CN106058860B - 一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置 - Google Patents

一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置，该装置包括对地电容、外壳电容、入口电容选择单元、量程选择单元、A/D转换器以及处理单元。本发明能够通过对入口电容选择单元中的入口电容进行选择，从而实现对不同电压等级变电站的入口电容进行调整，另外，本发明还能够依据处理单元发送的量程选择指令将入口电容选择单元采集并输出的第一级电压放大到适应A/D转换器的量程的第二级电压，实现了电压测量范围的调整，满足不同类型异常电压的高精度检测，可见，本发明能够实现量程和精度的兼顾，测量范围广的同时精度高。

Description

一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置
技术领域
本发明涉及电压采集技术领域，特别是涉及一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置。
背景技术
变电站除正常工作电压外，还有可能出现多种不同类型的侵入波过电压，如雷电、操作(切空线、合空线等)、工频(空载长线、不对称短路、甩负荷)、谐振、短路冲击等，另外，变电站还可能出现故障失压，因此，变电站内的电压幅值变化非常大，从而也就对用于检测变电站电压的变电站全波电压综合测量装置提出了更高的要求。
请参照图1，图1为现有技术中提出的一种基于空间耦合电容的变电站全波电压综合测量装置的检测原理图，解决了最初的变电站侵入波检测方法(如在变压器的电缆上安装光纤电压传感器、变压器电容套管末屏安装电压传感器等方式)存在的安全性和稳定性的问题，结合图1，该变电站全波电压综合测量装置的采样输出电压如下式：
变电站全波电压综合测量装置的外壳电容C1和外壳对地电容C2的大小均是基本固定的，因此分压比主要由装置入口的入口并联电容CM决定，对于某一确定的电压等级的变电站，入口并联电容CM是确定的，但对于不同电压等级的变电站，所需要的入口并联电容CM大小存在差异。现有技术中，变电站全波电压综合测量装置均为某一电压等级的变电站专用，没有通用的变电站全波电压综合测量装置。但若采用固定电容值的方式，入口电容CM调整起来比较复杂，电压采集设备无法实现通用。又由于变电站内的电压幅值变化非常大，现有技术中的电压综合测量装置如果保障采集精度，则容易导致通道饱和，造成波形信息的缺失；如果保障测量范围，则难以保障采集精度，造成波形分辨率低，波形质量差。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置，本发明能够实现量程和精度的兼顾，测量范围广的同时精度高。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置，该装置包括：
第一端接地、第二端分别与外壳电容的第一端、入口电容选择单元的第一端以及量程选择单元的第一输入端连接的对地电容；
第二端与所述入口电容选择单元的第二端连接的所述外壳电容；
第二端还与所述量程选择单元的第二输入端连接、控制端与处理单元连接、用于依据所述处理单元发送的入口电容选择指令选择适合当前变电站的入口电容的所述入口电容选择单元；
输出端与A/D转换器的输入端连接、控制端与处理单元连接、用于依据所述处理单元发送的量程选择指令将所述入口电容选择单元采集并输出的第一级电压放大到适应所述A/D转换器的量程的第二级电压的所述量程选择单元；
其中，所述第一级电压为系统额定电压或操作、工频过电压、雷电侵入波过电压或者故障失压，所述量程选择指令为所述处理单元依据所述第一级电压生成；
输出端与所述处理单元连接的所述A/D转换器；
用于依据所述A/D转换器输出的数字采样电压得到原始电压波形的所述处理单元。
优选地，所述入口电容选择单元包括第一多路选择开关以及N个入口电容，N为不小于2的整数，其中：
N个所述入口电容的第一端相连，其公共端作为所述入口电容选择单元的第一端，N个所述入口电容的第二端分别与所述第一多路选择开关的N个输入端对应连接，所述第一多路选择开关的输出端作为所述入口电容选择单元的第二端；
所述第一多路选择开关的控制端作为所述入口电容选择单元的控制端。
优选地，所述入口电容的个数为4个。
