CN104316755B

CN104316755B - 一种宽电压的电力信号电压检测装置

Info

Publication number: CN104316755B
Application number: CN201410621265.3A
Authority: CN
Inventors: 程玉华; 陈凯; 白利兵; 殷春; 郭晓刚
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: CN104316755A

Abstract

本发明公开了一种宽电压的电力信号电压检测装置，包括信号衰减电路、交直流转换电路、自动分档控制电路和强电压信号检测电路，交流电压信号在经信号衰减电路和交直流转换电路衰减后转换成直流信号，自动分档控制电路包括N‑1组放大/衰减装置和电压比较器，每个放大/衰减装置根据对应电压比较器的参考电压值和对应的电压范围得到放大/衰减倍数，每个放大/衰减装置均接收直流信号进行放大/衰减处理，电压比较器将衰减后的直流信号与参考电压信号比较，输出控制信号，实现分档，强电压信号检测电路根据控制信号来设置当前所处档位，对交流电压信号进行检测得到电压值。本发明可以实现宽电压的电压检测，采用纯硬件换档，换档速度快，可靠性高。

Description

一种宽电压的电力信号电压检测装置

技术领域

本发明属于电压检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种宽电压的电力信号电压检测装置。

背景技术

在电力系统中，传统的高压检测装置采用油浸式电压互感器、气体绝缘电压互感器、电容式电压互感器等。该类电压互感器深受漏油、漏气、潮气渗入、铁芯饱和、铁磁谐振等影响而造成可靠性低、安全性差等特点。同时还会因环境温度的变化，运行时间的延长而使准确性下降。

随着技术发展，出现了用电子式电压互感器和霍尔电压传感器来测量电压的装置。现列举两种主流产品的参数。某种型号为TV19E的电流式电压互感器参数如下：(1)工作频率20-20KHz；(2)最高检测电压2000V；(3)输入电流0-5mA；(4)相移小于25度。某种型号为HV62-400的霍尔电压传感器的参数如下：(1)工作频率0-20KHz；(2)检测电压0-500V。

可见，上述两种装置均不能用来测量高压中的尖峰电压，且测量电压的动态范围较小，电子式电压互感器还存在相移较大的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽电压的电力信号电压检测装置，采用纯硬件实现分档控制，可以实现大动态范围的电压检测。

为实现上述发明目的，本发明宽电压的电力信号电压检测装置，包括信号衰减电路、交直流转换电路、自动分档控制电路和强电压信号检测电路，其中：

信号衰减电路接收交流电压信号对其进行衰减，使交流电压信号幅值满足交直流转换电路的输入电压范围，将其衰减倍数记为X；

交直流转换电路将经信号衰减电路衰减处理的交流电压信号转换成直流电压信号，输出至自动分档控制电路；

自动分档控制电路包括N-1组放大/衰减装置和电压比较器，N表示电压检测装置的电压分档数量，将分档电压范围按升序排列，第i档对应的电压范围为(U_i-1,U_i]，i的取值范围为i＝1,2,…,N，计算得到自动分档控制电路中第i档对应的电压范围为(U_i-1/X,U_i/X]，记为(u_i-1,u_i]；记第j组放大/衰减装置和电压比较器中电压比较器的参考电压信号的电压值为j的取值范围为j＝1,2,…,N-1，计算对应放大/衰减装置的放大/衰减倍数每个放大/衰减装置均接收交直流转换电路输出的直流信号，进行放大/衰减处理后输出至对应的电压比较器，电压比较器将衰减后的直流信号与参考电压信号比较后输出控制信号，当直流信号电压值小于等于参考电压值控制信号的值为0，当直流信号电压值大于参考电压值控制信号的值为1，将第j个电压比较器的控制信号值记为m_j，输出所有控制信号至强电压信号检测电路；

强电压信号检测电路包括反向衰减器、单端转差分转换器、谐波滤波器、ADC((Analog to Digital Converter，模数变换器)采样模块和电压计算模块，交流电压信号自反向衰减器中运算放大器的反向输入端输入，交流电压信号输入端与运算放大器的反向输入端之间串联N个电阻，第2至第N个电阻分别并联一个继电器，共计N-1个继电器，第j个继电器由控制信号m_j控制，当m_j＝1，继电器断开，当m_j＝0，继电器闭合，令对应电阻短路；单端转差分转换器接收经反向衰减器衰减后的交流电压信号，将其转化差分信号；谐波滤波器对差分信号进行谐波滤波；ADC采样模块对滤波后的差分信号进行采样，得到衰减后的电压值；电压值计算模块中预先存储各档电压的衰减系数，根据自动分档控制电路输出的控制信号得到强电压信号检测电路当前所处的档位，查找得到对应的衰减系数，再根据衰减后的电压值计算得到交流电压信号的电压值。

