CN116338558B - 一种直流电压宽频数字量标准器及使用方法 - Google Patents

一种直流电压宽频数字量标准器及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流电压宽频数字量标准器，包括：阻容分压模块、信号调理模块、AD转换模块和主控模块；直流电压经所述阻容分压模块分压后，由所述信号调理模块进行滤波和AD回路信号输入阻抗调节，再由所述AD转换模块转换为数字量传输给所述主控模块；所述信号调理模块包括运算放大器;所述阻容分压模块包括电阻R1、R2，直流电压依次通过电阻R1、R2接地；电容C1、C2分别与电阻R1、R2并联；电容C1、C2的分压比与电阻R1、R2的分压比一致；所述信号调理模块采集电阻R1、R2连接处电压VIN。本发明在高精度的阻容分压，交直流不同变比的情况下通过阻容分压与前置采集一体化设计的方案，利用积分补偿获得高精度的原始电压信号。

Description

一种直流电压宽频数字量标准器及使用方法
技术领域
本发明涉及一种直流电压宽频数字量标准器及使用方法，属于电计量技术领域。
背景技术
直流电压互感器给换流站的控制与保护提供准确可靠的电压测量信息，其运行可靠性和测量准确性直接关系到直流控保系统的运行稳定性及可靠性，是直流输电系统中的重要环节。为保证直流电压互感器的传变精度以及传变特性，需要对直流电压互感器进行投运前试验和周期性定检。在现场运行过程中，由于缺乏相关标准规程和统一完善的现场校验方法及测试装置，直流电压互感器现场测试一般只能进行直流电压开环试验，这种测试方法不仅对直流源的稳定性要求极高，而且难以实现试品与直流源的同步测量，此时也无法进行直流电压的频率响应以及阶跃响应试验。目前，基于同源回采比对的闭环校验方法是直流互感器测试技术的研究新方向。
直流电压互感器闭环校验系统由直流电压源、标准器及校验仪本体三部分组成。标准器采集直流电压源输出的模拟量信号，转换为数字信号后经光纤通道传输至校验仪本体，实现直流互感器的闭环回采比对校验。标准器把标准源模拟信号转换为数字信号，将一次系统与校验系统隔离，提高了现场测试的安全性，标准器的采样特性及运行稳定性是直流互感器校验体系中的重要环节。实际应用中，由于测试内容不同（稳态测试和暂态测试），且直流标准源接口不统一（小电压输出、小电流输出、大电流输出等），现场采用的直流互感器前置单元种类繁多，其对应的采样速率、采样范围、低通滤波回路都有区别，现场测试过程中需要反复更换前置单元，测试操作繁琐。
目前直流电子式互感器的现场检测技术包括开环测试和闭环测试两类。
开环测试参考图1，采用高精度直流源输出直流信号，经直流互感器传变后，接入测试仪表，通过人工方式比对直流互感器输出信号与原始直流源输出信号的差异，对直流互感器传变特性进行校验。
闭环测试参考图2，直流电压源输出直流电压信号，经直流电压互感器传变后再转为光纤数字信号，接入校验仪作为试品信号；同时，直流电压标准器将一次电压信号转换为小电压信号后送至直流互感器作为标准信号。直流互感器校验仪比较试品与标准信号完成直流电压互感器的校验工作。
现有的测试方式存在以下缺陷：
1、目前的直流互感器闭环测试方式，直流电压标准分压器一般采用电阻分压或阻容分压，这两种分压方式输出的小电压信号，小电压信号在传递过程中容易遭受干扰以及导线的电压较低影响而导致信号失真。且输出的小电压信号与一次电压信号共地，当电压阶跃时，地网上会产生高频高电压容易造成测试仪的损坏，且与测试人员过近没有安全性。
2、电阻分压时由于杂散电容的影响，暂态阶跃测试、频率响应测试时，交流变比具有随机性严重影响测试回路的测试结果。
