CN104635034A - 一种基于精确定时的电网同步测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于精确定时的电网同步测量系统，分别与电网高压互感器二次侧和上位机连接，包括DSP主控制电路、串口通信电路、GPS模块电路、电压调理电路、电流调理电路及功率因数和相角测量电路，所述DSP主控制电路通过串口通信电路分别与上位机和GPS模块电路连接，所述电压调理电路和电流调理电路分别与电网高压互感器二次侧连接，所述电压调理电路、电流调理电路及功率因数和相角测量电路分别与DSP主控制电路连接，所述电压调理电路和电流调理电路分别与功率因数和相角测量电路连接。与现有技术相比，本发明具有时间信号随时校准、成本低、采样精确以及功率因数和相角的测量更加精准等优点。

Description

一种基于精确定时的电网同步测量系统

技术领域

本发明涉及电力系统测量技术领域，尤其是涉及一种基于精确定时的电网同步测量系统。

背景技术

全球定位系统GPS在各个领域都已得到广泛的应用，电力系统也不例外，它的精确定时和定位功能使电力系统在统一时间、同步采样、同步向量测量等方面成为可能，将对电力系统故障检测、状态估计、控制与保护等领域带来重要影响。

嵌入式系统在电力系统中的应用多种多样，TMS320F2812作为一款具有强大运算功能的处理器，具有A/D转换、PWM处理等功能，十分适用于电力系统中的实时监测、自动控制等技术需求，同时经过一定的处理和转换，使其具有检测、控制高电压大电流的功能。TMS320F2812使用30M晶振，核时钟最高可达150MHz，其高速的运算速率是其最大优势。然而，应用定时器进行计时，仍不可避免的存在误差，误差的累计最终会导致计时不准确。GPS的秒脉冲功能就可以弥补这一应用中的缺陷。时间的校准可以为精确采样提供精确的采样时钟，从而构成一个精确定时系统。时间校正的精度可达微秒级，这对于要求越来越高的继电保护动作要求、越来越精准的谐波分析要求上，是具有重要意义的。

对于多种多样的采集芯片，其对模拟量的输入具有不同的要求，以TMS320F2812为例，其要求的输入信号为0-3V的电压信号，因此对于电网高压侧的电量检测，需要设计一种具有电压、电流调理电路及功率因数和相位测量电路的电网同步测量系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于精确定时的电网同步测量系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于精确定时的电网同步测量系统，分别与电网高压互感器二次侧和上位机连接，其特征在于，包括DSP主控制电路、串口通信电路、GPS模块电路、电压调理电路、电流调理电路及功率因数和相角测量电路，所述DSP主控制电路通过串口通信电路分别与上位机和GPS模块电路连接，所述电压调理电路和电流调理电路分别与电网高压互感器二次侧连接，所述电压调理电路、电流调理电路及功率因数和相角测量电路分别与DSP主控制电路连接，所述电压调理电路和电流调理电路分别与功率因数和相角测量电路连接；

所述GPS模块电路接收卫星信号，并将收到的数据帧发送给DSP主控制电路，DSP主控制电路将其解析出时间信号对自身的定时器进行时间校准；同时GPS模块电路发送秒脉冲触发DSP主控制电路对电压调理电路和电流调理电路的输出信号进行采样；所述电压调理电路和电流调理电路对电网高压进行转换，在秒脉冲触发下转换后的电压信号和电流信号被DSP主控制电路接收，同时被输入到功率因数和相角测量电路；所述功率因数和相角测量电路将输入信号转换为脉冲信号发送给DSP主控制电路，DSP主控制电路以经过校准后的时间为基准，根据脉冲信号的周期，计算出系统的功率因数和相角。

所述串口通信电路为双路SCI串口电路，该双路SCI串口电路包括串口接头JP1、串口接头JP2及串口调试电路，所述GPS模块电路依次通过串口接头JP1和串口调试电路与DSP主控制电路连接，所述DSP主控制电路依次通过串口调试电路和串口接头JP2与上位机连接。

