CN203191742U - 一种高精度选相控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度选相控制装置，其特征在于：包括信号采集单元、中央处理单元、控制输出单元、通讯单元和人机接口显示；信号采集单元包括低通抗混叠滤波模块、A/D转换模块和频率跟踪测量模块；A/D转换模块分别通过线路与低通抗混叠滤波模块和中央处理单元相连；频率跟踪测量模块分别通过线路与低通抗混叠滤波模块和中央处理单元相连；中央处理单元通过线路与控制输出单元相连；中央处理单元还分别通过线路与通讯单元及人机接口显示双向连接；通讯单元通过线路与后台主机双向连接。本实用新型采用了软硬件同时测量电压过零点的方式，从而减少频率变化，谐波干扰对零点测量误差的影响，提高了相角测量的精度。

Description

一种高精度选相控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种高精度选相控制装置，特别是一种易于实现的软硬件组合方式，对多路母线电压输入信号同时进行相角测量，并根据设定的条件输出多路控制信号控制断路器开关的分合闸试验的装置。

背景技术

母线电压相量在电力系统中是一个重要参数，母线电压相量和功角状态影响着系统的稳定运行。近年来随着电网的快速发展，电力系统运行的复杂程度也日益增大，电力市场进程中人们对电网的电能质量的要求也越来越高。作为电网的动态实时监测的新技术，国内在逐步地应用同步相量测量装置（PMU）。利用PMU装置对电网电压同步相量等动态运行数据进行监测并上传至各级调度中心，调度中心根据各发电站和变电站测量到电压相角差等相量数据，进行调节可实现多网同步稳定运行。

在大功率的开关试验站中，断路器投切试验是一项很重要的试验。开关投入的时刻是随机的。为了模拟这个时刻，需要在试验中控制开关在不同时刻进行合闸。这个合闸时刻所对应的电位角就是通常所说的合闸相角。而在传统的试验站中缺乏精确控制开关在任意角度进行分合闸的选相操作装置。因此需要一种相角判别装置来开展试验站内各种与母线电压相角相关的试验。如开展真空断路器投切电容器组型式、内熔丝熔断特性试验等。显然这些是PMU装置无法满足要求的。

电力系统中经过验证的电压相角测量方法一般有：过零测量法，离散Fourier算法，递归Fourier算法，变采样率的相角测量算法。各种算法都有其优缺点。其中过零测量法原理简单，硬件软件上较易实现，他只需周期的去采集电压的过零点的时刻，然后其它时刻的相角就可以通过和零点时刻比较得到。但此方法假定系统频率是稳定不变的，而实际系统中电压频率是波动的。并且由于电压过零点的谐波影响和过零检测电路的不一致性也会造成测量误差。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供了一种高精度选相控制装置，根据测量的电压相角，按照一定的预定相角准确地执行断路器开关的分合闸，并接收后台主机的控制和设定的参数信息，完成分合闸角度的判别，自动分合闸。本实用新型采用了软硬件同时测量电压过零点的方式，从而减少频率变化，谐波干扰对零点测量误差的影响，提高了相角测量的精度。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种高精度选相控制装置，包括信号采集单元、中央处理单元、控制输出单元、通讯单元和人机接口显示；其中所述的信号采集单元包括低通抗混叠滤波模块、A/D转换模块和频率跟踪测量模块；所述的A/D转换模块分别通过线路与低通抗混叠滤波模块和中央处理单元相连；所述的频率跟踪测量模块分别通过线路与低通抗混叠滤波模块和中央处理单元相连；所述的中央处理单元通过线路与控制输出单元相连；所述的中央处理单元还分别通过线路与通讯单元双向连接；所述的通讯单元通过线路与后台主机双向连接；通过所述的A/D转换模块和频率跟踪测量模块接收电压信号。

所述的频率跟踪测量模块包括过零比较器和定时器捕捉模块ECT；所述的过零比较器分别通过线路与低通抗混叠滤波模块和定时器捕捉模块ECT相连；所述的定时器捕捉模块ECT通过线路与中央处理单元相连。

