CN112881865A - 一种用于配电网高精度的零序电压检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于配电网高精度的零序电压检测电路及方法，包括电压转换电路、阻抗变换电路、模数转换电路和基准电压源电路，电压转换电路包括电压互感器T1、稳压二极管V1和稳压二极管V2，阻抗变换电路包括平衡电阻RL1、采样电阻RL2、平衡电阻RL3、高频退耦电容CL3和运算放大器U1A，基准电压源电路包括分压电阻R1、分压电阻R2和运算放大器U1B，模数转换电路包括退耦电容CL1、退耦电容CL2和ADC转换芯片U2。通过电压转换电路对配电网零序电压进行电压变换，将变换后的小信号取样并经过阻抗变换电路调节和模数转换电路进行快速模数转换，得到高精度的零序电压监测电压值，提升了配电网零序电压检测精度。

Description

一种用于配电网高精度的零序电压检测电路及方法

技术领域

本发明涉及配电网技术领域，更具体的说是涉及一种用于配电网高精度的零序电压检测电路及方法。

背景技术

目前，市场主流的配电网故障指示器产品对于配电网接地故障的识别方法大部分依据线路电场变化来判断。配电线路的电场是以架空线路相对于地面的一个参考电场值，该电场值容易受到环境变化影响。比如，故障指示器产品安装的线路附近有树木、建筑物、架空线路下方道路经过的车辆等都会对电场值的测量产生影响，此类影响往往导致故障指示器对配电网线路接地的误判和漏判。因此，为解决配电网故障指示器无法对线路接地故障进行准确判断问题，就需要另外一种更加准确的判断依据，即配电网零序电压判断。配电网零序电压是线路三相电压的合成值，其数值不会受实际线路架设环境的影响。配电线路零序电压值的突变能够准确反映出线路的接地故障，为配电线路接地故障的快速定位提供可靠的依据。

配电线路零序电压判断的前提是需要对配电线路零序电压进行准确的采样分析，本发明正是针对目前配电线路故障指示产品接地故障判断的不足，提出了一种用于配电网高精度的零序电压检测电路及方法。配电网线路故障指示器通过引入零序电压作为接地故障判断的依据，显著提高了配电线路接地故障的识别率，明显减少了电网运维时间和成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于配电网高精度的零序电压检测电路及方法，实现对配电线路零序电压的实时采样检测，并将检测的零序电压提供给配电线路故障定位系统进行分析研判，提高了配电线路接地故障识别的可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于配电网高精度的零序电压检测电路，包括：电压转换电路、阻抗变换电路、模数转换电路和基准电压源电路，所述电压转换电路与所述阻抗变换电路连接，所述阻抗变换电路和所述基准电压源电路均与所述模数转换电路连接，且所述电压转换电路与配电网零序电压连接。

优选的，所述电压转换电路包括电压互感器T1、稳压二极管V1和稳压二极管V2，所述电压互感器T1的原边与所述配电网零序电压连接，所述电压互感器T1的副边分别与所述稳压二极管V1阴极和所述稳压二极管V2阴极连接，所述稳压二极管V1阳极和所述稳压二极管V2阳极连接。

优选的，所述阻抗变换电路包括平衡电阻RL1、采样电阻RL2、平衡电阻RL3、高频退耦电容CL3和运算放大器U1A，所述稳压二极管V1阴极和所述稳压二极管V2阴极分别与所述采样电阻RL2两端连接，且所述采样电阻RL2两端分别连接所述平衡电阻RL1一端和所述平衡电阻RL3一端，所述平衡电阻RL1另一端和所述平衡电阻RL3另一端分别与所述高频退耦电容CL3两端连接，所述高频退耦电容CL3与所述运算放大器U1A正相输入脚3连接，所述运算放大器U1A输出脚1和反向输入脚2相连，所述运算放大器U1A电源正脚4与模拟电源AVDD相连，所述运算放大器U1A电源负脚8与参考地GND相连。

