CN107765084B - 一种通用电压输入的工频信号频率测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种通用电压输入的工频信号频率测量系统，主要由电压转换电路、转换电压自调整放大电路、带通滤波电路、比较器电路、数字信号处理电路、供电电路组成；其中电压转换电路可以适用于0～300V的交流工频信号输入，能够满足电力系统大部分应用场合；转换电压自调整放大电路可以根据电压转换电路输出电压的幅值自动调整输出电压放大倍数，以满足弱工频信号频率检测的需求；带通滤波电路实现对中心频率在50Hz附近的工频信号具有较好的选择性，抑制高频信号的干扰；比较器电路把输入的交流信号转换为直流信号，比较器电路输出的信号无需信号隔离，可以直接接到数字信号处理器，完成频率计算。本发明具有电路简单、相位延时小、适用范围广、可靠性高等特点。
Description
技术领域
本申请属于电气系统技术领域，尤其涉及继电保护装置频率测量技术。
背景技术
在传统电力系统继电保护装置中，输入信号都是二次互感器传送来的工频(50Hz)信号，电压值可能是几十伏到几百伏，继电保护装置每周波(20mS)要采集固定点数(24点或40点)实时数据，根据这些数据继电保护装置要进行实时保护算法运算，判断电网是否有短路或接地等各种故障。为了保证保护算法的精确性和可靠性，每周波采集的数据要是实际频率(50Hz)的整倍数，并且相位延时要尽量小。这样就需要每个装置有一个工频信号频率测量功能，根据测量的频率确定采样点的时刻。目前国内绝大部分微机保护装置都具有频率测量功能，比如对交流输入信号A相电压测量，通过互感器转换为0-5V的信号，再通过光耦器件或者比较器处理后送给单片机测量频率，这些频率测量方法都只能对固定输入电压的信号检测，如果输入信号是变化的，或者输入信号范围跨度较大，比如从0V到220V。这需要检测电路能同时满足对小信号输入、宽电压范围检测的要求，目前的测量方法都很难实现，又或者通过复杂电路得以实现上述检测需求，但是对输入信号延时较长，精度难以保证，电路可靠性低。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中电力系统测频方法电路复杂、对输入信号延时较长、精度难以保证或者适用范围较窄等问题，提出了一种通用电压输入的工频信号频率测量系统。
本发明具体采用以下技术方案：
一种通用电压输入的工频信号频率测量系统，由电压转换电路、转换电压自调整放大电路、带通滤波电路、比较器电路、数字信号处理电路、供电电路组成；其特征为：
所述电压转换电路、转换电压自调整放大电路、带通滤波电路、比较器电路、数字信号处理电路依次连接；所述供电电路为转换电压自调节放大电路、带通滤波电路、比较器电路、数字信号处理电路供电。
本发明进一步包括以下优选方案：
其中，所述的电压转换电路由电压变换器、TVS器件、去耦电容组成；所述电压变换器一次侧连接通用工频交流信号，电压变换器二次侧连接转换电压自调整放大电路的输入侧；所述TVS器件、去耦电容并联连接在电压变换器输出侧与地之间。
所述电压变换器选择DIS-PT300/3.53型，满足0～300V的宽范围交流工频信号输入。
所述的转换电压自调整放大电路，是由比例放大电路U1A在回路中串联不同阻值的电阻，且并联NMOS管组成；当电压转换电路输出电压小于0.7V的情况下，NMOS管处于关闭状态，而在电压转换电路输出电压大于0.7V的情况下，NMOS管导通。
比例放大电路的同相输入端与电压变换器二次侧相连，比例放大电路的反相输入端与地之间连接第一电阻R1，第二电阻R2、第三电阻R3串联连接在比例放大电路的反相输入端和输出端之间，NMOS管的源极和漏极连接第二电阻R2的两端，栅极与比例放大电路的输出端相连，其中，NMOS管的源极连接在第二电阻R2和比例放大电路的反相输入端之间。
所述第一电阻R1＝1K欧姆，第二电阻R2＝4.7K欧姆，第三电阻R3＝1K欧姆。
