CN111830314B - 一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路，包括：电源供电单元、工频电压采样单元、信号采集处理单元、数据传输单元。本发明电路原理简单，硬件设计易于实现，工频采样电压精度可以控制在1％以内，环境适应性好，可应用在载波传输系统当中，配合中压载波耦合器，可以对10KV电压状态进行有效监控。可以实现对全网电压的实时监控，当线路发生电压变化时载波机可以将电压的变化量做出相应的分析处理。
Description
技术领域
本发明涉及光电通信技术领域，涉及一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路。
背景技术
在中压电力载波领域，在进行载波馈网需要用到电容耦合器，因中压线路电压为高电压线路在进行耦合器的馈网原理设计时，产品基于安全考虑，设备与耦合器的中压回路是采用了较高耐压的隔离器件，只能对特定的载波信号进行耦合馈网，这样的设计对中压载波实现功能多样性开发，因无法进行有效的工频数据采集而受限较大。比如，用中压载波设备实现中压线路工频电压的监测，来判断10KV线路是否发生故障等。
中压载波系统包括载波主、从机及工频隔离耦合器组成。在设计的中压载波系统中，出于安全考虑耦合器的工频耐压等级设计一般达到了50KV～100KV以上，且可能与人体接触的金属导线均采用隔离变压器的形式进行强、弱电间的电器隔离。此种设计从技术角度上完全阻断了工频电压的耦合通路。因此中压载波设备无法准确的检测中压线路的工频电压，从而无法判断中压线路的相位状态，在载波通讯时会对主、从机信号同步、工频采样等产生影响，在载波机进行功能多样性的开发上因无法准确检测到工频电压的变化，所以造成产品功能相对单一。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于耦合器的工频电压采样技术及采集数据的传输原理，发明了一种利用多种电路组合实现工频电压信息采集的一种技术，且本技术发明不会影响耦合器原电路的技术要求。
发明内容
本发明针对上述问题，克服现有技术的不足，提出一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路，本发明技术是为解决中压载波设备无法对中压线路的工频电压状态进行有效检测的技术问题，发明一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路是配合载波耦合器的10KV工频电压检测电路，利用此电路可以对中压线路的电压状态实时检测，在设计时充分考虑了工频耐压、载波传输问题，完全不会对原有的载波回路产生任何影响，不会降低耦合器本身的工频耐压等级、不影响载波回路的衰减特性。可以实现对全网电压的实时监控，当线路发生电压变化时载波机可以将电压的变化量做出相应的分析处理。
一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路，包括：电源供电单元、工频电压采样单元、信号采集处理单元、数据传输单元。电源供电单元同时给工频电压采样单元、信号采集处理单元及数据传输单元同时提供工作电压，工频电压采样单元与采样电阻(R13/R14)相连接，通过电阻两端的电压变化经放大滤波后输入到工频电压信号采集处理单元，信号采集处理单元经过算法计算将计算值通过数据传输单元传回中压载波机，完成工频电压采集。
所述电源供电单元，电源供电单元电路需要用到的电源功率为12V/50mA即可满足需求，因耦合器本身空间有限，设计时电源+12V需要载波机进行供电，驱动信号可以在载波机的任一可控的编程芯片输出一路PWM_CTR2信号，PWM信号连接到VM1三极管上，频率选择50KHZ以内(注意倍频避开载波频率)，在正常工作时PWM输出50KHZ的方波，完成电源部分驱动，因需要的功率较小，不需要复杂的电源设计。在进行隔离变压器T1选型时的初、次级的隔离等级为15KV。
所述工频电压采样单元，工频电压采样单元电路对运放的带宽要求比较低用市面的普通运放即可，设计时需要考虑对载波信号及工频噪声的影响，因此整个工频采样电路选用两级有源滤波电路进行处理，在进行滤波电路设计时，有用的频率信息为工频电压50HZ，设计滤波器时只需要将50HZ的频率信息保留，其它可作为杂讯干扰进行滤波处理，第一级运放设计时，D2运放前端的RC电路截至频率设置为50KHZ，用于滤除在载波发送时产生的高频信号；后级运放进行低频滤波处理设计的截至频率为100HZ，用于滤除线路产生的高压的低频脉冲。对于两级运放放大倍数的选择，两级运放为保证各自的滤波效果及根据仿真分析结果，总放大倍数选择150倍，前级运放放大15倍后级运放放大10倍即可。
