CN103698600A - 一种通用电压输入的工频信号频率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用电压输入的工频信号频率测量系统，该方法由信号调理电路、隔离运放电路、低通滤波电路、比较器电路和数字信号处理器组成。信号调理电路采用通用电路设计，交流工频信号可以从1V到250V电压范围，满足电力系统大部分应用场合。隔离运放电路用于隔离强电和弱电信号，代替传统的变压器元件，低通滤波器和比较器电路配合隔离运放电路，把交流信号变为直流信号，比较器电路输出的信号无需信号隔离，可是直接接到数字信号处理器，完成频率计算。该方法具有电路简单、体积小、相位延时小等特点。

Description

一种通用电压输入的工频信号频率测量系统

技术领域

本申请属于电气系统技术领域，尤其涉及继电保护装置频率测量技术。

背景技术

在传统电力系统继电保护装置中，输入信号都是二次互感器传送来的工频（50Hz）信号，电压值可能是几十伏到几百伏，继电保护装置每周波（20mS）要采集固定点数（24点或40点）实时数据，根据这些数据继电保护装置要进行实时保护算法运算，判断电网是否有短路或接地等各种故障。为了保证保护算法的精确性和可靠性，每周波采集的数据要是实际频率（50Hz）的整倍数，并且相位延时要尽量小。这样就需要每个装置有一个工频信号频率测量功能，根据测量的频率确定采样点的时刻。目前国内绝大部分微机保护装置都具有频率测量功能，比如对交流输入信号A相电压测量，通过互感器转换为0-5V的信号，再通过光耦器件或者比较器处理后送给单片机测量频率，这些频率测量方法都只能对固定输入电压的信号检测，如果输入信号是变化的，比如从5V到220V，目前的测量方法都很难实现，同时由于采用互感器器件，体积较大，这个电路也比较复杂，对输入信号延时较长，精度难以保证。

专利201210108584.5《一种高精度测频系统》公开了一种高精度测频系统，包括激振电路、振弦式传感器、传感器测振电路和温度补偿电路，由于采用了温度补偿电路，所以提高了测量精度。该专利测量精度确实可以做的很高，不过由于采用了传感器器件，电路设计比较复杂，该电路面积和体积都比较大。另外，该专利对输入电压范围和相位延时的适用范围较窄。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中电力系统测频系统体积较大、电路复杂、对输入信号延时较长、精度难以保证或者适用范围较窄等问题，提出了一种通用电压输入的工频信号频率测量系统。

本发明具体采用以下技术方案：

一种通用电压输入的工频信号频率测量系统，由信号调理电路、隔离运放电路、低通滤波电路、比较器电路、数字信号处理器、供电电路和电源隔离电路组成；其特征为：

所述信号调理电路、隔离运放电路、低通滤波电路、比较器电路、数字信号处理器顺次连接，供电电路为隔离运放电路、低通滤波电路、比较器电路、数字信号处理器提供所需电源。

其中，所述的信号调理电路包括依次连接的端口防护电路、差分滤波电路、电平钳位电路和限流限压电路；差分滤波电路滤掉输入信号的高频分量，并和电平钳位电路一起把输入宽范围电压信号转换为固定电压幅值的信号，限流限压电路为后级电路提供过流过压保护功能。

端口防护电路依次连接气体放电管、差模电容和共模电容，气体放电管放电电压在300V，用于浪涌防护，差模电容和共模电容用于瞬变保护，同时还可以人身安全防护。

所述的隔离运放电路采用差分隔离运算放大器，隔离运放电路的输出通过低通滤波电路接到差分比较器电路，低通滤波电路采用无源差分RC滤波器，滤除高频信号，同时通过不同上下拉电阻为差分比较器提供静态工作点。

所述供电电路通过电源隔离电路后把数字电路5V电压转换模拟电路5V为隔离运放电路供电。电源隔离电路输入和输出之间隔离电压为3000V，电源模块输出具备稳压性能，输入端和输出端均采用∏型滤波器实现，输入侧采用电容、磁珠、电容滤波电路，输出侧采用电容、电感、电容滤波电路，电感值大于4.7uH。

本发明具有以下技术效果：

1、通用电压信号调理技术，由于电力二次互感器输出电压不一样，有的可能是十几伏有的可能是220V，传统的信号调理电路都是每种电压等级的输入信号用不同的电路实现，硬件通用性差、成本较高。本申请采用电阻电容和电平钳位电路将宽范围输入电压转换为固定电压幅值的信号，这样不管输入信号如何变化，后续电路信号不会发生变化，同时还有一定的滤波作用，可以对信号进行整形。

