一種通用電壓輸入的工頻信號頻率測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種通用電壓輸入的工頻信號頻率測量系統，該方法由信號調理電路、隔離運放電路、低通濾波電路、比較器電路和數字信號處理器組成。信號調理電路采用通用電路設計，交流工頻信號可以從1V到250V電壓范圍，滿足電力系統大部分應用場合。隔離運放電路用于隔離強電和弱電信號，代替傳統的變壓器元件，低通濾波器和比較器電路配合隔離運放電路，把交流信號變為直流信號，比較器電路輸出的信號無需信號隔離，可是直接接到數字信號處理器，完成頻率計算。該方法具有電路簡單、體積小、相位延時小等特點。
【專利說明】一種通用電壓輸入的工頻信號頻率測量系統
【技術領域】
[0001]本申請屬于電氣系統【技術領域】，尤其涉及繼電保護裝置頻率測量技術。
【背景技術】
[0002]在傳統電力系統繼電保護裝置中，輸入信號都是二次互感器傳送來的工頻(50Hz)信號，電壓值可能是幾十伏到幾百伏，繼電保護裝置每周波(20mS)要采集固定點數(24點或40點)實時數據，根據這些數據繼電保護裝置要進行實時保護算法運算，判斷電網是否有短路或接地等各種故障。為了保證保護算法的精確性和可靠性，每周波采集的數據要是實際頻率(50Hz)的整倍數，并且相位延時要盡量小。這樣就需要每個裝置有一個工頻信號頻率測量功能，根據測量的頻率確定采樣點的時刻。目前國內絕大部分微機保護裝置都具有頻率測量功能，比如對交流輸入信號A相電壓測量，通過互感器轉換為0-5V的信號，再通過光耦器件或者比較器處理后送給單片機測量頻率，這些頻率測量方法都只能對固定輸入電壓的信號檢測，如果輸入信號是變化的，比如從5V到220V，目前的測量方法都很難實現，同時由于采用互感器器件，體積較大，這個電路也比較復雜，對輸入信號延時較長，精度難以保證。
[0003]專利201210108584.5《一種高精度測頻系統》公開了一種高精度測頻系統，包括激振電路、振弦式傳感器、傳感器測振電路和溫度補償電路，由于采用了溫度補償電路，所以提高了測量精度。該專利測量精度確實可以做的很高，不過由于采用了傳感器器件，電路設計比較復雜，該電路面積和體積都比較大。另外，該專利對輸入電壓范圍和相位延時的適用范圍較窄。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了克服現有技術中電力系統測頻系統體積較大、電路復雜、對輸入信號延時較長、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頻率測量系統。
[0005]本發明具體采用以下技術方案:
[0006]一種通用電壓輸入的工頻信號頻率測量系統，由信號調理電路、隔離運放電路、低通濾波電路、比較器電路、數字信號處理器、供電電路和電源隔離電路組成；其特征為:
[0007]所述信號調理電路、隔離運放電路、低通濾波電路、比較器電路、數字信號處理器順次連接，供電電路為隔離運放電路、低通濾波電路、比較器電路、數字信號處理器提供所需電源。
[0008]其中，所述的信號調理電路包括依次連接的端口防護電路、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轉換為固定電壓幅值的信號，限流限壓電路為后級電路提供過流過壓保護功能。
[0009]端口防護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，差模電容和共模電容用于瞬變保護，同時還可以人身安全防護。
[0010]所述的隔離運放電路采用差分隔離運算放大器，隔離運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，同時通過不同上下拉電阻為差分比較器提供靜態工作點。
[0011 ] 所述供電電路通過電源隔離電路后把數字電路5V電壓轉換模擬電路5V為隔離運放電路供電。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壓性能，輸入端和輸出端均采用Π型濾波器實現，輸入側采用電容、磁珠、電容濾波電路，輸出側采用電容、電感、電容濾波電路，電感值大于4.7uH。
[0012]本發明具有以下技術效果:
[0013]1、通用電壓信號調理技術，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，傳統的信號調理電路都是每種電壓等級的輸入信號用不同的電路實現，硬件通用性差、成本較高。本申請采用電阻電容和電平鉗位電路將寬范圍輸入電壓轉換為固定電壓幅值的信號，這樣不管輸入信號如何變化，后續電路信號不會發生變化，同時還有一定的濾波作用，可以對信號進行整形。
