CN107462766B - 检测市电电压和市电频率的新方法及检测电路 - Google Patents

检测市电电压和市电频率的新方法及检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了检测市电电压和市电频率的新方法及检测电路，该方法为分别将ABC三相的相电压信号同时送至运算放大器，经过降压和抬升为0‑3V的电压后，送至AD芯片电压检测口；将处理后的ABC三个相电压信号两两作为比较器的同相输入端和反向输入端；将比较器形成的方波信号送至MCU市电频率检测口，通过判断AB相线电压对应方波第一次上升沿和下一次上升沿间是否依次出现BC相线电压和CA相线电压对应方波的上升沿，控制MCU中间间隔时间来检测市电频率。其既兼顾N线接与不接的情况，适用于三相三线制系统和三相四线制系统；消除电压检测中运算放大器抬升电压的误差；软件中通过依次判断各线电压对应方波信号上升沿的策略能以较小的运算量克服上升沿的毛刺干扰。

Description

检测市电电压和市电频率的新方法及检测电路
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其是涉及一种检测市电电压和市电频率的新方法及检测电路。
背景技术
在电力系统中，电网频率是评估电能质量的三大指标之一，也是实施电力系统安全稳定控制的重要依据。因此电网频率检测成为电力系统自动控制领域的一项重要技术。而随着电力系统的扩大，电力系统对电网电能质量提出了更高的要求，电能质量中的电压问题已成为供电企业目前面临的重要问题，所以电压检测在电网中也越显重要。
目前市电频率和市电电压常用的检测的方法有三种：
第一种是专利CN201210316867.9《一种电网频率的检测方法》中的方法:将市电N线和L线间的正弦波信号经运算放大器降压和抬升为正电压后，送至MCU电压检测入口进行电压检测，同时也送至电压比较器反相输入端，再将电压比较器产生的方波信号送至MCU频率检测入口进行频率检测，在MCU中控制捕捉上升沿和下降沿信号的时间间隔，检测出市电频率，检测电路如图1所示。
第二种方法是将市电ABC三相相电压的正弦波信号经过运算放大器降压和抬升为正电压后送至AD进行电压检测，再将AB相线电压UAB的正弦波信号经过电阻回路降压处理后送至电压比较器，产生一串与市电频率对应的方波信号，最后将该方波信号送至MCU频率检测入口进行频率检测，检测电路如图2所示。
第三种方法是将AB相线电压UAB，BC相线电压UBC和B相的相电压的正弦波信号分别经过运算放大器降压和抬升为正电压后送至AD进行电压检测，将处理后的AB相线电压UAB送至比较器反相输入端，产生一串与市电频率对应的方波信号，最后将该方波信号送至MCU频率检测入口进行频率检测，检测电路如图3所示。
然而，第一种方法中，如果市电的N线不接入检测电路，经运算放大器降压和抬升电压后的电压正弦波会失真，导致市电频率的检测结果会存在误差，所以不能兼顾三相三线制系统和三相四线制系统，而且在MCU中用上升沿和下降沿的间隔时间与200HZ频率对应的正弦波半周期的时间作比较的方法去检测市电频率，可以解决市电L和N间的正弦波过零点左右产生毛刺导致市电频率检测不正常的问题，但该方法在三相电网系统中运算量大。第二种方法中，因为市电L线间的线电压较大，必须经过降压处理后才能送至比较器，形成方波信号，消耗硬件资源，而且电网电压经电阻回路降压，因此引入输入阻抗。第三种方法中，市电电压检测时无法抵消检测电路中的1.5V的抬升电压，导致市电电压检测存在误差。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种检测市电电压和市电频率的新方法及检测电路。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种检测市电电压和市电频率的新方法，该方法包括如下步骤：S1、分别将ABC三相的相电压信号同时送至各自单独的运算放大器，经过降压和抬升为0-3V的电压后，送至AD芯片电压检测口，检测市电电压；S2、将处理后的ABC三个相电压信号两两作为比较器的同相输入端和反向输入端；S3、将比较器形成的方波信号送至MCU市电频率检测口，通过判断AB相线电压UAB对应方波第一次上升沿和下一次上升沿间是否依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波的上升沿，从而去控制MCU中间间隔时间来检测市电频率。
与现有技术相比，本发明提供的检测市电电压和市电频率的新方法既兼顾了N线接与不接的情况，适用于三相三线制系统和三相四线制系统；又消除了电压检测中运算放大器抬升电压的误差，节约了硬件资源；软件中通过依次判断各线电压对应方波信号上升沿的策略还能以较小的运算量克服上升沿的毛刺干扰。既综合了现有检测市电电压和市电频率技术的功能，又解决了现有技术中出现的问题。
检测市电电压和市电频率的新方法的步骤S1中，将A相相电压经过电容滤波后，送至运算放大器LM324的两个输入端，即三相四线制时，A相接同相输入端，N相接入反向输入端；三相三线制时，A相接同相输入端，N相悬空；运算放大器LM324输入级电阻保持对称，同相输入端经电阻接1.5V抬升电压，经过运算放大器LM324后，A相电压转换为0-3V的正弦信号；B相相电压和C相相电压的处理方法与A相相电压的一致；
将经过运算放大器处理后的0-3V的三个相电压信号送至AD采集口，检测市电电压信号。
