CN109828145A - 一种宽范围自适应电压监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围自适应电压监测装置及方法，根据被监测电压的范围自动修正电压互感器的输入电流大小，从而实现量程的宽范围，根据被监测电压的频率调整采样频率，与输入的电压频率成正比，便于后续计算分析，监测过程中实现不间断采样，无采样时间间隙，将采样的数据点形成波形数据，实时记录分析数据的形态，自适应被监测对象的物理状态。

Description

一种宽范围自适应电压监测装置及方法

技术领域

本发明属于电力线电压监测领域，具体为一种宽范围自适应电压监测装置及方法。

背景技术

电压监测广泛应用于变电站、所，电力变压器出口的电压测量，自动地对监测数据记录、存储，按给定的程序统计出每天、每月的最大电压值、最小电压值以及这些电压值发生的时刻，统计出每天或每月的电压合格率、超上限率与超下限率，极大方便了系统中电压质量的管理与考核。

随着智能电网的建设和用户对电能质量的要求越来越高，目前电压监测仪使用的技术手段已不能满足电能质量考核的要求，其主要问题如下：功能简单，缺少对电压频率、谐波分量、相间不平衡度等状态数据的测量与记录；测量范围存在局限，电网测量电压有220V，3*220V/380V，3*100V等多种规格，电网频率在独立发电系统、光伏并网发电，波动较大，需要一种能适应在电压范围宽、频率波动大、谐波不稳定的电压监测分析装置。

鉴于此，我们提出一种宽范围自适应电压监测装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽范围自适应电压监测装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种宽范围自适应电压监测装置，包括分压电阻网络，所述分压电阻网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R12、电阻R14、电阻R10、电阻R11、P沟道MOS管T1、P沟道MOS管T2、P沟道MOS管T3、P沟道MOS管T4、P沟道MOS管T5、P沟道MOS管T6、P沟道MOS管T7、P沟道MOS管T8、P沟道MOS管T9、P沟道MOS管T10；

所述电阻R1、电阻R2和电阻R3串联；所述电阻R4和电阻R5串联；所述电阻R1、电阻R5和电阻R6的一端均连接VL1端；

所述P沟道MOS管T1的基极和所述P沟道MOS管T2的基极均连接P01’端，所述P01’端通过双向稳压二极管DE1连接VN1端，所述P沟道MOS管T1的漏极和所述P沟道MOS管T2的漏极连接，所述P沟道MOS管T1的源极连接所述电阻R11的一端，所述P沟道MOS管T2的源极连接VN1端；

所述P沟道MOS管T3的基极和所述P沟道MOS管T5的基极均连接P02’端，所述P02’端通过双向稳压二极管DE2连接VN1端，所述P沟道MOS管T3的漏极和所述P沟道MOS管T5的漏极连接，所述P沟道MOS管T3的源极连接所述电阻R7的一端，所述P沟道MOS管T5的源极连接VN1端；

所述P沟道MOS管T4的基极和所述P沟道MOS管T6的基极均连接P03’端，所述P03’端通过双向稳压二极管DE4连接VN1端，所述P沟道MOS管T4的漏极和所述P沟道MOS管T6的漏极连接，所述P沟道MOS管T4的源极连接所述电阻R8的一端，所述P沟道MOS管T6的源极连接VN1端；

所述P沟道MOS管T7的基极和所述P沟道MOS管T8的基极均连接P04’端，所述P04’端通过双向稳压二极管DE5连接VN1端，所述P沟道MOS管T7的漏极和所述P沟道MOS管T8的漏极连接，所述P沟道MOS管T7的源极连接所述电阻R9的一端，所述P沟道MOS管T8的源极连接VN1端；

所述P沟道MOS管T9的基极和所述P沟道MOS管T10的基极均连接P05’端，所述P05’端通过双向稳压二极管DE6连接VN1端，所述P沟道MOS管T9的漏极和所述P沟道MOS管T10的漏极连接，所述P沟道MOS管T9的源极连接所述电阻R10的一端，所述P沟道MOS管T10的源极连接VN1端；