3、阻容分压时，由于电容精度难以把握，很难与电阻实现高精度匹配，基本实现不了实现全频谱的等比传递，经常会出现交直流不同的变比标定。单独进行直流电压测试、以及交流电压测试时不受影响，但暂态阶跃响应测试、交直流频率混叠测试时就很难实现。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种直流电压宽频数字量标准器及使用方法，该标准器在高精度的阻容分压，交直流不同变比的情况下通过阻容分压与前置采集一体化设计的方案，利用积分补偿获得高精度的原始电压信号。
本发明的技术方案如下：
第一方面
一种直流电压宽频数字量标准器，包括：阻容分压模块、信号调理模块、AD转换模块和主控模块；
直流电压经所述阻容分压模块分压后，由所述信号调理模块进行滤波和AD回路信号输入阻抗调节，再由所述AD转换模块转换为数字量传输给所述主控模块；所述信号调理模块包括运算放大器；
所述阻容分压模块包括电阻R1、R2，直流电压依次通过电阻R1、R2接地；电容C1、C2分别与电阻R1、R2并联；电容C1、C2的分压比与电阻R1、R2的分压比一致；
所述信号调理模块采集电阻R1、R2连接处电压VIN。
进一步的，所述直流电压为10kV，所述电阻R1、R2分别为5MΩ、2.5kΩ。
进一步的，所述信号调理模块具体为：所述运算放大器的引脚6依次通过电阻R14、R13接地，运算放大器的引脚2与电阻R14、R13的连接处连接，电阻R14另一端与运算放大器的引脚6连接，所述运算放大器的引脚4、引脚7分别与-12V、+12V电压连接；所述运算放大器的引脚3分两路，一路通过电容CA12接地，一路依次通过电阻R12、R11与电压VIN连接；电阻R12、R11的连接处分两路，一路通过电容CA10接地，另一路与所述运算放大器的引脚6连接；电压VIN通过瞬态抑制二极管T1、TVS接地。
进一步的，还包括光纤收发模块，所述光纤收发模块与所述主控模块通信连接。
第二方面
一种直流电压宽频数字量标准器的使用方法，通过第一方面所述直流电压宽频数字量标准器输出电压信号，所述AD转换模块为可变采样率的AD转换模块；
采样时，控制AD转换定时中断，启动AD转换信号，控制AD转换的采样周期；
通过所述主控模块输出数字化采样的发送同步脉冲，调节AD转换的采样发送周期，每个采样发送周期内包含N个AD转换中断，首个AD转换中断由发送同步脉冲上升沿发起，其余AD转换中断由转换中断计数器控制；
在有效误差范围内，将AD转换中断计数器分为若干档位，并从第一个AD转换中断计数开始，对计数器进行一个时钟单位的修正，修正公式如下：
；
其中，NI i 为AD转换周期的计数器，i为当前中断序号，NP为发送同步脉冲的计数器，N为每个发送周期内的AD转换次数。
进一步的，多片AD转换计数器间采用多组并发方式的转换控制及数据读取，转换开始同时使能AD转换的繁忙指示信号，当AD转换结束后实时获取所对应通道的采样数据，AD转换公式如下：
；
其中，S 0 为AD转换后输出的数字量，V i 为输入电压模拟量，V max 为电压输入范围。
进一步的，包括对采样数据进行积分补偿处理，具体为：
根据阻容元件的微分方程得到：
；
其中，、/>分别为直流电压、采样电压，/>、/>分别为流经电阻R1、R2的电流，
根据基尔霍夫定律，得到式1：
；
令；
其中，为当前采样；
将式1转化为离散采样值公式，并带入，得到；
；
根据电压起始点的值计算；
将第n次采样后得到的、/>相加，得到当前电压的采样值/>。
进一步的，当采样值为0时，令/>为0。