本发明宽电压的电力信号电压检测装置，包括信号衰减电路、交直流转换电路、自动分档控制电路和强电压信号检测电路，交流电压信号在经信号衰减电路和交直流转换电路衰减后转换成直流信号，自动分档控制电路包括N-1组放大/衰减装置和电压比较器，每个放大/衰减装置根据对应电压比较器的参考电压值和对应的电压范围得到放大/衰减倍数，每个放大/衰减装置均接收直流信号进行放大/衰减处理，电压比较器将衰减后的直流信号与参考电压信号比较，输出控制信号，实现分档，强电压信号检测电路根据控制信号来设置当前所处档位，对交流电压信号进行检测得到电压值。

本发明中的自动分档控制电路是采用纯硬件换档，换档速度快，可靠性高，可以根据需要配置放大/衰减装置和电压比较器的数量和对应的电压范围，实现对电压动态范围较大的电力信号的检测，即实现宽电压的电压检测。

附图说明

图1是本发明宽电压的电力信号电压检测装置的一种具体实施方式结构图；

图2是本实施例的信号衰减电路的电路图；

图3是本实施例中交直流转换电路结构图；

图4是本实施例中绝对值整流电路的电路图；

图5是本实施例中峰值检测电路的电路图；

图6是自动分档控制电路结构图；

图7是强电压信号检测电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明宽电压的电力信号电压检测装置的一种具体实施方式结构图。如图1所示，本发明宽电压的电力信号电压检测装置包括信号衰减电路1、交直流转换电路2、自动分档控制电路3和强电压信号检测电路4。下面分别对各个组成电路进行说明。

信号衰减电路1，接收交流电压信号对其进行衰减，使交流电压信号幅值满足交直流转换电路2的输入电压范围，即将交流电压信号幅值衰减至小于等于交直流转换电路2的输入电压最大阈值，将其衰减倍数记为X。由于交流电压信号的电压通常会超过后续电路的处理范围，因此需要根据交流电压信号的电压最大值和交直流转换电路2的输入电压阈值来确定信号衰减电路1的衰减倍数。

信号衰减电路1的具体电路可以根据实际需要选择。图2是本实施例的信号衰减电路的电路图。如图2所示，本实施例中，信号衰减电路1是一个反向衰减器，运算放大器105的反向输入端串联第一电阻101，电容102与第一电阻103和第二电阻104的串联电路并联，然后两端分别连接运算放大器105的反向输入端与输出端，运算放大器105的正向输入端串联第三电阻106后接地。

交直流转换电路2，接收经信号衰减电路1衰减处理的交流电压信号，转换成直流电压信号，输出至自动分档控制电路3。

同样地，交直流转换电路2也可以根据实际需要选择。图3是本实施例中交直流转换电路结构图。如图3所示，本实施例中，交直流转换电路2包括绝对值整流电路21和峰值检测电路22，其中，绝对值整流电路21将经信号衰减电路1衰减处理的交流电压信号转换成只有正峰值的脉动直流信号，峰值检测电路22对脉动直流信号进行峰值检测，得到直流信号。

图4是本实施例中绝对值整流电路的电路图。如图4所示，本实施例的绝对值整流电路21中，衰减后的交流电压信号自第一运算放大器2105的反向输入端输入，信号输入口和第一运算放大器2105的反向输入端之间串联第一电阻2101；第一运算放大器2105的正向输入端接地；第一二极管2104的负极与第一运算放大器2105的反向输入端连接，正极与第一运算放大器2105的输出端连接；第一运算放大器2105的输出端连接第二二极管2106的负极，第二二极管2106的正极串联第二电阻2107后接入第二运算放大器2110的反向输入端；第三电阻2103的两端分别连接第一运算放大器2105的反向输入端和第二二极管2106的正极；第四电阻2102的两端分别连接信号输入口和第二运算放大器2110的反向输入端；第五电阻2108、电容2109的两端分别连接第二运算放大器2110的反向输入端和第二运算放大器2110的输出端；第二运算放大器2110的正向输入端接地，输出端串联第六电阻2111后输出脉动的直流信号。