检测市电电压和市电频率的新方法的步骤S2中，经过运算放大器处理后的A相电压和B相电压分别送至电压比较器LM311的同向输入端和反相输入端，形成与AB相线电压UAB正弦波对应的方波信号；BC相线电压UBC和CA相线电压UCA正弦波对应的方波信号与AB相线电压UAB正弦波对应的方波信号产生的方式一致。
检测市电电压和市电频率的新方法的步骤S3中，将形成的三个方波信号送至MCU市电频率检测口，MCU开机时，检测依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波信号上升沿后的AB相线电压UAB对应方波信号，并将AB相线电压UAB对应方波信号出现的第一次上升沿设置为软件中断触发脉冲；
AB相线电压UAB对应方波信号进入第一次上升沿中断，定时器从零开始计时，判断能否满足AB相线电压UAB对应方波信号第一次上升沿和下一次上升沿之间依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波信号上升沿的条件，如果满足，定时器停止计时，此时计算的时间T为市电正弦波信号的周期，如果不满足，则继续检测线电压AB对应方波信号的下一次上升沿，直到满足条件才停止计时；
通过市电频率f＝1/T，计算出市电频率。
用于检测市电电压和市电频率的新方法的检测电路，其包括：AD芯片；用于将A相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第一运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；用于将B相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第二运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；用于将C相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第三运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；第一电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；第二电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；第三电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；经过第一运算放大器LM324、第二运算放大器LM324、第三运算放大器LM324处理后的ABC三个相电压信号两两作为第一电压比较器LM311、第二电压比较器LM311、第三电压比较器LM311的同相输入端和反向输入端。
其中，第一运算放大器LM324、第二运算放大器LM324、第三运算放大器LM324的输入级电阻保持对称。
其中，A相相电压经过电容滤波后，送至第一运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，A相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，A相接同相输入端，N相悬空；B相相电压经过电容滤波后，送至第二运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，B相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，B相接同相输入端，N相悬空；C相相电压经过电容滤波后，送至第三运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，C相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，C相接同相输入端，N相悬空。
附图说明
图1为背景技术提到的一种电网频率的检测方法中测试电网接入的检测电路的原理图；
图2为背景技术中第二种市电频率和市电电压检测方法中检测电路原理图；
图3为背景技术中第三种市电频率和市电电压检测方法中检测电路原理图；
图4本发明中检测市电电压和市电频率的新方法的检测电路原理图。
具体实施方式
为了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，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
一种检测市电电压和市电频率的新方法，先分别将ABC三相的相电压信号同时送至运算放大器，经过降压和抬升为0-3V的电压后，送至AD芯片电压检测口,检测市电电压；再将处理后的ABC三个相电压信号两两作为比较器的同相输入端和反相输入端；然后将比较器形成的方波信号送至MCU市电频率检测口；最后通过判断AB相线电压UAB对应方波第一次上升沿和下一次上升沿间是否依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波的上升沿，从而去控制MCU中断间隔时间来检测市电频率。
从上述内容可知，采用采集处理后的相电压波形信号来检测市电电压，采集处理后的相电压形成的线电压对应的方波信号来检测市电频率的新方法，兼顾了检测电路中N线接与不接的情况，适用于三相三线制系统和三相四线制系统；软件中通过依次判断各线电压对应方波信号上升沿的策略能以较小的运算量克服上升沿的毛刺干扰；节约了硬件资源，消除了市电电压检测中运算放大器抬升电压的误差。
