CN114089036A - 一种键相脉冲智能采集装置及其采集方法 - Google Patents
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Abstract
一种键相脉冲智能采集装置及其采集方法,该装置包括信号调理电路和双环路脉冲采集网络；信号调理电路对原始键相脉冲信号进行滤波、衰减、放大和电平转换后发送给所述双环路脉冲采集网络；双环路脉冲采集网络包括第1路脉冲采集网络和第2路脉冲采集网络；第1路脉冲采集网络用于采集键相脉冲信号；第2路脉冲采集网络用于比较器阈值筛选、异常脉冲监测和脉冲信号恢复。该方法采用该装置执行。本发明采用双环路脉冲采集网络，当第1路脉冲采集网络失调时，第2路脉冲采集网络可快速为第1路脉冲采集网络提供新的比较器阈值，并弥补第1路脉冲采集网络失调期间丢失的键相脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统同步相量测量技术领域，尤其涉及一种键相脉冲智能采集装置及其采集方法。
背景技术
发电机功角是指发电机的内电势与发电机机端电压之间的夹角，它是反映电力系统稳定性的重要状态之一。目前，现场实用的发电机内电势功角测量方法主要有电气计算法和机械直测法。
电气计算法通过实时测量到的发电机端电压以及发电机的直轴电抗Xd和交轴电抗Xq来计算发电机实时内电势和功角。由于发电机在不同状态下的Xd和Xq电抗参数会变化，该计算方法在动态过程时有一定的误差。
机械直测法利用发电机组的键相脉冲信号和端电压来测量发电机内电势相角及其功角。机械直测法不受发电机等效计算模型和同步电抗参数误差的影响，在动态过程中具有较高的精度，适用于电网扰动和暂态过程的实时功角测量。
机械直测法测量发电机组的键相脉冲原理如图1所示：在被测电机转轴上做一个键相标记(凹槽或键相块)，在转轴附近固定一个传感器(如电涡流位移传感器)。传感器和键相标记的距离和传感器的输出信号电压线性相关，因此，当键相标记旋转到传感头位置时，传感器会捕获到一个脉冲信号，此信号可以作为发电机的转速键相脉冲信号，送给PMU同步相量测量装置做功角测算。
键相脉冲信号在实际采集过程中，非常容易受到各种不定因素的干扰，如键槽的深度，键槽的形状，传感器的安装位置，转轴光洁度，转轴上的振动量，传感器的本身干扰信号等；另外，在电机的过渡过程(从一种稳态工况向另一个稳态工况的转换过程)，典型的如电机停开机过程、甩负荷过程等，电机的旋转机械大轴会强烈震动，从而导致测得的键相脉冲信号幅值不稳定，如图2所示。
工程现场的传感器根据型号不同，其输出的脉冲幅值也存在较大的差异(一般在-48V～48V之间)。由于最终采集脉冲信号的处理器一般工作电平为3.3V/5V，所以需要对原始键相脉冲信号进行衰减、整形、电平转换等技术处理，以适应处理器的工作电平。
目前常用的脉冲处理手段是通过拨码开关和电阻组成分压网络(图3所示)，再将处理后的脉冲信号送入比较器和设置的参考电压比较，以适应不同幅值的键相脉冲信号测量，但这种方法电压可调范围有限，并且拨码选定后不能实时在线调整，难以适应现场复杂的应用需求。
公告号CN202869638U的专利提出了一种“旋转机械的键相信号自适应处理系统”，公告号CN108803410A的专利提出了一种“一种高可靠的键相脉冲自适应采样电路”，可以灵活地在线实时调整比较器的参考电平，自动适应不同的键相脉冲幅值，但存在采集系统功能单一，比较器阈值调整周期长、动态响应慢，比较器阈值调整过程中易导致键相脉冲信号丢失等问题。如图4所示。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种键相脉冲智能采集装置及其采集方法，解决比较器阈值调整动态响应慢、存在键相脉冲丢失的问题。