图5是本实施例中峰值检测电路的电路图。如图5所示，本实施例的峰值检测电路22中，脉动的直流信号由运算放大器221的正向输入端输入，运算放大器221的输出端与第一二极管222的正极连接，运算放大器222的反向输入端、第一二极管222的负极、第二二极管223的正极和第三二极管224的负极一起连接在电阻224的一端，电阻224的另一端接地，为直流信号输出端，第二二极管223的负极和第三二极管224的正极一起连接电阻224的直流信号输出端。本实施例中所使用的峰值检测电路具有加速充电放电的功能，在交流电压信号中出现大的尖峰信号能够快速反应。

自动分档控制电路3是本发明的关键电路，通过该电路实现了基于纯硬件的自动分档控制。自动分档控制电路3根据接收的直流电压信号生成自动分档控制信号，输出至强电压信号检测电路4。

图6是自动分档控制电路结构图。如图6所示，本发明中的自动分档控制电路包括N-1组放大/衰减装置31和电压比较器32。记电压检测装置的测量电压范围为[U₀,U_N]，将测量电压分为N档，按升序排列分别为[U₀,U₁]，(Ux,U₂]，…，(U_i-1,U_i]，…，(U_N-1,U_N]，i的取值范围为i＝1,2,…,N。由于信号衰减电路1对交流电压信号进行了X倍的衰减，因此自动分档控制电路3的第i档对应的电压范围为(U_i-1/X,U_i/X]，记为(u_i-1,u_i]。记第j组放大/衰减装置31和电压比较器32中电压比较器32的参考电压信号的电压值为j的取值范围为j＝1,2,…,N-1。在实际应用中，各个电压比较器32的参考电压值可以各不相同，但是为了便于装置的生产与维护，各个电压比较器32的参考电压信号为同一信号，即参考电压值相同。对应放大/衰减装置31的放大/衰减倍数显然，当Y_j≥1时，放大/衰减装置31是放大电路，当Y_j＜1时，放大/衰减装置31是衰减电路。本实施例中，由于后续电路中包含FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)模块，因此在电压比较器32的输出端串联一个光电隔离器33，将强电压信号的地和FPGA的地隔离开来，保护FPGA不会被强电压信号所击穿。

自动分档控制电路3的工作过程为：每个放大/衰减装置31均接收交直流转换电路2输出的直流信号，进行放大/衰减处理后输出至对应的电压比较器32，电压比较器32将衰减后的直流信号与参考电压信号比较后输出控制信号，当直流信号电压值小于等于参考电压值控制信号的值为0，当直流信号电压值大于参考电压值控制信号的值为1，将第j个电压比较器32的控制信号值记为m_j，输出所有控制信号至强电压信号检测电路4。

本实施例中，电压检测装置的测量电压范围为1-2000V，分为4档：1-10V、10-100V、100-1000V、1000-2000V。本实施例中，交直流转换电路2的输入电压最大阈值为2V，则信号衰减电路1的衰减倍数为1000倍，那么自动分档控制电路3各档对应的电压范围分别为0.001-0.01V、0.01-0.1V、0.1-1V、1-2V。可见，自动分档控制电路3中共计3组放大/衰减装置31和电压比较器32。本实施例中，放大/衰减装置31的供电电压为5V，即输出电压不会超过5V，显然参考电压值要小于供电电压。此处设置各电压比较器32的参考电压值那么3个放大/衰减装置31的放大/衰减倍数分别为Y₁＝60、Y₂＝6、Y₃＝0.6，前两个放大/衰减装置31为放大器，最后一个为衰减器。当交流电压信号幅值在1-10V内时，输出的控制信号为“000”；当交流电压信号幅值在10-100V内时，输出的控制信号为“100”；当交流电压信号幅值在100-1000V内时，输出的控制信号为“110”；当交流电压信号幅值在1000-2000V内时，输出的控制信号为“111”。假定交流电压信号的幅值为8V，处于第1档，到达自动分档控制电路3的直流信号电压为0.008，3个放大/衰减装置31处理后得到的信号电压分别为0.48V、0.048V、0.0048，均小于参考电压值，所以输出控制信号为“000”。假定交流电压信号的幅值为600V，处于第3档，到达自动分档控制电路3的直流信号电压为0.6V，3个放大/衰减装置31处理后得到的信号电压分别为5V(输出不超过其供电电压)、3.6V、0.36V，前面两个大于参考电压值，最后一个小于参考电压值，所以输出控制信号为“110”。可见，采用本发明的自动分档控制电路可以对交流电压信号进行准确分档，而且由于是采用的纯硬件换档，换档速度较快，可靠性高。