检测市电电压和市电频率的新方法的具体工作流程如下：
第一步：A相相电压经过电容滤波后，送至运算放大器LM324的两个输入端，即三相四线制时，A相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，A相接同相输入端，N相悬空。运算放大器输入级电阻保持对称，同相输入端经电阻接1.5V抬升电压，经运算放大器后，A相电压转换为0-3V的正弦信号。B相相电压和C相相电压的处理方法与A相相电压的一致。
第二步：将经运算放大器处理后的0-3V的三个相电压信号送至AD采集口，检测市电电压信号。
第三步：经运算放大器处理后的A相电压和B相电压分别送至电压比较器LM311的同相输入端和反相输入端，形成与AB相线电压UAB正弦波对应的方波信号。BC相线电压UBC和CA相线电压UCA正弦波对应的方波信号与AB相线电压UAB正弦波对应的方波信号产生的方式一致。
第四步：将形成的三个方波信号送至MCU市电频率检测口，MCU开机时，检测依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波信号上升沿后的AB相线电压UAB对应方波信号，并将AB相线电压UAB对应方波信号出现的第一次上升沿设置为软件中断触发脉冲。
第五步：AB相线电压UAB对应方波信号进入第一次上升沿中断，定时器从零开始计时，判断能否满足AB相线电压UAB对应方波信号第一次上升沿和下一次上升沿之间依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波信号上升沿的条件，如果满足，定时器停止计时，此时计时的时间T为市电正弦波信号的周期。如果不满足，则继续检测AB相线电压UAB对应方波信号的下一次上升沿，直到满足条件才停止计时。
第六步：通过市电频率f＝1/T，计算出市电频率。
一种在三相电网系统中的市电电压和市电频率检测方法中用到的检测电路(装置)，包括降压电路，电压比较电路，市电电压采集电路，市电频率采集电路,检测电路如图4所示，其包括：AD芯片；用于将A相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第一运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；用于将B相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第二运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；用于将C相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第三运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；第一电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；第二电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；第三电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；经过第一运算放大器LM324、第二运算放大器LM324、第三运算放大器LM324处理后的ABC三个相电压信号两两作为第一电压比较器LM311、第二电压比较器LM311、第三电压比较器LM311的同相输入端和反向输入端。第一运算放大器LM324、第二运算放大器LM324、第三运算放大器LM324的输入级电阻保持对称。A相相电压经过电容滤波后，送至第一运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，A相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，A相接同相输入端，N相悬空；B相相电压经过电容滤波后，送至第二运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，B相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，B相接同相输入端，N相悬空；C相相电压经过电容滤波后，送至第三运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，C相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，C相接同相输入端，N相悬空。
电路将市电ABC三相的相电压信号分别送至降压处理电路中，用处理后的相电压信号来检测市电电压，用处理后的两相相电压形成的线电压对应的方波信号送至MCU市电频率检测口，并且通过软件判断AB相线电压UAB对应方波第一次上升沿和第二上升沿间是否依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波上升沿，从而去控制MCU中断间隔时间来检测市电频率。该新方法在N线接与不接入的检测电路中，都能同时准确地检测到市电的电压和市电的频率，兼顾了三相三线制系统和三相四线制系统，节省了硬件资源，而且抵消了电压检测中运算放大器中1.5V的抬升电压误差；软件中通过依次判断各线电压对应方波信号上升沿的策略能以较小的运算量克服上升沿的毛刺干扰。既综合了上述现有检测市电电压和市电频率技术的功能，又克服了上述现有技术的缺点。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种检测市电电压和市电频率的新方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、分别将ABC三相的相电压信号同时送至各自单独的运算放大器，经过降压和抬升为0-3V的电压后，送至AD芯片电压检测口，检测市电电压；