优选的，所述基准电压源电路包括分压电阻R1、分压电阻R2和运算放大器U1B，所述分压电阻R1和所述分压电阻R2串联，且所述分压电阻R1与数字电源DVDD连接，所述分压电阻R2与电源地GND连接，所述分压电阻R1和分压电阻R2的分压点与所述运算放大器U1B正相输入脚5连接，所述运算放大器U1B输出脚7和反向输入脚6相连，所述运算放大器U1B电源正脚9与数字电源DVDD相连，所述运算放大器U1B电源负脚8与参考地GND相连。

优选的，所述模数转换电路包括退耦电容CL1、退耦电容CL2和ADC转换芯片U2，所述运算放大器U1A输出脚1与所述ADC转换芯片U2脚AINP连接，所述运算放大器U1B输出脚7与所述ADC转换芯片U2脚REF相连，所述退耦电容CL1与所述ADC转换芯片U2脚AVDD相连，所述退耦电容CL2和所述ADC转换芯片U2脚DVDD相连。

一种用于配电网高精度的零序电压检测方法，包括：

步骤1：电压转换电路将采集的配电网零序高压交流信号转换为交流小电压；

步骤2：采样电路对所述交流小电压进行阻抗变换，提高采样小信号的稳定度和精度；基准电压源电路为模数转换电路提供采样参考电压源；

步骤3：模数转换电路将模拟信号转换为数字信号提供给后端微控制器读取计算。

优选的，所述步骤1具体包括：

步骤11：电压互感器T1原边采集配电网零序高压交流信号，电压互感器T1副边转换生成一个同相位等比例的交流小电压；

步骤12：稳压二级管V1和稳压二极管V2用来钳位保护后端小信号采样电路，当副边电压过高时稳压二极管V1和V2将信号限制在3.3V，防止副边电压超限损害后端电路。

优选的，所述步骤2具体为：

步骤21：采样电阻RL2将所述交流小电压变换为稳定的交流小电压之后，平衡电阻RL1和平衡电阻RL3进行正负幅值平衡处理，高频退耦电容CL3滤除高频噪声后，运算放大器U1A对交流小电压的输入小阻抗转换为大阻抗；

步骤22：分压电阻R1和分压电阻R2串联分压后输出到由运算放大器U1B构成的电压跟随器，U1B构成电压跟随器输出采样参考电压源。

优选的，所述步骤3具体为：

ADC转换芯片U2将经过运算放大器U1A阻抗变换后输出的交流小电压信号转换为数字信号供后端微控制器读取计算。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于配电网高精度的零序电压检测电路及方法，通过电压转换电路对配电网零序电压进行电压变换，将变换后的小信号取样并经过阻抗变换电路调节和高精度模数转换电路进行快速模数转换，最终得到高精度的零序电压监测电压值，提升了配电网零序电压检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的用于配电网高精度的零序电压检测电路图。

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。

如图1，本发明,公开了一种用于配电网高精度的零序电压检测电路，电路的输入端A1L和A1N与配电网零序电压节点连接；电路主要分成4部分，包括电压转换电路、阻抗变换电路、模数转换电路和基准电压源电路，所述电压转换电路与所述阻抗变换电路连接，所述阻抗变换电路和所述基准电压源电路均与所述模数转换电路连接，且所述电压转换电路与配电网零序电压连接。

本实施例中，电压转换电路包括电压互感器T1、稳压二极管V1和稳压二极管V2，电压互感器T1原边脚1和脚2与配电网零序电压连接，T1副边脚3与稳压二极管V2阴极连接，T1副边脚4与稳压二极管V1阴极连接，稳压二极管V1、V2阳极相连接。

本实施例中，阻抗变换电路包括平衡电阻RL1、采样电阻RL2、平衡电阻RL3、高频退耦电容CL3和运算放大器U1A，稳压二级管V1和V2阴极分别和采样电阻RL2的两端连接，采样电阻RL2一端与平衡电阻RL1连接，一端与平衡电阻RL3连接，平衡电阻RL1和RL3后端分别与高频退耦电容CL3两端连接。进一步的，高频退耦电容CL3与运算放大器U1A的正相输入脚3相连，运算放大器U1A输出脚1与反相输入脚2相连，构成电压跟随功能，运算放大器U1A电源正脚4与模拟电源AVDD相连，运算放大器U1A电源负脚8与参考地GND相连。