所述带通滤波电路包括第二运算放大器U1B和第四至第七电阻、第四电容C4、第五电容C5组成，其中，比例放大电路的输出端通过依次串联连接的第四电阻R4、第五电容C5连接到第二运算放大器U1B的反相输入端，第四电容C4、第五电阻R5的一端均连接至第四电阻R4和第五电容C5连接点处，第四电容C4、第五电阻R5的另一端分别连接到第二运算放大器U1B的输出端、地，第六电阻R6连接在第二运算放大器U1B的正相输入端和地之间，第七电阻R7连接在第二运算放大器U1B的反相输入端和输出端之间。
其中，第四电阻R4＝20K欧姆，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7均为12K欧姆，第四电容C4、第五电容C5均取为220nF。
所述比较器电路由第三运算放大器U1C组成，第三运算放大器的正向输入端接地，反向输入端与带通滤波器电路输出端相连接，第三运算放大器U1C输出信号即为转换输出的固定频率的脉冲信号，直接输入至数字信号处理电路进行实时的运算采集。
本发明的优点在于：
1、通用电压信号调理技术，由于电力二次互感器输出电压不一样，有的可能是几伏，有的可能是220V，传统的信号调理电路都是每种电压等级的输入信号用不同的电路实现，硬件通用性差、成本较高。而本申请采用宽范围的电压变换器，并在转换输出端增加转换电压自调整放大电路。既满足了宽范围的电压等级的输入信号的要求，又保证弱信号输入时，自动提高放大倍数，增加检测结果的可靠性，提高检测的灵敏度。同时避免了输入电压被放大倍数过大，放大器输出波形失真，增加的检测的可靠性。
2、良好的频率选择能力，国内电力系统中工频信号为50Hz的交流信号。本方法采用有源二阶带通滤波器电路，可以很好的实现对中心频率在50Hz附近输入信号具有很好的选择性，抑制高频信号的干扰。
3、良好的电路抗干扰能力，电力系统继电保护装置对于EMC要求极高，尤其是在现在数字化变电站中，浪涌能力要到4级，瞬变干扰能力要到4级，这就对电路隔离器件和端口防护提供了很高的要求。本申请在电压转换电路中选择性能可靠的电压变换器，具有很强的隔离能力，且安装方便。同时在电压转换电路输出端口增加过压保护的TVS器件、去耦电容，提高测量的抗干扰能力和浪涌吸收能力。
4、小相位延时频率测量技术，交流信号测量要求整周期等间隔采样，一般都用工频信号过零点作为采样起始时刻，这样频率测量电路延时越小，测量实时性越好，精度也就越高。本申请采用电压变换换器件、比较器器件和带通滤波电路，硬件延时很小，同时由于工频信号测量，数字信号处理器软件还可以根据上一周期的实际硬件延时提前设定下一周期采样时刻，使测量结果相位延时极小。
附图说明
图1为本发明通用电压输入的工频信号频率测量系统示意图；
图2为本发明通用电压输入的工频信号频率测量系统主电路图；
图3为通用电压输入的工频信号频率测量系统输入输出信号仿真波形图；
图4为通用电压输入的工频信号频率测量系统带通滤波电路仿真波特图；
图5为通用电压输入的工频信号频率测量系统电路实测波形图。
具体实施方式
为了使本发明的所述的目的、技术方案、优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实例的技术方案和部分原理进行说明。本发明设计一种通用电压输入的工频信号频率测量系统，如图1所示为通用电压输入的工频信号频率测量系统电路示意图。本发明通过电压转换电路、转换电压自调整放大电路、带通滤波电路、比较器电路把电力二次互感器传来的宽范围的通用电压输入信号转换为固定频率的脉冲信号，送给数字信号处理电路进行实时的运算采集。
图1为本发明通用电压输入的工频信号频率测量系统示意图。如1所示，交流工频信号与电压转换电路的输入端相连接。电压转换电路的输出端与转换电压自调整放大电路的输入端相连接，转换电压自调整放大电路的输出端与低通滤波器电路的输入端相连接，低通滤波电路的输出端与比较器电路的输入端相连接，比较器电路的输出端与数字信号处理器相连接。供电电路分别给转换电压自调整放大电路、低通滤波电路、比较器电路、数字信号处理器提供工作电压。图2为通用电压输入的工频信号频率测量系统主电路图。如图2所示的主电路图中包含的电压转换电路主要由第一电压变换器T1、TVS器件Z11、Z12、第一电容C1组成。其中电压变换器T1的输入端UIN、UIN’接入交流工频信号，输出端分别于VIN1和地相连接。TVS器件Z11、Z12串联，其中Z11另与电压变换器T1输出端VIN1相连接，Z12的另一端与地相连接。
