CN105759111A - 一种电力现场环境下的无线电压跟随器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力现场环境下的无线电压跟随器，包括依次连接的输入模块、无线传输模块和输出模块；输入模块，用于采集电力设备中电压互感器二次侧的电压信号；无线传输模块，用于长距离传输电压信号；输出模块，用于对电压信号进行复现。与现有技术相比，本发明提供的一种电力现场环境下的无线电压跟随器，采用无线传输的方式对电压信号进行复现，实时性好、精度高，克服了有限传输受制于地形环境及布线繁琐的缺点，实现了远程电压跟随。

Description

一种电力现场环境下的无线电压跟随器

技术领域

本发明涉及配电网技术领域，具体涉及一种一种电力现场环境下的无线电压跟随器。

背景技术

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低。一般来说，输入阻抗可以达到几兆欧姆，而输出阻抗低，通常只有几欧姆，甚至更低。

在电路中，电压跟随器一般做缓冲级(buffer)及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器进行缓冲。起到承上启下的作用。电压跟随器还可以提高输入阻抗，可以大幅度减小输入电容的大小，为应用高品质的电容提供保证。

电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI电路中，关于负反馈的争议已经很久了。其实，如果真的没有负反馈的作用，绝大多数的放大电路是不能很好地工作的。但是引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路与输入信号叠加，造成音质模糊、清晰度下降。所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。

这种情况下电压跟随器可以很好地工作，把电路置于前级和功放之间，可以切断扬声器的反电动势对前级的干扰作用，使音质的清晰度得到大幅度提高。

世界范围内电压采集及产生的技术已相当成熟，但是将两者结合起来，采集电压并复现的情况则较少。现有专利有涉及电压跟随器，但主要是基于有线的方式实现。采用无线传输时，通讯方式主要有GPRS和ZigBee，但由于其技术上的限制，传输速率只允许将采集信号在本地做处理后，将电压的幅值和相位通过无线方式传输到终端，没有传输完整波形，不便于对信号的更进一步分析。

综上，需要提供一种无线电压跟随器实现电力现场远距离电压传输和复现。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种一种电力现场环境下的无线电压跟随器。

本发明的技术方案是：

所述电压跟随器包括依次连接的输入模块、无线传输模块和输出模块；

所述输入模块，用于采集电力设备中电压互感器二次侧的电压信号；

所述无线传输模块，用于长距离传输所述电压信号；

所述输出模块，用于对所述电压信号进行复现。

优选的，所述输入模块包括人机交互单元、第一缓存单元，以及依次连接的信号调理电路、高速ADC、第一时间同步单元和第一MCU单元；

所述人机交互单元与第一MCU单元连接，第一缓存单元分别与高速ADC、第一时间同步单元和第一MCU单元连接；所述人机交互单元，向第一MCU单元发送AD采样启动信号和AD采样停止信号，从而控制高速ADC启动和停止工作；

所述信号调理电路，按照预置比例系数对所述电力设备中电压互感器二次侧的电压信号进行调整，以及滤波；

优选的，所述第一时间同步单元包括第一CPLD子单元和第一GPS子单元；所述第一CPLD子单元连接于所述第一GPS子单元和第一缓存单元之间；

所述第一GPS子单元，用于设定无线电压跟随器的标准时间；

所述第一CPLD子单元，将该标准时间发送到缓存子单元存储，并依据所述标准时间向高速ADC发送采样频率，以及控制所述第一MCU单元进行对时；第一CPLD子单元对MCU单元输出的AD采样启动信号或者AD采样停止信号进行数据变换后，将其发送至高速ADC，使得高速ADC启动或者停止工作；