所述电阻R6、电阻R11、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10的另一端均通过所述双向稳压二极管DE3连接VN1端；

所述VN1端和VL1端之间设置有热敏电阻RY1。

更进一步的，所述P沟道MOS管T1、P沟道MOS管T2、P沟道MOS管T3、P沟道MOS管T4和P沟道MOS管T5分别对应36V电压、57.7V电压、100V电压、220V电压和380V电压。分别对应不同的电压测量，适应性更高。

更进一步的，还包括AD变换器，利用AD转换器对电压进行采样得到采样值。

有益效果：本发明的宽范围自适应电压监测装置采用的电阻分压网络采取高压暂态驱动，响应时间小，多个分压选择自动适应多种规格的电压测量。

本发明还公开了一种宽范围自适应电压监测方法，采用如上所述的宽范围自适应电压监测装置，包括以下步骤：

1)、确定初始采样频率和基波频率，利用AD转换器对电压进行采样，得到采样值；

2)、读取采样值，逐点比较，判断是否存在采样值越限，并计算得到越限值；

3)、根据越限值调整分压电阻网络，得到校准后的采样值；

4)、采样时间达到t1后利用FFT转换计算电压信号的频谱；

5)、根据步骤4)FFT转换的实部序列确定基波频率；

6)、根据基波频率确定采样间隔；

7)、重复步骤4)-6)，直到频率误差小于等于0.1Hz。

更进一步的，步骤3)中根据越限值调整分压电阻网络即根据越限值选择分压电阻网络对应的电压范围。

更进一步的，步骤4)中t1为160ms。

更进一步的，步骤4)中FFT转换为基4FFT变换。

更进一步的，步骤3)中根据越限值调整分压电阻网络即根据根据越限值选择分压电阻网络的工作电压。

本发明的宽范围自适应电压监测方法通过跟被测信号的值和频率实现宽范围自适应采样，提高了其产品的应用范围的同时，提高了电压测量精度和适应性。

附图说明

图1为本发明电压采样的流程图；

图2为电阻分压网络和控制原理图；

图3为本发明的基波频率计算流程图；

图4为本发明的实现框图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-3，本发明的宽范围自适应电压监测装置，包括分压电阻网络，分压电阻网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R12、电阻R14、电阻R10、电阻R11、P沟道MOS管T1、P沟道MOS管T2、P沟道MOS管T3、P沟道MOS管T4、P沟道MOS管T5、P沟道MOS管T6、P沟道MOS管T7、P沟道MOS管T8、P沟道MOS管T9、P沟道MOS管T10；

电阻R1、电阻R2和电阻R3串联；电阻R4和电阻R5串联；电阻R1、电阻R5和电阻R6的一端均连接VL1端；

P沟道MOS管T1的基极和P沟道MOS管T2的基极均连接P01’端，P01’端通过双向稳压二极管DE1连接VN1端，P沟道MOS管T1的漏极和P沟道MOS管T2的漏极连接，P沟道MOS管T1的源极连接电阻R11的一端，P沟道MOS管T2的源极连接VN1端；

P沟道MOS管T3的基极和P沟道MOS管T5的基极均连接P02’端，P02’端通过双向稳压二极管DE2连接VN1端，P沟道MOS管T3的漏极和P沟道MOS管T5的漏极连接，P沟道MOS管T3的源极连接电阻R7的一端，P沟道MOS管T5的源极连接VN1端；

P沟道MOS管T4的基极和P沟道MOS管T6的基极均连接P03’端，P03’端通过双向稳压二极管DE4连接VN1端，P沟道MOS管T4的漏极和P沟道MOS管T6的漏极连接，P沟道MOS管T4的源极连接电阻R8的一端，P沟道MOS管T6的源极连接VN1端；

