CN103487642A - 一种用于超导储能系统的电压跌落检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统，其特征在于它包括电压传感器、放大滤波电路、中央处理器单元、超导储能系统控制单元和CAN总线通讯单元；其工作方法包括：信号采集、转化、滤波及传递；其优越性在于：①装置简单、实用；②高测量精度，分辨率小于1V；③实时性好；④系统的可靠性高；⑤具有较高的实用价值。

Description

一种用于超导储能系统的电压跌落检测系统及方法

（一）技术领域：

本发明属于电力系统电压检测技术领域，特别是一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统及方法。

（二）背景技术：

在中小型电力系统中，存在一种难以避免的电力系统稳定性问题：瞬时电压跌落，这种电压跌落不仅对系统中的各敏感设备危害大而且产生原因不明，我们不得不被动地去补偿和消除此种电压跌落。

超导储能系统具有响应速度快、储能密度高、瞬间电能释放比率大、储能效率高、使用寿命长、安装不受地点限制，且维护简单，污染小等一系列优点，对于补偿瞬时电压跌落有着天然的优势。近年来，超导储能系统中的一些关键技术获得突破性进展，使得超导储能系统商业化和应用于治理瞬时电压跌落补偿成为可能。怎样使超导储能系统更快地补偿跌落的电压，很大一部分取决于电压跌落检测系统。本文提出一种基于超导储能系统的电压跌落检测方法，该方法提高了电压跌落检测的实时性，适合工程应用。并设计了TMS320LF2407A型16位定点DSP（Digital Signal Processor——数字信号处理器）为中央处理器的电压检测硬件系统，此硬件系统完全满足超导储能系统对电压信号的检测、精度和传输实时性的要求。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于超导储能系统的电压跌落检测系统及方法，它可以克服现有技术的不足，是一种可以提高超导储能系统中响应时间和电压检测速度的系统及方法。

本发明的技术方案：一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统，包括含有变压器的外部电网，其特征在于它包括电压传感器、放大滤波电路、中央处理器单元、超导储能系统控制单元和CAN（Controller Area Network——控制器局域网络）总线通讯单元；其中，所述电压传感器的输入端采集电网电压，其输出端连接放大滤波电路的输入端；所述中央处理器单元的输入端连接放大滤波电路的输出端，其输出端经CAN总线通讯单元与超导储能系统控制单元呈双向连接。

所述电压传感器采用额定输入电流和输出电流均为2mA，非线性度小于0.1%，线性范围0～10mA，隔离耐压大于2.5kV，相移小于5°，饱和电压1V，输入为电网电压，输出为正负交变的交流信号的北京星格公司的SPT204A电压传感器。

所述放大滤波电路单元由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C1、稳压管VZ1、运算放大器A1、运算放大器A2、电阻器Ra和电阻器Rb组成；其中，所述电压传感器的输入端经电阻R1与电网连接，其一个输出端经电阻R3连接运算放大器A1的正相输入端，所述电压传感器的两个输出端经电阻R2短接，且同时接地；所述运算放大器A1的两个偏置平衡端口经电阻器Ra短接，其负相输入端经电阻R4接地，且其负相输入端经电阻R5与其输出端相连，其输出端经电阻R6与运算放大器A2的正相输入端连接；所述运算放大器A2的正相输入端经过电阻R7采集参考电压Uref，所述运算放大器A2的负相输入端经R8接地，其负相输入端经电阻R9与其输出端相连，其两个偏置平衡端口经电阻器Rb短接，其输出端经R10与中央处理器单元连接；所述中央处理器单元经电容C1和稳压管VZ1接地。

所述运算放大器A1和运算放大器A2是Analog Devices公司的OP07运算放大器；所述电阻R3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10的阻值是100kΩ；所述电阻R1的阻值为3000kΩ；所述电阻R4的阻值是200kΩ；所述电阻R2的阻值为0.5kΩ；所述电阻器Ra和电阻器Rb的阻值是10kΩ；所述电容C1的容值为30pF；所述稳压管VZ1的电压值为3.3V

所述中央处理器单元采用Texas Instruments（德州仪器）的TMS320LF2407A型16位定点DSP，它是带有A/D采样通道和数字滤波通道的DSP芯片；所述TMS320LF2407A型16位定点DSP的A/D端口与运算放大器A2的输出端经R10连接，且A/D端口经电容C1和稳压管VZ1接地。

