CN201876484U - 高电压信号调理与数据采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高电压信号调理与数据采集装置，包括分别与外部的三相电压传感器相联接的三相电压信号输入通道，每一相电压信号输入通道均依次联接二次分压模块、前置信号调理模块和信号触发模块，通过数据采集处理模块对每一相电压信号采集通道输入的电压信号进行采集处理后，由接口电路输出；本系统能提供实时监测的过电压波形，并将采集信号转换为特定格式的过电压数据，根据识别要求对采集数据进行预处理（包括滤波和频率变换）；过电压信号经本系统预处理后，信号成分相对单一，能够较好地提取过电压特征参量，进而方便下一步的识别工作。
Description
技术领域
本实用新型涉及高电压技术中的电压信号检测领域，特别涉及一种高电压信号调理与数据采集装置。
背景技术
现代社会对电力系统供电的可靠性要求越来越高。造成电力系统供电中断的原因众多，但绝缘的击穿是造成停电的主要原因，而在绝缘事故中由于过电压引起的事故又占主导地位。电网过电压特别是内部过电压的，对电气设备和线路绝缘造成了严重的威胁；雷电过电压对220kV等级以下的系统绝缘也造成了严重威胁，电气设备过电压事故的频繁发生，给电网和工农业生产带来了巨大的损失。随着电网的迅速建设与发展，输电线路输电电压等级、输送容量都在不断提高。因此，电力系统过电压是发展高压和超高压电网所必须研究的重要课题，它不仅关系到发电机、变压器、输电线路等电力设备绝缘强度的合理设计，而且直接影响到电力系统的安全运行。电力系统中的过电压发生类型多种多样，发生机理不尽相同，波形、幅值、持续时间也不相同。在实际运行中，各种过电压出现后，各种故障往往交织在一起，为后续的故障原因分析带来困难。
过电压信号携带着丰富的电力系统运行状态信息。利用目前监测到的过电压信号进行特征提取以及识别算法研究，实现过电压类型的自动识别和诊断，对保证电网安全运行具有十分重要的意义。
在这一过程中，对各种过电压的波形的实时采集，存储以及数据维护是至关重要的一个环节，由于电力系统中的过电压信号包含了丰富的频率成份，其频带最高可达数十兆赫兹，因此对于高电压信号调理与数据采集装置的设计提出了很高的要求。
发明内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种高电压信号调理与数据采集装置，该系统包括了多个配合模块，严格区分了各个模块的功能，能提供实时监测的过电压波形，并将采集信号转换为特定格式的过电压数据，根据识别要求对采集数据进行预处理（包括滤波和频率变换）；过电压信号经本系统预处理后，信号成分相对单一，能够较好地提取过电压特征参量，进而方便下一步的识别工作。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
该高电压信号调理与数据采集装置，包括分别与外部的三相电压传感器相联接的三相电压信号输入通道，每一相电压信号输入通道均依次联接二次分压模块、前置信号调理模块和信号触发模块，通过数据采集处理模块对每一相电压信号采集通道输入的电压信号进行采集处理后，由接口电路输出；
其中，所述二次分压模块用于将输入的大幅值信号按比例进行减小，其输入端与外部的电压信号源相联接，其输出端分为两路，其中一路送入前置信号调理模块进入滤波后再送入数据采集模块的信号输入端，另一路送入信号触发模块进行输入电压信号比较，所述信号触发模块的输出端与数据采集处理模块的触发端相联接。
进一步，所述二次分压模块包括第一级分压电路和第二级分压电路，所述第一级分压电路的输出端与第二级分压电路的输入端之间通过跳线I联接，所述第二级分压电路的输出端与前置信号调理模块的输入端之间通过跳线II联接，所述第一级分压电路与前置信号调理模块的输入端之间通过跳线III联接；
