CN102967778A

CN102967778A - 一种电网检测装置及其检测方法

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Publication number: CN102967778A
Application number: CN2012104451203A
Authority: CN
Inventors: 马德征; 朱超林; 张森枝
Original assignee: Beijing Tianyuan Science and Creation Wind Power Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Tianyuan Science and Creation Wind Power Technology Co Ltd
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: CN102967778B

Abstract

本发明是有关于一种电网检测装置及其检测方法，该装置包括高电压高电流处理电路、AD采样电路、频率检测电路、DSP处理电路、通信电路以及为上述各电路供电的电源电路：高电压高电流处理电路的输出信号分别经AD采样电路、频率检测电路处理后，发送至DSP处理电路，DSP处理电路与通信电路连接。该方法包括：对高电压高电流进行处理，得到不失真等比例的低电压信号；采集处理后的低电压信号，将低电压信号转换成数字信号和频率相同的方波信号；对得到的数字信号和方波信号进行计算处理，根据计算结果分析判断故障信息，并与外界通信。本发明具有对电网侧的电压电流的各项参数检测处理速度快、可储存电网的故障信息以及可报警的优点。

Description

一种电网检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种电网检测装置及其检测方法。

背景技术

对风力发电机组网侧电压、电流信号的检测是风机主控系统十分重要的功能，一直以来是通过电能表来实现的。常用的电能表可以用于检测风机网侧电压有效值、电流有效值、电网频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率等。随着风力发电机组对电网侧检测要求的不断提高，这种电能表将越来越不能满足实际需要。

请参阅图1所示，目前风电机组中使用的电能表主要采用专业电能计量I C外加单片机处理器进行控制，其中：电源电路负责为电能表的各个电路模块提供电源；高电压高电流处理电路将电网的高电压和高电流转换为电能表可接受的弱电系统电能信号；电能计量IC对这些信号进行计算，计算出电压有效值、电流有效值、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等值，并存储在其内部的寄存器中；单片机MCU用来控制电能计量IC以及通信电路；采用的通信电路为485通信电路，其与外部进行通信，并将测量值向外传送。这种装置设计原理简单，容易实现，但总体性能主要取决于电能计量IC的性能，其响应速度较慢，检测数据200ms至1000ms更新一次，在实际使用时，存在着很大的功能缺憾，具有很大的局限性。

如上所述，现有技术中对电网的检测方法及检测装置存在以下缺陷：

1、电网的标准频率为50HZ，即电网电压的信号周期为20ms，这样电能表往往需要10个以上的周期才能将电网信号计算出来，反应速度很慢，当电网发生故障时，不能够准确及时的反应电网的状态信息；

2、当电网发生故障时，往往是瞬时的，故障持续时间往往很短，电能表不能对电网故障进行及时记录，因而导致电网故障很难分析；

3、电能表只能对电网进行简单的测量，不能对电网故障进行报警，因此不利于风机的自我保护。

由此可见，现有技术中对电网的检测方法及装置，在使用、方法上还存在明显的不足，亟待进一步改进。因此，如何创设一种响应速度快、对故障可及时记录，并具有报警功能的电网检测装置及其检测方法，实属当前研发的重要课题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种电网检测装置及其检测方法，使其具有对电网侧的电压电流各项参数检测处理速度快、可及时储存电网的故障信息以及可报警的优点，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种电网检测装置，包括高电压高电流处理电路、AD采样电路、频率检测电路、DSP处理电路、通信电路以及为上述各电路供电的电源电路，其中：高电压高电流处理电路的输出信号分别经AD采样电路、频率检测电路处理后，发送至DSP处理电路，DSP处理电路与通信电路连接。

作为本发明进一步的改进，所述的高电压高电流处理电路包括电压处理电路和电流处理电路：所述电压处理电路包括串联的电阻分压电路、射随器和低通滤波器；所述的电流处理电路包括电流互感器、与电流互感器连接的感应电阻、输入端与感应电阻的两端连接的反比例运算放大器、以及与反比例运算放大器的输出端连接的低通滤波器。

所述的DSP处理电路还连接有故障存储电路。

所述DSP处理电路还连接有报警电路。

所述的报警电路包括分别响应电网电压高、电网电压低、电网过载、电网频率高、电网频率低、三相电压不平衡故障的六个继电器。

所述的频率检测电路采用正向滞回过零检测电路或反向滞回过零检测电路。

此外，本发明还提供一种电网检测方法，包括以下步骤：A、对高电压高电流进行处理，得到不失真等比例的低电压信号；B、采集处理后的低电压信号，将低电压信号转换成数字信号和频率相同的方波信号；C、对得到的数字信号和方波信号进行计算处理，根据计算结果分析判断故障信息，并与外界通信。

作为本发明的进一步改进，所述的步骤A的处理过程具体包括：将交流有效值为0～707V的高电压信号，经分压比为1：100的电阻分压电路以及射随器、低通滤波器后，转换成交流有效值为0～7.07V的低电压信号；将交流有效值为0～3A的高电流信号，按1：400的转换比等效为电压值，再通过反向比例运算放大器放大5.6倍，经低通滤波器后，转换为交流有效值为0～7.07V的低电压信号。

