CN109932619A - 配电网电子式传感器二次信号采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网电子式传感器二次信号采集器，要解决的技术问题是交流量获取设施准确采集电子式电压传感器输出的电压信号。本发明由抗电磁干扰电路和二次信号采集电路组成；抗电磁干扰电路用于消除配电网电子式电压传感器电压信号在二次电缆传输过程中受一次高频高压产生的差模干扰和共模干扰，二次信号采集电路用于在常规环境与高频、高压和干扰环境下对电子式电压传感器二次信号精确采集。本发明与现有技术相比，准确采集电子式电压传感器输出的二次电压信号，在电磁干扰环境下，精确采集电子式电压传感器二次电压信号，为配电网保护、测量、就地馈线自动化和集中型馈线自动化准确判断提供有效数据，减少故障处理时间，提高供电可靠性。

Description

配电网电子式传感器二次信号采集器

技术领域

本发明涉及一种电力系统的配电设备，特别是一种配电网的传感器。

背景技术

随着我国经济的快速发展及居民生活水平的日益提高，配电网(配网，配电)的负荷、供电量大幅度增长，用户对电力系统供电质量也提出了更高的要求。准确地测量电力系统中的电压、电流是电能测量、继电保护、电力系统监测诊断与分析的前提条件。目前，我国的10kV配电自动化系统中，电磁式互感器依然是保护和计量的主要器件，而电磁式互感器存在磁饱和、铁磁共振、动态范围小、体积大的不足。利用电子式传感器(互感器)采集供电线路的电流电压信号，已经从原理性研究到实验室样机，以至近年的挂网运行，均取得了很大的进展。电子式传感器具有频带宽、动态性能好、大电流不饱和的优点，可实时准确测量电力系统的运行参数。

然而，电子式传感器与电磁式互感器的电气变换特性区别较大，前者驱动终端交流量获取设施的能力弱，导致现有技术的配电开关监控终端FTU(Feeder Terminal Unit)的交流量获取设施不能准确采集到电子式传感器输出的电压信号，因此，电子式传感器对电力系统的继电保护的适应性需要进一步提高和验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电网电子式传感器二次信号采集器，要解决的技术问题是交流量获取设施准确采集电子式电压传感器输出的电压信号。

本发明采用以下技术方案：一种配电网电子式传感器二次信号采集器，由抗电磁干扰电路和二次信号采集电路组成；所述抗电磁干扰电路用于消除配电网电子式电压传感器电压信号在二次电缆传输过程中受一次高频高压产生的差模干扰和共模干扰，所述二次信号采集电路用于在常规环境与高频、高压和干扰环境下对电子式电压传感器二次信号精确采集。

本发明的抗电磁干扰电路由抑制差模干扰模块和抑制共模干扰模块连接组成。

本发明的二次信号采集电路由提高交流阻抗模块、分压电阻模块、电压跟随电压变换模块、隔离互感器、滤高频模块、低通滤波模块、模数转换模块和MCU数据采集模块顺序连接组成。

本发明的抑制差模干扰模块设有精密气体放电管浪涌保护器DS3和第7压敏电阻R7，精密气体放电管浪涌保护器DS3和第7压敏电阻R7并接于F25端子和F26端子上的信号线上；所述抑制共模干扰模块设有第5压敏电阻R5、第6压敏电阻R6和共模电感L4，第5压敏电阻R5并接于F25端子信号线与地之间，第6压敏电阻R6并接于F26端子信号线与地之间，共模电感L4的输入端串接在F25端子信号线和F26端子信号线中。

本发明的提高交流阻抗模块采用第9A运算放大器U9A，第9A运算放大器U9A的同向输入端3串接于共模电感L4的输出端U01，反向输入端2与输出端1连接；所述分压电阻模块由串接在第9A运算放大器U9A输出端的第116电阻R116和并接在第116电阻R116的后端与地GND_ISO_1之间第118电阻R118构成；所述电压跟随模块采用第9B运算放大器U9B，第9B运算放大器U9B的同相输入端5串接在第116电阻R116的后端，第9B运算放大器U9B的反向输入端6与输出端7连接。

