CN202886471U - 多通道泄露电流相位差检测设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电流相位差检测装置。一种多通道泄露电流相位差检测设备，包括前端信号调理电路、AD采集电路和DSP处理器，参考信号以及采集的多路泄漏电流信号经过精密电阻转换为电压信号输入到前端信号调理电路，前端信号调理电路对信号进行降噪、滤波处理后传送到AD采集电路，对AD采集电路输出的采样信号利用数字滤波技术进行FFT、IFFT、滤波处理，AD采集电路输出采样信号发送到数字滤波器FPGA，数字滤波器FPGA将进行处理后的数据传送到DSP处理器，通过DSP处理器进行相位差计算并输出。本实用新型结构简单、计算速度快、实时性高，精确实现了对介质损耗进行实时在线监测。有利于电力系统的安全和稳定运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电流相位差检测装置，特别是涉及一种多通道泄露电流相位差检测设备。
背景技术
电力电容器是电力系统中重要的功率补偿设备，电力电容器的稳定性和可靠性直接影响电力系统的安全和稳定。因此，常常需要对电力电容器的运行状态进行实时在线监测。评估电力电容器运行状态的重要参数为介质损耗因数tan(δ)，该参数可以通过电流传感器监测电力电容器的泄露电流与参考源的相位差得到。目前对泄露电流相位差监测存在如下问题：1）相位差检测精度低，传统的相位差检测设备采用简单的谐波分析方法计算精度低；2）相位差测试结果随着工作温度漂移大，传统的相位差检测设备利用阻容器件设计滤波器，器件参数值随温度变化而变化，导致滤波器参数变化，从而引起相位差计算结果的偏差；3）计算时间长，实时性不高。在电力系统中，电容器的介损角是一个很小的数值，一般介于0.001～0.02rad之间，在实际的测量过程中，由于电力线上复杂的噪音和干扰，难以得到精确的计算结果。因此，如何准确测量电力电容器的介质损耗因数，是电力系统中的一个难题。
发明内容
本实用新型针对现有技术不足，提出一种快速、精确的电流相位差检测设备，为准确测量电力电容器的介质损耗因数奠定了基础。
本实用新型所采用的技术方案：
一种多通道泄露电流相位差检测设备，包括前端信号调理电路、AD采集电路和DSP处理器，参考信号以及采集的多路泄漏电流信号经过精密电阻转换为电压信号输入到前端信号调理电路，前端信号调理电路对信号进行降噪、滤波处理后传送到AD采集电路，对AD采集电路输出的采样信号利用数字滤波技术进行FFT、IFFT、滤波处理，AD采集电路输出采样信号发送到数字滤波器FPGA，数字滤波器FPGA将进行处理后的数据传送到DSP处理器，通过DSP处理器进行相位差计算并输出。
所述的多通道泄露电流相位差检测设备，前端信号调理电路用于对信号进行增益调整和简单滤波，采用三级调理电路，参考通路第一级调理电路采用集成运算放大器实现固定增益的放大，泄漏电流的第一级通路采用可调增益模式的集成运算放大器，通过多通路模拟开关MAX308ESE调整一级信号电压输出在合适幅度，MAX308ESE的模拟开关通路选择控制端CS_A10、CS_A11、CS_A12受控连接DSP处理器，第一级调理电路输出信号级联至第二级调理电路，第二级调理电路设计为Sallen-Key低通滤波器，第三级调理电路采样加法器将信号直流电平调整到2.5V，使得信号满足AD的采样范围，并且将信号的调理与AD采集隔离，以防止输入阻抗变化对信号的影响。
所述的多通道泄露电流相位差检测设备，AD采样电路采用AD转换芯片AD8365，DSP处理器采样控制芯片TMS320F28335，数字滤波器FPGA进行处理后的数据传送到TMS320F28335，控制芯片TMS320F28335对前端调理电路的增益系数进行调节，并利用片上定时器输出，作为采样时钟输出给AD8365，进行启动采样和停止采样；FPGA运算、处理的启动停止控制功能由TMS320F28335完成。
所述的多通道泄露电流相位差检测设备，含有相位差补偿电路，采用温度传感器获取工作温度，利用已测的温度与相位差的标定数值，对不同温度下的相位差计算结果进行修正，温度传感器采用型号为TMP121的数字温度传感器，TMP121通过SPI总线接口与TMS320F28335连接，实现对工作温度的采集，并进行相位差补偿。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型多通道的泄漏电流相位差检测设备，结构简单、计算速度快、实时性高，精确实现了对介质损耗进行实时在线监测。有利于电力系统的安全和稳定运行。
2、本实用新型多通道的泄漏电流相位差检测设备，利用片上温度传感器实时监测系统的工作温度，采用温度补偿方法，利用预设标定值进行相位差补偿，能够对相位差的温度偏移进行有效抑制和补偿，受工作环境影响小，适于实际的电力环境，应用广泛。
附图说明
图1：本实用新型多通道的泄漏电流相位差检测设备系统组成结构图；
图2：参考通道第一级调理电路；
图3：泄流电流通道第一级调理电路；
图4：第二级调理电路；
图5：第三级调理电路；
图6：AD8365电路图；
图7：数字滤波器FPGA原理图；
图8：TMS320F28335电路图；
图9：温度传感器电路图.
