CN105486916B - 一种面向智能变电站的直流信号采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向智能变电站的直流信号采集电路，包括硬件防护电路，用于对输入的直流信号进行抗电磁干扰处理；与硬件防护电路输出端相连接的第一隔离电路；与第一隔离电路输入端相连接的多通道切换电路，用于控制第一隔离电路对多路直流信号的轮流采集；与第一隔离电路输出端相连接的V/F转换电路，用于将电压信号调制成设定频率的方波信号；和与V/F转换电路输出端相连接的第二隔离电路，第二隔离电路的输出端连接DSP处理器的频率计数引脚，所述DSP处理器完成对频率的计算。本发明能在复杂的电磁环境下高精度、可靠的采集4‑20mA(0‑5V)直流信号，提高智能变电站一次设备运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号采集电路，具体涉及一种面向智能变电站的直流信号采集电路，属于电工技术领域。
背景技术
随着智能变电站在全面建设，一二次融合技术迅速发展，传统的一二次设备的界限逐渐模糊，新型智能变电站按照实现功能进行系统设计：过程层、间隔层、站控层。在新型智能变电站系统中，对智能设备提出更高的要求,智能设备的前移(接近一次设备)，复杂的电磁环境对智能设备是一个严酷的考验；智能设备不但要完成原有的系统功能，而且还需要对一次设备实现实时监控。如何在复杂的电磁环境下，准确采集一次设备的监控信号是保护一次设备，确保变电站安全的关键。
在智能变电站的过程层设备中，智能终端是非常重要的过程层设备，具有传统操作箱的功能和一次设备的信号采集功能。在一次设备的信号采集中，大多是110VDC或者220VDC信号的位置信号，部分一次设备状态信号为0-5VDC或者4-20mA的直流信号。智能变电站的过程设备正确采集一次设备的状态信号是非常关键的。在智能变电站的一次设备空间，过程层设备需要关注严酷的电磁干扰，要求过程层设备的电磁兼容检测达到行业最高标准。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种面向智能变电站的直流信号采集电路，能在复杂的电磁环境下高精度、可靠的采集4-20mA(0-5V)直流信号，提高智能变电站一次设备运行的可靠性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种面向智能变电站的直流信号采集电路，包括硬件防护电路，用于对输入的直流信号进行抗电磁干扰处理；与硬件防护电路输出端相连接的第一隔离电路，用于实现电磁干扰信号的隔离；与第一隔离电路输入端相连接的多通道切换电路，用于控制第一隔离电路对多路直流信号的轮流采集；与第一隔离电路输出端相连接的V/F转换电路，用于将电压信号调制成设定频率的方波信号；和与V/F转换电路输出端相连接的第二隔离电路，用于实现采集电路及数字电路的光电隔离，第二隔离电路的输出端连接DSP处理器的频率计数引脚，所述DSP处理器完成对频率的计算。
上述硬件防护电路包括两个用于抑制电磁干扰的电感、两个电流电压转换电阻、两个高压瓷片电容和差模滤波电容，其中，一个高压瓷片电容和电感构成一对防护；第一对防护与输入信号正端相连接，第二对防护与输入信号负端相连接；共模滤波电容跨接在差分信号输入的正负端；所述电流电压转换电阻连接在差分信号两端，通过跳线选择输入信号的类型，所述输入信号的类型包括电流和电压。
上述多通道切换电路采用74HCT273和74HC138译码器的组合逻辑实现通道的选择，确保任何时刻仅有一个通道可以处于导通状态；该通道切换设计最大可以支持16路，其中14路设计输入直流信号，2路作为参考信号输入。
上述V/F转换电路采用美国模拟器件公司研制的一种单片、高速、多功能同步V/F转换器AD652；在AD562的输入端设计低通二阶滤波器，该二阶滤波器由电阻R16、R27和C26、C28构成，截止频率不大于20Hz。
上述第一隔离电路，采用抗干扰能力强的松下公司的AQW214；第二隔离电路采用安华高科技公司的高速光藕6N137。
本发明解决了智能变电站设备直流信号在复杂的一次电磁环境下的采集问题，提高了对一次设备状态的监测可靠性；本发明线性误差为0.06％,满足智能电变电站对直流信号误差的精度要求(0.2％)；输入范围满足0-5V或者4-20mA，输出频率范围最大可以达到500kHz。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为V/F转换电路与第二隔离电路的电路原理图；
图3为多通道切换电路图；
图4为硬件防护电路与第一隔离电路的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明包括三个部分，分别为(1)压频变换(V/F)技术(即V/F转换电路和第二隔离电路)、(2)多通道切换技术(即第一隔离电路和多通道切换电路)(3)双重防护(硬件防护电路和第一隔离电路)。下面结合附图，