所述的步骤C还包括至少存储故障前后1秒钟的三相电压和三相电流波形，并根据故障信息报警的过程。

所述步骤C中的计算，采用有效值均方根算法、频率捕获算法和功率瞬时采样算法，计算结果包括电流有效值、电压有效值、电网频率、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数，计算结果在一个电压周期内完成。

采用以上设计后，本发明与现有技术比较有以下有益效果：

1、本发明采用DSP加AD7656的方法对电网进行检测，有效提高了电网信号测量速度，同时加入了故障报警和故障录波功能，使产品用途不仅仅局限于计量，同时可将功能提升到对网侧信号的实时监测，扩展了产品的应用领域，有效提高了风机的电控性能；

2、本发明电网监测装置是根据风机网侧信号特征，依靠AD7656和DSP高性能、高速度、高精度的特点，对电网信号进行采样、计算，DSP对采样点进行计算的过程中，采用了较为稳定的有效值均方根算法、频率捕获计算方法、功率瞬时采样计算方法，以保证在一个电压周期内（20MS）获得电压有效值、电流有效值、频率、功率等主要参数。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是现有技术中电网检测装置的组成示意图。

图2是本发明电网检测装置的组成示意图。

图3是本发明的电压处理电路的原理图。

图4是本发明的电流处理电路的原理图。

图5是本发明的AD采样电路的原理图。

图6是本发明的频率检测电路的原理图。

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明电网检测装置，包括高电压高电流处理电路、AD采样电路、频率检测电路、DSP处理电路、通信电路和电源电路。

高电压高电流处理电路的输出信号分别经AD采样电路、频率检测电路处理后，发送至DSP处理电路，DSP处理电路与通信电路连接，电源电路为上述各电路供电。

进一步具体来说，高电压高电流处理电路包括电压处理电路和电流处理电路。

其中，请参阅图3所示，A相电压处理电路，包括由电阻R97、R98、R101、R99、R100、R103组成、分压比为1：100的电阻分压电路，U19B构成的射随器以及由电阻R96、电容C121组成的低通滤波器。

电阻分压电路将0～707V（交流有效值）高压信号转换成0～7.07V（交流有效值）的电压信号，电压信号经过射随器和低通滤波器输出。其余两相电压处理方式与A相电压处理的方式相同。其中，UA为A相电压输入端，UN为三相电压的地线。

请参阅图4所示，三相电流信号中A相电流处理电路，包括电流转换比为1：400的电流互感器，200欧姆的感应电阻R105，由U20、电阻R95、R102、R106组成的反向比例运算放大器，以及由电阻R104、电容C123组成的低通滤波器，反向比例运算放大器的输入端与感应电阻R105的两端连接，输出端与低通滤波器连接。

R105电阻将经过电流互感器转换的电流等效为电压值，该电压经过反向比例运算放大器将电压信号放大5.6倍，再经过低通滤波器后，最终将0～3A（交流有效值）不失真等比例的转换为0～7.07V（交流有效值）的电压信号。其余两相电流处理方式与A相电流处理电方式相同。

请参阅图5所示，本发明的AD采样电路优选采用AD7656模数转换器，同时采集由高电压高电流处理电路处理后的三相电压信号和三相电流信号，采样频率为8Khz，即125us采样一次，1个电压周期采样160个点。AD7656是一款6通道、16位、最大采样速率125Khz的模数转换器，可将最大正负10V的模拟信号转换成16位数字信号。

其中，AD_CTL0～AD_CTL5用于控制AD7656的控制信号，DATA0～DATA15是AD7656将模拟信号转换后输出的数字信号。

请参阅图6所示，频率检测电路，包括由U4A、电阻R4、电容C4和电阻R3组成的正向滞回过零检测电路以及由Q1、电阻R2、R1组成的调制电路。

电压处理电路的输出电压信号AD_V1经过正向滞回过零检测电路处理后，正弦电压信号转换为频率相同的方波信号，方波信号再经过调制电路输出幅度为3.3V的方波信号-VHz1。接着，VHz1信号输入到DSP处理电路中，DSP处理电路根据VHz1信号计算频率，频率检测电路处理得到的方波信号经DSP处理电路检测到后，通过内部信号上升沿捕获功能计算出频率。

此外，频率检测电路为正向滞回过零检测电路，其中滞回是为防止频率突变设置的。过零检测也可以不带滞回功能，也可以是反向过零检测电路，但只要是过零监测即可。

DSP处理电路是本发明的核心电路，具体可采用的型号为TMS320F2812PGFA，这是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP。在电网监测装置中，DSP处理电路是产品的核心部分，包括所有程序和计算功能，并且控制着AD采样电路、485通信电路、故障存储电路和报警电路。