进一步，所述前置信号调理模块包括前级电压跟随电路和后级有源滤波电路，所述后级有源滤波电路的输出端与数据采集处理模块的输入端相联接；
进一步，所述信号触发模块包括反相器、电压比较器、光电耦合器和触发逻辑门电路，从分压电路输入的电压信号分两路进入信号触发模块且通过两个电压比较器分别实现正、负极性电压比较触发，所述电压比较器的参考电平通过同一参考电压源提供，其中负极性电压比较参考电平由参考电压源输出经反相器提供，所述电压比较器的输出信号经光电耦合器隔离后通过触发逻辑门电路形成触发逻辑电平；
进一步，所述数据采集处理模块包括三相模拟量输入通道、存储器和可编程逻辑控制器，所述每一相模拟量输入通道通过依次联接信号调理子模块和模数转换子模块，将前置信号调理模块输入的电压信号进行模数转换后输入至存储器，所述可编程逻辑控制器包括触发逻辑控制子模块、存储器接口子模块、时钟/时序控制电路和总线接口电路，所述触发逻辑控制子模块用于接受信号触发模块发出的触发信号，所述存储器接口子模块用于与存储器之间实现数据传递和地址分配，所述时钟/时序控制电路用于提供系统时钟信号，所述总线接口电路用于与外部工控机总线相联接。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型的高电压信号调理与数据采集装置包括了二次分压模块、前置信号调理模块、信号触发模块和数据采集处理模块，其中，二次分压模块提供了足够宽的幅值调节范围与频率范围、准确的分压系数和高值且恒定的输入阻抗，信号经过二次分压后不产生非线性失真，同时，二次分压模块通过设计成两级二次分压衰减，可以根据实际需要通过跳线进行调整，提高了其适用范围和灵活性；前置信号调理模块的驱动负载能力强，能保证输出信号的完整性等优点，可以充分满足过电压监测的要求；本实用新型的触发模块采用了双比较器组成窗口检测电路，实现不同极性过电压的触发判断，能有效地抑制干扰信号，提供稳定触发信号；本实用新型的数据采集处理模块具有每通道40MHz的并行转换速度，同时支持多种触发模式，并能针对过电压数据采集作了专门优化，硬件上具有可灵活更改设计的特性；
2.本系统能提供实时监测的过电压波形，并将采集信号转换为特定格式的过电压数据，根据识别要求对采集数据进行预处理（包括滤波和频率变换）；过电压信号经本系统预处理后，信号成分相对单一，能够较好地提取过电压特征参量，进而方便下一步的识别工作。
本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：
图1为过电压在线监测数据采集系统原理框图
图2为本实用新型的二次分压模块的电路结构连接示意图；
图3为前置信号调理模块的电路连接示意图；
图4为信号触发模块的原理框图；
图5为A相信号触发模块的电路连接图；
图6为触发实测波形图；
图7为数据采集处理模块的结构框架示意图；
图8为预触发采样模式示意图；
图9为变频采样模式示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。
本实用新型的高电压信号调理与数据采集装置是根据图1所示的原理框图进行设计的，其具体包括分别与外部的三相电压传感器相联接的三相电压信号输入通道，每一相电压信号输入通道均依次联接二次分压模块、前置信号调理模块和信号触发模块，数据采集处理模块对每一相电压信号采集通道输入的电压信号进行采集处理后，通过接口电路输出；
本系统采用了模拟信号直接耦合的方式实现信号传输，为提高信噪比，设计从传感器输出的信号幅值最高可达60V，这一电压相对于数据采集的输入电压要求仍然较高，不能进行直接采集，因此必须先对信号进行二次分压。分压是指将输入的大幅值信号按比例进行减小，二次分压的要求是有足够宽的幅值调节范围与频率范围、准确的分压系数和高值且恒定的输入阻抗，信号经过二次分压后不产生非线性失真。为达到上述基本要求，本实用新型采用了阻容补偿式二次分压网络，其输入端与外部的电压信号源相联接，其输出端分为两路，其中一路送入前置信号调理模块进入滤波后再送入数据采集模块的信号输入端，另一路送入信号触发模块进行输入电压信号比较，信号触发模块的输出端与数据采集处理模块的触发端相联接。