运放放大倍数及有源滤波器的计算方式：
两级运放的增益及截止频率计算：
D2增益计算：Ad2＝R17/R16；RC滤波截止频率F0＝1/2πRC；
D4增益计算：Ad4＝-R20/R25；有源滤波截止频率
二阶有源滤波品质因数计算：
所述工频电压信号采集处理单元，信号采集处理单元采用单片机TCC081F芯片作为信号处理单元，此单元的主要功能是对运放输入的工频信号(ADC_1)进行分析处理及与中压载波设备的信号接收单元进行数据传输。
所述数据传输单元，电路在设计时载波弱电接口侧与工频电压采集侧的隔离要求为15KV，两部分电路用隔离变压器(T1/T2)实现的电器隔离，因此数据的传输不能用串口、I2C、SPI等普通I0端口，为解决数据传输问题，采用调频设计，在设计时耦合器与载波端口通过耦合器隔离用FSK调频信号进行传输，因信号的传输回路相对稳定基本无外界环境影响，所以在设计时调频信号对输入功率的要求要对较小，目前电路的设计接收时采用D5(TC6003)芯片进行小信号放大，发送时芯片的IO引脚可直驱5V/10mA进行信号输出，100KHZ的载波频率传输速率可达20Kbit，可以满足对数据量的传输需求。
本发明一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路实现基于耦合器实现工频电压采样的原理包括：电源供电单元同时给工频电压采样单元、信号采集处理单元及数据传输单元同时提供工作电压，工频电压采样单元与采样电阻(R13/R14)连接，通过电阻(R13/R14)两端的电压变化经放大滤波后输入到信号采集处理单元，信号采集处理单元经过算法计算将计算值通过数据传输单元传回中压载波机，完成工频电压采集。
本发明一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路实现是通过传输线在中压载波设备上将+12V电源、PWM_CTR2电源驱动连接到电源供电单元，电源供电单元输出+5V直流电压供后续电路使用。
通过采集电阻(R13/R14)两端的电压变化，经过工频电压采样单元放大滤波处理，输入到工频电压信号采集处理单元。
工频电压信号采集处理单元对工频电压进行数据运算，通过算法计算工频电压当前的电压值，判断工频电压是否超限，将测试结果通过数据传输单元传回载波机。
数据传输单元为发送接收复用的方式，采用半双工调频通讯，信号传输通道的噪声相对稳定，信号传输采用小电流的形式。数据传输单元通过隔离变压器与中压载波机相连接，形成数据传输通道。
采样处理单元适合的电压应用范围：VPP＝0～5V。
本发明的有益效果是：本发明一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路，电路原理简单，硬件设计易于实现，工频采样电压精度可以控制在1％以内，环境适应性好，可应用在载波传输系统当中，配合中压载波耦合器，可以对10KV电压状态进行有效监控。
与以往技术相比，在实现中压线路工频电压采集的同时，在性能上不会对载波回路产生任何影响。
附图说明
图1为本发明电源供电单元设计图。
图2为本发明工频电压采样单元设计图。
图3为本发明工频电压信号采集处理单元设计图。
图4为本发明数据传输单元设计图。
图5为本发明基于中压载波耦合器的工频电压检测原理结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，以具体阐述本发明的技术方案。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路，包括：电源供电单元、工频电压采样单元、信号采集处理单元、数据传输单元。电源供电单元同时给工频电压采样单元、信号采集处理单元及数据传输单元同时提供工作电压，工频电压采样单元与采样电阻(R13/R14)连接，通过电阻(R13/R14)两端的电压变化经放大滤波后输入到工频电压信号采集处理单元，信号采集处理单元经过算法计算将计算值通过数据传输单元传回中压载波机，完成工频电压采集。
所述电源供电单元，如图1所示，电源供电单元电路需要用到的电源功率为12V/50mA即可满足需求，因耦合器本身空间有限，设计时电源+12V需要载波机进行供电，驱动信号可以在载波机的任一可控的编程芯片输出一路PWM_CTR2信号，PWM_CTR2信号连接到VM1三极管上，频率选择50KHZ以内(注意倍频避开载波频率)，在正常工作时PWM输出50KHZ的方波，完成电源部分驱动，因需要的功率较小，不需要复杂的电源设计。在进行隔离变压器T1选型时的初、次级的隔离等级为15KV。
