送到數(shù)字信號(hào)處理器。數(shù)字信號(hào)處理器通過邊沿捕獲功能獲得上升沿時(shí)刻，通過計(jì)算相鄰2個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔可以折算出輸入信號(hào)的頻率。同時(shí)上升沿時(shí)刻也是交流工頻信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻是啟動(dòng)模擬信號(hào)采樣的時(shí)刻，輸入信號(hào)周期除以采樣點(diǎn)數(shù)就是采樣間隔時(shí)間，如果要更加精確的確定下一周期采樣時(shí)刻，可以根據(jù)上一周期測(cè)量的周期值減去硬件電路延時(shí)時(shí)間作為下一周期開始采樣時(shí)刻，這樣可以精確控制第一組采樣值即為實(shí)際信號(hào)過零點(diǎn)的值。
[0029]如圖4和圖5分別為輸入信號(hào)IOV和220V時(shí)輸出信號(hào)波形圖，Cl為輸入信號(hào)IOV和220V交流信號(hào)，C2為比較器電路輸出信號(hào)0-5V，信號(hào)頻率分別為50.07Hz和50.08Hz，為了配合后面數(shù)字信號(hào)處理，比較器電路把信號(hào)做了反相處理。從圖上可以看出，信號(hào)延時(shí)很短，應(yīng)該在ImS以內(nèi)，按照工頻信號(hào)一周期360度計(jì)算，總的硬件延時(shí)小于0.3度，滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置和電能質(zhì)量測(cè)量要求。
[0030]供電電路通過電源隔離電路后把數(shù)字電路5V電壓轉(zhuǎn)換模擬電路5V為隔離運(yùn)放電路供電。隔離運(yùn)放前端用模擬電路5V供電，后端用數(shù)字電路5V供電，電源隔離電路輸入和輸出之間隔離電壓為3000V，電源模塊輸出具備穩(wěn)壓性能，輸入端和輸出端均采用Π型濾波器實(shí)現(xiàn)，輸入側(cè)采用電容、磁珠、電容濾波電路，輸出側(cè)采用電容、電感、電容濾波電路，為了防止負(fù)載側(cè)容性負(fù)載過大，濾波電路電感值大于4.7uH。電源模塊采用IW功率國外廠家隔離模塊，隔離電壓大于3000V，電源轉(zhuǎn)換效率為84%，工業(yè)級(jí)溫度范圍，紋波小于20mV。
[0031]整個(gè)電路具有很強(qiáng)的抗干擾能力，頻率測(cè)量電路通過一個(gè)5x5cm的電路板實(shí)現(xiàn)，電路板通過雙排連接器連接到主處理器板卡上。經(jīng)過靜電、瞬變、浪涌以及衰減震蕩波試驗(yàn)，功能正常。
[0032]以上給出的實(shí)施例用以說明本發(fā)明和它的實(shí)際應(yīng)用，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何一個(gè)本專業(yè)的技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)，依據(jù)以上技術(shù)和方法作一定的修飾和變更當(dāng)視為等同變化的等效實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種通用電壓輸入的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)，由信號(hào)調(diào)理電路、隔離運(yùn)放電路、低通濾波電路、比較器電路、數(shù)字信號(hào)處理器、供電電路和電源隔離電路組成；其特征為: 所述信號(hào)調(diào)理電路、隔離運(yùn)放電路、低通濾波電路、比較器電路、數(shù)字信號(hào)處理器順次連接，供電電路為隔離運(yùn)放電路、低通濾波電路、比較器電路、數(shù)字信號(hào)處理器提供所需電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于: 所述信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的端口防護(hù)電路、差分濾波電路、電平鉗位電路和限流限壓電路； 通用電壓輸入信號(hào)經(jīng)過防護(hù)電路后變?yōu)椴罘中盘?hào)，經(jīng)差分濾波電路濾掉通用電壓輸入信號(hào)中的高頻分量，并和電平鉗位電路一起把通用電壓輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為固定電壓幅值的信號(hào)，限流限壓電路為后級(jí)電路提供過流過壓保護(hù)功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于: 所述端口防護(hù)電路包括依次連接氣體放電管、差模電容和共模電容，氣體放電管放電電壓為300V，用于浪涌防護(hù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于: 所述的隔離運(yùn)放電路采用差分隔離運(yùn)算放大器，隔離運(yùn)放電路的輸出通過低通濾波電路接到比較器電路，低通濾波電路采用無源差分RC濾波器，濾除高頻信號(hào)，同時(shí)通過不同上下拉電阻為比較器提供靜態(tài)工作點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于: 所述供電電路通過電源隔離電路后把數(shù)字電路5V電壓轉(zhuǎn)換模擬電路5V為隔離運(yùn)放電路供電，電源隔離電路輸入和輸出之間隔離電壓為3000V，電源模塊輸出具備穩(wěn)壓性能，輸入端和輸出端均采用Π型濾波器實(shí)現(xiàn)，輸入側(cè)采用電容、磁珠、電容濾波電路，輸出側(cè)采用電容、電感、電容濾波電路，電感值大于4.7uH。
【文檔編號(hào)】G01R23/02GK103698600SQ201410001283
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】徐萬方, 陳建英, 徐剛, 唐喜 申請(qǐng)人:北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司