本发明的第一方面提供了一种键相脉冲智能采集装置，包括信号调理电路和双环路脉冲采集网络；
所述信号调理电路对原始键相脉冲信号进行滤波、衰减、放大和电平转换后发送给所述双环路脉冲采集网络；
所述双环路脉冲采集网络包括第1路脉冲采集网络和第2路脉冲采集网络；所述第1路脉冲采集网络用于采集键相脉冲信号；所述第2路脉冲采集网络用于比较器阈值筛选、异常脉冲监测和脉冲信号恢复。
进一步的，所述信号调理电路包括依次连接的电阻分压网络、运算放大器和电压跟随器。
进一步的，所述第1路脉冲采集网络包括处理器、数字隔离芯片、D/A转换电路1、比较器1、高速光耦1和ADC回采电路；所述第2路脉冲采集网络包括处理器、数字隔离芯片、D/A转换电路2、比较器2、高速光耦2和ADC回采电路；所述第1路脉冲采集网络和所述第2路脉冲采集网络的处理器、数字隔离芯片和ADC回采电路共用。
进一步的，还包括EMC防护电路，用于保护同步相量测量单元PMU；所述EMC防护电路包括Y电容、压敏电阻和TVS管。
进一步的，还包括智能模式识别单元，通过收集所述第2路脉冲采集网络的比较器回采基值、脉冲输出数据，组建模式识别学习数据库。
本发明的第二方面提供了一种键相脉冲智能采集方法，采用如前所述的键相脉冲智能采集装置进行采集，包括如下步骤：
系统初始运行时：
根据系统设定的参考阈值序列，两路脉冲采集网路从阈值序列两端同时进行脉冲间隔扫描；
当任意一路出现连续有序的脉冲间隔时，将此刻ADC回采到的阈值电压VREF(n)，设置为第1路脉冲采集网络的比较器阈值，采集第1路脉冲采集网络的脉冲输出作为键相脉冲输出给处理器进行采样；
系统运行过程中：
采集第1路脉冲采集网络的输出作为键相脉冲输出给处理器进行采样，第2路脉冲采集网络进入跟踪扫描模式：不断微调比较器参考阈值VREF2，使其跟踪电机转轴系统扰动幅值VBASE；
当VREF2>VBASE时，脉冲输出间隔稳定有规律；当VREF2<VBASE时，脉冲输出间隔会有不规律扰动，不断轻微上调VREF2，当脉冲输出间隔稳定时，停止调整VREF2，此时VREF2≈VBASE，将此值记入电机特征数据库。
进一步的，当第1路脉冲采集网络采集的脉冲因比较器阈值失调而导致键相脉冲丢失时，根据第2路脉冲采集网络的脉冲间隔补足失调期间的键相脉冲信号。
进一步的，第1路脉冲采集网络根据第2路脉冲采集网络跟踪的安全阈值下限VBASE下调VREF1，重新适配到新的采集阈值。
综上所述，本发明提供一种键相脉冲智能采集装置及其采集方法,该装置包括信号调理电路和双环路脉冲采集网络；信号调理电路对原始键相脉冲信号进行滤波、衰减、放大和电平转换后发送给所述双环路脉冲采集网络；双环路脉冲采集网络包括第1路脉冲采集网络和第2路脉冲采集网络；第1路脉冲采集网络用于采集键相脉冲信号；第2路脉冲采集网络用于比较器阈值筛选、异常脉冲监测和脉冲信号恢复。该方法采用该装置执行。本发明采用双环路脉冲采集网络，当第1路脉冲采集网络失调时，第2路脉冲采集网络可快速为第1路脉冲采集网络提供新的比较器阈值，并弥补第1路脉冲采集网络失调期间丢失的键相脉冲。
附图说明
图1为现有技术中的电机转轴及脉冲传感器结构示意图。
图2为现有技术中的键相脉冲幅值扰动示意图。
图3为现有技术中的键相脉冲测量方法示意图。