优选地，所述A/D转换器包括第一A/D转换器和第二A/D转换器；所述量程选择单元包括差分电路、依次串联的第一分压电容、第二分压电容直至第M分压电容、M个缓存装置、第二多路选择开关以及放大电路，所述量程选择单元的输出端包括第一输出端和第二输出端，M为不小于2的整数，第i分压电容的第二端与第i+1分压电容的第一端连接，1≤i≤M-1，其中：
所述差分电路的第一输入端作为所述量程选择单元的第一输入端，所述差分电路的第二输入端作为所述量程选择单元的第二输入端，所述差分电路的输出端作为所述第一输出端、分别与第一分压电容的第一端以及所述第一A/D转换器的输入端连接，所述第M分压电容的第二端与所述差分电路的第一输入端连接，其公共端接地；所述第i分压电容的第一端与第i缓存装置的输入端连接；
M个所述缓存装置的输出端与所述第二多路选择开关的M个输入端对应连接，所述第二多路选择开关的输出端与所述放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端作为所述第二输出端，与所述第二A/D转换器连接，所述第二多路选择开关的控制端作为所述量程选择单元的控制端。
优选地，M取4，则所述缓存装置的个数为4个。
优选地，该装置还包括：
输入端分别与所述第二A/D转换器的输出端以及所述处理单元连接、输出端与所述处理单元连接、用于将所述数字采样电压与故障低电压阈值进行比较，并将得到的第一比较结果输出至所述处理单元的第一比较模块；
输入端分别与所述第二A/D转换器的输出端以及所述处理单元连接、输出端与所述处理单元连接、用于将所述数字采样电压与正常工作电压阈值进行比较，并将得到的第二比较结果输出至所述处理单元的第二比较模块；
输入端分别与所述第二A/D转换器的输出端以及所述处理单元连接、输出端与所述处理单元连接、用于将所述数字采样电压与操作工频过电压以及雷电过电压阈值进行比较，并将得到的第三比较结果输出至所述处理单元的第三比较模块；
则所述处理单元用于依据所述第一比较结果、所述第二比较结果以及所述第三比较结果并结合预设的真值表生成所述量程选择指令。
优选地，该装置还包括：
输入端与所述第二A/D转换器的输出端连接、输出端和控制端均与所述处理单元连接的FIFO存储器。
优选地，所述处理单元为DSP。
优选地，所述差分电路的型号为LM358。
优选地，所述第一多路选择开关和所述第二多路选择开关的型号均为CD4052。
本发明提供了一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置，该装置包括对地电容、外壳电容、入口电容选择单元、量程选择单元、A/D转换器以及处理单元。本发明能够通过对入口电容选择单元中的入口电容进行选择，从而实现对不同电压等级变电站的入口电容进行调整，另外，本发明还能够依据处理单元发送的量程选择指令将入口电容选择单元采集并输出的第一级电压放大到适应A/D转换器的量程，实现了电压测量范围的调整，满足不同类型异常电压的高精度检测，可见，本发明能够实现量程和精度的兼顾，测量范围广的同时精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中提出的一种基于空间耦合电容的变电站全波电压综合测量装置的检测原理图；
图2为本发明提供的一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置的结构示意图；
图3为本发明提供的另一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置，本发明能够实现量程和精度的兼顾，测量范围广的同时精度高。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参照图2，图2为本发明提供的一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置的结构示意图，该装置包括：
第一端接地、第二端分别与外壳电容2的第一端、入口电容选择单元3的第一端以及量程选择单元4的第一输入端连接的对地电容1；
第二端与入口电容选择单元3的第二端连接的外壳电容2；
第二端还与量程选择单元4的第二输入端连接、控制端与处理单元6连接、用于依据处理单元6发送的入口电容选择指令选择适合当前变电站的入口电容的入口电容选择单元3；
可以理解的是，由
可知，这里的um即为下面将提到的第一级电压，因为外壳电容2C1和外壳对地电容1C2是固定的，则第一分压比完全由入口并联电容CM决定，又因为入口电容选择单元3可以根据处理单元6发送的入口电容选择指令选择适合当前变电站的入口电容，也即调整入口并联电容CM，从而使得该全波电压综合测量装置能够适用于多种电压等级变电站。