图2为本实用新型的二次分压模块的电路结构连接示意图，如图所示，本实施例中，二次分压模块包括第一级分压电路和第二级分压电路，第一级分压电路包括电阻R102、电阻R103、电阻R104、电容C102和电容C103，其连接方式如下：电阻R103和电容C102串联后与电阻R102 并联，电容C102与电阻R102 的公共端作为二次分压模块的输入端接入电压信号，而电容C102与电阻R103接电容C103后接地，电阻R102与电阻R103的公共端接电阻R104后接地。第二级分压电路包括R105、电阻R106、电阻R107、电容C104和电容C105，各器件之间的连接方式和第一级分压电路的联接方式相同，其中，第一级分压电路的输出端与第二级分压电路的输入端之间通过跳线I JP11联接，第二级分压电路的输出端与前置信号调理模块的输入端之间通过跳线II JP13联接，第一级分压电路与前置信号调理模块的输入端之间通过跳线III JP12联接。本实用新型中设计了两级二次分压衰减，在实际应用中可以根据实际需要通过跳线进行调整。
图3为前置信号调理模块的电路连接示意图，如图所示，前置信号调理模块包括前级电压跟随电路和后级有源滤波电路，后级有源滤波电路的输出端与数据采集处理模块的输入端相联接。其中，前级电压跟随电路包括运算放大器U11A和电阻R109，运算放大器U11A的正相输入端作为前置信号调理模块的输入端，电阻R109设置在运算放大器U11A的反相输入端与输出端之间；后级有源滤波电路包括运算放大器U11B、电阻R111、R112、R113、R114和电容C106和C107，运算放大器U11B的正相输入端通过串联的电阻R111和R112联接至运算放大器U11A的输出端，电阻R111和R112的公共接点通过电容C106连接至运算放大器U11B的输出端，运算放大器U11B的反相输入端和输出端之间通过电阻R114连接，运算放大器U11B的正相输入端通过电容C107接地隔离，其反相输入端通过电阻R113接地。
本实施例中，运算放大器选用Analog Device公司的AD817高速低功耗运算放大器，它具有50MHz单位增益带宽，350V/??s转换速率，最大支持电流7.5mA，驱动负载能力强，即使在驱动一个大电容负载时仍能保证输出信号的完整性等优点。由它组成的电压跟随器可以满足过电压监测的要求。
图4为信号触发模块的原理框图。如图所示，从分压电路输入的电压信号分两路进入信号触发模块且通过两个电压比较器分别实现正、负极性电压比较触发，电压比较器的参考电平通过同一参考电压源提供，其中负极性电压比较参考电平由参考电压源输出经反相器提供，电压比较器的输出信号经光电耦合器隔离后通过触发逻辑门电路形成触发逻辑电平。
触发电路主要实现与预先设定的参考电压比较，当电网发生过电压事故时，能迅速启动A/D转换进行采样。
由于过电压的随机性，事先无法确定发生过电压的极性，因此触发模块采用了双比较器组成窗口检测电路，实现不同极性过电压的触发判断。
图5为A相信号触发模块的电路连接图，其余两相电路原理图与A相一致。图中所示的触发参考电压可以通过调节电位器R15来设定。正常运行时需同时采集A、B、C三相的过电压数据，因此本项目设计了三相触发通道，只要任何一相有过电压发生都会触发。
