CN111474401B - 具有故障检测功能的高压带电显示装置及故障检测方法 - Google Patents

具有故障检测功能的高压带电显示装置及故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开具有故障检测功能的高压带电显示装置及故障检测方法，其中，传感器对高压母线的感应信号并不是直接输入给主机的MCU电路的信号采集端，而是先经过一个运算放大器电路后，才输入给主机的MCU电路的信号采集端；MCU电路对运算放大器电路输出的OP Amp_out信号进行ADC转换及采样，如果采样信号普遍低于正常工作时OP Amp_out信号的直流工作点电压值，则判断为传感器断线故障；如果采样信号普遍高于一预设的采样基准电压值，则判断为信号线短路。本方案可保证装置在现场运行过程中若出现传感器故障，可提示用户具体是某相传感器故障。

Description

具有故障检测功能的高压带电显示装置及故障检测方法
技术领域
本发明涉及输变电技术领域，具体涉及一种高压带电显示装置及故障检测方法。
背景技术
高压带电显示装置包括传感器及处理主机，传感器用于感测高压母线的电压信号，并将感测的电压信号经信号线传输至处理主机，处理主机的主控芯片根据传感器是否感测到电压信号，判断高压母线是否带电。
目前，市面上众多厂家生产的高压带电显示装置仅有带电显示，并不具备对现场用于取信号的传感器和主机之间连接的线缆的短路和断路的故障检测功能。然而，高压带电显示装置在现场运行过程中，由于传感器、信号线长期裸露在外面，会因风吹日晒、雨水侵袭导致传感器穿线管或信号线老化、断裂，传感器信号线与主机之间连接的接线端子老化、松动均会引起传感器断路、短路，因而会导致装置“误判带电”或“检测失灵”，造成严重的安全事故和经济损失。
发明内容
本发明第一目的旨在提供一种高压带电显示装置，具备断路和短路的故障检测功能。本发明第一目的由以下技术方案实现：
一种具有故障检测功能的高压带电显示装置，包括传感器、信号线及主机；主机包括电路板，电路板上设置具有ADC转换及信号处理功能的MCU电路；传感器包括用于感应高压母线电压信号的感应探头，感应的电压信号通过一采样电阻R1采样后、经所述信号线输入给所述电路板；其特征在于：所述电路板上还设置有运算放大器电路，运算放大器电路包括运算放大器、滤波电容C1及电阻R4，运算放大器的基准电源端连接基准电源Vref，运算放大器的输入端连接所述信号线的输出端OP Amp_IN端，滤波电容C1设置于OP Amp_IN端；电阻R4作为反馈电阻，串接于运算放大器的输出端与OP Amp_IN端之间，运算放大器的输出信号OP Amp_out输入至所述MCU电路的ADC引脚。
作为进一步的技术方案，所述运算放大器电路还包括电阻R2及电阻R3，运算放大器的基准电源端通过电阻R2连接基准电源Vref，运算放大器的输入端经电阻R3接所述OPAmp_IN端。
作为具体的技术方案，所述电阻R4较佳为可调电阻或可调阻值的电阻网络。
作为进一步的技术方案，所述运算放大器电路还包括TVS二极管，连接于所述OPAmp_IN端与地之间。
作为进一步的技术方案，所述MCU电路还包括用于驱动蜂鸣器Fault Beep引脚、用于驱动LED指示灯的Fault LED引脚及用于驱动继电器的Fault Relay引脚。
本发明第二目的旨在提供一种高压带电显示装置的故障检测方法，具备断路和短路的故障检测功能。本发明第一目的由以下技术方案实现：
一种高压带电显示装置的故障检测方法，基于上文所述的高压带电显示装置；其特征在于，故障检测方法包括以下步骤：
(1)所述感应探头感应高压母线电压信号；
(2)所述运算放大器电路对感应的电压信号与运算放大器的基准电源端接入的基准电源Vref进行比例运放处理；
(3)所述MCU电路对运算放大器电路输出的OP Amp_out信号进行ADC转换及采样；
(4)如果采样信号普遍低于正常工作时OP Amp_out信号的直流工作点电压值，则判断为传感器断线故障；如果采样信号普遍高于一预设的采样基准电压值，则判断为信号线短路。
作为具体的技术方案，所述MCU电路对OP Amp_out信号的某个周期进行等间隔的N点采样，当N点采样值的平均值低于正常工作时OP Amp_out信号的电压值，则判断为传感器断线故障；所述MCU电路对OP Amp_out信号的某个周期进行等间隔的N点采样，当N点采样值中一半以上的采样点的值高于预设的采样基准电压值，则判断为信号线短路。
作为具体的技术方案，所述N点采样的N满足香浓定理的要求。
作为具体的技术方案，所述采样基准电压＝2*Vref＜运算放大器的工作电源VCC。
本发明的有益效果在于：通过设置运算放大器电路，并通过该放大器电路才能检测到传感器断线或信号线短路的发生，而且不影响常规的高压带电检测，可保证装置在现场运行过程中若出现传感器故障，还可以提示用户具体是某相传感器故障，并通过声、光的方式提示出来，同时装置的闭锁接点输出闭锁状态，防止因高压线路带电而传感器断线造成装置误判无电，导致用户误操作设备。
〖附图说明〗
图1为本发明实施例中传感器与信号线的示意图。
图2为本发明实施例中运算放大器电路的示意图。
图3为本发明实施例中运算放大器电路又一实现方式的示意图。
图4为本发明实施例中MCU电路的示意图。
图5为本发明实施例中运算放大器电路正常输入信号的波形图。
图6为本发明实施例中运算放大器电路正常输出信号的波形图。
图7为本发明实施例中传感器断线故障的示意图。
图8为本发明实施例中信号线短路故障的示意图。
图9为本发明实施例中传感器断线采样基准偏移示意图。
图10为本发明实施例中信号线短路采样基准偏移示意图。
〖具体实施方式〗
本实施例提供的高压带电显示装置包括传感器和主机，传感器及主机的常规构造及功能属于现有技术，本申请不再赘述。下面就本申请相比现有技术所做的改进进行详细说明：
本申请中，传感器对高压母线的感应信号并不是直接输入给主机的MCU电路的信号采集端，而是先经过一个运算放大器电路后，才输入给主机的MCU电路的信号采集端。