输出端与A/D转换器5的输入端连接、控制端与处理单元6连接、用于依据处理单元6发送的量程选择指令将入口电容选择单元3采集并输出的第一级电压放大到适应A/D转换器5的量程的第二级电压的量程选择单元4；
其中，第一级电压为系统额定电压或操作、工频过电压、雷电侵入波过电压或者故障失压，量程选择指令为处理单元6依据第一级电压生成；
可以理解的是，量程选择单元4在接收到第一级电压后会首先将第一级电压保存至缓存中，再将第一级电压直接通过A/D转换器5传送至处理单元6，处理单元6依据第一级电压并结合预设的判断条件得到量程选择指令，并将量程选择指令发送至量程选择单元4的控制端，量程选择单元4再依据处理单元6发送的量程选择指令将保存至缓存中的第一级电压放大到适应A/D转换器5的量程的第二级电压，从而实现电压的第二次分压，实现了电压测量范围的调整，满足不同类型侵入波的高精度检测。
输出端与处理单元6连接的A/D转换器5；
可以理解的是，A/D转换器5将第一级电压以及第二级电压均转换为处理单元6能够处理的数字量，具体地，A/D转换器5将第二级电压均转换为数字采样电压。
用于依据A/D转换器5输出的数字采样电压得到原始电压波形的处理单元6。
本发明提供了一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置，该装置包括对地电容、外壳电容、入口电容选择单元、量程选择单元、A/D转换器以及处理单元。本发明能够通过对入口电容选择单元中的入口电容进行选择，从而实现对不同电压等级变电站的入口电容进行调整，另外，本发明还能够依据处理单元发送的量程选择指令将入口电容选择单元采集并输出的第一级电压放大到适应A/D转换器的量程，实现了电压测量范围的调整，满足不同类型异常电压的高精度检测，可见，本发明能够实现量程和精度的兼顾，测量范围广的同时精度高。
实施例二
请参照图3，图3为本发明提供的另一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置的结构示意图。该装置在实施例一的基础上：
作为优选地，入口电容选择单元3包括第一多路选择开关以及N个入口电容，N为不小于2的整数，其中：
N个入口电容的第一端相连，其公共端作为入口电容选择单元3的第一端，N个入口电容的第二端分别与第一多路选择开关的N个输入端对应连接，第一多路选择开关的输出端作为入口电容选择单元3的第二端；
第一多路选择开关的控制端作为入口电容选择单元3的控制端。
可以理解的是，第一多路选择开关接收来自处理单元6的入口电容选择指令的控制，来实现入口电容的调整以及多路采集的通道切换，也即，第一多路选择开关实现入口电容的选择，以适应不同电压等级的变电站的入口电容调整。
作为优选地，入口电容的个数为4个。
可以理解的是，这里N还可以取其他数值，本发明在此不做特别的限定。
具体地，该全波电压综合测量装置刚开始运行时，系统默认的是第一多路选择开关会选择最大电容值，也即对应于选择图3中的C11、C12、C13以及C14，另外，量程选择单元4此时选择的是正常工作电压增益(下面有介绍)，待接收到处理单元6发送的入口电容，再依据处理单元6发送的入口电容选择指令选择适合当前变电站的入口电容，例如选择C11、C12。
需要说明的是，这里的入口电容C11、C12、C13以及C14的容值可以一样也可以不一样，具体根据实际情况来设定，本发明在此不做特别的限定。
作为优选地，A/D转换器5包括第一A/D转换器和第二A/D转换器；量程选择单元4包括差分电路、依次串联的第一分压电容、第二分压电容直至第M分压电容、M个缓存装置、第二多路选择开关以及放大电路，量程选择单元4的输出端包括第一输出端和第二输出端，M为不小于2的整数，第i分压电容的第二端与第i+1分压电容的第一端连接，1≤i≤M-1，其中：
差分电路的第一输入端作为量程选择单元4的第一输入端，差分电路的第二输入端作为量程选择单元4的第二输入端，差分电路的输出端作为第一输出端、分别与第一分压电容的第一端以及第一A/D转换器的输入端连接，第M分压电容的第二端与差分电路的第一输入端连接，其公共端接地；第i分压电容的第一端与第i缓存装置的输入端连接；
M个缓存装置的输出端与第二多路选择开关的M个输入端对应连接，第二多路选择开关的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端作为第二输出端，与第二A/D转换器连接，第二多路选择开关的控制端作为量程选择单元4的控制端。
优选地，M取4，则缓存装置的个数为4个。