此外，DSP处理电路也可以采用其他DSP类型的芯片，或者高性能的32位单片机。

更进一步的，DSP处理电路还可连接有故障存储电路和报警电路。

报警电路可包括6个以上的继电器，采用继电器输出方式报警，通过软件设置，将各种故障点有选择的分配到各个继电器中，分别对电网电压高、电网电压低、电网过载、电网频率高、电网频率低、三相电压不平衡等故障进行报警。

故障存储电路用来存储电网故障前后1秒钟的三相电压、三相电流波形，其容量可存储5次故障信号。故障存储电路的主芯片为一款512KX16的SRAM，其型号为S62WV51216BLL-55，由DSP进行控制，当电网发生故障时，可将至少故障前后1秒钟的采样数据存储到SRAM中，因采样频率为8K，6路通道2秒钟共采样96K的数据，这样此SRAM共可存储5个故障点。

进一步的，通过更改存储SRAM大小和存储采样点个数可以提高故障录波点。

通信电路采用485通信电路，通信电路的主芯片为MAX3485，负责电网监测装置与外部的通信，485通信协议采用MODBUS-RTU。

电源电路的功能是将外部24V供电电源转换成产品内部各装置所需的各种电压。电源电路采用24V转正负12V的DC/DC实现，之后再通过各种LDO芯片将电压转换成5V，3.3V，1.8V等系统需要的供电电压。

以下结合本发明的电网检测方法，具体说明上述电路的具体工作流程。

首先，电网侧的高电压高电流通过高电压高电流处理电路的处理，得到不失真等比例的低电压信号。

接着，AD采样电路采集处理后的低电压信号，并将其转化为数字信号；同时，射频检测电路将上步得到的低电压信号转化为频率相同的方波信号。

之后，将得到的数字信号和方波信号传输到DSP处理电路，DSP处理电路根据数字信号，通过有效值的均方根算法在一个周期内计算出电流有效值、电压有效值；电压有效值与电流有效值相乘计算得出视在功率；有功功率采用电压电流瞬时采样计算法计算得出；将采样的电流信号向后相移90度，再与电压信号进行瞬时功率计算得出无功功率；功率因数通过有功功率与视在功率之间的比值计算得出。DSP处理电路根据VHz1信号计算频率，频率检测电路处理得到的方波信号经DSP处理电路检测到后，通过内部信号上升沿捕获功能计算出频率。

最后，DSP处理电路根据计算结果，进行故障信息分析，并控制存储电路存储电网至少故障前后1秒钟的三相电压、三相电流波形，以及控制报警电路发出报警信号、AD采集电路对信号的采集和通信电路与外界通信等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种电网检测装置，其特征在于包括高电压高电流处理电路、AD采样电路、频率检测电路、DSP处理电路、通信电路以及为上述各电路供电的电源电路，其中：

高电压高电流处理电路的输出信号分别经AD采样电路、频率检测电路处理后，发送至DSP处理电路，DSP处理电路与通信电路连接。

2.根据权利要求1所述的电网检测装置，其特征在于所述的高电压高电流处理电路包括电压处理电路和电流处理电路：

所述电压处理电路包括串联的电阻分压电路、射随器和低通滤波器；

所述的电流处理电路包括电流互感器、与电流互感器连接的感应电阻、输入端与感应电阻的两端连接的反比例运算放大器、以及与反比例运算放大器的输出端连接的低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的电网检测装置，其特征在于所述的DSP处理电路还连接有故障存储电路。

4.根据权利要求1所述的电网检测装置，其特征在于所述DSP处理电路还连接有报警电路。

5.根据权利要求4所述的电网检测装置，其特征在于所述的报警电路包括分别响应电网电压高、电网电压低、电网过载、电网频率高、电网频率低、三相电压不平衡故障的六个继电器。

6.根据权利要求1所述的电网检测装置，其特征在于所述的频率检测电路采用正向滞回过零检测电路或反向滞回过零检测电路。

7.一种电网检测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、对高电压高电流进行处理，得到不失真等比例的低电压信号；

B、采集处理后的低电压信号，将低电压信号转换成数字信号和频率相同的方波信号；

C、对得到的数字信号和方波信号进行计算处理，根据计算结果分析判断故障信息，并与外界通信。

8.根据权利要求7所述的电网检测方法，其特征在于所述的步骤A的处理过程具体包括：

将交流有效值为0～707V的高电压信号，经分压比为1：100的电阻分压电路以及射随器、低通滤波器后，转换成交流有效值为0～7.07V的低电压信号；

将交流有效值为0～3A的高电流信号，按1：400的转换比等效为电压值，再通过反向比例运算放大器放大5.6倍，经低通滤波器后，转换为交流有效值为0～7.07V的低电压信号。

9.根据权利要求7所述的电网检测方法，其特征在于所述的步骤C还包括至少存储故障前后1秒钟的三相电压和三相电流波形，并根据故障信息报警的过程。

10.根据权利要求7所述的电网检测方法，其特征在于所述步骤C中的计算，采用有效值均方根算法、频率捕获算法和功率瞬时采样算法，计算结果包括电流有效值、电压有效值、电网频率、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数，计算结果在一个电压周期内完成。