P沟道MOS管T7的基极和P沟道MOS管T8的基极均连接P04’端，P04’端通过双向稳压二极管DE5连接VN1端，P沟道MOS管T7的漏极和P沟道MOS管T8的漏极连接，P沟道MOS管T7的源极连接电阻R9的一端，P沟道MOS管T8的源极连接VN1端；

P沟道MOS管T9的基极和P沟道MOS管T10的基极均连接P05’端，P05’端通过双向稳压二极管DE6连接VN1端，P沟道MOS管T9的漏极和P沟道MOS管T10的漏极连接，P沟道MOS管T9的源极连接电阻R10的一端，P沟道MOS管T10的源极连接VN1端；

电阻R6、电阻R11、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10的另一端均通过双向稳压二极管DE3连接VN1端；

VN1端和VL1端之间设置有热敏电阻RY1。

优选的，P沟道MOS管T1、P沟道MOS管T2、P沟道MOS管T3、P沟道MOS管T4和P沟道MOS管T5分别对应36V电压、57.7V电压、100V电压、220V电压和380V电压。分别对应不同的电压测量，适应性更高。

优选的，还包括AD变换器，利用AD转换器对电压进行采样得到采样值。

本发明中分压电阻网络由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R12、R14、R10、R11和P沟道MOS管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10组成，MOS管导通时，沟道电阻小于2mΩ,远小于对应受控的电阻，MOS管的栅极等效电容小于3pF，MOS管S、D之间并有抗静电ESD管，当电压受到异常干扰时，确保MOS管不会异常失效。T1-T5分对应的电压范围为36V、57.7V、100V、220V、380V,各档之间的界限为(VT1+VT2)*0.1，当采样值连续超过限值时打开对应的控制开关，同时修正此刻增益系数，使得采样值得连续。MOS管的打开响应时间t＝R*Cgs，约等于30nS，MOS管得导通时间小于5ns，总的驱动时间小于1uS，远小于采样周期156uS，满足设计要求，通过校准可确保在多通道采样时等效延时小于0.5uS。分压电阻网络的稳定时间tw＝Cq*∑R，Cq为分压电阻网络等效串联电容，主要由PCB的分布参数和MOS管的沟道电容组成，PCB layout增大分压电阻与零线之间的距离，同时选择低附加电容的电阻，MOS管采取先高压后低压的驱动方式，高压指在1us内Ugs＝+20V，然后稳定在+3.3左右，此在于迅速实现沟道载流子的极性反转，在实际应用中经实际分析约为10pF，tw＝5.1us，满足单通道的稳定时间要求。