当然，这里的M还可以为其他数值，本发明在此不做特别的限定，能实现本发明的目的即可。
下面以M取4为例作介绍：
首先，此时该量程选择单元4包括四个增益通道，其中，1增益通道为故障失压对应的增益通道，2增益通道为系统额定电压增益通道，3增益通道为操作、工频过电压增益通道，4增益通道为雷电侵入波过电压增益通道。处理单元6会依据第一级电压并结合预设的判断条件得到量程选择指令，量程选择单元4会根据量程选择指令来选择哪个增益通道。
可以理解的是，这里的差分电路是获取入口电容选择单元3输出的电压。在实际应用中，假设全波电压综合测量装置采集到侵入波过电压时，入口电容选择单元3会根据输出电压公式得到第一级电压，差分电路的输出端作为第一输出端，会将得到的第一级电压先直接传输至第一A/D转换器，第一A/D转换器再将第一级电压转换为数字量并传送至处理单元6，处理单元6依据第一级电压并结合预设的判断条件得到量程选择指令，处理单元6再将量程选择指令传送至量程选择单元4的控制端，也即第二多路选择开关的控制端，第二多路选择开关会依据量程选择指令选择相应的增益通道，从而实现将第一级电压放大到适应第二A/D转换器的量程的第二级电压。
优选地，该装置还包括：
输入端分别与第二A/D转换器的输出端以及处理单元6连接、输出端与处理单元6连接、用于将数字采样电压与故障低电压阈值进行比较，并将得到的第一比较结果输出至处理单元6的第一比较模块；
输入端分别与第二A/D转换器的输出端以及处理单元6连接、输出端与处理单元6连接、用于将数字采样电压与正常工作电压阈值进行比较，并将得到的第二比较结果输出至处理单元6的第二比较模块；
输入端分别与第二A/D转换器的输出端以及处理单元6连接、输出端与处理单元6连接、用于将数字采样电压与操作工频过电压以及雷电过电压阈值进行比较，并将得到的第三比较结果输出至处理单元6的第三比较模块；
则处理单元6用于依据第一比较结果、第二比较结果以及第三比较结果并结合预设的真值表生成量程选择指令。
可以理解的是，第二A/D转换器输出数字采样电压时会将数字采样电压分别输出至处理单元6、第一比较模块、第二比较模块以及第三比较模块，处理单元6会控制第一比较模块、第二比较模块以及第三比较模块将各自的阈值与数字采样电压进行比较并将比较结果输出至处理单元6，处理单元6再依据比较结果并结合预设的真值表生成量程选择指令，请参照表1，表1即为通道选择表。
表1 通道选择表
信号幅值 比较器1 比较器2 比较器3 通道选择
V<V1 0 0 0 1
V1<V<V2 1 0 0 2
V2<V<V3 1 1 0 3
V>V3 1 1 1 4
其中，V1为故障低电压阈值，V2为正常工作电压阈值，V3为操作工频过电压以及雷电过电压阈值。
优选地，该装置还包括：
输入端与第二A/D转换器的输出端连接、输出端和控制端均与处理单元6连接的FIFO存储器。
处理单元6读取三个比较模块的输出状态，再根据真值表，一方面生成量程选择指令控制第二多路选择开关的通道切换，根据实际输出调整到合适的增益通道，采集对应的电压信息；另一方面，控制对FIFO中数据的读取、存储，然后对不同增益通道采集到的信号进行拼接，恢复故障失压波形或侵入波过电压波形的完整信息。
优选地，处理单元6为DSP。
优选地，差分电路的型号为LM358。
优选地，第一多路选择开关和第二多路选择开关的型号均为CD4052。
具体地，DSP的型号可以为TMS320C6203B，FIFO存储器的型号为IDT72V2113。
当然，本发明对于处理单元6、差分电路以及第一多路选择开关以及第二多路选择开关的型号或者类型不作特别的限定，根据实际情况来定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种适用于多种电压等级变电站的全波电压综合测量装置，其特征在于，该装置包括：
第一端接地、第二端分别与外壳电容的第一端、入口电容选择单元的第一端以及量程选择单元的第一输入端连接的对地电容；
第二端与所述入口电容选择单元的第二端连接的所述外壳电容；
第二端还与所述量程选择单元的第二输入端连接、控制端与处理单元连接、用于依据所述处理单元发送的入口电容选择指令选择适合当前变电站的入口电容的所述入口电容选择单元；
输出端与A/D转换器的输入端连接、控制端与处理单元连接、用于先将所述入口电容选择单元采集并输出的第一级电压保存至缓存中，然后将所述第一级电压通过第一A/D转换器发送至所述处理单元，并依据所述处理单元发送的量程选择指令将所述缓存中的第一级电压放大到适应第二A/D转换器的量程的第二级电压的所述量程选择单元，所述量程选择单元中设置有所述缓存；
