CN107490720A - 一种电网电压过零点的数字检测装置及检测方法 - Google Patents

一种电网电压过零点的数字检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电网电压过零点的数字检测装置及检测方法，包括信号调理电路、数字模拟转换器、光隔离器件和低压侧数字处理器，其中，信号调理电路接入电网，采用电阻分压的方式将电网的高压信号缩小成可检测的小信号传入数字模拟转换器，数字模拟转换器将电网信号转换成数字信号传入光隔离器件，信号隔离后传输给低压侧数字处理器，再还原成电网的模拟信号，经信号处理得到电网电压过零点。该装置将电网电压信号在高压侧数字化，模拟信号不需要传输，有效减少干扰，信号调理电路仅为两个分压电阻，即便电阻值发生变化，造成电网电压值检测不准确，也不会造成过零点检测的不准确，信号调理电路中，没有互感器、光耦等，不会带入相位误差。

Description

一种电网电压过零点的数字检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电网电压过零点的数字检测装置及检测方法。
背景技术
在电力电子技术应用中，为了保证用电效率最高、发电效率，需要设法保证电压相位和电流相位一致，即功率因数最高，如附图2，因此，电网电压的检测就尤其重要。
在开关电源实际运行过程中，需要对电网电压值做出响应，根据新能源标准的要求，电网电压在0.9UN～1.1UN之间应正常运行，1.1UN～1.2UN之间应运行10秒。
在电力电子技术应用中，经常会用到电网电压过零点的检测，传统的检测方式大多以模拟检测方式为主，容易受到干扰，会造成过零点漂移，检测不准确的问题。
通常的检测方式有：互感器检测法，其典型应用如附图3所示。光耦检测法，其典型应用如附图4所示。
以上两种方法都能够实现过零点检测，但都有缺点。互感器在长期的使用过程中，由于震动及绝缘老化等因素，常常会发生相位偏移，造成过零点检测不准确。光耦检测法的缺点在于：光耦的开通与关断都有延迟时间，造成过零点检测不准确，并且光耦检测法不能测量电网电压的值。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种电网电压过零点的数字检测装置及检测方法。
根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种电网电压过零点的数字检测装置，所述的数字检测装置包括依次相连的信号调理电路、数字模拟转换器、光隔离器件和低压侧数字处理器，其中，所述的信号调理电路接入电网，采用电阻分压的方式将电网的高压信号缩小成可检测的小信号传入所述的数字模拟转换器，所述的数字模拟转换器将电网信号转换成数字信号传入所述的光隔离器件，所述的光隔离器件将该信号隔离后传输给所述的低压侧数字处理器，所述的低压侧数字处理器接收从所述的光隔离器件传输过来的信号，再还原成电网的模拟信号，经信号处理得到电网电压过零点。
进一步地，所述的信号调理电路包括串联的分压电阻上臂和分压电阻下臂，分别通过分压电阻上臂的一端和分压电阻下臂的一端接入电网的两端，分压电阻上臂和分压电阻下臂相连的另一端接入所述的数字模拟转换器。
进一步地，所述的数字模拟转换器和所述的光隔离器件所使用的辅助电源包括以下两种方式提供：
其一，在高压电网侧将电网电压转换成直流电源，供给所述的数字模拟转换器和所述的光隔离器件；
其二，在高压电网侧和低压侧数字处理器增加一个DC-DC变换器，将低压侧的直流电经过隔离后，供给所述的数字模拟转换器和所述的光隔离器件。
进一步地，所述的数字模拟转换器采用MAXIAM公司的MAX157型10位AD转换芯片，包括2个单端输入通道将信号采用差分输入的方法。
进一步地，所述的光隔离器件采用TLP521。