所述工频电压采样单元，如图2所示，工频电压采样单元电路对运放的带宽要求比较低用市面的普通运放即可，设计时需要考虑对载波信号及工频噪声的影响，因此整个工频采样电路选用两级有源滤波电路进行处理，在进行滤波电路设计时，有用的频率信息为工频电压50HZ，设计滤波器时只需要将50HZ的频率信息保留，其它可作为杂讯干扰进行滤波处理，第一级运放设计时，D2运放前端的RC电路截至频率设置为50KHZ，用于滤除在载波发送时产生的高频信号；后级运放进行低频滤波处理设计的截至频率为100HZ，用于滤除线路产生的高压的低频脉冲。对于两级运放放大倍数的选择，两级运放为保证各自的滤波效果及根据仿真分析结果，总放大倍数选择150倍，前级运放放大15倍后级运放放大10倍即可。
运放放大倍数及有源滤波器的计算方式：
两级运放的增益及截止频率计算：
D2增益计算：Ad2＝R17/R16；RC滤波截止频率F0＝1/2πRC；
D4增益计算：Ad4＝-R20/R25；有源滤波截止频率
二阶有源滤波品质因数计算：
所述工频电压信号采集处理单元，如图3所示，工频电压信号采集处理单元采用单片机U1(TCC081F)芯片作为信号处理单元，此单元的主要功能是对运放输入的工频信号(ADC_1)进行分析处理及与中压载波设备的信号接收单元进行数据传输。
所述数据传输单元，如图4所示，电路在设计时载波弱电接口侧与工频电压采集侧的隔离要求为15KV，两部分电路用隔离变压器实现的电器隔离，因此数据的传输不能用串口、I2C、SPI等普通I0端口，为解决数据传输问题，采用调频设计，在设计时耦合器与载波端口通过耦合器隔离用FSK调频信号进行传输，因信号的传输回路相对稳定基本无外界环境影响，所以在设计时调频信号对输了功率的要求要对较小，目前电路的设计接收时采用TC6003芯片进行小信号放大，发送时芯片的IO引脚可直驱5V/10mA进行信号输出，100KHZ的载波频率传输速率可达20Kbit，可以满足对数据量的传输需求。
如图5所示，本发明一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路实现基于耦合器实现工频电压采样的原理包括：电源供电单元同时给工频电压采样单元、信号采集处理单元及数据传输单元同时提供工作电压，工频电压采样单元与采样电阻(R13/R14)连接，通过电阻(R13/R14)两端的电压变化经放大滤波后输入到工频电压信号采集处理单元，信号采集处理单元经过算法计算将计算值通过数据传输单元传回中压载波机，完成工频电压采集。
本发明一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路实现是通过传输线在中压载波设备上将+12V电源、PWM_电源驱动连接到电源供电单元，电源供电单元输出+5V直流电压供后续电路使用。
通过采集电阻(R13/R14)两端的电压变化，经过工频电压采样单元放大滤波处理，输入到信号采集处理单元。
信号采集处理单元对工频电压进行数据运算，通过算法计算工频电压当前的电压值，判断工频电压是否超限，将测试结果通过数据传输单元传回载波机。
数据传输单元为发送接收复用的方式，采用半双工调频通讯，信号传输通道的噪声相对稳定，信号传输采用小电流的形式。数据传输单元通过隔离变压器与中压载波机相连接，形成数据传输通道。
采样处理单元适合的电压应用范围：VPP＝0～5V。
综上所述，本发明一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路，电路原理简单，硬件设计易于实现，工频采样电压精度可以控制在1％以内，环境适应性好，可应用在载波传输系统当中，配合中压载波耦合器，可以对10KV电压状态进行有效监控。
与以往技术相比，在实现中压线路工频电压采集的同时，在性能上不会对载波回路产生任何影响。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。
Claims (2)
1.一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路，包括：电源供电单元、工频电压采样单元、信号采集处理单元、数据传输单元；电源供电单元同时给工频电压采样单元、信号采集处理单元及数据传输单元同时提供工作电压，工频电压采样单元与采样电阻R13/R14连接，通过电阻R13/R14两端的电压变化经放大滤波后输入到信号采集处理单元，信号采集处理单元经过算法计算将计算值通过数据传输单元传回中压载波机，完成工频电压采集；
所述电源供电单元，设计时电源+12V需要载波机进行供电，驱动信号在载波机的任一可控的编程芯片输出一路PWM_CTR2信号，PWM_CTR2信号连接到VM1三极管上，频率选择50KHZ以内，在正常工作时PWM_CTR2输出50KHZ的方波，完成电源部分驱动，在进行隔离变压器T1选型时的初、次级的隔离等级为15KV；