所述的信号采集单元内安装有10只小型二次电压互感器，能同时接入10路母线电压信号。

所述的中央处理单元采用飞思卡尔HCS12系列高性能工业微控制器。

所述的通讯单元通过RS485总线与后台主机双向连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种高精度选相控制装置根据测量的电压相角，按照一定的预定相角准确地执行断路器开关的分合闸，并接收后台主机的控制和设定的参数信息，完成分合闸角度的判别，自动分合闸。本实用新型采用了软硬件同时测量电压过零点的方式，从而减少频率变化，谐波干扰对零点测量误差的影响，提高了相角测量的精度。本实用新型具有以下优点：1）本实用新型采用过零测量法，过零测量法的优点是不要求数据同步，实时的采样和处理。可对多路输入的母线电压信号进行同时采样，而不用判别他们之间的相角差，也不会因为数据处理延时而降低测量精度。本实用新型不需要采用绝对的GPS时标信息，不需要测量输入信号每个时刻的绝对相角，只要判别相对时刻的相角，就能在确定的相角时刻控制出口。从而简化了相角判别的实现方式，节省了成本。2）本实用新型的信号采集单元是通过硬件脉宽调制模块PWM来保证采样的每个相对时刻的准确性。由于每个PWM周期是保持一致的，通过PWM控制的A/D采样点间隔也就保证一致。这样只需测得采样数据中的过零点的相对采样点时刻，就可以测量出任一时刻的相角。这样就简化了处理过程，从而节省了软硬件成本。所述的信号采集单元还包括一个频率跟踪模块，它由一个硬件的过零比较器把输入的母线电压信号整形成方波信号，然后用定时器捕捉模块ECT来捕捉方波信号的上升沿时刻，这个时刻也是输入电压信号的过零时刻。所述的中央数据处理单元根据连续测得的多个过零时刻，用软件过滤掉瞬态干扰后进行平均值计算就可以得到输入母线电压信号的频率。从而在输入的母线电压信号频率发生改变时，能够调节A/D的采样频率进行变频采样，从而提高采样精度，提高相角的测量精度。同时这个过零时刻也可以辅助所述的中央处理单元来校验上述从A/D采样数据中计算得过零时刻，从而提高零点的测量精度，提高相角的测量精度。3）本实用新型的通讯单元采用抗干扰能力强的RS485总线与后台通讯，可以接收后台主机的控制指令直接控制开关动作。同时后台也可人工设定分合闸角度，实现自动分合闸。4）本实用新型可通过DI接口回采开关的位置状态信号，从而实现对开关的闭环控制，提高装置的可靠性。 5）本实用新型可通过后台主机或是装置前面板的液晶和操作按键对装置的校准寄存器进行设置微偏移量，装置在执行相角判别时会在自动判别的基础上叠加这个偏移量来控制出口操作，从而提高整个选相操作的精度。6）本实用新型采用了微控制器片内的模块来实现装置的主要部分，从而更简化了本相角判别装置的实现方式，节省了设备成本。

附图说明

图1是本实用新型的高精度选相控制装置的模块框图；

图2是本实用新型的高精度选相控制装置的插件接口布置示意图；

图3是本实用新型的高精度选相控制装置用于试验站中的一个开关试品间的应用连接示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的一种高精度选相控制装置，包括信号采集单元、中央处理单元1、控制输出单元5、通讯单元4和人机接口显示19；其中所述的信号采集单元包括低通抗混叠滤波模块7、A/D转换模块2和频率跟踪测量模块3；所述的A/D转换模块2分别通过线路与低通抗混叠滤波模块7和中央处理单元1相连；所述的频率跟踪测量模块3分别通过线路与低通抗混叠滤波模块7和中央处理单元1相连；所述的频率跟踪测量模块3包括过零比较器17和定时器捕捉ECT模块 18；所述的过零比较器17分别通过线路与低通抗混叠滤波模块7和定时器捕捉模块ECT18相连；所述的定时器捕捉ECT模块18通过线路与中央处理单元1相连。所述的信号采集单元A/D转换模块2和频率跟踪测量模块3主要完成对多路母线电压输入信号的采集，采集输入信号的相角测量信息和频率跟踪信息。所述的中央处理单元1通过线路与控制输出单元5相连；所述的中央处理单元1还通过线路与通讯单元4及人机接口显示19双向连接；所述的中央处理单元1采用飞思卡尔HCS12系列高性能工业微控制器；所述的通讯单元4通过RS485总线与后台主机6双向连接。

所述的装置硬件结构采用插件方式实现，详见图2，包括4个后插件POWER插件10（POWER插件是一块开关电源插件，向本实施例装置提供±5V，±12V，+24V电源）、AC插件11、CPU插件12、DO插件13和前面板的人机显示接口插件；其中POWER插件10为装置各单元提供电源，图1中所示的信号采集单元由AC插件11实现，图1中所示的中央处理单元1和通讯单元4由CPU插件12实现，图1中所示的控制输出单元5由DO插件13实现，图1中所示的人机接口显示19由前面板的人机显示接口插件实现。

其中所述的POWER插件10分别通过线路与AC插件11、CPU插件12、DO插件13和前面板的人机显示接口插件相连， POWER插件10通过线路分别向AC插件11、CPU插件12、DO插件13和前面板的人机显示接口插件提供电源；所述的AC插件11通过线路与CPU插件12相连，AC插件11采集到的电压信号通过线路输入到CPU插件12；所述的CPU插件12分别通过线路与DO插件13和前面板的人机显示接口插件相连，CPU插件12根据输入的电压信号处理分析后，通过线路连接控制DO插件13出口；CPU插件12通过线路与前面板的人机显示接口插件连接，接收人工的设置和手动操作信息。所述的AC插件11内安装有10只小型二次电压互感器，能同时接入10路母线电压信号。