图4为现有技术中在比较器阈值调整过程中脉冲丢失现象示意图。
图5为本发明实施例中的键相脉冲智能采集装置电路结构示意图。
图6为本发明实施例中的信号调理电路示意图。
图7为本发明实施例中的EMC防护电路示意图。
图8为本发明实施例中的比较器阈值设置方法示意图。
图9为本发明实施例中的比较器的参考阈值设置流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明“一种键相脉冲智能采集系统”的创新点：目前常用的键相脉冲采集系统只提供1路脉冲采集网络，比较器阈值调整动态响应慢，存在键相脉冲丢失的问题。工作模式单一，需调整到特定阈值以采集最准确的键相脉冲。本发明提出了独特的双环路脉冲采集网络：第1路脉冲采集网络用作传统的键相脉冲采集功能；第2路脉冲采集网络用作比较器阈值适配，当第1路脉冲采集网络失调时，第2路脉冲采集网络可快速为第1路脉冲采集网络提供新的比较器阈值，并弥补第1路脉冲采集网络失调期间丢失的键相脉冲。通过智能模式训练，第2路脉冲采集网络还可以提供传感器异常告警、电机运行状态监测等多种功能。
本发明的第一方面提供了一种键相脉冲智能采集装置，如图5所示，包括信号调理电路和双环路脉冲采集网络；所述信号调理电路对原始键相脉冲信号进行滤波、衰减、放大和电平转换后发送给所述双环路脉冲采集网络；所述双环路脉冲采集网络包括第1路脉冲采集网络和第2路脉冲采集网络；所述第1路脉冲采集网络用于采集键相脉冲信号；所述第2路脉冲采集网络用于比较器阈值筛选、异常脉冲监测和脉冲信号恢复。
进一步的，信号调理电路：对原始键相脉冲信号进行滤波、衰减、放大、电平转换等技术处理，以适应比较器和处理器的工作电平，本模块主要由电阻分压网络、运算放大器、电压跟随器等部分组成，如图6所示。
进一步的，所述第1路脉冲采集网络包括处理器、数字隔离芯片、D/A转换电路1、比较器1、高速光耦1和ADC回采电路，主要用作键相脉冲信号采集；所述第2路脉冲采集网络包括处理器、数字隔离芯片、D/A转换电路2、比较器2、高速光耦2和ADC回采电路，主要用作比较器阈值筛选、异常脉冲监测、脉冲信号恢复等功能。如图5所示，第1路脉冲采集网络和所述第2路脉冲采集网络的处理器、数字隔离芯片和ADC回采电路共用。
进一步的，还包括EMC防护电路，用于保护同步相量测量单元PMU；所述EMC防护电路包括Y电容、压敏电阻和TVS管，如图7所示。主要用于保护PMU板卡元器件不受外部线路引入的浪涌冲击干扰，静电干扰，及雷击防护等。
进一步的，还包括智能模式识别单元，通过收集所述第2路脉冲采集网络的比较器回采基值、脉冲输出数据，组建模式识别学习数据库，以提供键相脉冲采集阈值的快速自适应、传感器异常告警及电机运行状态监测等功能。
本发明的第二方面提供了一种键相脉冲智能采集方法，采用如前所述的键相脉冲智能采集装置进行采集，包括如下步骤：
系统初始运行时：
根据系统设定的参考阈值序列，两路脉冲采集网路从阈值序列两端同时进行脉冲间隔扫描；
当任意一路出现连续有序的脉冲间隔时，将此刻ADC回采到的阈值电压VREF(n)，设置为第1路脉冲采集网络的比较器阈值，采集第1路脉冲采集网络的脉冲输出作为键相脉冲输出给处理器进行采样；
系统运行过程中：
采集第1路脉冲采集网络的输出作为键相脉冲输出给处理器进行采样，第2路脉冲采集网络进入跟踪扫描模式：不断微调比较器参考阈值VREF2，使其跟踪电机转轴系统扰动幅值VBASE；