本发明的宽范围自适应电压监测装置采用的电阻分压网络采取高压暂态驱动，响应时间小，多个分压选择自动适应多种规格的电压测量。

本发明还公开了一种宽范围自适应电压监测方法，采用如上的宽范围自适应电压监测装置，包括以下步骤：

1)、确定初始采样频率和基波频率，利用AD转换器对电压进行采样，得到采样值；

2)、读取采样值，逐点比较，判断是否存在采样值越限，并计算得到越限值；

3)、根据越限值调整分压电阻网络，得到校准后的采样值；

4)、采样时间达到t1后利用FFT转换计算电压信号的频谱；

5)、根据步骤4)FFT转换的实部序列确定基波频率；

6)、根据基波频率确定采样间隔；

7)、重复步骤4)-6)，直到频率误差小于等于0.1Hz。

优选的，步骤3)中根据越限值调整分压电阻网络即根据越限值选择分压电阻网络对应的电压范围。

优选的，步骤4)中t1为160ms。

优选的，步骤4)中FFT转换为基4FFT变换。

优选的，步骤3)中根据越限值调整分压电阻网络即根据根据越限值选择分压电阻网络的工作电压。

本发明的宽范围自适应电压监测方法通过跟被测信号的值和频率实现宽范围自适应采样，提高了其产品的应用范围的同时，提高了电压测量精度和适应性。

实施例1：

请参阅图图1所示，一种宽范围自适应电压监测方法的实例，包括以下步骤：

第一步装置初始化，启动AD转换器；

第二步读取采样值，逐点比较；

第三步判断是否存在采样值越限；

第四步根据越限值的大小发出相应控制命令，调整分压电阻网络；

第五步校准调准后的采样值；

第六步采样时间达到160ms后启动FFT，计算电压信号的频谱；

第七步根据FFT转换的实部序列，确定基波频率；

第八步根据基波频率确定采样间隔；

第九步迭代拟合过程，将频率误差减小至0.1Hz。

电阻分压网络采取高压暂态驱动，响应时间小于1uS，多个分压选择自动适应多种规格的电压测量，同时具备自动校准功能。采取基4FFT变换获得电压信号的频域实部与虚部，在此基础上得到反应因基波漂移而引起的符号突变的二维数组，其由频点和实部值组成。根据计算出的二维符号数组经查找，插值计算获得信号的基波频率，经迭代将频率误差减小至0.1Hz以内。根据计算出的基波频率，在此基础上采取互素的办法调整采样频率，使得按基波的倍频采样，减小频谱泄露。在信号出现频率、幅值突变的情况下录取变异前后各4个周波的数据。

初始采样频率设置为6.4kHz，对于周期为20mS的电压信号每周期采样点数N＝128，AD转换器的基准电压为1.25V，数据宽度16位，最小分辨率约为38uV，DSP与AD转换器的接口为SPI，读写速率为12MHz，分压电阻网络由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R12、R14、R10、R11和P沟道MOS管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10组成，MOS管的导通时，沟道电阻小于2mΩ,远小于对应受控的电阻，MOS管的栅极等效电容小于3pF，MOS管S、D之间并有抗静电ESD管，当电压受到异常干扰时，确保MOS管不会异常失效。T1-T5分对应的电压范围为36V、57.7V、100V、220V、380V,各档之间的界限为(VT1+VT2)*0.1，当采样值连续超过限值时打开对应的控制开关，同时修正此刻增益系数，使得采样值得连续。MOS管的打开响应时间t＝R*Cgs，约等于30nS，MOS管得导通时间小于5ns，总的驱动时间小于1uS，远小于采样周期156uS，满足设计要求，通过校准可确保在多通道采样时等效延时小于0.5uS。分压电阻网络的稳定时间tw＝Cq*∑R，Cq为分压电阻网络等效串联电容，主要由PCB的分布参数和MOS管的沟道电容组成，PCB layout增大分压电阻与零线之间的距离，同时选择低附加电容的电阻，MOS管采取先高压后低压的驱动方式，高压指在1us内Ugs＝+20V，然后稳定在+3.3左右，此在于迅速实现沟道载流子的极性反转，在实际应用中经实际分析约为10pF，tw＝5.1us，满足单通道的稳定时间要求。

进一步，当累计采样值的时间等于1s时，启动FFT，获得电压信号的频域数据，经IIR滤波器滤除高频分量，N点单一频率的振幅响应:N/2*sin[π(k-m)]/π(k-m),当基波频率发生偏移时，其FFT变换在各个转换频点上呈现出|sinz/z|(|sinc|)的形态分布，其复数的泰勒级数1,-z2/3！,z4/5！....，存在一阶可去节点，此分布特性为FFT变换实部序列在此基波频点存在转折点，由插值算法得出信号的基波分量，具体步奏为：首先通过逐点比较法FFT变换的实部序列的符号的转折点，形成一个二维数组,进而计算各个转折点的幅值，再根据幅值最大的数组中的频率、幅值进行插值估算实际信号的中心频率fb做为基波频率，获取此时基波频率偏差fb-fb0，基波周期为1/fb，由此得出采样触发间隔：1/fb*128，调整AD转换器的触发周期，当采样间隔与触发定时器的分频比不成整数倍关系式时，取最近采样间隔，并与其互素的周期做为实际采样周期，由此减小FFT的泄露。进一步基波频率计算采取迭代方式，计算滑差时间为20ms，基波频率误差小于0.1Hz，使基波得收敛时间小于2倍得信号周期。