所述CAN驱动芯片采用恩智浦半导体公司的PCA82C251芯片。

一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过电压传感器采集外部电网的电压信号，输出0-20mA的电流信号，该电流信号正比于电压传感器的原边电压信号，该电压传感器具有工作频率范围宽，精度高，时滞小的特点；

（2）放大滤波电路将电压传感器检测电路的输出信号转化为有效值0.1V～+3.1V的电压信号，以满足中央处理器单元的A/D采集通道对电压范围在0V～+3V的要求，然后利用简单的滤波电路消除电路中高频信号的干扰，最后通过电阻R10和稳压管VZ1构成的稳压电路确保中央处理器的A/D采集通道不会过电压；

（3）中央处理器单元对A/D采集通道的电压信号进行数字滤波，然后调用中央处理单元的测量电压子程序，测量数字滤波后的信号的幅值和相位；

（4）通过CAN驱动芯片将步骤（3）中得到的电压信号的幅值和相位通过传输线送入超导储能系统的控制单元。

所述步骤（3）中DSP测量电压的方法是基于d-q坐标变化的单相电压检测方法。

本发明的工作原理

电压传感器按照一定的比例采样电网电压，电压传感器输出经放大滤波电路转换成适合A/D（alternating/direct）转换的交流电压信号，交流电压信号输出到中央处理器的A/D采集通道，中央处理器完成对信号的A/D转换和数字滤波，然后再将滤波后的数据通过CAN驱动芯片传递给超导储能系统的控制单元。

当电网发生晃电时，外部电网的电压跌落信号通过电阻R1送入电压传感器，电阻R1的作用是限制电压传感器的输入电流，阻值计算公式为R1=Um/0.002（Um为输入电压的峰值）。传感器的输出电流流经取样电阻R2，在其两端形成电压信号，由于传感器的额定输出电流为2mA，输出饱和电压为1V，故取R2＝500Ω。OP07-1的作用是将R2两端的电压放大1.5倍，因此R4：R5=2：1，经过放大后，电压信号由-1～+1V变为-1.5～+1.5V。OP07-2用作加法器，OP07-1的输出与一个固定的电压值U_ref＝1.6V相加，则加法器的输出电压信号范围为0.1～3.1V，满足DSP的A/D采集需求。OP07本身具有调节零点漂移的能力，其芯片的管脚1和管脚8分别接至一个10kΩ可调电位器的固定端，电位器的中间抽头与15V电源直接相连，将OP07的输入接地，调节电位器直至OP07的输出为零。R10和C1构成一个简单的滤波电路，用以消除电路中高频干扰对电压信号的影响。同时R10还与3.3V的稳压管VZ1构成稳压电路，保护DSP的A/D采集通道不会出现过电压。

在所述中央处理器中，选择C语言编写程序，程序由主程序和A/D中断子程序两大部分组成。检测系统的主程序主要完成系统初始化等任务，流程图如图4所示。在所述C语言程序中采用定时器中断来触发A/D转换，通过设置定时时间改变A/D转换频率。A/D转换器完成对规定通道的采集后，会生成中断信号，此时DSP响应该中断信号进入中断子程序。A/D中断子程序读取A/D采集结果，将结果保存到规定的数组中，并进行低通数字滤波和信号幅值和相角计算，然后将处理后的数据利用CAN总线传送给超导储能系统控制单元。中断子程序的流程图如图5所示。

本发明采用一种基于d-q坐标变化的单相电压检测方法，该方法的原理如下：电压相量U在α-β静止坐标系的两个坐标轴上的投影分别为和

即为电压量的瞬时值。d-q旋转坐标系相对于α-β静止坐标系以角速度ω旋转，则电压相量U与d-q旋转坐标系同步旋转，其在d-q旋转坐标系上的投影分别为

见图3。

对α-β静止坐标系中的u_α和u_β进行坐标变换：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ωt}& \sin \mathrm{\ωt}\\ -\sin \mathrm{\ωt}& \cos \mathrm{\ωt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

可以得到d-q旋转坐标系上的两个分量u_d和u_q。见图6

据此，可以根据低通数字滤波前所得到的单相电压来构造α-β静止坐标系中的u_α，u_β分量，即令分量

将超前90°的u_β作为当前分量u_α，然后按式(9)变换到d-q轴上，通过低通数字滤波得到d，q电压中的直流分量u_d0和u_q0，则可得到基波电压的幅值和相位跳变为：