当VREF2>VBASE时，脉冲输出间隔稳定有规律；当VREF2<VBASE时，脉冲输出间隔会有不规律扰动，不断轻微上调VREF2，当脉冲输出间隔稳定时，停止调整VREF2，此时VREF2≈VBASE，将此值记入电机特征数据库。
原始键相脉冲信号(-48～+48V)，通过EMC防护电路后进入信号调理电路，经过信号调理电路中的电阻分压网络和运放电路衰减整形后，被调整为(-10V～+10V)的脉冲信号，本例仅以正脉冲为例进行说明。
调理后的脉冲信号分别进入2路脉冲采集网络的比较器输入，下图8为比较器阈值设置方法示意图。D/A转换器设置的比较器阈值电压VREF和脉冲信号VPULSE输入到比较器进行电平比较，VBASE为电机转轴的系统扰动噪声幅值。
当VPULSE>VREF>VBASE时，脉冲信号通过比较器和高速光耦的输出为高电平。
当VREF>VPULSE>VBASE时，脉冲信号通过比较器和高速光耦的输出为低电平。
由于原始键相脉冲信号的幅值大小不一，由图8可以看出，若比较器阈值设置过大(VREF>VREF(b))，则存在键相脉冲采集不到，或者丢失部分脉冲的可能(例如图8中VREF(a)脉冲输出丢失)；若键相脉冲设置过小(VREF<VBASE)，则存在系统干扰误触发脉冲采集的可能(此时脉冲时间间隔存在随机无规律突变)；当且仅当比较器阈值设置在系统扰动幅值VBASE和最小键相脉冲幅值VREF(b)之间时，系统才能输出完整、有规律变化的键相脉冲信号。
系统初始运行时，根据系统设定的参考阈值序列，两路脉冲采集网路从阈值序列两端同时进行脉冲间隔扫描。当任意一路出现连续有序的脉冲间隔时，将此刻ADC回采到的阈值电压VREF(n)，设置为第1路脉冲采集网络的比较器阈值，第1路脉冲采集网络的脉冲输出作为键相脉冲输入给处理器进行采样。两路采集网路同时扫描，可快速适配到合适的比较器参考阈值。如图9所示。
系统运行过程中，第1路脉冲采集网络的输出作为键相脉冲输出给处理器进行采样，此时第2路脉冲采集网络进入跟踪扫描模式，具体方法如下：不断微调比较器参考阈值VRE2F，使其跟踪电机转轴系统扰动幅值VBASE。由图8可知，当VREF2>VBASE时，脉冲输出间隔稳定有规律；当VREF2<VBASE时，脉冲输出间隔会有不规律扰动，此时不断轻微上调VREF2，当脉冲输出间隔稳定时，停止调整VREF2，此时的VREF2≈VBASE，将此值记入电机特征数据库。
当第1路脉冲采集网络因比较器阈值失调而导致键相脉冲丢失时，由于第2路脉冲采集网络跟踪在系统扰动VBASE附近，远低于第1路脉冲采集网络的比较器阈值，其输出的监视脉冲信息比较完整，可根据第1路脉冲采集网络的脉冲间隔补足失调期间的键相脉冲信号，起到冗余备用的作用，做到第1路脉冲采集网络调整阈值期间的脉冲不间断输出。另外，第1路脉冲采集网络可根据第2路脉冲采集网络跟踪的安全阈值下限VBASE，快速下调VREF1，重新适配到新的采集阈值。
VBASE特征数据库配合电机启停、调频调压等信号，可建立不同运行模式时电机振动特征数据库，便于进行电机运行模式识别，智能适配不同运行模式键相脉冲采集阈值。另外电机故障、脉冲传感器故障时，电机转轴的系统扰动基值VBASE会发生明显变化，可根据系统VBASE特征数据库为电机故障、脉冲传感器故障提供故障预警的功能。
