CN113552498B - 一种高压直流电源闪络检测和参数计量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高压直流电源闪络检测和参数计量系统，包括信号采集部分和信号处理部分；信号采集部分包括第一取样电路、调理电路以及压频转换电路；信号处理部分用于进行是否发生闪络的判断；利用这样的一种高压直流电源闪络检测和参数计量系统闪络现象发生时，压频转换电路工作于超频范围，可以超高速的检测闪络现象。

Description

一种高压直流电源闪络检测和参数计量系统及方法
技术领域
本发明涉及电源检测技术领域，具体是高压直流电源闪络检测和参数计量系统及方法。
背景技术
在高压直流电源的应用场景下，为了提高效率，追求让电场在尽可能高电压的状态下运行。电场处于闪络的临界状态，此时电场环境轻微扰动就会发生闪络。而在实际应用环境中，电场内环境每时每刻都会发生剧烈变化。这种条件下，电场内闪络现象的发生是不可避免的。闪络发生时电场瞬间短路，此时电流非常大。对高压直流电源及其负载(电除尘塔、电捕焦油器)的冲击很大。电源和负载零部件的损坏多是闪络导致的。闪络越是频繁，持续的时间越长，电源和负载的零部件损坏的情况就越多。只有尽快的检测闪络的发生，才有可能尽快停止电源对负载输出能量，进而减小闪络过程中的能量，从而最大程度的减小闪络现象对高压直流电源及其负载的伤害。同时可以看出，在这样恶劣的环境，对电源参数计量电路的抗干扰能力有很高的要求。
当前高压直流电源的闪络检测方案可以分为两大类，硬件电路检测和软件算法检测。
硬件电路检测速度快，但多存在适应性差、容易误判或漏判、需要在现场调整电路器件参数、闪络状态下容易损坏等问题。同时硬件电路判断结果，都是与上下限比较得到的开关量信号，无法得到高压直流电源输出电压电流的计量值。参数计量需要并行一条用于计量的信号传递通道。
软件算法检测准确性高、适应性强、可以兼顾闪络判断和参数计量，但存在反应速度慢的问题。此类方案能达到的判断时间最短都在数百微秒以上。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种高压直流电源闪络检测和参数计量系统，包括信号采集部分和信号处理部分；
信号采集部分包括第一取样电路、调理电路以及第一压频转换电路；
第一取样电路，用于获取与电源串联的取样电阻两端的电压值，所述第一取样电路的输入端与电源输出端连接，获取电源输出电流信号，输出端与调理电路连接；
调理电路，用于对取样电阻两端电压值的信号进行滤波和放大，其输入端与取样电路连接，其输出端与第一压频转换电路连接；
第一压频转换电路，用于将电压信号转换为第一频率方波信号，其输出端与信号处理部分连接；
所述信号处理部分通过第一频率方波信号进行是否发生闪络的判断。
优选的，所述信号采集部分还包括光信号传输电路，光信号传输电路用于将第一压频转换电路输出的第一频率方波信号由电信号转换为光信号便于传输，与信号处理部分连接前将信号还原为电信号便于处理；
闪络检测模块通过信号采集部分采集的信号进行是否发生闪络的判断。
优选的，所述信号处理部分包括逻辑芯片，逻辑芯片包括闪络检测模块，闪络检测模块通过第一频率方波信号进行是否发生闪络的判断。
闪络检测模块通过第一频率方波的间隔时间判断是否发生闪络。
优选的，所述信号处理部分包括第一频率计量模块，第一频率计量模块获取第一频率方波信号，根据输入的第一频率方波信号计量第一频率方波，并输出计量值。
优选的，所述信号处理部分还包括辅助检测模块，辅助检测模块与所述闪络检测模块连接；
辅助检测模块获取来自第一取样电路多个连续的方波的时间做平均，闪络检测模块获取平均值作为检测结果，进行校准判断是否发生闪络。
优选的，所述信号采集部分还包括第二取样电路和第二频率计量模块；
第二取样电路用于获取电源输出的电源电压，所述第二取样电路的输入端与电源输出端连接，获取电源输出的电压信号，其输出端通过调理电路、第二压频转换电路以及光信号传输电路与第二频率计量模块连接；
第二频率计量模块获取电源电压的第二频率方波信号，根据输入的电源电压的第二频率方波信号计量第二频率方波，并输出计量值。
优选的，所述信号处理部分还包括闪络检测校准模块，闪络检测校准模块与闪络检测模块、第二频率计量模块连接；
闪络检测校准模块用于根据电源输出的电源电压信号检测闪络现象，从而对使用电源输出电流判断闪络发生的条件进行校准。
本申请提供的高压直流电源闪络检测和参数计量方法，包括以下步骤：
S1：第一取样电路将电源输出电流信号转化为变化的电压信号并传输给调理电路；
S2：调理电路对接收到的电压信号进行滤波和放大后传输给第一压频转换电路；
S3：第一压频转换电路将电压信号转换为第一频率方波信号并传输给闪络检测模块；