2、良好的电路抗干扰能力，电力系统继电保护装置对于EMC要求极高，尤其是在现在数字化变电站中，浪涌能力要到4级，瞬变干扰能力要到4级，这就对电路隔离器件和端口防护提供了很高的要求。本申请端口防护电路依次连接气体放电管、差模电容和共模电容，气体放电管放电电压在300V，用于浪涌防护，差模电容和共模电容用于瞬变保护，同时还可以人身安全防护。隔离运放器和隔离电源都采用高隔离电压和静电防护的器件，保证电路在严酷电磁干扰环境中正常工作。

3、小体积工频信号测量技术，继电保护装置功能越来越强，内部板卡越来越多，板卡体积和面积要求也比较高，体积要尽量小。传统的电压互感器体积都比较大，使用非常不方便。本申请采用先进的隔离运放器代替传统电压互感器，可以大大减小电路板面积和体积，隔离电压和测量精度都比电压互感器高，通用性更强，不但可以用在继电保护装置中，还可以用在风电、水电等不同领域中。

4、小相位延时频率测量技术，交流信号测量要求整周期等间隔采样，一般都用工频信号过零点作为采样起始时刻，这样频率测量电路延时越小，测量实时性越好，精度也就越高。本申请采用高速转换器件、比较器件和无源差分滤波电路，硬件延时很小，同时由于工频信号测量，数字信号处理器软件还可以根据上一周期的实际硬件延时提前设定下一周期采样时刻，使整个测量系统相位延时极小。

附图说明

图1为通用电压输入的工频信号频率测量电路示意图；

图2为通用电压输入的工频信号频率测量主电路图；

图3为隔离运放电路输入和输出波形图；

图4为输入电压为10V时比较器输出端波形图；

图5为输入电压为220V时比较器输出端波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

本发明提供一种通用电压输入的工频信号频率测量方法，如图1所示为通用电压输入的工频信号频率测量电路示意图。该方法通过信号调理电路、隔离运放电路、低通滤波电路和比较器电路（即差分比较器电路）把电力二次互感器传送来的宽范围的通用电压输入信号转换为固定频率的脉冲信号，送给数字信号处理器实时运算采集。信号调理电路依次连接端口防护电路、差分滤波电路、电平钳位电路和限流限压电路。如附图2通用电压输入的工频信号频率测量主电路图所示，端口防护电路依次连接气体放电管RV1、差模电容C6和共模电容C1、C9。气体放电管连接在通用电压输入信号L、N两端，放电电压300V，最大放电电流2kA，为通用电压输入信号提供过压和浪涌防护，差模电容和气体放电管并联，差模电容为2kV/102，共模电容连接在输入信号和保护地之间，共模电容275V/104，均为安规电容，为输入信号提供快速脉冲干扰防护。

通用电压输入信号经过防护电路后变为差分信号，通过差分滤波电路(R6、R10、C5、C7、C8)滤掉输入信号的高频分量，并和电平钳位电路（R6、R10、D1、D2）一起把输入宽范围电压信号转换为固定电压幅值的信号，输入信号电压范围可以从1V到220V，正弦波、三角波和脉冲信号都可以识别。差分滤波器截止频率可以根据需要设置为100-1000Hz，避免高次谐波引入，保证信号线性度，电压钳位电路钳位电压为正负1V，限流限压电路（R7、R11、R3、R13）为后级电路提供过流过压保护功能，限流电路把信号电流限制在1mA，限压电路为隔离运放电路提供静态工作点，限制共模电压在2.5V。

经过信号调理电路后的信号送到隔离运放电路，隔离运放电路采用差分隔离运算放大器U1，原端和副端通过5V转5V的隔离电源模块供电，隔离运放隔离电压可到4000V，精度可到0.1%，输入信号频率范围可到60kHz，完全满足电力系统测量要求。

隔离运放输出的差分信号还要经过通过低通滤波电路接到差分比较器电路（U3、R4、C4），低通滤波电路(R8、R9、C20、C21)采用无源差分RC滤波器，此处低通滤波电路主要用于滤除隔离运放产生高频干扰信号，滤波器截止频率设为1kHz。由于无源滤波电路的引入，所以对比较器有一定的要求，比较器要能接收差分信号输入，输入阻抗要大于1MΩ，共模电压范围要大于0.5-4.5V范围，比较器的输出应该为集电极开路方式，输出信号压摆率要足够大，以适应后续不同电压等级输入的要求。由于隔离运放没有信号输入的时候，输出为固定电平，此时差分电压可能会有波动导致比较器非正常翻转，所以需要在比较器前端通过不同上下拉电阻（R5、R12）为差分比较器提供静态工作点。