其中，所述第一级电压为系统额定电压或操作、工频过电压、雷电侵入波过电压或者故障失压，所述量程选择指令为所述处理单元依据所述第一级电压生成；
输出端与所述处理单元连接的所述A/D转换器；所述A/D转换器包括所述第一A/D转换器和所述第二A/D转换器；
用于依据所述第二A/D转换器输出的数字采样电压得到原始电压波形的所述处理单元。
2.如权利要求1所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，所述入口电容选择单元包括第一多路选择开关以及N个入口电容，N为不小于2的整数，其中：
N个所述入口电容的第一端相连，其公共端作为所述入口电容选择单元的第一端，N个所述入口电容的第二端分别与所述第一多路选择开关的N个输入端对应连接，所述第一多路选择开关的输出端作为所述入口电容选择单元的第二端；
所述第一多路选择开关的控制端作为所述入口电容选择单元的控制端。
3.如权利要求2所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，所述入口电容的个数为4个。
4.如权利要求3所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，所述量程选择单元包括差分电路、依次串联的第一分压电容、第二分压电容直至第M分压电容、M个缓存装置、第二多路选择开关以及放大电路，所述量程选择单元的输出端包括第一输出端和第二输出端，M为不小于2的整数，第i分压电容的第二端与第i+1分压电容的第一端连接，1≤i≤M-1，其中：
所述差分电路的第一输入端作为所述量程选择单元的第一输入端，所述差分电路的第二输入端作为所述量程选择单元的第二输入端，所述差分电路的输出端作为所述第一输出端、分别与第一分压电容的第一端以及所述第一A/D转换器的输入端连接，所述第M分压电容的第二端与所述差分电路的第一输入端连接，其公共端接地；所述第i分压电容的第一端与第i缓存装置的输入端连接；
M个所述缓存装置的输出端与所述第二多路选择开关的M个输入端对应连接，所述第二多路选择开关的输出端与所述放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端作为所述第二输出端，与所述第二A/D转换器连接，所述第二多路选择开关的控制端作为所述量程选择单元的控制端。
5.如权利要求4所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，M取4，则所述缓存装置的个数为4个。
6.如权利要求5所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，该装置还包括：
输入端分别与所述第二A/D转换器的输出端以及所述处理单元连接、输出端与所述处理单元连接、用于将所述数字采样电压与故障低电压阈值进行比较，并将得到的第一比较结果输出至所述处理单元的第一比较模块；
输入端分别与所述第二A/D转换器的输出端以及所述处理单元连接、输出端与所述处理单元连接、用于将所述数字采样电压与正常工作电压阈值进行比较，并将得到的第二比较结果输出至所述处理单元的第二比较模块；
输入端分别与所述第二A/D转换器的输出端以及所述处理单元连接、输出端与所述处理单元连接、用于将所述数字采样电压与操作工频过电压以及雷电过电压阈值进行比较，并将得到的第三比较结果输出至所述处理单元的第三比较模块；
则所述处理单元用于依据所述第一比较结果、所述第二比较结果以及所述第三比较结果并结合预设的真值表生成所述量程选择指令。
7.如权利要求6所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，该装置还包括：
输入端与所述第二A/D转换器的输出端连接、输出端和控制端均与所述处理单元连接的FIFO存储器。
8.如权利要求6所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，所述处理单元为DSP。
9.如权利要求6所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，所述差分电路的型号为LM358。
10.如权利要求6所述的全波电压综合测量装置，其特征在于，所述第一多路选择开关和所述第二多路选择开关的型号均为CD4052。
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