具体地，如图1所示，传感器的感应探头10用于感应高压母线的电压信号，感应的电压信号经采样电阻R1采样后、经信号线11输入至运算放大器电路的OP Amp_IN端。结合图2所示；运算放大器电路包括运算放大器、滤波电容C1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，运算放大器的基准电源端通过电阻R2连接基准电源Vref，运算放大器的输入端经电阻R3接OP Amp_IN端，滤波电容C1设置于OP Amp_IN端；电阻R4作为反馈电阻，串接于运算放大器的输出端与OP Amp_IN端之间，用于确定运算放大器放大比例。参见图3所示，电阻R4较佳为可调电阻或可调阻值的电阻网络。此外，为了防止静电干扰，运算放大器电路还包括TVS二极管，连接于所述OP Amp_IN端与地之间。
具体实施时，运算放大器电路设置于主机的电路板上，OP Amp_IN端作为一个信号输入端设置在主机电路板端子排上，传感器的信号线接至主机电路板端子排的运算放大电路的输入端OP Amp_IN。
MCU电路由具有AD采样及数据分析处理的芯片(例如Msp430单片机)实现，设置于主机的电路板上，参见图4所示，运算放大电路的输出端OP Amp_out连接MCU电路的ADC引脚，实现模拟信号到数字信号的转换。此外，图4中所示的MCU电路中与本申请相关其他引脚说明如下：
Fault Beep为故障告警蜂鸣器驱动输出引脚，驱动蜂鸣器；
Fault LED为故障告警指示灯驱动输出引脚，驱动LED指示灯；
Fault Relay为故障闭锁继电器驱动输出引脚，驱动继电器，继电器闭锁是用来通知后台监控系统带电显出现故障的，也可以用来闭锁外部设备，简单说是用于闭锁外部设备<如地刀>或提示外部设备的。
本实施例中，R1＝750kΩ，R2＝R3＝100Ω，R4＝100kΩ，Vref＝1.25V；运算放大器的工作电源及MCU电路的工作电源VCC＝3.3V，采样基准电压＝2.5V；假设MCU电路的ADC采样外设精度为12位，可表示的最大数字量值是2^12-1＝4095，模拟量0V对应MCU数字量0，模拟量2.5V对应MCU数字量4095。
下面就采样及故障分析过程，通过实例进行说明：
如图5所示，当传感器输入信号正常时，传感器输出信号经运放采样切换比例放大倍数后波形也正常，如图6所示，MCU电路可实现正确采样和数据处理。
当装置正常时(传感器至MCU电路之间的线路正常时)，运算放大器的直流工作点如下：
Figure BDA0002468846580000051
Figure BDA0002468846580000052
由于XC1值(电容C1的阻值)远大于R1，XC1对并联后的影响可以忽略，
Figure BDA0002468846580000053
MCU采样的数据为：
Figure BDA0002468846580000054
本实施例中，交直流采样原理如下：
Figure BDA0002468846580000055
Figure BDA0002468846580000056
由于XC1值远大于R1，XC1对并联后的影响可以忽略，
Figure BDA0002468846580000057
本申请中，传感器断线及短路检测都是通过直流工作点输出电压的不同来实现的，实际采集到的交流信号是叠加到直流信号上面的，理论依据是电路叠加原理。下面基于上述原理说明本申请中对于断线及短路的检测方法：
如图7所示，当采样点与采样电阻R1之间发生断线时，则：
Figure BDA0002468846580000061
Figure BDA0002468846580000062
由于XC1值远大于R4，R4对运算结果的影响可以忽略，
Figure BDA0002468846580000063
如图8所示，若信号线发生短路时，则：
Figure BDA0002468846580000064
Figure BDA0002468846580000065
由于R4值远大于R2，R2对运算结果的影响可以忽略，
Figure BDA0002468846580000066
综上，传感器及信号线各种状态时，运算放大器电路的直流工作情况汇总如下表1：
Figure BDA0002468846580000067
表1
根据本申请上文记载的电路参数，传感器及信号线各种状态时，运算放大器电路输出信号及MCU采集数据的数字量值如下表2：
Figure BDA0002468846580000071
表2
具体地，若采样点与采样电阻R1之间发生断线时，则
Figure BDA0002468846580000072
如图9所示。判断标准为：1.25/2.5*4095＝2048,小于正常情况下的数字量值；若多个采样点的均值＜2322，则认为传感器断线。
当信号线短路时，
Figure BDA0002468846580000073
理论上的计算值虽然很大，但运算放大器的工作电源VCC＝3.3V，因此实际上拉输出电压为3.3V，如图10所示。判断标准为：3.3V/2.5V*4095＝5405,即采样点的模拟电压已经超过采样基准电压，若每个点或半数以上的采样点的数字量值均大于4095，则认为信号线短路。
为了确保检测准确，需要进行多次采样，假设交流电一个周期内采样40个点的数字量进行判断，判断标准如下：
若一个周期内采样40个点的数字量的平均值小于2322，则认为传感器断线。
若一个周期内采样40个点的数字量中有34(大于50％)个点的数字量值大于4000，则认为传感器短路。
上述实施例中，采样点的个数为40，满足香浓定理，即：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率(fs)应该不小于模拟信号频谱中最高频率(fmax)的2倍；即fs≥2fmax。例如：如果被采信号的频率为50Hz，采样频率必须大于100Hz，否则不能从采样信号中恢复原始信号。
以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、无需经过创造性劳动即可等到的等效技术特征的替换，应当视为本申请揭露的范围。