在本实施例中，模数转换电路包括退耦电容CL1、退耦电容CL2和ADC转换芯片U2，U2选用德州仪器的16bit高精度AD芯片ADS8866，运算放大器U1A输出脚1与ADC转换芯片U2的输入脚3相连，ADC转换芯片U2的模拟电源脚2与退耦电容CL1和模拟电源AVDD连接，ADC转换芯片U2的数字电源脚2与退耦电容CL2和数字电源DVDD连接。ADC集成芯片U2的输入信号4与参考地GND连接，ADC集成芯片U2的电源负脚5与参考地GND连接。具体可以设置为16bit高分辨率的ADC转换芯片。

在本实施例中，基准电压源电路包括分压电阻R1、分压电阻R2和运算放大器U1B，分压电阻R1和R2串联连接，同时分压电阻R1与数字电源DVDD连接，分压电阻R2与电源地GND连接，共同构成分压电阻对。分压电阻R1和分压电阻R2的分压点与运算放大器U1B的正相输入脚5连接，运算放大器U1B输出脚7与反相输入脚6连接，构成电压跟随电路形成稳定输出的基准电压源。运算发大器U1B电源正脚9和电源负脚8分别与电源DVDD和参考地GND连接，运算放大器U1B的输出脚7与ADC转换芯片U2的采样参考电源脚1连接，为其提供采样基准电压。

实施例2，本发明公开了一种用于配电网高精度的零序电压检测方法，所述方法采用上述电路，包括：

步骤1：当外部配电网零序电压输入到电压互感器T1原边时，通过电压互感器T1转换生成一个同相位等比例的交流小电压；电压互感器T1的副边小电压经过稳压二级管V1,V2的钳位，使副边电压不至于超过后端采样电路的耐压值，以此来保护后端小信号采样电路。

步骤2：经过电压互感器T1变换和稳压二级管V1，V2钳位后的交流小电压输入到RL2采样电阻上产生一个稳定的交流小电压，该电压信号继续经过平衡电阻RL1和RL3对交流小电压的正负幅值进行平衡处理再经过高频退耦电容CL3滤除高频噪声，经过高频退耦电容CL3滤波后的小电压输入到运算放大器U1A构成的电压跟随器的正相输入端，对小电压的输入阻抗进行变换，将采样电阻的小阻抗值转换为大阻抗值更有利于提高后端高精度ADC集成芯片的采样准确度；

步骤3：交流小电压经过运算放大器U1A运放进行阻抗变换后输入到ADC转换芯片U2，ADC转换芯片U2将交流小电压采样转换为数字信号通过集成芯片输出脚3传输给后端微控制器，同时,分压电阻R1和分压电阻R2串联分压后输出到由运算放大器U1B构成的电压跟随器，U1B构成电压跟随器输出驱动能力更强的基准电源为ADC转换芯片U2提供稳定的采样参考电压。