所述高速ADC将采集到的电压信号也发送到第一缓存单元存储，第一MCU单元控制第一缓存单元向无线传输模块输出所述电压信号；

优选的，所述输出模块包括第二缓存单元、第二时间同步单元，以及依次连接的第二MCU单元、高速DAC和信号放大电路；

所述第二缓存单元与第二MCU单元连接，第二时间同步单元分别与第二MCU单元和高速DAC连接；

所述第二MCU单元接收无线传输模块发送的电压信号，将该电压信号发送至第二缓存单元存储；以及，当所述第二缓存单元存储的电压信号满足预置容量后，第二MCU单元将所述电压信号发送至高速DAC；

所述信号放大电路，对高速DAC输出的电压波形信号进行放大，输出满足负荷要求的电压波形；

优选的，所述第二时间同步单元包括第二CPLD子单元和第二GPS子单元；所述第二CPLD子单元分别与第二MCU单元和高速DAC连接；

所述第二GPS子单元，用于设定无线电压跟随器的标准时间，保证输入模块和输出模块的时间同步；

所述第二CPLD子单元，依据所述标准时间向控制所述第二MCU单元进行对时；

优选的，所述无线传输模块包括第一无线通讯单元和第二无线通讯单元；

所述第一无线通讯单元与所述输入模块的第一MCU单元连接；

所述第二无线通讯单元与所述输出模块的第二MCU单元连接；

优选的，所述无线传输模块的电压信号传输速度大于所述输入模块的电压信号输出速度；

优选的，所述输入模块中第一GPS子单元，以及所述输出模块中第二GPS子单元的授时精度为6ns～12ns。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

本发明提供的一种电力现场环境下的无线电压跟随器，采用无线传输的方式对电压信号进行复现，实时性好、精度高，克服了有限传输受制于地形环境及布线繁琐的缺点，实现远程电压跟随，解决了电力现场远距离电压传输并复现的技术难题。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种电力现场环境下的无线电压跟随器的结构示意图；

图2：本发明实施例中输入模块的结构示意图；

图3：本发明实施例中输出模块的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种电力现场环境下的无线电压跟随器，采用无线和GPS同步技术结合的方式，实现远程电压跟随，解决了电力现场远距离电压传输并复现的技术难题。

本发明中无线电压跟随器的实施例如图1所示，具体为：

本实施例中电压跟随器包括依次连接的输入模块、无线传输模块和输出模块。从电力设备中电压互感器二次侧采集电压信号，经过A/D转换，将数字信号经过无线传输至输出端，再经过D/A转换，从而输出完整的电压波形，实现了电压互感器二次侧电压的无线采集和复现。其中，

1、输入模块

该输入模块，用于采集电力设备中电压互感器二次侧的电压信号。

输入模块包括人机交互单元、第一缓存单元、信号调理电路、高速ADC、第一时间同步单元和第一MCU单元。其中，

①：信号调理电路、高速ADC、第一时间同步单元和第一MCU单元依次连接；

②：人机交互单元与第一MCU单元连接；

③：第一缓存单元分别与高速ADC、第一时间同步单元和第一MCU单元连接。

(1)信号调理电路

该信号调理电路，按照预置比例系数对电力设备中电压互感器二次侧的电压信号进行调整，以及滤波，消除部分电磁干扰；

(2)人机交互单元

该人机交互单元，向第一MCU单元发送AD采样启动信号和AD采样停止信号，从而控制高速ADC启动和停止工作。

(3)第一时间同步单元

该第一时间同步单元包括第一CPLD子单元和第一GPS子单元，第一CPLD子单元连接于所述第一GPS子单元和第一缓存单元之间。

①：第一GPS子单元，

由于晶振每隔一段时间会产生一定误差，该单元用于设定无线电压跟随器的标准时间，以消除晶振误差；

本实施例中限定电压跟随器复现电压波形的波形角度误差在±0.05°，即记录波形采集时间的误差在2.78us以内，因此对电压跟随器的时钟要求极高，输入输出端均采用GPS加CPLD的方式作为系统时钟。第一GPS子单元的授时精度达到6ns～12ns，即GPS提供的时间与标准时间的误差在纳秒级。利用GPS对时保证输入模块与输出模块时间精确同步。GPS同步的误差主要来自其硬件的同步方式，其中精确度较高的有脉冲对时和IRIG-B码对时，脉冲的实时性要优于IRIG-B码，但其不能记录年月日时分秒，所以在对时方式上IRIG-B码与脉冲对时相结合的方式，电压跟随器最终误差控制在100ns以内。