实例二，图4所示为一种宽范围自适应电压监测装置的框图，AD转换器型号为MCP3914，DSP型号为TMS320C6743，FPGA型号为EP2C8A15F324C6ES。DSP与AD连接方式为16位数据总线和采样控制线，FPGA采样数据总线与DSP并联，二者同步读取AD转换器采样数据。FPGA与DSP之间通过SPI通信。DSP主要作用为：启动AD转换器，实现信号得FFT转换，获得信号得基波，实现整数倍周期采样，FPGA实时判断信号采样值，根据采样值得大小完成电阻分压网络控制。在DSP与FPGA协同控制下实现电压范围和频率得宽范围自适应采样。

本发明提供的宽范围自适应电压监测方法，实现电压、频率宽范围监测需求，适应电网的复杂环境，在停上电、电网异常等状况下自动采取监测方案，为用户数据分析提供数据。采样回路由AD变换器，DSP、电阻分压网络、控制回路组成，通过DSP控制AD变换器实时采样，DSP逐点分析采样值的大小，当电压采样值连续多点超过预置阀值时，DSP发出控制信号，通过控制回路改变取样电阻分压网络，进而改变输入采样值的大小，实现更大范围的电压采样，控制回路和电阻分压网络的响应时间小于1/10的采样周期，确保下个采样周期中量化值的稳定性。DSP根据采样值实时等周期计算电流的有效值，在5s的周期内得出采样信号的频谱，频率分辨率为0.2Hz,分析信号中直流分量，基波和多次谐波的分量，进而根据电压信号的频域波形，当一根谱线占90％以上分量时取该点的频率为基波频率，据此调整采样周期，使得采样频率始终跟踪电压的频率，实现整数倍频采样,同时由此得采样值中的最高频率及其分量大小，当超过限值时，及时调整最高采样频率，避免混淆失真。根据内存中的采样值，通过形态滤波器计算出的信号的变异点，并将变异点前后3s的波形数据存入外存储器，在系统需要时上传。

本发明通过跟被测信号的值和频率实现宽范围自适应采样，提高了其产品的应用范围的同时，提高了电压测量精度和适应性。根据幅值、频率变异点的软触发机制获取的信号变异前后的波形数据更加有利于电压信号的系统分析，其意义和必要性在于全方位、高精度的数据监测将进一步提高供电企业的电网治理和供电服务能力，与此同时也为用电用户高精端用电设备的安全运行提供了强有力的保证措施。

本发明实现的电压监测仪在满足现有的国家和行业标准的同时，更进一步的针对目前现阶段的电压监测仪在使用过程中的问题提出解决方法。对被监测对象电压、频率范围的自适应，满足各类站所、并网设备出口电压监测的需求，通过数据的软触发机制实现异常数据的时间存储，获取电压实时波形数据。通过法拉电容的充放电管理能够实现停上电时刻的电压监测，为运维系统提供暂态分析数据，实现宽范围、无间隙的自适应电压监测。

该发明将使传统的电压监测仪从简单的电压合格率监测和统计提升为电压质量的全方位监测，其意义和必要性在于全方位、高精度的数据监测将进一步提高供电企业的电网治理和供电服务能力，与此同时也为用电用户高精端用电设备的安全运行提供了强有力的保证措施。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种宽范围自适应电压监测装置，其特征在于，包括分压电阻网络，所述分压电阻网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R12、电阻R14、电阻R10、电阻R11、P沟道MOS管T1、P沟道MOS管T2、P沟道MOS管T3、P沟道MOS管T4、P沟道MOS管T5、P沟道MOS管T6、P沟道MOS管T7、P沟道MOS管T8、P沟道MOS管T9、P沟道MOS管T10；