进一步的，包括数据发送，采用高波特率的曼彻斯特编码发送，每10个采样点发送一帧数据，每帧数据内，采样点按顺序排列，协议被附加起始符、采样技术器和CRC校验码。
进一步的，AD转换、积分补偿和数据发送采用并行流水线处理技术，共享同一系统时钟，相互独立执行，并行占用内部硬件资源。
本发明具有如下有益效果：
1.采用阻容分压，电容采用uF级电容有效解决纯电阻分压时杂散电容对高频信号分压比的影响。
2.信号调理回路采用隔离放大器，可提高AD采样回路的内阻，从而不改变阻容分压回路的分压比。
3.采用数字输出内置高性能FPGA芯片快速实现采样后的积分补偿算法，有效滤除高精度电阻与电容高低压臂的衰减常数不一致时所导致的各频谱输出信号精度变化所导致的测试误差。
4.采用积分前零漂滤除后进行过0检测确定积分起始点，以防止积分过程的累计误差。
5.采用数字量输出将阻容分压与前端采样一体化设计，光纤传输数据可有效解决回路干扰问题。
附图说明
图1为直流互感器开环测试系统。
图2为直流互感器闭环测试系统。
图3为本发明实施例模块示意图。
图4为本发明实施例的阻容分压模块示意图。
图5为本发明实施例的信号调理模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
第一方面
参考图3-4一种直流电压宽频数字量标准器，包括：阻容分压模块、信号调理模块、AD转换模块和主控模块；
直流电压经所述阻容分压模块分压后，由所述信号调理模块进行滤波和AD回路信号输入阻抗调节，再由所述AD转换模块转换为数字量传输给所述主控模块；所述信号调理模块包括运算放大器；
所述阻容分压模块包括电阻R1、R2，直流电压依次通过电阻R1、R2接地；电容C1、C2分别与电阻R1、R2并联；电容C1、C2的分压比与电阻R1、R2的分压比一致；
所述信号调理模块采集电阻R1、R2连接处电压VIN。
在本发明的一种具体实施例中，所述主控模块为FPGA，直流电压信号经过电阻R1、R2分压后，由信号调理模块经低通滤波处理后对AD回路信号输入阻抗进行调节，由AD转换模块转换为数字量，送入FPGA处理模块，最终由光纤收发模块按数字采样协议输送至外部装置。所有模块的工作电源由可充电的电源模块提供。
直流分压一般采用电阻分压，可同时传变直流电压信号以及高频电压信号，按照直流电压互感器频率响应以及阶跃响应测试的要求，直流电压源输出峰值为10kV直流阶跃电压或高频电压，为了降低杂散电容的影响，在本发明的一些实施例中，所述直流电压为10kV，所述电阻R1、R2分别为5MΩ、2.5kΩ。此时，二次电压输出为5V，主回路的电流为2mA。为了降低杂散电容的影响，电容采用uF级电容。在本发明的部分实施例中，电容C1、C2分别为20pF、40μF。
参考图5，在本发明的一种实施方式中，所述信号调理模块具体为：所述运算放大器的引脚6依次通过电阻R14、R13接地，运算放大器的引脚2与电阻R14、R13的连接处连接，电阻R14另一端与运算放大器的引脚6连接，所述运算放大器的引脚4、引脚7分别与-12V、+12V电压连接；所述运算放大器的引脚3分两路，一路通过电容CA12接地，一路依次通过电阻R12、R11与电压VIN连接；电阻R12、R11的连接处分两路，一路通过电容CA10接地，另一路与所述运算放大器的引脚6连接；电压VIN通过瞬态抑制二极管T1、TVS接地。优选的，所述运算放大器的型号AD8422BRZ。
瞬态抑制二极管T1、TVS能够防止干扰峰值电压对采集模块造成伤害。
比例调节回路采用同相比例运算电路，通过调节电阻R13、R14的阻值，可以改变输出信号与输入信号的比例关系，对原始输入小电压信号比例进行调节，以提高不同测试电压幅值的采样精度，同时起到信号隔离的作用。