所述串口调试电路包括串口芯片MAX3232和电容C1、C2、C3及C4，所述串口芯片MAX3232的V+口和VCC口之间串接电容C1，V-口和GND口之间串接电容C2，C1+口和C1-口之间串接电容C3，C2+口和C2-口之间串接电容C4；所述串口芯片MAX3232的VCC口接于直流电源正电压端3.3VD，GND口接于直流电源地端GND；所述串口芯片MAX3232的T1IN口和R1OUT口连接至DSP主控制电路与GSP模块电路通信的端口，T1OUT口和R1IN口作为连接GPS模块电路的通信接口，连接至串口接头JP1，T1IN口和R1OUT口连接至DSP主控制电路与上位机通信的端口，T2OUT口和R2IN口作为连接上位机串口端子的通信接口，连接至串口接头JP2。

所述电压调理电路包括依次连接的电压互感器及其应用电路、第一加法运算电路、第一滤波电路及第一比例运算电路。

所述电流调理电路包括依次连接的电流互感器及其应用电路、第二加法运算电路、第二滤波电路及第二比例运算电路。

所述功率因数和相角测量电路为过零比较器，该过零比较器包括依次连接的电阻R10、保护电路和运算放大器U3A，所述功率因数和相角测量电路通过电阻R10分别与所述电压调理电路和电流调理电路连接，通过运算放大器U3A与所述DSP主控制电路连接；

所述保护电路包括平衡电阻R31、稳压二极管D1、稳压二极管D2、限流电阻R32及限流电阻R33，所述电阻R10分别与平衡电阻R31和稳压二极管D1连接，所述平衡电阻R31与稳压二极管D1并联连接，所述稳压二极管D1与稳压二极管D2反向并联连接，所述限流电阻R32一端与稳压二极管D2的阴极连接，另一端与运算放大器U3A的正极输入端连接，所述限流电阻R33一端与稳压二极管D2的阳极连接，另一端与运算放大器U3A的负极输入端连接。

所述电压互感器及其应用电路由依次连接的电阻R11、电压互感器和第一运放电路组成，所述电流互感器及其应用电路由依次连接的电流互感器和第二运放电路组成；所述运放电路包括运算放大器、电阻及电容，所述电阻与电容并联连接，所述电容分别连接运算放大器的负极输入端和输出端，所述运算放大器的正极输入端接地。

所述加法运算电路为反相加法运算电路。

所述滤波电路为二阶有源低通滤波器，由二阶RC滤波器和运算放大器组成。

所述比例运算电路为反相比例运算电路。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、时间随时校准：把DSP的高速运算功能与GPS的精准定时功能相结合，弥补了DSP长时间计数引起的定时误差；当DSP和GPS的时间数据发生不一致时，用GPS的时间数据代替DSP的时间值，在DSP高速的处理速率下随时校准。

2、用GPS的秒脉冲信号触发采样：在DSP中，A/D采样一般使用软件启动或EV启动的方法，而秒脉冲触发能精确的实现每秒定时采样，从而实现精确采样。

3、功率因数和相角的测量更加精准：以往测量功率因数和相位时，仅仅依靠DSP内部定时器得到计算所需的时间差值，而GPS的引入将直接用其收到的时间信号代替定时器的时间值，更加精确，这对于电网的同步性操作具有重要意义。

4、成本低：本发明巧妙地将DSP和GPS二者联合使用，除了DSP主控制电路板和GPS模块外几乎没有其它附加成本。

附图说明

图1为本发明系统的框架示意图；

图2为本发明串口通信电路的电路图；

图3为本发明GPS模块电路的电路图；

图4为本发明电压调理电路的电路图；

图5为本发明电流调理电路的电路图；

图6为本发明功率因数和相角测量电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明实施例在采用GPS模块电路精确定时的基础之上，针对DSP2812这种芯片采样的要求，设计了一种具有电压、电流调理电路及功率因数和相位测量电路的电网同步测量系统。