②：第一CPLD子单元

将该标准时间发送到缓存子单元存储，并依据标准时间向高速ADC发送采样频率，以及控制第一MCU单元进行对时；

对MCU单元输出的AD采样启动信号或者AD采样停止信号进行数据变换后，将其发送至高速ADC，使得高速ADC启动或者停止工作。

(4)高速ADC

该高速ADC将采集到的电压信号发送到第一缓存单元存储。

(5)第一MCU单元

控制第一缓存单元向无线传输模块输出电压信号；

接收人机交互单元发送的AD采样启动信号和AD采样停止信号，并将上述信号发送至第一CPLD子单元。

本实施例中输入模块的具体工作过程为：

a：人机交互单元向第一MCU单元发送AD采样启动信号；

b：第一MCU单元将AD采样启动信号发送到第一CPLD子单元；

c：第一CPLD子单元向高速ADC输出启动电平信号；

d：高速ADC开始采样，并将采样的电压幅值发送到第一缓存单元，第一CPLD子单元将标准时间也发送到第一缓存单元；

e：第一MCU单元待缓存一定数据后，将第一缓存单元中的数据发送至无线传输模块；

f：无线传输模块中的第一无线通讯单元将上述数据发送输出。

2、输出模块

该无线传输模块，用于长距离传输电压信号。

输出模块包括第二缓存单元、第二时间同步单元、第二MCU单元、高速DAC和信号放大电路。其中，

①：第二MCU单元、高速DAC和信号放大电路依次连接；

②：第二缓存单元与第二MCU单元连接；

③：第二时间同步单元分别与第二MCU单元和高速DAC连接。

(1)第二MCU单元

接收无线传输模块发送的电压信号，将该电压信号发送至第二缓存单元存储；

当第二缓存单元存储的电压信号满足预置容量后，第二MCU单元将电压信号发送至高速DAC。

(2)信号放大电路

该信号放大电路，对高速DAC输出的波形信号进行放大，输出满足负荷要求的电压波形。

(3)第二时间同步单元

该第二时间同步单元包括第二CPLD子单元和第二GPS子单元，第二CPLD子单元分别与第二MCU单元和高速DAC连接。

①：第二GPS子单元，用于设定无线电压跟随器的标准时间，保证输入模块和输出模块的时间同步；本实施例中与第一GPS子单元保持一致，第二GPS子单元的授时精度也为6ns～12ns；

②：第二CPLD子单元，依据所述标准时间向控制所述第二MCU单元进行对时。

本实施例中输出模块的具体工作过程为：

a：无线传输模块中的第二无线通讯单元接收第一无线通讯单元发送的数据，并将该数据传输到第二MCU单元；

b：第二MCU单元将上述数据存储于第二缓存单元；

c：第二MCU单元待缓存一定数据后，将第一缓存单元中的数据发送至高速DAC和第二CPLD子单元；

d：第二CPLD子单元向高速DAC输出标准时间，即标准频率，高速DAC开始进行数模转换，输出电压波形信号；

e：信号放大电路对该电压波形信号进行放大，输出满足负荷要求的电压波形。

3、无线传输模块

该输出模块，用于对电压信号进行复现。

该无线传输模块包括第一无线通讯单元和第二无线通讯单元，其中，

第一无线通讯单元与输入模块的第一MCU单元连接，第二无线通讯单元与输出模块的第二MCU单元连接。

本实施例中无线传输模块的电压信号传输速度大于输入模块的电压信号输出速度。

通过无线方式完整复现电压波形，需要无线传输数据量大、距离远。因此本实施例中无线传输模块采用基于IEEE802.11n的WiFi技术，IEEE802.11n通过将MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合可以使传输速度达到至少300Mb/s。其采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰，其覆盖范围可以扩大到好几平方公里。同时，第一无线通讯单元和第二无线通讯单元均采用AX9800(NDA678T)多模高带宽无线AP，覆盖范围可达300m，传输速度300Mb/s，保证了电压跟随器维持稳定的无线传输。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种电力现场环境下的无线电压跟随器，其特征在于，所述电压跟随器包括依次连接的输入模块、无线传输模块和输出模块；