根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种电网电压过零点的数字检测方法，所述的数字检测方法包括下列步骤：
S1、信号调理电路接入电网，采用电阻分压的方式将电网的高压信号缩小成可检测的小信号采用差分输入到数字模拟转换器；
S2、数字模拟转换器将电网信号转换成数字信号传入光隔离器件；
S3、光隔离器件将该信号隔离后传输给低压侧数字处理器；
S4、低压侧数字处理器接收从光隔离器件传输过来的数字信号，再还原成电网的模拟信号，进行过零点计算。
进一步地，所述的步骤S4中过零点计算具体如下：
假设经过光隔离器件传送到低压侧数字处理器的信号是两个离散序列，分别标记为：Xn和Yn，然后考察Xn、Xn+1和Yn、Yn+1，要计算过零点，首先比较Xn和Yn，如果：
a)Xn<Yn，并且Xn+1>Yn+1,标记为一个正向过零点；
b)Xn>Yn，并且Xn+1<Yn+1,标记为一个反向过零点；
c)两个正向过零点或两个反向过零点，标记为一个工频周期，可以直接得到电网频率。
进一步地，所述的数字检测方法还包括下列步骤：
S5、电网电压计算，设电网电压和采样系统的比率为K，那么电网电压可以通过以下方式计算：
在一个工频周期内记录Xn和Yn的最大值和最小值分别标记为：Xmax、Xmin和Ymax、Ymin；
电网电压的最大峰值为：
[(Xmax+Ymax)-(Xmin+Ymin)]/4*K。
本发明提出将电网电压信号在高压侧数字化处理，通过数字传输到低压侧的方法，相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)电网电压信号在高压侧数字化，模拟信号不需要传输，也就更少受到干扰。
2)信号调理电路仅为两个分压电阻，即便电阻值发生变化，造成电网电压值检测不准确，也不会造成过零点检测的不准确，保证开关电源的安全运行。
3)由于模拟信号调理回路中，没有互感器、光耦等，不会带入相位误差。
4)电路体积小，占用很少的PCB面积。
附图说明
图1是本发明中公开的一种电网电压过零点的数字检测装置的结构示意图；
图2是电力电子技术应用中电压相位和电流相位一致时功率因数最高的原理示意图；
图3是互感器过零点检测法的装置原理示意图；
图4是光耦过零点检测法的装置原理示意图。
图5是通过AD两个通道采集数据检测电网是否过零点的应用示意图。
其中，101---电网，102---分压电阻上臂，103---分压电阻下臂，104---模拟数字转换器，105---光隔离器件，106---低压侧数字处理器，201---电压互感器，202---相位调整电路，301---第一限流电阻，302---第二限流电阻，303---光隔，304---上拉电阻。
具体实施方式
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
本实施例提出采用数字检测装置，对电网电压实时采样，可以精确到微秒级别的过零点检测。其典型应用如附图1所示。
该数字检测装置对电网电压过零点的检测采用将模拟信号转换为数字信号的检测方式。电网电压通过信号调理电路，将高压信号缩小成数字模拟转换器(A/D转换器)可以检测的小信号。其中，数字模拟转换器(A/D转换器)和光隔离器件所使用的辅助电源可以有两种方式提供：第一种直接从高压电网侧获取；另外一种可以从低压侧，经DC-DC隔离变换器获取。光隔离器件传输的是数字信号，而不是传统的模拟信号。低压侧数字处理器接收从光隔传输过来的信号，再还原成电网的模拟信号。
本实施例中信号调理电路采用电阻分压的方式，将电网电压缩小成数字模拟转换器(A/D转换器)能够采集的小信号。
其中，信号调理电路包括串联的分压电阻上臂和分压电阻下臂，其中，分别通过分压电阻上臂的一端和分压电阻下臂的一端接入电网的两端，分压电阻上臂和分压电阻下臂相连的另一端接入数字模拟转换器(A/D转换器)。