S4：闪络检测模块对第一频率方波信号进行处理，计量两个方波信号之间的时间长度，并与比较值对比。若时间短于比较值，即可认为闪络发生。
优选的，流动计量数个连续的方波信号的总时间长度，对总时间长度再做平均，以平均值判断闪络现象的发生。
优选的，闪络检测校准模块根据电源输出的电源电压信号检测闪络现象，对使用电源输出电流判断闪络发生的条件进行校准。
本发明的有益效果体现在，本发明使用一条信号传递通道，同时实现高压直流电源的参数计量和闪络快速检测两个功能。参数计量时，第一压频转换电路工作于线性频率范围内，可以获得准确的计量值。闪络现象发生时，第一压频转换电路工作于超频范围，可以超高速的检测闪络现象。本发明综合利用了硬件电路速度快和软件适应性强的特点，在实现广泛的环境适应性的同时，能将判断时间缩短至5微秒以内。
附图说明
图1为本发明实施例1的高压直流电源闪络检测和参数计量系统原理图；
图2为本发明实施例2的高压直流电源闪络检测和参数计量系统原理图；
图3为本发明实施例3的高压直流电源闪络检测和参数计量系统原理图；
图4为本发明实施例4的高压直流电源闪络检测和参数计量系统原理图；
图5为本发明实施例5的高压直流电源闪络检测和参数计量系统原理图；
图6为本发明实施例第一压频转换电路输出电压和输出频率的线形图；
图7为本发明实施例闪络发生时信号的变化示意图；
图8为本发明实施例闪络发生时，电源输出电流和输出电压的变化线形图；
图9为本发明实施例不同状态下电源输出电压U的特征曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
参阅图1，本发明实施例提供一种高压直流电源闪络检测和参数计量系统，包括信号采集部分和信号处理部分；
信号采集部分包括第一取样电路、调理电路以及第一压频转换电路；
第一取样电路，用于获取取样电阻两端的电压值，所述第一取样电路的输入端与电源输出端连接，其输出端与调理电路连接；
调理电路，用于对取样电阻两端电压值的信号进行滤波和放大，其输入端与取样电路连接，其输出端与第一压频转换电路连接；
第一压频转换电路，用于将电压信号转换为第一频率方波信号，其输出端与信号处理部分连接；
所述信号处理部分通过第一频率方波信号进行是否发生闪络的判断。
在具体实现过程中，取样电阻与电源输出端串联，第一取样电路获取取样电阻两端的电压值。
本实施例中，如图6所示，在压频转换电路的常规应用中，需要保证输入电压信号与输出频率信号之间的高线性度，达到通过频率值还原电压值的目的。此时电路工作在线性频率范围内。当输入电压过高，使得输出频率超出线性频率范围时，我们称为“超频状态”。在超频状态下，输入电压信号与输出频率信号线性度大大下降。当输入电压突然增大超出电路线性工作范围时，输出频率也是急剧增高的。此时，输出频率虽然无法表达准确的输入电压值，但能快速反应出输出电压的急速增高的程度。
如图7所示，本发明利用压频转换电路工作于超频状态时的特性快速检测闪络现象的发生的特性，当闪络发生时，电源输出电流急剧增大，压频转换电路的输入信号跟随急剧增大。使得压频转换电路达到超频工作范围，输出的频率急剧增大。压频转换电路的信号延迟取决于当前的输出频率值。输入信号电压越高，输出频率越高，延迟越小。这个特性与闪络状态下高压直流电源输出电流的变化匹配。
如图8所示，在闪络发生时负载状态类似于短路。会出现高压直流电源输出电流瞬间增大，同时高压直流电源输出电压急速降低。t0时刻发生闪络，电源输出电流I迅速增大，电源输出电压U迅速减小。表面上，两个信号的特征都可用于检测闪络现象。但是，由于高压直流电源输出电压U信号非常复杂谐波多。要获取有效的数据在信号调理过程会导致信号的延迟非常大。失去了用于闪络快速检测的作用。而电流信号则相对干净很多，经过简单调理即可使用，延迟很小。
在具体实现过程中，本发明使用一条信号传递通道，同时实现高压直流电源的参数计量和闪络快速检测两个功能。参数计量时，压频转换电路工作于线性频率范围内，可以获得准确的计量值。闪络现象发生时，压频转换电路工作于超频范围，可以超高速的检测闪络现象。
本发明利用压频转换电路的超频特性作为闪络检测关键原理。使用压频转换电路作为电源输出电压电流计量的关键部分。先将电源输出电压电流信号转换为频率方波信号，再进行计量。
如图1所示，本发明包含信号采集部分和信号处理部分，信号处理部分利用逻辑芯片中，闪络检测模块对压频转换得到的频率信号进行处理，计量两个方波信号之间的时间长度，并与比较值对比。若时间短于比较值，即可认为闪络发生，即图8中t0时刻。比较值可通过纯软件方式修改。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：所述信号采集部分还包括光信号传输电路，光信号传输电路用于将第一压频转换电路输出的第一频率方波信号由电信号转换为光信号；