低通滤波回路采用二阶有源低通滤波电路，参数同样可调，通过改变电阻R11、R12和电容CA10、CA12的大小，可调整滤波电路输出信号的截止频率，获取对高频干扰信号滤除能力与信号处理延迟时间两者间的平衡点。
信号调理模块内部预设多组不同参数的电阻及电容元件，由数据处理模块选择，实现不同的参数匹配方案。
信号调理模块主要起隔离放大作用，选用高内阻的运算放大器。
第二方面
一种直流电压宽频数字量标准器的使用方法，通过第一方面所述直流电压宽频数字量标准器输出电压信号，所述AD转换模块为可变采样率的AD转换模块；
采样时，控制AD转换定时中断，启动AD转换信号，控制AD转换的采样周期；
通过所述主控模块输出数字化采样的发送同步脉冲，调节AD转换的采样发送周期，每个采样发送周期内包含N个AD转换中断，首个AD转换中断由发送同步脉冲上升沿发起，其余AD转换中断由转换中断计数器控制；
在有效误差范围内（所述有效误差范围为满足AD转换模块规定的误差范围），将AD转换中断计数器分为若干档位，并从第一个AD转换中断计数开始，对计数器进行一个时钟单位的修正，修正公式如下：
；
其中，NI i 为AD转换周期的计数器，i为当前中断序号，NP为发送同步脉冲的计数器，N为每个发送周期内的AD转换次数。
最少情况下，所有AD转换中断计数器均无需修正；最大情况下，所有计数器均需要修正。
该修正方式可以保证AD转换周期的变化最大不超过两个时钟单位。
将AD转换中断计数器分为若干档位能够针对不同档位进行修正，在一种具体实施例中，根据采样发送周期内AD转换中断数来进行挡位划分。
在本发明的一种实施方式中，多片AD转换计数器间采用多组并发方式的转换控制及数据读取，能够提高AD采样频率，转换开始同时使能AD转换的繁忙指示信号，当AD转换结束后实时获取所对应通道的采样数据，AD转换公式如下：
；
其中，S 0 为AD转换后输出的数字量，V i 为输入电压模拟量，V max 为电压输入范围。
使能AD转换的繁忙指示信号时主控模块无法对该AD转换进行读写。
进一步的，包括对采样数据进行积分补偿处理，具体为：
根据阻容元件的微分方程得到：
；
其中，、/>分别为直流电压、采样电压，/>、/>分别为流经电阻R1、R2的电流，
根据基尔霍夫定律，得到下式：
；
令；
其中，为当前采样；
将式1转化为离散采样值公式，并带入，得到；
；
根据电压起始点的值计算；
将第n次采样后得到的、/>相加，得到当前电压的采样值/>。
如，第一次采样后得到：
；
第二次采样后得到：
；
第三次采样后得到：
；
则，第三次采样后电压的采样值。
为了防止长期积分过程出现累加误差，在本发明的一种实施方式中，当采样值为0时，令/>为0。当采样速率足够高时，直接采用过零判断即可实现零点检测，检测零点后/>，同时可知此时/>。
在本发明的一种实施方式中，包括数据发送，采用高波特率的曼彻斯特编码发送，每10个采样点发送一帧数据，每帧数据内，采样点按顺序排列，协议被附加起始符、采样技术器和CRC校验码。
在本发明的一种实施方式中，AD转换、积分补偿和数据发送采用并行流水线处理技术，共享同一系统时钟，相互独立执行，并行占用内部硬件资源。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种直流电压宽频数字量标准器，其特征在于，包括：阻容分压模块、信号调理模块、AD转换模块和主控模块；
直流电压经所述阻容分压模块分压后，由所述信号调理模块进行滤波和AD回路信号输入阻抗调节，再由所述AD转换模块转换为数字量传输给所述主控模块；所述信号调理模块包括运算放大器;