如图1所示，一种基于精确定时的电网同步测量系统，前端与电网高压互感器二次侧连接，后端与上位机W连接，其特征在于，该系统包括DSP主控制电路1、串口通信电路2、GPS模块电路3、电压调理电路4、电流调理电路5及功率因数和相角测量电路6，所述DSP主控制电路1通过串口通信电路2分别与上位机W和GPS模块电路3连接，所述电压调理电路4与电网电压互感器二次侧连接，所述电流调理电路5与电网电流互感器二次侧连接，所述电压调理电路4、电流调理电路5分别与DSP主控制电路1的A/D采样功能引脚连接，所述功率因数和相角测量电路6与DSP主控制电路1的EV捕获功能引脚连接，所述电压调理电路4和电流调理电路5分别与功率因数和相角测量电路6连接。

所述GPS模块电路3接收卫星信号，并将收到的数据帧发送给DSP主控制电路1，DSP主控制电路1将其解析出时间信号对自身的定时器进行时间校准；同时GPS模块电路3发送秒脉冲触发DSP主控制电路1对电压调理电路4和电流调理电路5的输出信号进行采样；所述电压调理电路4和电流调理电路5对电网高压进行转换，在秒脉冲触发下转换后的电压信号和电流信号被DSP主控制电路1接收，同时被输入到功率因数和相角测量电路6；所述功率因数和相角测量电路6将输入信号转换为脉冲信号发送给DSP主控制电路1，DSP主控制电路1以经过校准后的时间为基准，根据脉冲信号的周期，计算出系统的功率因数和相角。

如图2所示，所述串口通信电路2为双路SCI串口电路，该双路SCI串口电路包括串口接头JP1、串口接头JP2及串口调试电路，所述GPS模块电路3依次通过串口接头JP1和串口调试电路与DSP主控制电路1连接，所述DSP主控制电路1依次通过串口调试电路和串口接头JP2与上位机W连接。所述串口接头JP1和串口接头JP2均为9针串口。

所述串口调试电路包括串口芯片MAX3232和电容C1、C2、C3及C4，所述串口芯片MAX3232的V+口和VCC口之间串接电容C1，V-口和GND口之间串接电容C2，C1+口和C1-口之间串接电容C3，C2+口和C2-口之间串接电容C4，所述串口芯片MAX3232的VCC口接于直流电源正电压端3.3VD，GND口接于直流电源地端GND；所述串口芯片MAX3232的T1IN口和R1OUT口连接至DSP主控制电路1与GSP模块电路3通信的端口，T1OUT口和R1IN口作为连接GPS模块电路3的通信接口，连接至串口接头JP1，T1IN口和R1OUT口连接至DSP主控制电路1与上位机W通信的端口，T2OUT口和R2IN口作为连接上位机W串口端子的通信接口，连接至串口接头JP2。

如图3所示，GPS模块电路3包括GPS的芯片ZYM-GA85-3V2.1及其外围电路，图中①为RTC和SRAM的工作电源，②为50Ω的匹配电阻连接线。

如图4所示，电压调理电路4从左向右依次由电压互感器及其应用电路a、第一加法运算电路b、第一滤波电路c及第一比例运算电路d组成。

所述电压互感器及其应用电路a将电网0-220V交流电压变换为不大于1/2倍运放电源的电压，并作相位补偿。所述电压互感器及其应用电路a由电阻R11、电压互感器PT1和第一运放电路组成，所述电压互感器PT1的输入侧通过电阻R11与电网电压互感器二次侧连接，输出侧与第一运放电路连接，所述第一运放电路包括运算放大器U1A、电阻R12及电容C11，所述电阻R12与电容C11并联连接，所述电容C11分别连接运算放大器U1A的负极输入端和输出端，所述运算放大器U1A的正极输入端接地。通过调节反馈电阻R12，可得到所需的电压值，调节电容C11可补偿相移。本实施例所述电压互感器PT1为电流式电压互感器TV1013。