闪络检测模块通过信号采集部分采集的第一频率方波信号进行是否发生闪络的判断。闪络检测模块通过第一频率方波的间隔时间判断是否发生闪络。
如图2所示，本实施例中，光信号传输电路使得电信号转化为光信号进行传输，实现计量系统光电隔离。能大大提高系统抗干扰能力，适应高压直流电源恶劣的应用环境，降低计量系统的故障率。
实施例3
本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：所述信号处理部分包括第一频率计量模块，第一频率计量模块获取第一频率方波信号，根据输入的第一频率方波信号计量第一频率方波，并输出计量值。
本实施例中，第一频率计量模块可以计量第一频率方波的边缘变化次数或者边缘间的间隔时间，并且以边缘变化次数或者边缘间的间隔时间作为计量值。计量值与电源输出的电流相关。
如图3所示，在具体实现过程中，本实施例使用一条信号传递通道，同时实现高压直流电源的参数计量和闪络快速检测两个功能。参数计量时，第一压频转换电路工作于线性频率范围内，可以获得准确的计量值。
实施例4
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：如图4所示，所述信号处理部分还包括辅助检测模块，辅助检测模块与所述闪络检测模块连接；
辅助检测模块获取来自第一取样电路多个连续的方波的时间做平均，闪络检测模块获取平均值作为检测结果进行校准判断是否发生闪络。
在具体实现过程中，信号处理部分利用逻辑芯片中闪络检测模块和辅助检测模块，对压频转换得到的频率信号进行处理，流动计量数个方波信号的总时间长度再做平均，并与比较值对比。若平均时间短于比较值，即可认为闪络发生。
流动计量数个方波信号的总时间长度再做平均，这样可滤除干扰信号降低误判的几率。
实施例5
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：如图5所示，信号采集部分还包括第二取样电路和第二频率计量模块；
第二取样电路用于获取电源输出的电源电压，所述第二取样电路的输入端与电源输出端连接，其输出端通过调理电路、第二压频转换电路以及光信号传输电路与第二频率计量模块连接；
第二频率计量模块获取电源电压的第二频率方波信号，根据输入的电源电压的第二频率方波信号计量第二频率方波，并输出计量值。
本实施例中，第二频率计量模块可以计量第二频率方波的边缘变化次数或者边缘的间隔时间，并且以边缘变化次数或者边缘间的间隔时间作为计量值。计量值与电源电压相关。
在具体实现过程中，可以通过第一频率计量模块输出的与电流相关的计量值和第二频率计量模块输出的与电压相关的计量值对设备用电量进行计量。
信号处理部分还包括闪络检测校准模块，闪络检测校准模块与闪络检测模块、第二频率计量模块连接；
闪络检测校准模块用于根据电源输出的电源电压信号检测闪络现象，从而对使用电源输出电流判断闪络发生的条件进行校准。
本实施例中，如图9所示，图9是在不同状态下电源输出电压U的特征曲线。若t0时刻发生闪络，则电源输出电压在t1时刻变为0。若t0时刻电源正常关断，则电源输出电压在t2时刻降为0。在实验中测得，t1-t0在数百微秒，而t2-t0则在几十毫秒。两种状态下特征差异明显。利用这个特征，可以不受闪络快速判断处理功能动作的影响，独立判断闪络现象是否发生。
在具体实现过程中，闪络检测校准模块利用电源输出电压信号检测闪络现象从而对使用电源输出电流的超快速判断条件进行校准。
实施例6
本实施例提供一种高压直流电源闪络检测和参数计量方法，包括以下步骤：
S1：第一取样电路将电源输出电流信号转化为变化的电压信号并传输给调理电路；
S2：调理电路对接收到的电压信号进行滤波和放大后传输给第一压频转换电路；
S3：第一压频转换电路将电压信号转换为第一频率方波信号并传输给闪络检测模块；
S4：闪络检测模块对第一频率方波信号进行处理，计量两个方波信号之间的时间长度，并与比较值对比。若时间短于比较值，即可认为闪络发生。
实施例7
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于：辅助检测模块流动计量数个连续的方波信号的总时间长度，对总时间长度再做平均，以平均值判断闪络现象的发生。
实施例8
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于：闪络检测校准模块根据电源输出的电源电压信号检测闪络现象，对使用电源输出电流判断闪络发生的条件进行校准。
实施例9