本发明具有如下优点：通过电压互感器将配电线路的零序电压转换为交流小信号可供弱电电路采样，交流小信号进一步通过运算放大器构成的电压跟随电路实现阻抗变换，提高了交流信号输入到ADC集成芯片的稳定性。同时采用16bit高分辨率的ADC转换芯片进行模数转换实现高精度的数字信号输出。本发明通过在电压转换高精度、输入阻抗变换提高信号稳定度和高分辨率ADC转换芯片采样三方面完成对配电网零序电压的高精度检测，为配电网线路故障定位系统提供可靠的接地判断依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种用于配电网高精度的零序电压检测电路，其特征在于，包括：电压转换电路、阻抗变换电路、模数转换电路和基准电压源电路，所述电压转换电路与所述阻抗变换电路连接，所述阻抗变换电路和所述基准电压源电路均与所述模数转换电路连接，且所述电压转换电路与配电网零序电压连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于配电网高精度的零序电压检测电路，其特征在于，所述电压转换电路包括电压互感器T1、稳压二极管V1和稳压二极管V2，所述电压互感器T1的原边与所述配电网零序电压连接，所述电压互感器T1的副边分别与所述稳压二极管V1阴极和所述稳压二极管V2阴极连接，所述稳压二极管V1阳极和所述稳压二极管V2阳极连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于配电网高精度的零序电压检测电路，其特征在于，所述阻抗变换电路包括平衡电阻RL1、采样电阻RL2、平衡电阻RL3、高频退耦电容CL3和运算放大器U1A，所述稳压二极管V1阴极和所述稳压二极管V2阴极分别与所述采样电阻RL2两端连接，且所述采样电阻RL2两端分别连接所述平衡电阻RL1一端和所述平衡电阻RL3一端，所述平衡电阻RL1另一端和所述平衡电阻RL3另一端分别与所述高频退耦电容CL3两端连接，所述高频退耦电容CL3与所述运算放大器U1A正相输入脚3连接，所述运算放大器U1A输出脚1和反向输入脚2相连，所述运算放大器U1A电源正脚4与模拟电源AVDD相连，所述运算放大器U1A电源负脚8与参考地GND相连。

4.根据权利要求3所述的一种用于配电网高精度的零序电压检测电路，其特征在于，所述基准电压源电路包括分压电阻R1、分压电阻R2和运算放大器U1B，所述分压电阻R1和所述分压电阻R2串联，且所述分压电阻R1与数字电源DVDD连接，所述分压电阻R2与电源地GND连接，所述分压电阻R1和分压电阻R2的分压点与所述运算放大器U1B正相输入脚5连接，所述运算放大器U1B输出脚7和反向输入脚6相连，所述运算放大器U1B电源正脚9与数字电源DVDD相连，所述运算放大器U1B电源负脚8与参考地GND相连。

5.根据权利要求4所述的一种用于配电网高精度的零序电压检测电路，其特征在于，所述模数转换电路包括退耦电容CL1、退耦电容CL2和ADC转换芯片U2，所述运算放大器U1A输出脚1与所述ADC转换芯片U2脚AINP连接，所述运算放大器U1B输出脚7与所述ADC转换芯片U2脚REF相连，所述退耦电容CL1与所述ADC转换芯片U2脚AVDD相连，所述退耦电容CL2和所述ADC转换芯片U2脚DVDD相连。

6.一种用于配电网高精度的零序电压检测方法，其特征在于，包括：

步骤1：电压转换电路将采集的配电网零序高压交流信号转换为交流小电压；

步骤2：采样电路对所述交流小电压进行阻抗变换，提高采样小信号的稳定度和精度；基准电压源电路为模数转换电路提供采样参考电压源；

步骤3：模数转换电路将模拟信号转换为数字信号提供给后端微控制器读取计算。

7.根据权利要求6所述的一种用于配电网高精度的零序电压检测方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤11：电压互感器T1原边采集配电网零序高压交流信号，电压互感器T1副边转换生成一个同相位等比例的交流小电压；

步骤12：稳压二级管V1和稳压二极管V2用来钳位保护后端小信号采样电路，当副边电压过高时稳压二极管V1和V2将信号限制在3.3V，防止副边过压损害后端采样电路。

8.根据权利要求7所述的一种用于配电网高精度的零序电压检测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

步骤21：采样电阻RL2将所述交流小电压变换为稳定的交流小电压之后，平衡电阻RL1和平衡电阻RL3进行正负幅值平衡处理，高频退耦电容CL3滤除高频噪声后，运算放大器U1A对交流小电压的输入小阻抗转换为大阻抗；

步骤22：分压电阻R1和分压电阻R2串联分压后输出到由运算放大器U1B构成的电压跟随器，U1B构成电压跟随器输出采样参考电压源。

9.根据权利要求8所述的一种用于配电网高精度的零序电压检测方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

ADC转换芯片U2将经过运算放大器U1A阻抗变换后输出的交流小电压信号转换为数字信号供后端微控制器读取计算。

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