所述输入模块，用于采集电力设备中电压互感器二次侧的电压信号；

所述无线传输模块，用于长距离传输所述电压信号；

所述输出模块，用于对所述电压信号进行复现。

2.如权利要求1所述的无线电压跟随器，其特征在于，所述输入模块包括人机交互单元、第一缓存单元，以及依次连接的信号调理电路、高速ADC、第一时间同步单元和第一MCU单元；

所述人机交互单元与第一MCU单元连接，第一缓存单元分别与高速ADC、第一时间同步单元和第一MCU单元连接；人机交互单元向第一MCU单元发送AD采样启动信号和AD采样停止信号，从而控制高速ADC启动和停止工作；

所述信号调理电路，按照预置比例系数对所述电力设备中电压互感器二次侧的电压信号进行调整，以及滤波。

3.如权利要求2所述的无线电压跟随器，其特征在于，所述第一时间同步单元包括第一CPLD子单元和第一GPS子单元；所述第一CPLD子单元连接于所述第一GPS子单元和第一缓存单元之间；

所述第一GPS子单元，用于设定无线电压跟随器的标准时间；

所述第一CPLD子单元，将该标准时间发送到缓存子单元存储，并依据所述标准时间向高速ADC发送采样频率，以及控制所述第一MCU单元进行对时；第一CPLD子单元对MCU单元输出的AD采样启动信号或者AD采样停止信号进行数据变换后，将其发送至高速ADC，使得高速ADC启动或者停止工作；

所述高速ADC将采集到的电压信号也发送到第一缓存单元存储，第一MCU单元控制第一缓存单元向无线传输模块输出所述电压信号。

4.如权利要求1所述的无线电压跟随器，其特征在于，所述输出模块包括第二缓存单元、第二时间同步单元，以及依次连接的第二MCU单元、高速DAC和信号放大电路；

所述第二缓存单元与第二MCU单元连接，第二时间同步单元分别与第二MCU单元和高速DAC连接；

所述第二MCU单元接收无线传输模块发送的电压信号，将该电压信号发送至第二缓存单元存储；以及，当所述第二缓存单元存储的电压信号满足预置容量后，第二MCU单元将所述电压信号发送至高速DAC；

所述信号放大电路，对高速DAC输出的电压波形信号进行放大，输出满足负荷要求的电压波形。

5.如权利要求4所述的无线电压跟随器，其特征在于，所述第二时间同步单元包括第二CPLD子单元和第二GPS子单元；所述第二CPLD子单元分别与第二MCU单元和高速DAC连接；

所述第二GPS子单元，用于设定无线电压跟随器的标准时间，保证输入模块和输出模块的时间同步；

所述第二CPLD子单元，依据所述标准时间向控制所述第二MCU单元进行对时。

6.如权利要求1所述的无线电压跟随器，其特征在于，所述无线传输模块包括第一无线通讯单元和第二无线通讯单元；

所述第一无线通讯单元与所述输入模块的第一MCU单元连接；

所述第二无线通讯单元与所述输出模块的第二MCU单元连接。

7.如权利要求1、2或4所述的无线电压跟随器，其特征在于，所述无线传输模块的电压信号传输速度大于所述输入模块的电压信号输出速度。

8.如权利要求1、3或5所述的无线电压跟随器，其特征在于，所述输入模块中第一GPS子单元，以及所述输出模块中第二GPS子单元的授时精度为6ns～12ns。