$U=\sqrt{{U_{d0}}^2+{U_{q0}}^2}$

本发明的优越性在于：①硬件装置简单、实用；②高测量精度，对低压配电网电压的分辨率小于1V；③系统的实时性好，中央处理器的40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns（40MHz），确保了强大的数据实时处理能力；④系统的可靠性高，CAN总线技术为数据交换提供了可靠的通讯手段；⑤该系统能出色的完成电力系统低压母线的电压状态监测和为超导储能系统提供电压数据的任务,具有较高的实用价值。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统的总体结构示意图。

图2为本发明所涉一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统中放大滤波电路的结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统中CAN总线通讯单元的结构示意图。

图4为本发明所涉一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统中中央处理器单元的主程序流程意图。

图5为本发明所涉一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统中中央处理器单元的中断子程序流程图。

图6为本发明所涉一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统中基于d-q坐标变化的单相电压检测法原理图。

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统（见图1），包括含有变压器的外部电网，其特征在于它包括电压传感器、放大滤波电路、中央处理器单元、超导储能系统控制单元和CAN总线通讯单元；其中，所述电压传感器的输入端采集电网电压，其输出端连接放大滤波电路的输入端；所述中央处理器单元的输入端连接放大滤波电路的输出端，其输出端经CAN总线通讯单元与超导储能系统控制单元呈双向连接。

所述电压传感器（见图2）采用额定输入电流和输出电流均为2mA，非线性度小于0.1%，线性范围0～10mA，隔离耐压大于2.5kV，相移小于5°，饱和电压1V，输入为电网电压，输出为正负交变的交流信号的北京星格公司的SPT204A电压传感器。

所述放大滤波电路单元（见图2）由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C1、稳压管VZ1、运算放大器A1、运算放大器A2、电阻器Ra和电阻器Rb组成；其中，所述电压传感器的输入端经电阻R1与电网连接，其一个输出端经电阻R3连接运算放大器A1的正相输入端，所述电压传感器的两个输出端经电阻R2短接，且同时接地；所述运算放大器A1的两个偏置平衡端口经电阻器Ra短接，其负相输入端经电阻R4接地，且其负相输入端经电阻R5与其输出端相连，其输出端经电阻R6与运算放大器A2的正相输入端连接；所述运算放大器A2的正相输入端经过电阻R7采集参考电压Uref，所述运算放大器A2的负相输入端经R8接地，其负相输入端经电阻R9与其输出端相连，其两个偏置平衡端口经电阻器Rb短接，其输出端经R10与中央处理器单元连接；所述中央处理器单元经电容C1和稳压管VZ1接地。

所述运算放大器A1和运算放大器A2（见图2）是Analog Devices公司的OP07运算放大器；所述电阻R3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10的阻值是100kΩ；所述电阻R1的阻值为3000kΩ；所述电阻R4的阻值是200kΩ；所述电阻R2的阻值为0.5kΩ；所述电阻器Ra和电阻器Rb的阻值是10kΩ；所述电容C1的容值为30pF；所述稳压管VZ1的电压值为3.3V

所述中央处理器单元（见图2）采用Texas Instruments（德州仪器）的TMS320LF2407A型16位定点DSP，它是带有A/D采样通道和数字滤波通道的DSP芯片；所述TMS320LF2407A型16位定点DSP的A/D端口与运算放大器A2的输出端经R10连接，且A/D端口经电容C1和稳压管VZ1接地。

所述CAN驱动芯片采用恩智浦半导体公司的PCA82C251芯片（见图3）。

一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过电压传感器采集外部电网的电压信号，输出0-20mA的电流信号，该电流信号正比于电压传感器的原边电压信号，该电压传感器具有工作频率范围宽，精度高，时滞小的特点；

（2）放大滤波电路将电压传感器检测电路的输出信号转化为有效值0.1V～+3.1V的电压信号，以满足中央处理器单元的A/D采集通道对电压范围在0V～+3V的要求，然后利用简单的滤波电路消除电路中高频信号的干扰，最后通过电阻R10和稳压管VZ1构成的稳压电路确保中央处理器的A/D采集通道不会过电压；