[0014]2、良好的電路抗干擾能力，電力系統繼電保護裝置對于EMC要求極高，尤其是在現在數字化變電站中，浪涌能力要到4級，瞬變干擾能力要到4級，這就對電路隔離器件和端口防護提供了很高的要求。本申請端口防護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，差模電容和共模電容用于瞬變保護，同時還可以人身安全防護。隔離運放器和隔離電源都采用高隔離電壓和靜電防護的器件，保證電路在嚴酷電磁干擾環境中正常工作。
[0015]3、小體積工頻信號測量技術，繼電保護裝置功能越來越強，內部板卡越來越多，板卡體積和面積要求也比較高，體積要盡量小。傳統的電壓互感器體積都比較大，使用非常不方便。本申請采用先進的隔離運放器代替傳統電壓互感器，可以大大減小電路板面積和體積，隔離電壓和測量精度都比電壓互感器高，通用性更強，不但可以用在繼電保護裝置中，還可以用在風電、水電等不同領域中。
[0016]4、小相位延時頻率測量技術，交流信號測量要求整周期等間隔采樣，一般都用工頻信號過零點作為采樣起始時刻，這樣頻率測量電路延時越小，測量實時性越好，精度也就越高。本申請采用高速轉換器件、比較器件和無源差分濾波電路，硬件延時很小，同時由于工頻信號測量，數字信號處理器軟件還可以根據上一周期的實際硬件延時提前設定下一周期采樣時刻，使整個測量系統相位延時極小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為通用電壓輸入的工頻信號頻率測量電路示意圖；
[0018]圖2為通用電壓輸入的工頻信號頻率測量主電路圖；
[0019]圖3為隔離運放電路輸入和輸出波形圖；
[0020]圖4為輸入電壓為IOV時比較器輸出端波形圖；
[0021]圖5為輸入電壓為220V時比較器輸出端波形圖。
【具體實施方式】[0022]下面結合說明書附圖對本發明的技術方案做進一步詳細介紹。
[0023]本發明提供一種通用電壓輸入的工頻信號頻率測量方法，如圖1所示為通用電壓輸入的工頻信號頻率測量電路示意圖。該方法通過信號調理電路、隔離運放電路、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轉換為固定頻率的脈沖信號，送給數字信號處理器實時運算采集。信號調理電路依次連接端口防護電路、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頻率測量主電路圖所示，端口防護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提供過壓和浪涌防護，差模電容和氣體放電管并聯，差模電容為2kV/102，共模電容連接在輸入信號和保護地之間，共模電容275V/104，均為安規電容，為輸入信號提供快速脈沖干擾防護。
[0024]通用電壓輸入信號經過防護電路后變為差分信號，通過差分濾波電路(R6、R10、C5、C7、C8)濾掉輸入信號的高頻分量，并和電平鉗位電路(R6、RIO、DU D2) 一起把輸入寬范圍電壓信號轉換為固定電壓幅值的信號，輸入信號電壓范圍可以從IV到220V，正弦波、三角波和脈沖信號都可以識別。差分濾波器截止頻率可以根據需要設置為lOO-lOOOHz，避免高次諧波引入，保證信號線性度，電壓鉗位電路鉗位電壓為正負IV，限流限壓電路(R7、R11、R3、R13)為后級電路提供過流過壓保護功能，限流電路把信號電流限制在1mA，限壓電路為隔離運放電路提供靜態工作點，限制共模電壓在2.5V。
[0025]經過信號調理電路后的信號送到隔離運放電路，隔離運放電路采用差分隔離運算放大器U1，原端和副端通過5V轉5V的隔離電源模塊供電，隔離運放隔離電壓可到4000V，精度可到0.1%，輸入信號頻率范圍可到60kHz，完全滿足電力系統測量要求。
[0026]隔離運放輸出的差分信號還要經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放產生高頻干擾信號，濾波器截止頻率設為1kHz。由于無源濾波電路的引入，所以對比較器有一定的要求，比較器要能接收差分信號輸入，輸入阻抗要大于1ΜΩ，共模電壓范圍要大于0.5-4.5V范圍，比較器的輸出應該為集電極開路方式，輸出信號壓擺率要足夠大，以適應后續不同電壓等級輸入的要求。由于隔離運放沒有信號輸入的時候，輸出為固定電平，此時差分電壓可能會有波動導致比較器非正常翻轉，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工作點。