综上所述，本发明提供一种键相脉冲智能采集装置及其采集方法,该装置包括信号调理电路和双环路脉冲采集网络；信号调理电路对原始键相脉冲信号进行滤波、衰减、放大和电平转换后发送给所述双环路脉冲采集网络；双环路脉冲采集网络包括第1路脉冲采集网络和第2路脉冲采集网络；第1路脉冲采集网络用于采集键相脉冲信号；第2路脉冲采集网络用于比较器阈值筛选、异常脉冲监测和脉冲信号恢复。该方法采用该装置执行。本发明采用双环路脉冲采集网络，当第1路脉冲采集网络失调时，第2路脉冲采集网络可快速为第1路脉冲采集网络提供新的比较器阈值，并弥补第1路脉冲采集网络失调期间丢失的键相脉冲。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种键相脉冲智能采集装置，其特征在于，包括信号调理电路和双环路脉冲采集网络；
所述信号调理电路对原始键相脉冲信号进行滤波、衰减、放大和电平转换后发送给所述双环路脉冲采集网络；
所述双环路脉冲采集网络包括第1路脉冲采集网络和第2路脉冲采集网络；所述第1路脉冲采集网络用于采集键相脉冲信号；所述第2路脉冲采集网络用于比较器阈值筛选、异常脉冲监测和脉冲信号恢复。
2.根据权利要求1所述的键相脉冲智能采集装置，其特征在于，所述信号调理电路包括依次连接的电阻分压网络、运算放大器和电压跟随器。
3.根据权利要求1或2所述的键相脉冲智能采集装置，其特征在于，所述第1路脉冲采集网络包括处理器、数字隔离芯片、D/A转换电路1、比较器1、高速光耦1和ADC回采电路；所述第2路脉冲采集网络包括处理器、数字隔离芯片、D/A转换电路2、比较器2、高速光耦2和ADC回采电路；所述第1路脉冲采集网络和所述第2路脉冲采集网络的处理器、数字隔离芯片和ADC回采电路共用。
4.根据权利要求1-3任一项所述的键相脉冲智能采集装置，其特征在于，还包括EMC防护电路，用于保护同步相量测量单元PMU；所述EMC防护电路包括Y电容、压敏电阻和TVS管。
5.根据权利要求1-4任一项所述的键相脉冲智能采集装置，其特征在于，还包括智能模式识别单元，通过收集所述第2路脉冲采集网络的比较器回采基值、脉冲输出数据，组建模式识别学习数据库。
6.一种键相脉冲智能采集方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的键相脉冲智能采集装置进行采集，包括如下步骤：
系统初始运行时：
根据系统设定的参考阈值序列，两路脉冲采集网路从阈值序列两端同时进行脉冲间隔扫描；
当任意一路出现连续有序的脉冲间隔时，将此刻ADC回采到的阈值电压VREF(n)，设置为第1路脉冲采集网络的比较器阈值，采集第1路脉冲采集网络的脉冲输出作为键相脉冲输出给处理器进行采样；
系统运行过程中：
采集第1路脉冲采集网络的输出作为键相脉冲输出给处理器进行采样，第2路脉冲采集网络进入跟踪扫描模式：不断微调比较器参考阈值VREF2，使其跟踪电机转轴系统扰动幅值VBASE；
当VREF2>VBASE时，脉冲输出间隔稳定有规律；当VREF2<VBASE时，脉冲输出间隔会有不规律扰动，不断轻微上调VREF2，当脉冲输出间隔稳定时，停止调整VREF2，此时VREF2≈VBASE，将此值记入电机特征数据库。
7.根据权利要求6所述的键相脉冲智能采集方法，其特征在于，当第1路脉冲采集网络采集的脉冲因比较器阈值失调而导致键相脉冲丢失时，根据第2路脉冲采集网络的脉冲间隔补足失调期间的键相脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的键相脉冲智能采集方法，其特征在于，第1路脉冲采集网络根据第2路脉冲采集网络跟踪的安全阈值下限VBASE下调VREF1，重新适配到新的采集阈值。
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