压频转换电路使用ADVFC32KN芯片做压频转换，信号处理部分使用FPGA芯片(EP2C5T144I8)来处理频率方波信号。若使用上述FPGA芯片同时控制设备开关器件，可以达到最好的效果。当判断到闪络发生后，可立即在开关器件状态允许的条件下停止电源输出。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。
在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高压直流电源闪络检测和参数计量系统，其特征在于：包括信号采集部分和信号处理部分；
信号采集部分包括第一取样电路、调理电路以及第一压频转换电路；
第一取样电路，用于获取与电源串联的取样电阻两端的电压值，所述第一取样电路的输入端与电源输出端连接，输出端与调理电路连接；
调理电路，用于对取样电阻两端电压值的信号进行滤波和放大，其输入端与第一取样电路连接，其输出端与第一压频转换电路连接；
第一压频转换电路，用于将电压信号转换为第一频率方波信号，其输出端与信号处理部分连接；
所述信号处理部分通过第一频率方波信号进行是否发生闪络的判断；
其中，所述第一压频转换电路具有线频范围状态和超频范围状态；且，
所述线频范围状态为，第一压频电路输出频率信号与输入电压信号保持高线性度的工作状态；且，
所述超频范围状态为，当输入电压过高时，第一压频电路输出频率信号与输入电压信号之间不能保持线性关系的工作状态；
其中，当所述第一压频转换电路处于超频范围状态时，系统进行闪络检测；
其中，当所述第一压频转换电路处于线频范围状态时，系统进行参数计量。
2.根据权利要求1所述的高压直流电源闪络检测和参数计量系统，其特征在于：
所述信号采集部分还包括光信号传输电路，光信号传输电路用于将第一压频转换电路输出的第一频率方波信号由电信号转换为光信号。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流电源闪络检测和参数计量系统，其特征在于：所述信号处理部分包括逻辑芯片，逻辑芯片包括闪络检测模块，闪络检测模块通过第一频率方波信号进行是否发生闪络的判断；
闪络检测模块通过第一频率方波的间隔时间判断是否发生闪络。
4.根据权利要求3所述的高压直流电源闪络检测和参数计量系统，其特征在于：所述信号处理部分包括第一频率计量模块，第一频率计量模块获取第一频率方波信号，根据输入的第一频率方波信号计量第一频率方波的次数或时间。
5.根据权利要求3所述的高压直流电源闪络检测和参数计量系统，其特征在于：所述信号处理部分还包括辅助检测模块，辅助检测模块与所述闪络检测模块连接；
辅助检测模块获取来自第一取样电路多个连续的方波的时间做平均，闪络检测模块获取平均值作为检测结果，进行校准判断是否发生闪络。
6.根据权利要求3所述的高压直流电源闪络检测和参数计量系统，其特征在于：所述信号采集部分还包括第二取样电路和第二频率计量模块；
第二取样电路用于获取电源输出的电源电压，所述第二取样电路的输入端与电源输出端连接，输出端通过调理电路、第二压频转换电路以及光信号传输电路与第二频率计量模块连接；
第二频率计量模块获取第二频率方波信号，根据输入的第二频率方波信号计量第二频率方波的次数或时间。
7.根据权利要求6所述的高压直流电源闪络检测和参数计量系统，其特征在于：所述信号处理部分还包括闪络检测校准模块，闪络检测校准模块与闪络检测模块、第二频率计量模块连接；
闪络检测校准模块用于根据电源输出的电源电压信号检测闪络现象，从而对使用电源输出电流判断闪络发生的条件进行校准。
8.用于如权利要求1-7任一项所述的高压直流电源闪络检测和参数计量系统的高压直流电源闪络检测和参数计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：第一取样电路将电源输出电流信号转化为变化的电压信号并传输给调理电路；
S2：调理电路对接收到的电压信号进行滤波和放大后传输给第一压频转换电路；
S3：第一压频转换电路将电压信号转换为第一频率方波信号并传输给闪络检测模块；
S4：闪络检测模块对第一频率方波信号进行处理，利用第一压频转换的超频范围状态，检测是否存在频率急剧上升的方波信号，并计量两个方波信号之间的时间长度，与比较值对比，若时间短于比较值，即可认为闪络发生。
9.根据权利要求8所述的高压直流电源闪络检测和参数计量方法，其特征在于，还包括步骤S5：
流动计量数个连续的方波信号的总时间长度，对总时间长度再做平均，以平均值判断闪络现象的发生。
10.根据权利要求8所述的高压直流电源闪络检测和参数计量方法，其特征在于，还包括步骤S6：
闪络检测校准模块根据电源输出的电源电压信号检测闪络现象，对使用电源输出电流判断闪络发生的条件进行校准。
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