所述第一电压变换器T1选择为DIS-PT-300/3.53系列电压变换器，该类型电压变换器使用方便，直接电压输出不需要放大器，并且具有防潮、抗震、隔离能力强的优点。TVS器件Z11、Z12用于提高电路抗干扰和浪涌吸收能力，第一电容C1为去耦电容。
图2所示主电路图中包含的转换电压自调整放大电路主要由第一运算放大器U1A、第二电容C2、第三电容C3、比例放大回路第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、NMOS管Q1组成；
所述比例放大电路的第一运算放大器U1A的同相输入端与电压变换器T1的二次侧VIN1相连，比例放大电路的反相输入端与地之间连接第一电阻R1，第二电阻R2、第三电阻R3串联连接在比例放大电路的反相输入端和输出端之间，NMOS管Q1的源极和漏极连接第二电阻R2的两端，栅极与比例放大电路的输出端相连，其中，NMOS管Q1的源极连接在第二电阻R2和比例放大电路的反相输入端之间。
所述第一电阻R1＝1K欧姆，第二电阻R2＝4.7K欧姆，第三电阻R3＝1K欧姆。所述NMOS管Q1选择标准阀值电压为0.7V的NMOS管。所述转换电压自调整放大电路工作原理是在所述电压转换电路输出电压小于NMOS管Q1阀值电压0.7V情况下，NMOS管Q1处于关闭状态，使得比例放大回路放大倍数等于1+(R2+R3)/R1；而在电压转换电路输出电压大于NMOS管Q1阀值电压0.7V情况下，NMOS管Q1导通，此时比例放大回路放大倍数等于1+(R3+Ron)/R1，由于Ron为NMOS管Q1导通电阻可忽略不计，所以此时转换电压自调整放大电路自动选择放大比例较小的回路，同时避免了较大的输入电压被放大倍数过大，放大器输出波形失真，增加检测的可靠性。
图2中所示的带通滤波器电路主要包括第二运算放大器U1B和第四至第七电阻、第四电容C4、第五电容C5组成，其中，比例放大电路的输出端通过依次串联连接的第四电阻R4、第五电容C5连接到第二运算放大器U1B的反相输入端，第四电容C4、第五电阻R5的一端均连接至第四电阻R4和第五电容C5连接点处，第四电容C4、第五电阻R5的另一端分别连接到第二运算放大器U1B的输出端、地，第六电阻R6连接在第二运算放大器U1B的正相输入端和地之间，第七电阻R7连接在第二运算放大器U1B的反相输入端和输出端之间。
由于所需要选择的中心频率50Hz，依据带通滤波电路设计参考
且Req＝R4//R5，最终选择第四电阻R4＝20K欧姆，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7均为12K欧姆，第四电容C4、第五电容C5均取为220nF。，以此选择的电容、电阻参数组成的带通滤波电路来满足对中心频率在50Hz附近输入信号具有很好的选择性，抑制高频信号的干扰。
图2中所述的比较器电路由第三运算放大器U1C组成，第三运算放大器的正向输入端接地，反向输入端与带通滤波器电路输出端相连接，第三运算放大器U1C输出信号F_OUT即为转换输出的固定频率的脉冲信号，直接输入至数字信号处理电路进行实时的运算采集。
图3为通用电压输入的工频信号频率测量系统输入输出信号仿真波形图，图3中所示的正弦波用来模拟电压转换电路输出后的信号波形，图中所示方波为经过本设计中带通滤波电路、比较器电路后输出波形，从仿真波形可看出，经过本设计主电路后，输出较完好的方波，具有很小的延时。
图4为通用电压输入的工频信号频率测量系统中所设计的带通滤波电路仿真波特图，依据带通滤波器电路设计中最终选择的电阻、电容参数进行仿真，从波特图中可以看出，带通滤波器电路的设计在中心频率50Hz具有很好的选择性，很小的衰减，而在其它频段处衰减较大，符合带通滤波电路设计的预期。