如图5所示，A相信号触发模块包括反相器U11、电压比较器U12A和U12B、光电耦合器U14和U15、触发逻辑门电路U13A，本实施例中，反相器U11选用TI公司的INA105单位增益差动放大器，INA105是一种增益为1的差动放大器，对称性好，具有很高的共模抑制比。电压比较器选用NS公司的LM319双比较器。其中，反相器U11的第1引脚和第3引脚连接后接地，第1引脚与电位器R15的可调节端连接后再接入电压比较器U12A的正相输入端，反相器U11的第5引脚与第6引脚连接后再接入电压比较器U12B的反相输入端，电压比较器U12A的反相输入端与电压比较器U12B的正相输入端连接后作为A相信号触发模块的电压信号输入端，而电压比较器U12A与电压比较器U12B的输出端分别接入光电耦合器U14和U15的输入端， 而光电耦合器U14和U15的输出端分别接入触发逻辑门电路U13A的输入端口。当电压信号未达到触发参考电平时，电压比较器输出高电平，光耦处于截止状态，与非门输入端均置1，与非门输出为低电平；当电压信号达到触发参考电平时，电压比较器输出低电平，光耦导通，与非门输入端置0，与非门输出为高电平。
图6为A相触发电路实测结果图，如图所示，输入信号采用标准正弦波，图6(a)上半部分为输入信号波形，下半部分为触发电路输出波形。从图中可以看出，图6(a)为临界触发状态。继续增大输入信号幅值，可得到稳定的触发波形，如图6(b)所示。
由于电力系统中的过电压信号包含了丰富的频率成份，其频带最高可达数十兆赫兹，这对数据采集处理模块的设计提出了很高的要求。
图7为数据采集处理模块的结构框架示意图，如图所示，该数据采集处理模块包括三相模拟量输入通道、存储器1和可编程逻辑控制器，每一相模拟量输入通道通过依次联接信号调理子模块3和模数转换子模块4，将前置信号调理模块输入的电压信号进行模数转换后输入至存储器1，可编程逻辑控制器包括触发逻辑控制子模块5、存储器接口子模块6、时钟/时序控制电路7和总线接口电路8，触发逻辑控制子模块5用于接受信号触发模块发出的触发信号，存储器接口子模块6用于与存储器之间实现数据传递和地址分配，时钟/时序控制电路7用于提供系统时钟信号，总线接口电路8用于与外部工控机总线相联接。
本实施例中，数据采集处理模块采用了集成的INSULAD2053，该芯片为三路高速并行A/D转换板，具有每通道40MHz的并行转换速度，同时支持多种触发模式，并针对过电压数据采集作了专门优化，作为16位总线PC插卡，INSULAD2053采用大规模门阵列设计，同时支持在线编程，硬件上具有可灵活更改设计的特性。
本实用新型的工作过程包括以下步骤：
1）将外部电压传感器输入的每一相过电压信号经过分压后分为两路，一路作为过电压信号的采集源，经信号调理后与数据采集处理电路的信号输入端相联接；另一路作为触发源，经信号触发电路接触数据采集处理电路的触发端；
2）信号触发电路将分压后的过电压信号与触发阀值进行比较，如果超过触发阀值，则发出触发信号，数据采集处理电路的内部模块对采集源输入的过电压信号进行调理和模数转换后，将相关数据存入存储器。
在这个采用的过程中，数据采集处理电路采用预触发采样模式，如图8所示，即设存储器的整个长度为L，设保存电网故障前电压波形的长度为L1，在正常状态下，数据采集处理电路的模数转换模块连续在存储器空间内循环存储数据，当触发信号到来后，数据采集处理电路启动内部计数器进行计数，当计数器I计满设定长度（L-L1）后停止采样，设采样停止后的对应的存储器的起点为预触发点，则前面预触发长度数据为预触发数据，后面的为触发后数据。
另外，为解决过电压采集中采样速度与采样深度的矛盾，满足同时监测电力系统内部过电压与大气过电压的需要，INSULAD2053采用了变频采样这一新技术，如图9所示，即设以低速采样频率得到的f2采样得到的数据长度为L2，称为变频采样长度，在正常情况下，数据采集处理电路一直以高速采样频率f1进行连续采样，当触发信号到来后，数据采集处理电路同时启动其内部的计数器I和计数器II从零开始计数，当计数器II计数到设定长度（L-L1-L2）后，自动将采样频率和地址发生器的时钟奇幻为f2，当计数器I计满设定长度（L-L1）后停止采样。