本发明的隔离互感器采用电压变换器PT11，电压变换器PT11的输入端并接在第9B运算放大器U9B的输出端7与地GND_ISO_1之间，输出端并接在双向瞬变电压抑制二极管DT4和薄膜电容C49两端。

本发明的滤高频模块由双向瞬变电压抑制二极管DT4和薄膜电容C49并联连接在电压变换器PT11输出端与地之间构成。

本发明的低通滤波模块由串接在电压变换器PT11输出端的第92电阻R92、第55电容C55、连接在第55电容C55另一端和接地之间的第119电阻R119组成。

本发明的MCU数据采集模块将采集到的数据通过傅里叶变换计算出模拟量幅值。

本发明与现有技术相比，采用抗电磁干扰电路和二次信号采集电路，实现了准确采集电子式电压传感器输出的二次电压信号，特别是在电磁干扰环境下，精确采集电子式电压传感器二次电压信号，为配电网保护、测量、就地馈线自动化和集中型馈线自动化准确判断提供有效数据，减少故障处理时间，提高供电可靠性。

附图说明

图1是现有技术的FTU二次回路采集电路框图。

图2是本发明实施例的电路框图。

图3是本发明实施例的抗电磁干扰电路的电路原理图。

图4是本发明实施例的二次信号采集电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，现有技术的配电开关监控终端FTU(Feeder Terminal Unit)，交流端子接收电磁式电压互感器的二次信号，经电压变换器变换、阻容低通滤波器件(由并联的第一电阻R1和第二电阻R2串接第一电容C1构成)滤波，输出电压信号；电压信号为模拟量，经模拟数字AD芯片进行模数变换，输出数字量；CPU采集AD芯片输出的数字量，对数字量进行分析和计算，实现FTU的遥测、保护、告警功能。

国家电网2016年启动配电设备一二次融合工作后，针对10kV柱上开关一二次成套设备，将电压采集模块内置于柱上开关内。由于电磁式电压互感器体积较大、成本高、精度低、受环境影响大，并且存在有二次短路风险，所以采用技术已经成熟的电子式电压传感器，由电子式电压传感器将二次电压信号传输至FTU。由于电子式电压传感器带载能力(带负载能力)弱，要求负载阻抗＞5MΩ，现有技术的FTU的电压变换器输入负载阻抗不满足此要求，导致FTU不能准确采集电子式电压传感器(电子式互感器，电子式传感器)的二次信号。

本发明的配电网电子式传感器二次信号采集器，由抗电磁干扰电路和二次信号采集电路连接组成。抗电磁干扰电路用于消除配电网电子式电压传感器电压信号在二次电缆传输过程中受一次高频高压产生的差模干扰和共模干扰，以避免其对二次信号采集电路中的运算放大器U9A的影响。二次信号采集电路用于在常规环境与高频、高压和干扰环境下对电子式电压传感器二次信号精确采集。

如图2所示，抗电磁干扰电路(抗干扰电路)由抑制差模干扰模块和抑制共模干扰模块连接组成。二次信号采集电路由提高交流阻抗模块(提高阻抗模块)、分压电阻模块、电压跟随电压变换模块(电压跟随模块)、隔离互感器、滤高频模块、低通滤波模块、模数AD转换模块(AD模块)和微控制单元MCU数据采集模块(MCU采集模块)顺序连接组成。

如图3所示，抑制差模干扰模块设有精密气体放电管浪涌保护器DS3和第7压敏电阻R7，DS3和R7并接于交流端子F25和F26上的信号线上。

抑制共模干扰模块设有第5压敏电阻R5、第6压敏电阻R6和共模电感L4，R5并接于F25信号线与地GROUND之间，R6并接于F26信号线与地之间，共模电感L4的输入端串接在信号线F25和F26中。

精密气体放电管浪涌保护器DS3在F25端子和F26端子之间的直流放电电压超过90V时放电，用于防止浪涌信号进入二次信号采集电路。

第7压敏电阻R7在F25端子和F26端子之间电压达到39V时动作，用于在二次信号采集电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护后级敏感器件(提高阻抗模块)运算放大器U9A，防止差模高频信号进入二次信号采集电路。