不同于以往直接使用模拟信号的检测方式，本发明通过数字模拟转换器(A/D转换器)将电网信号转换成数字信号，再将转换来的信号通过光隔离器件发送给低压侧数字处理器。
A/D转换器和光隔离器件所使用的辅助电源可以有两种方式提供；其一，在高压电网侧将电网电压转换成直流电源，供给数字模拟转换器(A/D转换器)和光隔离器件；其二，在高压电网侧和低压侧数字处理器增加一个DC-DC变换器，将低压侧的直流电经过隔离后，供给数字模拟转换器(A/D转换器)和光隔离器件。以上两种辅助电源的获取方式，都在本专利的保护范围内。
光隔离器件从数字模拟转换器(A/D转换器)得到的是数字信号，而不是模拟信号。光隔离器件将该信号经过隔离后，传输给低压侧数字处理器。
1)数字模拟转换器(A/D转换器)的选取
本实施例采用MAXIAM公司的MAX157型10位AD转换芯片，它具有以下特点：
2.7V～5.5V单电源供电；
2个单端输入通道；
10位有效转换位；
108sps采样速率。
该芯片采用单电源供电，可以简化辅助电源的设计，只需要一路+5V电源即可。
其中，2个单端输入通道可以将信号采用差分输入的方法，减小干扰。
10位有效转换位可以将电网电压测量精度，精确到0.3V。
108sps的采样速率，可以将过零点分辨率提高到20微秒。
2)光隔离器件的选取
本发明光隔离器件采用TLP521。该芯片也采用单5V电源供电，与AD芯片可以公用电源。工作电压范围-25℃～+85℃，满足不同环境的工作条件。
数字模拟转换器(A/D转换器)的数据以数据流的形式不断发送给光隔离器件，光隔离器件将数据流传送到低压侧数据处理器，低压侧数据处理器接收到数据后，采用FFT算法，可以实时得到电网电压幅值、有效值等信息。
当采用差分输入时，AD两个通道的输入电压幅值相等，相位相差180度，因此，只需要比较两个通道采集数据的大小，即可得知电网是否过零点。典型的应用如附图5所示。
3)信号的后期处理
经过光隔离器件传送到低压侧的信号是两个离散序列，分别标记为：Xn和Yn。
(1)过零点计算
考察Xn、Xn+1和Yn、Yn+1，要计算过零点，首先比较Xn和Yn，如果：
a)Xn<Yn，并且Xn+1>Yn+1,标记为一个正向过零点；
b)Xn>Yn，并且Xn+1<Yn+1,标记为一个反向过零点；
c)两个正向过零点或两个反向过零点，标记为一个工频周期，可以直接得到电网频率。
(2)电网电压计算
设电网电压和采样系统的比率为K，那么电网电压可以通过以下方式计算：
在一个工频周期内记录Xn和Yn的最大值和最小值分别标记为：Xmax、Xmin和Ymax、Ymin；
电网电压的最大峰值为：
[(Xmax+Ymax)-(Xmin+Ymin)]/4*K；
当然，也可以采用移动平均算法来连续计算电网的稳定频率和稳定电压，鉴于电压跌落和低电压穿越的要求，一般移动平均数不超过3个周波。
实施例二
本实施例公开了一种电网电压过零点的数字检测方法，以上述实施例公开的数字检测装置为检测设备，该数字检测方法具体包括下列步骤：
S1、信号调理电路接入电网，采用电阻分压的方式将电网的高压信号缩小成可检测的小信号采用差分输入到数字模拟转换器；
S2、数字模拟转换器将电网信号转换成数字信号传入光隔离器件；
S3、光隔离器件将该信号隔离后传输给低压侧数字处理器；
S4、低压侧数字处理器接收从光隔离器件传输过来的数字信号，再还原成电网的模拟信号，进行过零点计算。
其中，步骤S4中过零点计算具体如下：
假设经过光隔离器件传送到低压侧数字处理器的信号是两个离散序列，分别标记为：Xn和Yn，然后考察Xn、Xn+1和Yn、Yn+1，要计算过零点，首先比较Xn和Yn，如果：
a)Xn<Yn，并且Xn+1>Yn+1,标记为一个正向过零点；
b)Xn>Yn，并且Xn+1<Yn+1,标记为一个反向过零点；
c)两个正向过零点或两个反向过零点，标记为一个工频周期，可以直接得到电网频率。
其中，所述的数字检测方法还包括下列步骤：