强电压信号检测电路4，接收交流电压信号和自动分档控制电路3输出的控制信号，对交流电压信号进行电压检测。图7是强电压信号检测电路结构图。如图7所示，强电压信号检测电路包括反向衰减器41、单端转差分转换器42、谐波滤波器43、ADC采样模块44和电压计算模块45。交流电压信号自反向衰减器41中运算放大器的反向输入端输入，信号输入端与运算放大器的反向输入端之间串联N个电阻，第i个电阻值记为R_i，第2至第N个电阻分别并联一个继电器，共计N-1个继电器，第j个继电器由控制信号m_j控制，当m_j＝1，继电器断开，当m_j＝0，继电器闭合，令对应电阻短路。可见，继电器相当于一个开关，用来控制对应的电阻是否加入衰减电路。

记反向衰减器41中的运算放大器反向输入端和输出端之间的电阻值为R_F，当每个输出控制信号m_j均为0，即当前交流电压信号的幅值位于第1档，此时所有继电器均闭合，反向衰减器42的衰减系数为当只有控制信号m₁＝1，为第2档时，第1个继电器断开，其他继电器闭合，衰减系数为以此类推，当控制信号m₁至m_i-1均为1，则交流电压信号位于第i档，衰减系数可见，强电压信号检测电路4能够根据自动分档控制电路3输出的控制信号调整衰减系数，从而实现对更大范围内电压信号的测量。显然，衰减系数是预先根据各档电压中最大值与运算放大器输入电压最大阈值来确定的，进而确定各个电阻的阻值。

单端转差分转换器42接收经反向衰减器41衰减后的交流电压信号，将其转化差分信号；谐波滤波器43将差分信号中进行谐波滤波，去除差分信号中的谐波成分；ADC采样模块44对滤波后的差分信号进行采样，得到衰减后的电压值电压值计算模块45中预先存储各档电压的衰减系数，根据自动分档控制电路3输出的控制信号得到强电压信号检测电路4当前所处的档位，即当前档位序号然后查找得到对应的衰减系数T，再根据衰减后的电压值计算得到交流电压信号的电压值本实施例中，电压值计算模块45是采用FPGA实现的。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种宽电压的电力信号电压检测装置，其特征在于包括信号衰减电路、交直流转换电路、自动分档控制电路和强电压信号检测电路，其中：

强电压信号检测电路包括反向衰减器、单端转差分转换器、谐波滤波器、ADC采样模块和电压计算模块，交流电压信号自反向衰减器中运算放大器的反向输入端输入，交流电压信号输入端与运算放大器的反向输入端之间串联N个电阻，第2至第N个电阻分别并联一个继电器，共计N-1个继电器，第j个继电器由控制信号m_j控制，当m_j＝1，继电器断开，当m_j＝0，继电器闭合，令对应电阻短路；单端转差分转换器接收经反向衰减器衰减后的交流电压信号，将其转化差分信号；谐波滤波器对差分信号进行谐波滤波；ADC采样模块对滤波后的差分信号进行采样，得到衰减后的电压值；电压值计算模块中预先存储各档电压的衰减系数，根据自动分档控制电路输出的控制信号得到强电压信号检测电路当前所处的档位，查找得到对应的衰减系数，再根据衰减后的电压值计算得到交流电压信号的电压值。

2.根据权利要求1所述的电压测量装置，其特征在于，所述交直流转换电路包括绝对值整流电路和峰值检测电路，其中，绝对值整流电路将经信号衰减电路衰减处理的交流电压信号转换成只有正峰值的脉动直流信号，峰值检测电路对脉动直流信号进行峰值检测，得到直流信号。

3.根据权利要求1所述的电压测量装置，其特征在于，所述峰值检测电路包括运算放大器、第一二极管、第二二极管、第三二极管和电阻，脉动的直流信号由运算放大器的正向输入端输入，运算放大器的输出端与第一二极管的正极连接，运算放大器的反向输入端、第一二极管的负极、第二二极管的正极和第三二极管的负极一起连接在电阻的一端，电阻的另一端接地，为直流信号输出端，第二二极管的负极和第三二极管的正极一起连接电阻的直流信号输出端。

4.根据权利要求1所述的电压检测装置，其特征在于，所述自动分档控制电路中，N-1个电压比较器的参考电压信号采用同一信号。