第5压敏电阻R5在F25端子与地GROUND之间电压超过39V时动作，第6压敏电阻R6在F26端子与地GROUND之间电压超过39V时动作，共模电感L4在共模电流经线圈时，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波作用，R5、R6和L4共同作用防止共模高频干扰信号进入二次信号采集电路。

电子式传感器输出的二次信号经F25和F26端子输入信号线，二次信号中的高频高压差模干扰信号被DS3和R7滤除，二次信号中的高频高压共模干扰信号被R5、R6和L4滤除，滤除干扰的二次信号由输出端U01输出。

本实施例中，F25和F26采用FLY-LINE端子，DS3采用2036-09-SM-RPLF型精密气体放电管浪涌保护器，R7采用V14E25P型压敏电阻，R5、R6采用CY14F472型压敏电阻，L4采用744235510型伍尔特电感。

如图4所示，提高阻抗模块采用第9A运算放大器U9A，U9A的同向输入端3串接于U01端，反向输入端2与输出端1连接，由外部提供±12V供电电压。

分压电阻模块由第116电阻R116和第118电阻R118构成，R116串接在U9A输出端，R118并接在R116的后端与地GND_ISO_1之间。

电压跟随模块采用第9B运算放大器U9B，U9B的同相输入端5串接在R116的后端，U9B的反向输入端6与输出端7连接。

隔离互感器采用电压变换器PT11，PT11的输入端并接在U9B的输出端7与GND_ISO_1之间，输出端并接在双向TVS管DT4和薄膜电容C49两端。双向TVS管DT4和薄膜电容C49的一端接地。

滤高频模块由双向瞬变电压抑制二极管(双向TVS管)DT4和薄膜电容C49并联连接在电压变换器PT11输出端与地之间构成。

低通滤波模块由串接在PT11输出端的第92电阻R92、第55电容C55，连接在C55另一端和接地之间的第119电阻R119组成，构成一阶低通滤波电路。

AD转换模块采用模数AD转换芯片。

MCU数据采集模块采用微控制器LPC1752。MCU通过串行外设接口SPI接收AD转换芯片的数字电压信号，MCU通过傅里叶变换，计算出电压有效值，电压有效值存储在LPC1752的片内ram缓存区，用于配电开关监控终端的人机界面HMI显示，按IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104通信规约上送电压有效值，并用电压有效值参与逻辑计算。

输出端U01输出的消除差模干扰和共模干扰的电子式传感器二次电压信号(二次信号)，输入至运算放大器U9A的同相输入端，U9A用于提高信号采集电路阻抗，U9A输出端的输出信号经第116电阻R116和第118电阻R118分压，按比例缩小二次信号，传入第二运算放大器U9B，U9B用于电压跟随，确保U9B的同相输入端和输出端电压相同。

第一运算放大器U9A阻抗为无穷大，在二次信号采集电路串接U9A可以满足电子式传感器对负载阻抗的要求，12V直流电源VDD12为U9A和U9B提供电源。U9B电压跟随，实现U9B输入端电压与输出端电压相同。U9A和U9B共同作用实现增加二次信号采集电路的负载阻抗。

电压变换器PT11将U9B输出端的模拟信号进行电磁隔离和电压变换，将电子式传感器二次信号变换为AD转换模块的模拟量采集范围内的电压信号。

双向TVS管DT4和薄膜电容C49用于消除抗电磁干扰电路未过滤掉的高频干扰，再经R92、R119、C55组成的一阶低通滤波电路滤波。一阶低通滤波电路滤除电压信号中大于4000Hz的高频电压信号，实现采集的电压信号小于4000Hz频率的电压信号AIN11，采样频率为4000Hz。

AD芯片用于将AIN11模拟电压信号变换为一定比例的数字电压信号，供MCU通信采集。

MCU接收AD芯片通信输出的数字电压信号，经过傅里叶变换计算出F25端子和F26端子之间所施加的电压的幅值U：

式(1)中，N为每周波的采样点数，不小于24点(N≥24)，本实施例实现中N＝32，Ur是向量U的实部，j是虚数单位，Ux是向量U的虚部，U_(m)是零序电压在采样点m处的瞬时采样值。