S5、电网电压计算，设电网电压和采样系统的比率为K，那么电网电压可以通过以下方式计算：
在一个工频周期内记录Xn和Yn的最大值和最小值分别标记为：Xmax、Xmin和Ymax、Ymin；
电网电压的最大峰值为：
[(Xmax+Ymax)-(Xmin+Ymin)]/4*K。
综上所述，本发明提出的电网电压过零点检测方式，不仅具有较强的抗干扰能力，而且在电网频率、电网电压计算等方面，非常的方便，具有较高的实用价值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电网电压过零点的数字检测装置，其特征在于，所述的数字检测装置包括依次相连的信号调理电路、数字模拟转换器、光隔离器件和低压侧数字处理器，其中，所述的信号调理电路接入电网，采用电阻分压的方式将电网的高压信号缩小成可检测的小信号传入所述的数字模拟转换器，所述的数字模拟转换器将电网信号转换成数字信号传入所述的光隔离器件，所述的光隔离器件将该信号隔离后传输给所述的低压侧数字处理器，所述的低压侧数字处理器接收从所述的光隔离器件传输过来的信号，再还原成电网的模拟信号，经信号处理得到电网电压过零点。
2.根据权利要求1所述的一种电网电压过零点的数字检测装置，其特征在于，所述的信号调理电路包括串联的分压电阻上臂和分压电阻下臂，分别通过分压电阻上臂的一端和分压电阻下臂的一端接入电网的两端，分压电阻上臂和分压电阻下臂相连的另一端接入所述的数字模拟转换器。
3.根据权利要求1所述的一种电网电压过零点的数字检测装置，其特征在于，所述的数字模拟转换器和所述的光隔离器件所使用的辅助电源包括以下两种方式提供：
其一，在高压电网侧将电网电压转换成直流电源，供给所述的数字模拟转换器和所述的光隔离器件；
其二，在高压电网侧和低压侧数字处理器增加一个DC-DC变换器，将低压侧的直流电经过隔离后，供给所述的数字模拟转换器和所述的光隔离器件。
4.根据权利要求1所述的一种电网电压过零点的数字检测装置，其特征在于，所述的数字模拟转换器采用MAXIAM公司的MAX157型10位AD转换芯片，包括2个单端输入通道将信号采用差分输入的方法。
5.根据权利要求1所述的一种电网电压过零点的数字检测装置，其特征在于，所述的光隔离器件采用TLP521。
6.一种电网电压过零点的数字检测方法，其特征在于，所述的数字检测方法包括下列步骤：
S1、信号调理电路接入电网，采用电阻分压的方式将电网的高压信号缩小成可检测的小信号采用差分输入到数字模拟转换器；
S2、数字模拟转换器将电网信号转换成数字信号传入光隔离器件；
S3、光隔离器件将该信号隔离后传输给低压侧数字处理器；
S4、低压侧数字处理器接收从光隔离器件传输过来的数字信号，再还原成电网的模拟信号，进行过零点计算。
7.根据权利要求6所述的一种电网电压过零点的数字检测方法，其特征在于，所述的步骤S4中过零点计算具体如下：
假设经过光隔离器件传送到低压侧数字处理器的信号是两个离散序列，分别标记为：Xn和Yn，然后考察Xn、Xn+1和Yn、Yn+1，要计算过零点，首先比较Xn和Yn，如果：
a)Xn<Yn，并且Xn+1>Yn+1,标记为一个正向过零点；
b)Xn>Yn，并且Xn+1<Yn+1,标记为一个反向过零点；
c)两个正向过零点或两个反向过零点，标记为一个工频周期，可以直接得到电网频率。
8.根据权利要求7所述的一种电网电压过零点的数字检测方法，其特征在于，所述的数字检测方法还包括下列步骤：
S5、电网电压计算，设电网电压和采样系统的比率为K，那么电网电压可以通过以下方式计算：
在一个工频周期内记录Xn和Yn的最大值和最小值分别标记为：Xmax、Xmin和Ymax、Ymin；
电网电压的最大峰值为：
[(Xmax+Ymax)-(Xmin+Ymin)]/4*K。
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