Claims (9)

1.一种具有故障检测功能的高压带电显示装置，包括传感器、信号线及主机；主机包括电路板，电路板上设置具有ADC转换及信号处理功能的MCU电路；传感器包括用于感应高压母线电压信号的感应探头及串接于感应探头与地之间的采样电阻R1，感应探头感应的电压信号通过采样电阻R1采样后、经所述信号线输入给所述电路板；其特征在于：所述电路板上还设置有运算放大器电路，运算放大器电路包括运算放大器、滤波电容C1及电阻R4，运算放大器的基准电源端连接基准电源Vref，运算放大器的输入端连接所述信号线的输出端OPAmp_IN端，滤波电容C1设置于OP Amp_IN端；电阻R4作为反馈电阻，串接于运算放大器的输出端与OP Amp_IN端之间，运算放大器对应传感器正常状态、断线状态、短路状态有三种输出信号OP Amp_out并输入至所述MCU电路的ADC引脚；
其中，传感器正常状态时，
Figure FDA0004066161390000011
传感器断线时，
Figure FDA0004066161390000012
传感器短路时，
Figure FDA0004066161390000013
2.根据权利要求1所述的高压带电显示装置，其特征在于，所述运算放大器电路还包括电阻R2及电阻R3，运算放大器的基准电源端通过电阻R2连接基准电源Vref，运算放大器的输入端经电阻R3接所述OP Amp_IN端。
3.根据权利要求1所述的高压带电显示装置，其特征在于，所述电阻R4为可调电阻或可调阻值的电阻网络。
4.根据权利要求1所述的高压带电显示装置，其特征在于，所述运算放大器电路还包括TVS二极管，连接于所述OP Amp_IN端与地之间。
5.根据权利要求1所述的高压带电显示装置，其特征在于，所述MCU电路还包括用于驱动蜂鸣器Fault Beep引脚、用于驱动LED指示灯的Fault LED引脚及用于驱动继电器的Fault Relay引脚。
6.一种高压带电显示装置的故障检测方法，基于权利要求1-5任意一项所述的高压带电显示装置；其特征在于，故障检测方法包括以下步骤：
(1)所述感应探头感应高压母线电压信号；
(2)所述运算放大器电路对感应的电压信号与运算放大器的基准电源端接入的基准电源Vref进行比例运放处理；
(3)所述MCU电路对运算放大器电路输出的OP Amp_out信号进行ADC转换及采样；
(4)如果采样信号普遍低于正常工作时OP Amp_out信号的直流工作点电压值，则判断为传感器断线故障；如果采样信号普遍高于一预设的采样基准电压值，则判断为信号线短路。
7.根据权利要求6所述的故障检测方法，其特征在于，所述MCU电路对OP Amp_out信号的某个周期进行等间隔的N点采样，当N点采样值的平均值低于正常工作时OP Amp_out信号的电压值，则判断为传感器断线故障；所述MCU电路对OP Amp_out信号的某个周期进行等间隔的N点采样，当N点采样值中一半以上的采样点的值高于预设的采样基准电压值，则判断为信号线短路。
8.根据权利要求7所述的故障检测方法，其特征在于，所述N点采样的N满足香浓定理的要求。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的故障检测方法，其特征在于，所述采样基准电压＝2*Vref＜运算放大器的工作电源VCC。
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