[0027]圖3所示為隔離運放輸入和輸出波形圖，C2為隔離運放輸入端信號，通過電平鉗位電路轉變為-1V?+IV，頻率為50.01Hz,Cl為隔離運放輸出輸出信號，因為差分信號，中心電壓為2.5V，變化范圍為±2.5V，所以信號范圍是O?5V，頻率為50.0lHz。從圖上可以看出，輸入正負IV交流正弦波信號通過隔離運放后變為0V-5V電壓范圍的直流脈沖信號，頻率保持不變，延遲時間極短，小于10uS。
[0028]比較器輸出信號經過上拉電阻接到數字信號處理器供電電壓5V上，輸出信號可以直接接到數字信號處理器，也可以通過施密特觸發器變換后送到數字信號處理器。數字信號處理器通過邊沿捕獲功能獲得上升沿時刻，通過計算相鄰2個上升沿之間的時間間隔可以折算出輸入信號的頻率。同時上升沿時刻也是交流工頻信號過零點時刻，這個時刻是啟動模擬信號采樣的時刻，輸入信號周期除以采樣點數就是采樣間隔時間，如果要更加精確的確定下一周期采樣時刻，可以根據上一周期測量的周期值減去硬件電路延時時間作為下一周期開始采樣時刻，這樣可以精確控制第一組采樣值即為實際信號過零點的值。
[0029]如圖4和圖5分別為輸入信號IOV和220V時輸出信號波形圖，Cl為輸入信號IOV和220V交流信號，C2為比較器電路輸出信號0-5V，信號頻率分別為50.07Hz和50.08Hz，為了配合后面數字信號處理，比較器電路把信號做了反相處理。從圖上可以看出，信號延時很短，應該在ImS以內，按照工頻信號一周期360度計算，總的硬件延時小于0.3度，滿足電力系統繼電保護裝置和電能質量測量要求。
[0030]供電電路通過電源隔離電路后把數字電路5V電壓轉換模擬電路5V為隔離運放電路供電。隔離運放前端用模擬電路5V供電，后端用數字電路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壓性能，輸入端和輸出端均采用Π型濾波器實現，輸入側采用電容、磁珠、電容濾波電路，輸出側采用電容、電感、電容濾波電路，為了防止負載側容性負載過大，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，電源轉換效率為84%，工業級溫度范圍，紋波小于20mV。
[0031]整個電路具有很強的抗干擾能力，頻率測量電路通過一個5x5cm的電路板實現，電路板通過雙排連接器連接到主處理器板卡上。經過靜電、瞬變、浪涌以及衰減震蕩波試驗，功能正常。
[0032]以上給出的實施例用以說明本發明和它的實際應用，并非對本發明作任何形式上的限制，任何一個本專業的技術人員在不偏離本發明技術方案的范圍內，依據以上技術和方法作一定的修飾和變更當視為等同變化的等效實施例。
【權利要求】
1.一種通用電壓輸入的工頻信號頻率測量系統，由信號調理電路、隔離運放電路、低通濾波電路、比較器電路、數字信號處理器、供電電路和電源隔離電路組成；其特征為: 所述信號調理電路、隔離運放電路、低通濾波電路、比較器電路、數字信號處理器順次連接，供電電路為隔離運放電路、低通濾波電路、比較器電路、數字信號處理器提供所需電源。
2.根據權利要求1所述的工頻信號頻率測量系統，其特征在于: 所述信號調理電路包括依次連接的端口防護電路、差分濾波電路、電平鉗位電路和限流限壓電路； 通用電壓輸入信號經過防護電路后變為差分信號，經差分濾波電路濾掉通用電壓輸入信號中的高頻分量，并和電平鉗位電路一起把通用電壓輸入信號轉換為固定電壓幅值的信號，限流限壓電路為后級電路提供過流過壓保護功能。
3.根據權利要求2所述的工頻信號頻率測量系統，其特征在于: 所述端口防護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。
4.根據權利要求1所述的工頻信號頻率測量系統，其特征在于: 所述的隔離運放電路采用差分隔離運算放大器，隔離運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，同時通過不同上下拉電阻為比較器提供靜態工作點。
5.根據權利要求1所述的工頻信號頻率測量系統，其特征在于: 所述供電電路通過電源隔離電路后把數字電路5V電壓轉換模擬電路5V為隔離運放電路供電，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壓性能，輸入端和輸出端均采用Π型濾波器實現，輸入側采用電容、磁珠、電容濾波電路，輸出側采用電容、電感、電容濾波電路，電感值大于4.7uH。
【文檔編號】G01R23/02GK103698600SQ201410001283
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】徐萬方, 陳建英, 徐剛, 唐喜 申請人:北京四方繼保自動化股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