所述工频电压采样单元，整个工频采样电路选用两级有源滤波电路进行处理，在进行滤波电路设计时，有用的频率信息为工频电压50HZ，设计滤波器时只需要将50HZ的频率信息保留，其它可作为杂讯干扰进行滤波处理，第一级运放设计时，D2运放前端的RC电路截至频率设置为50KHZ，用于滤除在载波发送时产生的高频信号；后级运放进行低频滤波处理设计的截至频率为100HZ，用于滤除线路产生的高压的低频脉冲；对于两级运放放大倍数的选择，两级运放为保证各自的滤波效果及根据仿真分析结果，总放大倍数选择150倍，前级运放放大15倍后级运放放大10倍即可；
运放放大倍数及有源滤波器的计算方式：
两级运放的增益及截止频率计算：
D2增益计算：Ad2＝R17/R16；RC滤波截止频率F0＝1/2πRC；
D4增益计算：Ad4＝-R20/R25；有源滤波截止频率
二阶有源滤波品质因数计算：
其中，所述工频电压采样单元电路包括隔离变压器T2、双向稳压管VP3、电容C100、电阻R13、电阻R14、电阻R11、电阻R16、电容C12、电容C15、电阻R9、电阻R10、比较器D2电阻R17、电阻R15、电容C21、电容C14、电阻R25、电阻R20、电阻R26、电容C25、电容C18、比较器D4、电阻R27、电容C26；
所述隔离变压器T2的第一输出端接地，第二输出端和所述双向稳压管VP3的第一端、所述电阻R13的第一端、所述电阻R14的第一端以及所述电阻R16的第一端相连接；所述电容C100的第一端接入10KV电压，第二端和所述双向稳压管VP3的第二端、所述电阻R13的第二端、所述电阻R14的第二端以及所述电阻R11的第一端相连接；所述电阻R16的第二端和所述电容C15的第一端以及所述电阻R17的第一端共同连接所述比较器D2的反相输入端；所述电容C15的第二端接地；所述电阻R11的第二端、所述电容C12的第一端、所述电阻R9的第一端以及所述电阻R10的第一端共同和所述比较器D2的同相输入端相连接；所述电容C12的第二端和所述电阻R9的第二端共同接地；所述电阻R10的第二端和所述比较器D2的电源输入端共同连接+5V直流电压端；所述比较器D2的输出端和所述电阻R17的第二端以及所述电阻R15的第一端相连接；所述电阻R15的第二端和所述电容C21的第一端以及所述电容C14的第一端相连接；所述电容C14的第二端接地；所述电容C21的第二端和所述电阻R25的第一端相连接；所述电阻R25的第二端和所述电阻R20的第一端、所述电阻R26的第一端以及所述电容C25的第一端相连接；所述电容C25的第二端和所述比较器D4的同相输入端共同连接V_REF1信号端；所述电阻R26的第二端和所述电容C18的第一端共同和所述比较器D4的反相输入端相连接；所述电阻R20的第二端和所述电容C18的第二端与所述比较器D4的输出端相连接；所述电阻R27的第一端和所述比较器D4的输出端相连接，第二端和所述电容C26的第一端共同连接工频信号ADC_1；所述电容C26的第二端连接所述V_REF1信号端；
所述信号采集处理单元，信号采集处理单元采用单片机U1芯片作为信号处理单元，此单元的主要功能是对运放输入的工频信号ADC_1进行分析处理及与中压载波设备的信号接收单元进行数据传输；
所述数据传输单元，电路在设计时载波弱电接口侧与工频电压采集侧的隔离要求为15KV，两部分电路用隔离变压器实现的电器隔离，为解决数据传输问题，采用调频设计，在设计时耦合器与载波端口通过耦合器隔离用FSK调频信号进行传输，电路的设计接收时采用TC6003芯片进行小信号放大，发送时芯片的IO引脚可直驱5V/10mA进行信号输出，100KHZ的载波频率传输速率可达20Kbit，可以满足对数据量的传输需求。
2.根据权利要求1所述的一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路，其特征在于：一种基于中压载波耦合器的工频电压检测电路实现是通过传输线在中压载波设备上将+12V电源、PWM_CTR2电源驱动连接到电源供电单元，电源供电单元输出+5V直流电压供后续电路使用；
通过采集电阻R13/R14两端的电压变化，经过工频电压采样单元放大滤波处理，输入到信号采集处理单元；
信号采集处理单元对工频电压进行数据运算，通过算法计算工频电压当前的电压值，判断工频电压是否超限，将测试结果通过数据传输单元传回载波机；
数据传输单元为发送接收复用的方式，采用半双工调频通讯，信号传输通道的噪声相对稳定，信号传输采用小电流的形式；数据传输单元通过隔离变压器与中压载波机相连接，形成数据传输通道；
采样处理单元适合的电压应用范围：VPP＝0～5V。
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