具体实施方式
实施例一：参见图1，本实用新型多通道泄露电流相位差检测设备，包括前端信号调理电路、AD采集电路和DSP处理器，参考信号以及采集的多路泄漏电流信号经过精密电阻转换为电压信号输入到前端信号调理电路，前端信号调理电路对信号进行降噪、滤波处理后传送到AD采集电路，对AD采集电路输出的采样信号利用数字滤波技术进行FFT、IFFT、滤波处理，AD采集电路输出采样信号发送到数字滤波器FPGA，数字滤波器FPGA将进行处理后的数据传送到DSP处理器，通过DSP处理器进行相位差计算并输出。
实施例二：参见图1、图9，本实施例的多通道泄露电流相位差检测设备，含有相位差补偿电路，采用温度传感器获取工作温度，温度传感器采用型号为TMP121的数字温度传感器，TMP121通过SPI总线接口与DSP处理器连接，实现对工作温度的采集，并进行相位差补偿。
实施例三：参见图1～图9，本实施例的多通道泄露电流相位差检测设备，AD采集电路采用AD8365、DSP处理器采用专用控制芯片TMS320F28335。并利用温度传感器实时监测系统的工作温度，并利用预设标定值进行相位差补偿，对介质损耗进行实时在线监测，该方案具有结构简单、计算速度快，受工作环境影响小的优点。
如图1所示，参考信号以及多路泄漏电流信号经过精密电阻转换为电压信号进入到前端调理电路，前端调理电路对信号进行降噪、滤波处理，并送AD8365进行采样，采样后的数据发送到FPGA，FPGA利用数字滤波技术，进行FFT、IFFT、滤波等处理，处理后的数据传送到DSP处理器TMS320F28335进行相位差计算。TMS320F28335能够对前端调理电路的增益系数进行调节；TMS230F28335利用片上定时器输出，作为采样时钟输出给AD8365，并进行启动采样和停止采样；FPGA运算和处理由TMS320F28335完成。温度传感器用于获取工作温度，并进行相位差补偿。
图2～图5为前端信号调理电路。参考信号和泄漏电流通过精密电阻将电流信号转换为电压信号输入到前端调理电路中。
前端信号调理电路用于对信号进行增益调整和简单滤波，采用三级调理电路，分别如下所示，参考通路第一级调理电路实现固定增益的放大，增益计算公式为Av=R5/R4；泄漏电流的第一级通路采用可调增益模式，调整一级信号电压输出在合适幅度，MAX308ESE为多通路模拟开关，CS_A10、CS_A11、CS_A12是模拟开关通路选择控制端，CS_A10、CS_A11、CS_A12是由TMS320F28335控制，采用IO模式实现，该电路实现8种可变增益，分别为1、1.2、2、3.8、6.8、14、25.6、48.8；经过第一级调理后的信号，级联至第二级调理电路，第二级调理电路设计为Sallen-Key低通滤波器结构，Sallen-Key滤波器具有实现简单，增益和截止频率可调的特点。信号经过Sallen-Key可将工频信号带外噪声进行抑制，该滤波器的计算公式为：
K = 1+R17/R16；
Q = （R15×R18×C7×C8）1/2 /[R15×C7+ R18×C7+ R18×C8（1-K）]；
Fc = 1/[2×π（R15×R18×C7×C8）1/2]；
第三级调理电路如图5所示，实现加法器的功能，将信号直流电平调整到2.5V，通过第三级调理电路，使得信号满足AD的采样范围，并且将信号的调理与AD采集隔离，防止输入阻抗变化对信号的影响。
图6为AD采样电路。图中U23为AD转换芯片AD8365，Y23为有源晶振，可以提供大于采样频率16倍的时钟，[DATA15：DATA0]为AD芯片数据总线，[ADDR2：ADDR0]为AD芯片地址总线，NRD为读信号，NCS为片选信号，NADRST为复位信号，ADINT为AD转换完成后的信号，ADCLK为快速采样时钟，其速率要高于采样时钟的16倍以上，ADHOLD为采样时钟。TMS320F28335控制AD8365的复位信号（NADRST）和采样时钟信号（ADHOLD），地址总线([ADDR2：ADDR0])，读信号线（NRD），片选信号（NCS）有FPGA控制，ADINT是与FPGA的同步信号，用于通知FPGA采样完成，FPGA通过控制地址信号、片选信号以及读信号，获取采样数据；