所述第一加法运算电路b为反相加法运算电路，包括电容C12、电阻R13、R14、R15及运算放大器U1B，该第一加法运算电路b通过电阻R13与电压互感器及其应用电路a连接，电阻R13、R15均与运算放大器U1B负极输入端连接，电阻R14与参考电压Vref连接，电阻R15跨接运算放大器U1B负极输入端和输出端，运算放大器U1B正极输入端接地。该第一加法运算电路b用于放大信号，使其幅值为-1.5V-+1.5V之间。

所述第一滤波电路c为二阶有源低通滤波器，包括运算放大器U1C和由电阻R16、电阻R17、电容C13、电容C14组成的二阶RC滤波器，该滤波电路对交流信号进行滤波，滤除高次谐波。

所述第一比例运算电路d为反相比例运算电路，起到变换信号极性的作用，使输入DSP主控制电路1的A/D采样通道的信号保持为0-3V。

如图5所示，电流调理电路5从左向右依次由电流互感器及其应用电路e、第二加法运算电路f、第二滤波电路g和第二比例运算电路h组成。

所述电流互感器及其应用电路e用于将0-5A交流电流变换为不大于1/2倍运放电源电压，并作相位补偿。所述电流互感器及其应用电路e包括电流互感器CT1和第二运放电路。本实施例电流互感器CT1采用TA1015-2M电流互感器。

所述第二加法运算电路f为反相加法运算电路，用于放大信号，使其幅值为-1.5V-+1.5V之间。

所述第二滤波电路g为二阶有源低通滤波器，由二阶RC滤波器和运算放大器U2C组成，用于对交流信号进行滤波，滤除高次谐波。

所述第二比例运算电路h为反相比例运算电路，通过调节反馈电阻P1可调节放大比例。该反相比例运算电路用于将信号反相，使之成为0V以上的信号，即输入DSP主控制电路1采样通道的信号为0-3V。

如图6所示，所述功率因数和相角测量电路6为过零比较器，该过零比较器包括互相连接的电阻R10、保护电路和运算放大器U3A，所述功率因数和相角测量电路6通过电阻R10分别与所述电压调理电路4和电流调理电路5连接，通过运算放大器U3A与所述DSP主控制电路1连接；所述保护电路包括平衡电阻R31、稳压二极管D1、稳压二极管D2、限流电阻R32及限流电阻R33，所述电阻R10分别与平衡电阻R31和稳压二极管D1连接，所述平衡电阻R31与稳压二极管D1并联连接，所述稳压二极管D1与稳压二极管D2反向并联连接，所述限流电阻R32一端与稳压二极管D2的阴极连接，另一端与运算放大器U3A的正极输入端连接,所述限流电阻R33一端与稳压二极管D2的阳极连接，另一端与运算放大器U3A的负极输入端连接。

功率因数和相角测量电路6的作用是在交流信号的过零点发生脉冲跳变，将交流信号转换为脉冲信号，并将该脉冲信号输出至DSP主控制电路的EV捕获单元引脚。该过零比较电路具有两个功能，测量功率因数和相角。当测量功率因数时，其输入信号为电压调理电路4和电流调理电路5的输出信号，将电流信号与电压信号作为输入时，二者过零点时间差为计算功率因数的基准，这两个时间均由GPS主控制电路1的精确时间信号得来(可精确至纳秒级)。当测量相角时，将电压调理电路4的输出端信号作为输入，将不同母线或不同相位的几个电压信号作为输入时，其相互之间的时间差为计算相角的基准，同样每个时间由GPS主控制电路1上传，保证准确性。

Claims (10)

1.一种基于精确定时的电网同步测量系统，分别与电网高压互感器二次侧和上位机连接，其特征在于，包括DSP主控制电路、串口通信电路、GPS模块电路、电压调理电路、电流调理电路及功率因数和相角测量电路，所述DSP主控制电路通过串口通信电路分别与上位机和GPS模块电路连接，所述电压调理电路和电流调理电路分别与电网高压互感器二次侧连接，所述电压调理电路、电流调理电路及功率因数和相角测量电路分别与DSP主控制电路连接，所述电压调理电路和电流调理电路分别与功率因数和相角测量电路连接；