所述电阻R1、电阻R2和电阻R3串联；所述电阻R4和电阻R5串联；所述电阻R1、电阻R5和电阻R6的一端均连接VL1端；

所述P沟道MOS管T1的基极和所述P沟道MOS管T2的基极均连接P01’端，所述P01’端通过双向稳压二极管DE1连接VN1端，所述P沟道MOS管T1的漏极和所述P沟道MOS管T2的漏极连接，所述P沟道MOS管T1的源极连接所述电阻R11的一端，所述P沟道MOS管T2的源极连接VN1端；

所述P沟道MOS管T3的基极和所述P沟道MOS管T5的基极均连接P02’端，所述P02’端通过双向稳压二极管DE2连接VN1端，所述P沟道MOS管T3的漏极和所述P沟道MOS管T5的漏极连接，所述P沟道MOS管T3的源极连接所述电阻R7的一端，所述P沟道MOS管T5的源极连接VN1端；

所述P沟道MOS管T4的基极和所述P沟道MOS管T6的基极均连接P03’端，所述P03’端通过双向稳压二极管DE4连接VN1端，所述P沟道MOS管T4的漏极和所述P沟道MOS管T6的漏极连接，所述P沟道MOS管T4的源极连接所述电阻R8的一端，所述P沟道MOS管T6的源极连接VN1端；

所述P沟道MOS管T7的基极和所述P沟道MOS管T8的基极均连接P04’端，所述P04’端通过双向稳压二极管DE5连接VN1端，所述P沟道MOS管T7的漏极和所述P沟道MOS管T8的漏极连接，所述P沟道MOS管T7的源极连接所述电阻R9的一端，所述P沟道MOS管T8的源极连接VN1端；

所述P沟道MOS管T9的基极和所述P沟道MOS管T10的基极均连接P05’端，所述P05’端通过双向稳压二极管DE6连接VN1端，所述P沟道MOS管T9的漏极和所述P沟道MOS管T10的漏极连接，所述P沟道MOS管T9的源极连接所述电阻R10的一端，所述P沟道MOS管T10的源极连接VN1端；

所述电阻R6、电阻R11、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10的另一端均通过所述双向稳压二极管DE3连接VN1端；

所述VN1端和VL1端之间设置有热敏电阻RY1。

2.根据权利要求1所述的宽范围自适应电压监测装置，其特征在于：所述P沟道MOS管T1、P沟道MOS管T2、P沟道MOS管T3、P沟道MOS管T4和P沟道MOS管T5分别对应36V电压、57.7V电压、100V电压、220V电压和380V电压。

3.根据权利要求1所述的宽范围自适应电压监测装置，其特征在于：还包括AD变换器，利用AD转换器对电压进行采样得到采样值。

4.一种宽范围自适应电压监测方法，其特征在于：采用如权利要求1-3任一项所述的宽范围自适应电压监测装置，

包括以下步骤：

1）、确定初始采样频率和基波频率，利用AD转换器对电压进行采样，得到采样值；

2）、读取采样值，逐点比较，判断是否存在采样值越限，并计算得到越限值；

3）、根据越限值调整分压电阻网络，得到校准后的采样值；

4）、采样时间达到t1后利用FFT转换计算电压信号的频谱；

5）、根据步骤4）FFT转换的实部序列确定基波频率；

6）、根据基波频率确定采样间隔；

7）、重复步骤4）-6），直到频率误差小于等于0.1Hz。

5.如权利要求4所述的宽范围自适应电压监测方法，其特征在于：步骤3）中根据越限值调整分压电阻网络即根据越限值选择分压电阻网络对应的电压范围。

6.根据权利要求4所述的宽范围自适应电压监测装置，其特征在于：步骤4）中t1为160ms。

7.如权利要求4所述的宽范围自适应电压监测方法，其特征在于：步骤4）中FFT转换为基4FFT变换。

8.如权利要求4所述的宽范围自适应电压监测方法，其特征在于：步骤3）中根据越限值调整分压电阻网络即根据根据越限值选择分压电阻网络的工作电压。