（3）中央处理器单元对A/D采集通道的电压信号进行数字滤波，然后调用中央处理单元的测量电压子程序，测量数字滤波后的信号的幅值和相位；

（4）通过CAN驱动芯片将步骤（3）中得到的电压信号的幅值和相位通过传输线送入超导储能系统的控制单元。

所述步骤（3）中DSP测量电压的方法是基于d-q坐标变化的单相电压检测方法。

Claims (8)

1.一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统，包括含有变压器的外部电网，其特征在于它包括电压传感器、放大滤波电路、中央处理器单元、超导储能系统控制单元和CAN总线通讯单元；其中，所述电压传感器的输入端采集电网电压，其输出端连接放大滤波电路的输入端；所述中央处理器单元的输入端连接放大滤波电路的输出端，其输出端经CAN总线通讯单元与超导储能系统控制单元呈双向连接。 

2.根据权利要求1所述一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统，其特征在于所述电压传感器采用额定输入电流和输出电流均为2mA，非线性度小于0.1%，线性范围0～10mA，隔离耐压大于2.5kV，相移小于5°，饱和电压1V，输入为电网电压，输出为正负交变的交流信号的北京星格公司的SPT204A电压传感器。 

3.根据权利要求1所述一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统，其特征在于所述放大滤波电路单元由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C1、稳压管VZ1、运算放大器A1、运算放大器A2、电阻器Ra和电阻器Rb组成；其中，所述电压传感器的输入端经电阻R1与电网连接，其一个输出端经电阻R3连接运算放大器A1的正相输入端，所述电压传感器的两个输出端经电阻R2短接，且同时接地；所述运算放大器A1的两个偏置平衡端口经电阻器Ra短接，其负相输入端经电阻R4接地，且其负相输入端经电阻R5与其输出端相连，其输出端经电阻R6与运算放大器A2的正相输入端连接；所述运算放大器A2的正相输入端经过电阻R7采集参考电压Uref，所述运算放大器A2的负相输入端经R8接地，其负相输入端经电阻R9与其输出端相连，其两个偏置平衡端口经电阻器Rb短接，其输出端经R10与中央处理器单元连接；所述中央处理器单元经电容C1和稳压管VZ1接地。 

4.根据权利要求3所述一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统，其特征在于所述运算放大器A1和运算放大器A2是Analog Devices公司的OP07运算放大器；所述电阻R3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10的阻值是100kΩ；所述电阻R1的阻值为3000kΩ；所述电阻R4的阻值是200kΩ；所述电阻R2的阻值为0.5kΩ；所述电阻器Ra和电阻器Rb的阻值是10kΩ；所述电容C1的容值为30pF；所述稳压管VZ1的电压值为3.3V 。

5.根据权利要求1所述一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统，其特征在于所述中央处理器单元采用Texas Instruments的TMS320LF2407A型16位定点DSP，它是带有A/D采样通道和数字滤波通道的DSP芯片；所述TMS320LF2407A型16位定点DSP的A/D端口与运算放大器A2的输出端经R10连接，且A/D端口经电容C1和稳压管VZ1接地。 

6.根据权利要求1所述一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统，其特征在于所述CAN总线通讯单元采用恩智浦半导体公司的PCA82C251芯片。 

7.一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

（1）通过电压传感器采集外部电网的电压信号，输出0-20mA的电流信号，该电流信号正比于电压传感器的原边电压信号，该电压传感器具有工作频率范围宽，精度高，时滞小的特点； 

（2）放大滤波电路将电压传感器检测电路的输出信号转化为有效值0.1V～+3.1V的电压信号，以满足中央处理器单元的A/D采集通道对电压范围在0V～+3V的要求，然后利用简单的滤波电路消除电路中高频信号的干扰，最后通过电阻R10和稳压管VZ1构成的稳压电路确保中央处理器的A/D采集通道不会过电压； 

（3）中央处理器单元对A/D采集通道的电压信号进行数字滤波，然后调用中央处理单元的测量电压子程序，测量数字滤波后的信号的幅值和相位； 

（4）通过CAN驱动芯片将步骤（3）中得到的电压信号的幅值和相位通过传输线送入超导储能系统的控制单元。 

8.根据权利要求7所述一种基于超导储能系统的电压跌落检测系统的工作方法，其特征在于所述步骤（3）中DSP测量电压的方法是基于d-q坐标变化的单相电压检测方法。 

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