本实施例中，U9A和U9B采用ADA4177-2ARZ型运算放大器，PT11采用TR1176-3CH型电压变换器，DT4采用SMBJ12CA双向瞬变电压抑制二极管，C49和C55均采用YF1012874薄膜电容，R92为1KΩ，R119为1KΩ，AD采用AD7606/AD7616芯片，MCU采用LPC1752，用C语言实现。

本发明通过抗电磁干扰电路和二次信号采集电路，使得FTU能够准确采集电子式传感器二次信号，特别是在高频、高压、高温和低温环境下，采集电子式传感器二次信号的精度不受影响。

根据国家电网公司提出的建设中国坚强智能电网总体框架，信息化、数字化、自动化、互动化是中国智能电网的主要标志特征，通过提高配电一、二次设备的标准化、集成化水平，提升配电设备运行水平、运维质量与效率，满足线损管理的技术要求，服务配电网建设改造行动计划。可以预见，配电网一二次设备成套、融合配电网是未来配电网的发展方向，本发明的FTU实现对电子式传感器二次信号的精确采集，在常规环境和高频高压干扰环境下精度满足配网保护、测量和自动化需求，对维护配电网的可靠运行、提高检修效率、增强智能化水平都具有重要意义。

Claims (9)

1.一种配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述配电网电子式传感器二次信号采集器由抗电磁干扰电路和二次信号采集电路组成；所述抗电磁干扰电路用于消除配电网电子式电压传感器电压信号在二次电缆传输过程中受一次高频高压产生的差模干扰和共模干扰，所述二次信号采集电路用于在常规环境与高频、高压和干扰环境下对电子式电压传感器二次信号精确采集。

2.根据权利要求1所述的配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述抗电磁干扰电路由抑制差模干扰模块和抑制共模干扰模块连接组成。

3.根据权利要求2所述的配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述二次信号采集电路由提高交流阻抗模块、分压电阻模块、电压跟随电压变换模块、隔离互感器、滤高频模块、低通滤波模块、模数转换模块和MCU数据采集模块顺序连接组成。

4.根据权利要求3所述的配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述抑制差模干扰模块设有精密气体放电管浪涌保护器(DS3)和第7压敏电阻(R7)，精密气体放电管浪涌保护器(DS3)和第7压敏电阻(R7)并接于(F25)端子和(F26)端子上的信号线上；所述抑制共模干扰模块设有第5压敏电阻(R5)、第6压敏电阻(R6)和共模电感(L4)，第5压敏电阻(R5)并接于(F25)端子信号线与地之间，第6压敏电阻(R6)并接于(F26)端子信号线与地之间，共模电感(L4)的输入端串接在(F25)端子信号线和(F26)端子信号线中。

5.根据权利要求4所述的配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述提高交流阻抗模块采用第9A运算放大器(U9A)，第9A运算放大器(U9A)的同向输入端(3)串接于共模电感(L4)的输出端(U01)，反向输入端(2)与输出端(1)连接；所述分压电阻模块由串接在第9A运算放大器(U9A)输出端的第116电阻(R116)和并接在第116电阻(R116)的后端与地(GND_ISO_1)之间第118电阻(R118)构成；所述电压跟随模块采用第9B运算放大器(U9B)，第9B运算放大器(U9B)的同相输入端(5)串接在第116电阻(R116)的后端，第9B运算放大器(U9B)的反向输入端(6)与输出端(7)连接。

6.根据权利要求5所述的配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述隔离互感器采用电压变换器(PT11)，电压变换器(PT11)的输入端并接在第9B运算放大器(U9B)的输出端(7)与地(GND_ISO_1)之间，输出端并接在双向瞬变电压抑制二极管(DT4)和薄膜电容(C49)两端。

7.根据权利要求6所述的配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述滤高频模块由双向瞬变电压抑制二极管(DT4)和薄膜电容(C49)并联连接在电压变换器(PT11)输出端与地之间构成。

8.根据权利要求7所述的配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述低通滤波模块由串接在电压变换器(PT11)输出端的第92电阻(R92)、第55电容(C55)、连接在第55电容(C55)另一端和接地之间的第119电阻(R119)组成。

9.根据权利要求8所述的配电网电子式传感器二次信号采集器，其特征在于：所述MCU数据采集模块将采集到的数据通过傅里叶变换计算出模拟量幅值。