所述GPS模块电路接收卫星信号，并将收到的数据帧发送给DSP主控制电路，DSP主控制电路将其解析出时间信号对自身的定时器进行时间校准；同时GPS模块电路发送秒脉冲触发DSP主控制电路对电压调理电路和电流调理电路的输出信号进行采样；所述电压调理电路和电流调理电路对电网高压进行转换，在秒脉冲触发下转换后的电压信号和电流信号被DSP主控制电路接收，同时被输入到功率因数和相角测量电路；所述功率因数和相角测量电路将输入信号转换为脉冲信号发送给DSP主控制电路，DSP主控制电路以经过校准后的时间为基准，根据脉冲信号的周期，计算出系统的功率因数和相角。

2.根据权利要求1所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述串口通信电路为双路SCI串口电路，该双路SCI串口电路包括串口接头JP1、串口接头JP2及串口调试电路，所述GPS模块电路依次通过串口接头JP1和串口调试电路与DSP主控制电路连接，所述DSP主控制电路依次通过串口调试电路和串口接头JP2与上位机连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述串口调试电路包括串口芯片MAX3232和电容C1、C2、C3及C4，所述串口芯片MAX3232的V+口和VCC口之间串接电容C1，V-口和GND口之间串接电容C2，C1+口和C1-口之间串接电容C3，C2+口和C2-口之间串接电容C4；所述串口芯片MAX3232的VCC口接于直流电源正电压端3.3VD，GND口接于直流电源地端GND；所述串口芯片MAX3232的T1IN口和R1OUT口连接至DSP主控制电路与GSP模块电路通信的端口，T1OUT口和R1IN口作为连接GPS模块电路的通信接口，连接至串口接头JP1，T1IN口和R1OUT口连接至DSP主控制电路与上位机通信的端口，T2OUT口和R2IN口作为连接上位机串口端子的通信接口，连接至串口接头JP2。

4.根据权利要求1所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述电压调理电路包括依次连接的电压互感器及其应用电路、第一加法运算电路、第一滤波电路及第一比例运算电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述电流调理电路包括依次连接的电流互感器及其应用电路、第二加法运算电路、第二滤波电路及第二比例运算电路。

6.根据权利要求1所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述功率因数和相角测量电路为过零比较器，该过零比较器包括依次连接的电阻R10、保护电路和运算放大器U3A，所述功率因数和相角测量电路通过电阻R10分别与所述电压调理电路和电流调理电路连接，通过运算放大器U3A与所述DSP主控制电路连接；

所述保护电路包括平衡电阻R31、稳压二极管D1、稳压二极管D2、限流电阻R32及限流电阻R33，所述电阻R10分别与平衡电阻R31和稳压二极管D1连接，所述平衡电阻R31与稳压二极管D1并联连接，所述稳压二极管D1与稳压二极管D2反向并联连接，所述限流电阻R32一端与稳压二极管D2的阴极连接，另一端与运算放大器U3A的正极输入端连接，所述限流电阻R33一端与稳压二极管D2的阳极连接，另一端与运算放大器U3A的负极输入端连接。

7.根据权利要求4或5所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述电压互感器及其应用电路由依次连接的电阻R11、电压互感器和第一运放电路组成，所述电流互感器及其应用电路由依次连接的电流互感器和第二运放电路组成；所述运放电路包括运算放大器、电阻及电容，所述电阻与电容并联连接，所述电容分别连接运算放大器的负极输入端和输出端，所述运算放大器的正极输入端接地。

8.根据权利要求4或5所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述加法运算电路为反相加法运算电路。

9.根据权利要求4或5所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述滤波电路为二阶有源低通滤波器，由二阶RC滤波器和运算放大器组成。

10.根据权利要求4或5所述的一种基于精确定时的电网同步测量系统，其特征在于，所述比例运算电路为反相比例运算电路。