图5为通用电压输入的工频信号频率测量系统电路实测波形图，这里工频输入采用用信号发生器输入2V至2.5V变化的电压信号，频率为50Hz，以此来模拟电压变换器转换后的输出信号。通过示波器实际检测波形可以看出，输出较完整的方波，波形较好，未发现畸变，实际检测频率为50.04Hz。且从图中可以看出，信号延时很短，在1ms以内，按工频信号一周期360度计算，总的硬件延时小于0.3度，满足电力系统继电保护装置和电力质量测量要求。
整个电路具有很强的抗干扰能力，频率测量电路通过一个5x8cm的电路板实现，电路板通过双排连接器连接到主处理器板卡上。经过静电、瞬变、浪涌以及衰减震荡波试验，功能正常。
以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。
Claims (7)
1.一种通用电压输入的工频信号频率测量系统，由电压转换电路、转换电压自调整放大电路、带通滤波电路、比较器电路、数字信号处理电路、供电电路组成；其特征为：
所述电压转换电路、转换电压自调整放大电路、带通滤波电路、比较器电路、数字信号处理电路依次连接；所述供电电路为转换电压自调节放大电路、带通滤波电路、比较器电路、数字信号处理电路供电；
其中，所述的转换电压自调整放大电路，是由比例放大电路U1A在回路中串联不同阻值的电阻，且并联NMOS管Q1组成；当电压转换电路输出电压小于NMOS管Q1的阀值电压0.7V的情况下，NMOS管Q1处于关闭状态，而在电压转换电路输出电压大于NMOS管Q1的阀值电压0.7V的情况下，NMOS管Q1导通；
其中，比例放大电路的同相输入端与电压变换器二次侧相连，比例放大电路的反相输入端与地之间连接第一电阻R1，第二电阻R2、第三电阻R3串联连接在比例放大电路的反相输入端和输出端之间，NMOS管Q1的源极和漏极连接第二电阻R2的两端，栅极与比例放大电路的输出端相连，其中，NMOS管Q1的源极连接在第二电阻R2和比例放大电路的反相输入端之间。
2.根据权利要求1所述的通用电压输入的工频信号频率测量系统，其特征在于：
其中，所述的电压转换电路由电压变换器、TVS器件、去耦电容组成；所述电压变换器一次侧连接通用工频交流信号，电压变换器二次侧连接转换电压自调整放大电路的输入侧；所述TVS器件、去耦电容并联连接在电压变换器输出侧与地之间。
3.根据权利要求2所述的通用电压输入的工频信号频率测量系统，其特征在于：
所述电压变换器选择DIS-PT300/3.53型，满足0~300V的宽范围交流工频信号输入。
4.根据权利要求1所述的通用电压输入的工频信号频率测量系统，其特征在于：
所述第一电阻R1=1K欧姆，第二电阻R2=4.7K欧姆，第三电阻R3=1K欧姆。
5.根据权利要求1或4所述的通用电压输入的工频信号频率测量系统，其特征在于：
所述带通滤波电路包括第二运算放大器U1B和第四至第七电阻、第四电容C4、第五电容C5组成，其中，比例放大电路的输出端通过依次串联连接的第四电阻R4、第五电容C5连接到第二运算放大器U1B的反相输入端，第四电容C4、第五电阻R5的一端均连接至第四电阻R4和第五电容C5连接点处，第四电容C4、第五电阻R5的另一端分别连接到第二运算放大器U1B的输出端、地，第六电阻R6连接在第二运算放大器U1B的正相输入端和地之间，第七电阻R7连接在第二运算放大器U1B的反相输入端和输出端之间。
6.根据权利要求5所述的通用电压输入的工频信号频率测量系统，其特征在于：
其中，第四电阻R4=20K欧姆，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7均为12K欧姆，第四电容C4、第五电容C5均取为220nF。
7.根据权利要求1或6所述的通用电压输入的工频信号频率测量系统，其特征在于：
所述比较器电路由第三运算放大器U1C组成，第三运算放大器的正向输入端接地，反向输入端与带通滤波器电路输出端相连接，第三运算放大器U1C输出信号FOUT即为转换输出的固定频率的脉冲信号，直接输入至数字信号处理电路进行实时的运算采集。
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