电力系统中的雷电过电压和内部过电压的等效频率和持续时间不同，标准雷电波的波头/波尾时间为1.2/50??s，标准操作过电压的波头/波尾时间为250/2500??s， 其它原因引起的过电压可能持续1秒至几十秒（等效频率相对较低）。如果按照采集雷电过电压的频率（10Msps）持续采集，则采样时间为100毫秒，可能遗漏其它过电压波形。采用变频采样方式后，以10MHz采集频率采集5毫秒后，以100kHz可采10秒数据，可在较长时间内记录系统内部过电压的发展情况。从而可记录不同形式的内部过电压。
INSULAD2053支持软件触发与硬件触发，软件触发为用户设置INSULAD2053为软件触发后，发出启动命令后启动AD转换，INSULAD2053开始转换N个采样点/通道，N位设置的16位采样长度。硬件触发是A/D启动由外部硬件触发决定。INSULAD2053的时钟采用内部时钟。内部时钟的时钟源为一个40MHz有源晶振连接到一个7位可编程计数器上，计数器的设置值设为M，采样速度为：50000/M(KHz)，M=1、2、4、8…128。当时钟每出现一个上升沿时，INSULAD2053进行一次同步转换。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.高电压信号调理与数据采集装置，其特征在于：所述系统包括分别与外部的三相电压传感器相联接的三相电压信号输入通道，每一相电压信号输入通道均依次联接二次分压模块、前置信号调理模块和信号触发模块，通过数据采集处理模块对每一相电压信号采集通道输入的电压信号进行采集处理后，由接口电路输出；
其中，所述二次分压模块用于将输入的大幅值信号按比例进行减小，其输入端与外部的电压信号源相联接，其输出端分为两路，其中一路送入前置信号调理模块进行滤波后再送入数据采集模块的信号输入端，另一路送入信号触发模块进行输入电压信号比较，所述信号触发模块的输出端与数据采集处理模块的触发端相联接。
2.根据权利要求1所述的高电压信号调理与数据采集装置，其特征在于：所述二次分压模块包括第一级分压电路和第二级分压电路，所述第一级分压电路的输出端与第二级分压电路的输入端之间通过跳线I联接，所述第二级分压电路的输出端与前置信号调理模块的输入端之间通过跳线II联接，所述第一级分压电路与前置信号调理模块的输入端之间通过跳线III联接。
3.根据权利要求1或2所述的高电压信号调理与数据采集装置，其特征在于：所述前置信号调理模块包括前级电压跟随电路和后级有源滤波电路，所述后级有源滤波电路的输出端与数据采集处理模块的输入端相联接。
4.根据权利要求1或2所述的高电压信号调理与数据采集装置，其特征在于：所述信号触发模块包括反相器、电压比较器、光电耦合器和触发逻辑门电路，从分压电路输入的电压信号分两路进入信号触发模块且通过两个电压比较器分别实现正、负极性电压比较触发，所述电压比较器的参考电平通过同一参考电压源提供，其中负极性电压比较参考电平由参考电压源输出经反相器提供，所述电压比较器的输出信号经光电耦合器隔离后通过触发逻辑门电路形成触发逻辑电平。
5.根据权利要求1或2所述的高电压信号调理与数据采集装置，其特征在于：所述数据采集处理模块包括三相模拟量输入通道、存储器和可编程逻辑控制器，所述每一相模拟量输入通道通过依次联接信号调理子模块和模数转换子模块，将前置信号调理模块输入的电压信号进行模数转换后输入至存储器，所述可编程逻辑控制器包括触发逻辑控制子模块、存储器接口子模块、时钟/时序控制电路和总线接口电路，所述触发逻辑控制子模块用于接受信号触发模块发出的触发信号，所述存储器接口子模块用于与存储器之间实现数据传递和地址分配，所述时钟/时序控制电路用于提供系统时钟信号，所述总线接口电路用于与外部工控机总线相联接。
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