图7为数字滤波器FPGA电路。FPGA起到加速运算的功能，在完全软件计算条件下，实现FFT、IFFT、卷积等运算需要占用大量的CPU时间，实时性差，因此利用FPGA的可编程特性，实现关键运算的硬件加速。FPGA一端获取AD采样的数据进行加速运算，另一端与TMS320F28335通信，将处理后的计算结果发送给处理器。处理器通过数据线（[FDATA15：FDATA0]）、地址线([FADD4：FADD0])、片选线(FNCS)、读写线(FNRD、FNWR)对FPGA进行控制。
图8为TMS320F28335电路。TMS320F28335是整个设备的控制核心所在，可以对前端信号调理电路增益进行控制，对AD采样电路进行复位和启动停止控制，对FPGA进行读写控制，并可以获取温度传感器的数值，进行工作温度判定并对计算结果进行校准。
图9是温度传感器电路图，型号为TMP121，通过SPI总线接口与TMS320F28335进行连接，实现对工作温度的采集。
本实用新型多通道的泄漏电流相位差检测设备，结构简单、计算速度快，能够精确实现对介质损耗进行实时在线监测。采用温度补偿方法，能够对相位差的温度偏移进行有效抑制和补偿，受工作环境影响小，适于实际的电力环境。有利于电力系统的安全和稳定运行，具有广泛的应用前景。
Claims (6)
1. 一种多通道泄露电流相位差检测设备，包括前端信号调理电路、AD采集电路和DSP处理器，参考信号以及采集的多路泄漏电流信号经过精密电阻转换为电压信号输入到前端信号调理电路，前端信号调理电路对信号进行降噪、滤波处理后传送到AD采集电路，其特征是：对AD采集电路输出的采样信号利用数字滤波技术进行FFT、IFFT、滤波处理，AD采集电路输出采样信号发送到数字滤波器FPGA，数字滤波器FPGA将进行处理后的数据传送到DSP处理器，通过DSP处理器进行相位差计算并输出。
2.根据权利要求1所述的多通道泄露电流相位差检测设备，其特征是：前端信号调理电路用于对信号进行增益调整和简单滤波，采用三级调理电路，参考通路第一级调理电路采用集成运算放大器实现固定增益的放大，泄漏电流的第一级通路采用可调增益模式的集成运算放大器，通过多通路模拟开关MAX308ESE调整一级信号电压输出在合适幅度，MAX308ESE的模拟开关通路选择控制端CS_A10、CS_A11、CS_A12受控连接DSP处理器，第一级调理电路输出信号级联至第二级调理电路，第二级调理电路设计为Sallen-Key低通滤波器，第三级调理电路采样加法器将信号直流电平调整到2.5V，使得信号满足AD的采样范围，并且将信号的调理与AD采集隔离，以防止输入阻抗变化对信号的影响。
3.根据权利要求1或2所述的多通道泄露电流相位差检测设备，其特征是：AD采样电路采用AD转换芯片AD8365，DSP处理器采样控制芯片TMS320F28335，数字滤波器FPGA进行处理后的数据传送到TMS320F28335，控制芯片TMS320F28335对前端调理电路的增益系数进行调节，并利用片上定时器输出，作为采样时钟输出给AD8365，进行启动采样和停止采样；FPGA运算、处理的启动停止控制功能由TMS320F28335完成。
4.根据权利要求3所述的多通道泄露电流相位差检测设备，其特征是：含有相位差补偿电路，采用温度传感器获取工作温度，利用已测的温度与相位差的标定数值，对不同温度下的相位差计算结果进行修正，温度传感器采用型号为TMP121的数字温度传感器，TMP121通过SPI总线接口与TMS320F28335连接，实现对工作温度的采集，并进行相位差补偿。
5.根据权利要求1所述的多通道泄露电流相位差检测设备，其特征是：含有相位差补偿电路，采用温度传感器获取工作温度，利用已测的温度与相位差的标定数值，对不同温度下的相位差计算结果进行修正，温度传感器采用型号为TMP121的数字温度传感器，TMP121通过SPI总线接口与DSP处理器连接，实现对工作温度的采集，并进行相位差补偿。
6.根据权利要求2所述的多通道泄露电流相位差检测设备，其特征是：含有相位差补偿电路，采用温度传感器获取工作温度，利用已测的温度与相位差的标定数值，对不同温度下的相位差计算结果进行修正，温度传感器采用型号为TMP121的数字温度传感器，TMP121通过SPI总线接口与DSP处理器连接，实现对工作温度的采集，并进行相位差补偿。
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