S2、将处理后的A相相电压信号、B相相电压信号、C相相电压信号两两作为比较器的同相输入端和反向输入端；
S3、将比较器形成的方波信号送至MCU市电频率检测口，通过判断AB相线电压UAB对应方波第一次上升沿和下一次上升沿间是否依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波的上升沿，从而去控制MCU中间间隔时间来检测市电频率。
2.根据权利要求1所述的检测市电电压和市电频率的新方法，其特征在于，步骤S1中，将A相相电压经过电容滤波后，送至运算放大器LM324的两个输入端，即三相四线制时，A相接同相输入端，N相接入反向输入端；三相三线制时，A相接同相输入端，N相悬空；运算放大器LM324输入级电阻保持对称，同相输入端经电阻接1.5V抬升电压，经过运算放大器LM324后，A相相电压转换为0-3V的正弦信号；B相相电压和C相相电压的处理方法与A相相电压的一致；
将经过运算放大器LM324处理后的0-3V的三个相电压信号送至AD芯片电压检测口，检测市电电压信号。
3.根据权利要求1所述的检测市电电压和市电频率的新方法，其特征在于，步骤S2中，经过运算放大器LM324处理后的A相相电压和B相相电压分别送至电压比较器LM311的同向输入端和反相输入端，形成与AB相线电压UAB正弦波对应的方波信号；BC相线电压UBC和CA相线电压UCA正弦波对应的方波信号与AB相线电压UAB正弦波对应的方波信号产生的方式一致。
4.根据权利要求1所述的检测市电电压和市电频率的新方法，其特征在于，步骤S3中，将形成的三个方波信号送至MCU市电频率检测口，MCU开机时，检测依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波信号上升沿后的AB相线电压UAB对应方波信号，并将AB相线电压UAB对应方波信号出现的第一次上升沿设置为软件中断触发脉冲；
AB相线电压UAB对应方波信号进入第一次上升沿中断，定时器从零开始计时，判断能否满足AB相线电压UAB对应方波信号第一次上升沿和下一次上升沿之间依次出现BC相线电压UBC和CA相线电压UCA对应方波信号上升沿的条件，如果满足，定时器停止计时，此时计算的时间T为市电正弦波信号的周期，如果不满足，则继续检测AB相线电压UAB对应方波信号的下一次上升沿，直到满足条件才停止计时；
通过市电频率f＝1/T，计算出市电频率。
5.一种用于如权利要求1-4任一所述的检测市电电压和市电频率的新方法的检测电路，其特征在于，其包括：
AD芯片；
用于将A相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第一运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；
用于将B相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第二运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；
用于将C相相电压经过降压和抬升为0-3V的电压的第三运算放大器LM324，其输出端接于AD芯片电压检测口；
第一电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；
第二电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；
第三电压比较器LM311，其输出端接于MCU市电频率检测口；
经过第一运算放大器LM324、第二运算放大器LM324、第三运算放大器LM324处理后的A相相电压信号、B相相电压信号、C相相电压信号两两作为第一电压比较器LM311、第二电压比较器LM311、第三电压比较器LM311的同相输入端和反向输入端。
6.根据权利要求5所述的检测电路，其特征在于，第一运算放大器LM324、第二运算放大器LM324、第三运算放大器LM324的输入级电阻保持对称。
7.根据权利要求6所述的检测电路，其特征在于，A相相电压经过电容滤波后，送至第一运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，A相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，A相接同相输入端，N相悬空；
B相相电压经过电容滤波后，送至第二运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，B相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，B相接同相输入端，N相悬空；
C相相电压经过电容滤波后，送至第三运算放大器LM324的两个输入端，当三相四线制时，C相接同相输入端，N相接入反相输入端；三相三线制时，C相接同相输入端，N相悬空。
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