分别对三个部分的原理进行描述：
(1)压频变换(V/F)设计
参见图2，该新型的电压-频率变换(VFC)式模/数转换器，该转换器外部电路简单，单端电压输入范围最大36V，满刻度频率可达到500kHz,线性误差仅为0.03％，动态范围80dB,温度系数为±50ppm/℃。该转换器输出驱动能力比较强，可以直接驱动光藕；采用Texas Instrument成熟的DSP技术完成频率计算。
通过调整模/数转换器的外部电阻和电容，输入电压5V时，输出最大频率为260kHz，电压信号经过AD564转换器转换成幅值为12V，最大频率为260kHZ的方波信号，而DSP接口承受3V信号，为了实现信号匹配、数字模拟区的隔离增加了高速光藕。在智能变电站中直流信号的测量误差要求不大于0.2％(10mV)，而DSP的分辩率精确到0.02mV,因此满足设计要求。
(2)多通道切换设计
参见图3和图4，本发明的多通道切换没有选择常用的模拟切换开关，采用组合逻辑和光藕巧妙的实现了多通道切换。
采用74HCT273和74HC138译码器的组合逻辑实现通道的选择，确保任何时刻仅有一个通道可以处于导通状态。该通道切换设计最大可以支持16路，其中14路设计输入直流信号，2路作为参考信号输入(5V和0V)。启动转换时D1为+5V，通过控制组合逻辑电路，使OUT1为0V，第一级光藕导通，Vin+即为第一路直流信号；依次控制OUT2-OUT8可以实现不同直流信号的采集。
该发明中的选用隔离电路采用的是光电继电器，具有抗干扰，自身不产生干扰，高隔离，小电流驱动，高输出耐压等特点。本发明采用的充分运用了该光电继电器的驱动特点，实现了小电压和小电流的兼容设计。
(3)双重防护设计
参见图4，该设计的智能变电站的直流信号采集与站内的电磁干扰信号相比是小信号，如何干扰足以影响测试结果。本发明中不但采用了硬件防护设计，而且还采用了软件防护设计。
①硬件防护电路设计
如图4中所示，光电继电器的输入端增加了防浪涌滤波的高压瓷片电容、防止快瞬瞬变信号的高频电感、滤除差模信号的电容。高压瓷片电容跨接在直流差分信号的正负端，可以有效的将输入信号上的浪涌干扰信号向大地释放；电感可以有效抑制输入信号的高频信号；在直流差分信号的两端跨接电容，滤除信号线上的差模干扰信号，通过实际验证，硬件防护参数有效抑制了智能变电站内的电磁干扰。
②硬件软件防护设计
该设计中，采用硬件和软件滤波设计，如图2，设计了RC二阶滤波，利用直流信号特点，该滤波电路截止频率不大于20Hz；在软件方面采用了动态参考电压设计，在电磁干扰环境下，不但输入信号受到干扰，而且电源系统也会受到干扰，为了避免电源系统波动影响测试结果，该设计采用动态参考电压设计，即每轮循环实时采集参考电压，通过对参考电压测试，确定当前测试系统误差。通过对信号的误差校准，可以准确获取测量值，直流信号测量误差远远大于智能变电站要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种面向智能变电站的直流信号采集电路，其特征在于，包括硬件防护电路，用于对输入的直流信号进行抗电磁干扰处理；
与硬件防护电路输出端相连接的第一隔离电路，用于实现电磁干扰信号的隔离；
与第一隔离电路输入端相连接的多通道切换电路，用于控制第一隔离电路对多路直流信号的轮流采集；
与第一隔离电路输出端相连接的V/F转换电路，用于将电压信号调制成设定频率的方波信号；
和与V/F转换电路输出端相连接的第二隔离电路，用于实现采集电路及数字电路的光电隔离，第二隔离电路的输出端连接DSP处理器的频率计数引脚，所述DSP处理器完成对频率的计算；所述硬件防护电路包括两个用于抑制电磁干扰的电感、两个电流电压转换电阻、两个高压瓷片电容和差模滤波电容，其中，一个高压瓷片电容和一个电感构成一对防护；
第一对防护与输入信号正端相连接，第二对防护与输入信号负端相连接；
所述差模滤波电容跨接在差分信号输入的正负端；
所述电流电压转换电阻连接在差分信号两端，通过跳线选择输入信号的类型，所述输入信号的类型包括电流和电压；
所述第一对防护与输入信号正端相连接，第二对防护与输入信号负端相连接，输入信号正负端构成一对差分信号；所述差模滤波电容跨接在输入差分信号的正负端。
2.根据权利要求1所述的面向智能变电站的直流信号采集电路，其特征在于，所述多通道切换电路采用74HCT273和74HC138译码器的组合逻辑实现通道的选择，确保任何时刻仅有一个通道可以处于导通状态；该通道切换设计最大可以支持16路，其中14路设计输入直流信号，2路作为参考信号输入。
3.根据权利要求1所述的面向智能变电站的直流信号采集电路，其特征在于，所述V/F转换电路采用的是V/F转换器AD652。
4.根据权利要求1所述的面向智能变电站的直流信号采集电路，其特征在于，所述第一隔离电路采用的是松下公司的AQW214；所述第二隔离电路采用的是安华高科技公司的高速光藕6N137。
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