所述阻容分压模块包括电阻R1、R2，直流电压依次通过电阻R1、R2接地；电容C1、C2分别与电阻R1、R2并联；电容C1、C2的分压比与电阻R1、R2的分压比一致；
所述信号调理模块采集电阻R1、R2连接处电压VIN；
所述信号调理模块具体为：所述运算放大器的第六引脚依次通过电阻R14、R13接地，运算放大器的第二引脚与电阻R14、R13的连接处连接，电阻R14另一端与运算放大器的第六引脚连接，所述运算放大器的第四引脚、第七引脚分别与-12V、+12V电压连接；所述运算放大器的第三引脚分两路，一路通过电容CA12接地，一路依次通过电阻R12、R11与电压VIN连接；电阻R12、R11的连接处分两路，一路通过电容CA10接地，另一路与所述运算放大器的第六引脚连接；电压VIN通过瞬态抑制二极管T1、TVS接地。
2.根据权利要求1所述直流电压宽频数字量标准器，其特征在于，所述直流电压为10kV，所述电阻R1、R2分别为5MΩ、2.5kΩ。
3.根据权利要求1所述直流电压宽频数字量标准器，其特征在于，还包括光纤收发模块，所述光纤收发模块与所述主控模块通信连接。
4.一种直流电压宽频数字量标准器的使用方法，通过权利要求1-3任一所述直流电压宽频数字量标准器输出电压信号，其特征在于，所述AD转换模块为可变采样率的AD转换模块；
采样时，控制AD转换定时中断，启动AD转换信号，控制AD转换的采样周期；
通过主控模块输出数字化采样的发送同步脉冲，调节AD转换的采样发送周期，每个采样发送周期内包含N个AD转换中断，首个AD转换中断由发送同步脉冲上升沿发起，其余AD转换中断由转换中断计数器控制；
在有效误差范围内，将AD转换中断计数器分为若干档位，并从第一个AD转换中断计数开始，对计数器进行一个时钟单位的修正，修正公式如下：
；
其中，NI i 为AD转换周期的计数器，i为当前中断序号，NP为发送同步脉冲的计数器，N为每个发送周期内的AD转换次数。
5.根据权利要求4所述直流电压宽频数字量标准器的使用方法，其特征在于，多片AD转换计数器间采用多组并发方式的转换控制及数据读取，转换开始同时使能AD转换的繁忙指示信号，当AD转换结束后实时获取所对应通道的采样数据，AD转换公式如下：
；
其中，S 0 为AD转换后输出的数字量，V i 为输入电压模拟量，V max 为电压输入范围。
6.根据权利要求4所述直流电压宽频数字量标准器的使用方法，其特征在于，包括对采样数据进行积分补偿处理，具体为：
根据阻容元件的微分方程得到：
；
其中，、/>分别为直流电压、采样电压，/>、/>分别为流经电阻R1、R2的电流；
根据基尔霍夫定律，得到式1：
；
令；
其中，为当前采样；
将式1转化为离散采样值公式，并带入，得到；
；
根据电压起始点的值计算；
将第n次采样后得到的、/>相加，得到当前电压的采样值/>。
7.根据权利要求6所述直流电压宽频数字量标准器的使用方法，其特征在于，当采样值为0时，令/>为0。
8.根据权利要求6所述直流电压宽频数字量标准器的使用方法，其特征在于，包括数据发送，采用高波特率的曼彻斯特编码发送，每10个采样点发送一帧数据，每帧数据内，采样点按顺序排列，协议被附加起始符、采样技术器和CRC校验码。
9.根据权利要求6所述直流电压宽频数字量标准器的使用方法，其特征在于，AD转换、积分补偿和数据发送采用并行流水线处理技术，共享同一系统时钟，相互独立执行，并行占用内部硬件资源。
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