图3所示为隔离运放输入和输出波形图，C2为隔离运放输入端信号，通过电平钳位电路转变为-1V～+1V,频率为50.01Hz，C1为隔离运放输出输出信号，因为差分信号，中心电压为2.5V，变化范围为±2.5V，所以信号范围是0～5V，频率为50.01Hz。从图上可以看出，输入正负1V交流正弦波信号通过隔离运放后变为0V-5V电压范围的直流脉冲信号，频率保持不变，延迟时间极短，小于10uS。

比较器输出信号经过上拉电阻接到数字信号处理器供电电压5V上，输出信号可以直接接到数字信号处理器，也可以通过施密特触发器变换后送到数字信号处理器。数字信号处理器通过边沿捕获功能获得上升沿时刻，通过计算相邻2个上升沿之间的时间间隔可以折算出输入信号的频率。同时上升沿时刻也是交流工频信号过零点时刻，这个时刻是启动模拟信号采样的时刻，输入信号周期除以采样点数就是采样间隔时间，如果要更加精确的确定下一周期采样时刻，可以根据上一周期测量的周期值减去硬件电路延时时间作为下一周期开始采样时刻，这样可以精确控制第一组采样值即为实际信号过零点的值。

如图4和图5分别为输入信号10V和220V时输出信号波形图，C1为输入信号10V和220V交流信号，C2为比较器电路输出信号0-5V，信号频率分别为50.07Hz和50.08Hz,为了配合后面数字信号处理，比较器电路把信号做了反相处理。从图上可以看出，信号延时很短，应该在1mS以内，按照工频信号一周期360度计算，总的硬件延时小于0.3度，满足电力系统继电保护装置和电能质量测量要求。

供电电路通过电源隔离电路后把数字电路5V电压转换模拟电路5V为隔离运放电路供电。隔离运放前端用模拟电路5V供电，后端用数字电路5V供电，电源隔离电路输入和输出之间隔离电压为3000V，电源模块输出具备稳压性能，输入端和输出端均采用∏型滤波器实现，输入侧采用电容、磁珠、电容滤波电路，输出侧采用电容、电感、电容滤波电路，为了防止负载侧容性负载过大，滤波电路电感值大于4.7uH。电源模块采用1W功率国外厂家隔离模块，隔离电压大于3000V，电源转换效率为84%，工业级温度范围，纹波小于20mV。

整个电路具有很强的抗干扰能力，频率测量电路通过一个5x5cm的电路板实现，电路板通过双排连接器连接到主处理器板卡上。经过静电、瞬变、浪涌以及衰减震荡波试验，功能正常。

以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。

Claims (5)

1.一种通用电压输入的工频信号频率测量系统，由信号调理电路、隔离运放电路、低通滤波电路、比较器电路、数字信号处理器、供电电路和电源隔离电路组成；其特征为：

所述信号调理电路、隔离运放电路、低通滤波电路、比较器电路、数字信号处理器顺次连接，供电电路为隔离运放电路、低通滤波电路、比较器电路、数字信号处理器提供所需电源。

2.根据权利要求1所述的工频信号频率测量系统，其特征在于：

所述信号调理电路包括依次连接的端口防护电路、差分滤波电路、电平钳位电路和限流限压电路；

通用电压输入信号经过防护电路后变为差分信号，经差分滤波电路滤掉通用电压输入信号中的高频分量，并和电平钳位电路一起把通用电压输入信号转换为固定电压幅值的信号，限流限压电路为后级电路提供过流过压保护功能。

3.根据权利要求2所述的工频信号频率测量系统，其特征在于：

所述端口防护电路包括依次连接气体放电管、差模电容和共模电容，气体放电管放电电压为300V，用于浪涌防护。

4.根据权利要求1所述的工频信号频率测量系统，其特征在于：

所述的隔离运放电路采用差分隔离运算放大器，隔离运放电路的输出通过低通滤波电路接到比较器电路，低通滤波电路采用无源差分RC滤波器，滤除高频信号，同时通过不同上下拉电阻为比较器提供静态工作点。

5.根据权利要求1所述的工频信号频率测量系统，其特征在于：

所述供电电路通过电源隔离电路后把数字电路5V电压转换模拟电路5V为隔离运放电路供电，电源隔离电路输入和输出之间隔离电压为3000V，电源模块输出具备稳压性能，输入端和输出端均采用∏型滤波器实现，输入侧采用电容、磁珠、电容滤波电路，输出侧采用电容、电感、电容滤波电路，电感值大于4.7uH。

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