本实施例采用了一种软件硬件同时测量电压信号过零点的零点相角测量法，CPU插件12采用的是飞思卡尔HCS12系列高性能工业微控制器，其片内集成丰富的接口模块。如图1所示，母线交流电压信号输入模块9采集到的电压信号，经过电压互感器8，再经低通抗混叠滤波模块7，对采集进来小电压信号进行阻容搞混叠滤波和调理后，输入到CPU插件12后分成两路，一路进入到频率跟踪测量模块3，经简单的过零比较器17后，输出方波信号送入片内定时器捕捉ECT模块18。定时器捕捉ECT模块18可以直接捕捉方波信号的上升沿时刻，这个时刻就是过零时刻。这些捕捉到的数据经微控制器内部的中央处理单元1进行软件过滤计算后，得到输入的母线电压信号的交流频率。在本施实例中的频率测量精度不低于0.01Hz。另一路信号直接送入微控制器的片内12位的A/D转换模块2，微控制器利用自身的一路PWM通道，自动控制片内的10组A/D通道，按照每周波200点的等间隔方式采样，A/D模块2转化完成的数据存储在一个200点缓冲区，供中央处理单元1后续进行处理。根据上述频率跟踪测量模块3得到的过零时刻可以很快定位到200点数据中过零时刻的附近5个点的数据。然后这些数据通过直接比较法得到信号过零点时最邻近的两点数据，用两点直线法可求得输入信号的过零时刻点。这个过零时刻点与上述频率跟踪测量模块测到过零时刻及上一周波过零点时刻比较，如若偏差较大，就应增加过零时刻附近的另外3点的数据进行同样的直线求零点计算，然后计算过零点均值。如若这个均值零点仍偏差较大，就应舍弃这周波数据重新测算。如若符合要求，中央处理器单元1将在下一周波过零时刻启动输出控制单元5中的PWM通道。PWM中设定的参数在选定的角度时刻出口控制开关。在本实施例中选相操作的相角误差可控制在＜1°范围内，优于开关的实际控制要求。

如图2，本实用新型的装置中 CPU插件12还包括15路的DI开入接口，是利用微控制器片内的IO接口加光隔实现的。这些开入是用来接入外部开关的位置等一些状态信号，以便装置实现对开关的闭环控制。如图1，通讯单元4是采用微控制器片内UART模块加RS485接口驱动实现的。输出控制单元5是PWM输出信号加光隔后送到图2的DO插件13中控制继电器出口。继电器出口控制着操作箱中的开关操作回路，进行开关的分合闸动作。所述的通讯单元4采用抗干扰能力强的RS485总线与后台通讯，接收后台主机6的一些参数信息和控制命令，同时把控制操作过程的一些记录信息反馈给后台主机6。可以接收后台主机6的控制指令直接控制开关动作。同时后台也可人工设定分合闸角度，实现自动分合闸。可通过后台主机或是装置前面板的液晶和操作按键对装置的校准寄存器进行设置微偏移量，在执行相角判别时会在自动判别的基础上叠加这个偏移量来控制出口操作，从而提高整个选相操作的精度。

如图3所示，在大功率试验站中应用了本实施例来对开关试品间的断路器开关进行控制。本实施例的高精度选相控制装置14从一次电压互感器中取得母线电压信号，经内部的相角测量，再到判别出角度控制输出，驱动操作箱15中的操作回路来控制试品开关16的分合闸。同时在后台主机6上还可通过本实施例对试品开关16进行直接控制，并对所进行的开关控制的整个过程作追踪查询。上述的所有应用功能在本实施例的一个单装置上就可全部实现，并不仅于止，本实施例还可同时对多个试品间中的开关进行控制，为简洁明了图1仅只画出了一个试品间连接图，其它试品间的连接类同。

本实施例的一种高精度选相控制装置根据测量的电压相角，按照一定的预定相角准确地执行断路器开关的分合闸，并接收后台主机的控制和设定的参数信息，完成分合闸角度的判别，自动分合闸。本实施例采用了软硬件同时测量电压过零点的方式，从而减少频率变化，谐波干扰对零点测量误差的影响，提高了相角测量的精度。具有以下优点：

1）本实施例采用过零测量法，过零测量法的优点是不要求数据同步，实时的采样和处理。可对多路输入的母线电压信号进行同时采样，而不用判别他们之间的相角差，也不会因为数据处理延时而降低测量精度。本实施例不需要采用绝对的GPS时标信息，不需要测量输入信号每个时刻的绝对相角，只要判别相对时刻的相角，就能在确定的相角时刻控制出口。从而简化了相角判别的实现方式，节省了成本。

2）本实施例的信号采集单元是通过硬件脉宽调制模块PWM来保证采样的每个相对时刻的准确性。由于每个PWM周期是保持一致的，通过PWM控制的A/D采样点间隔也就保证一致。这样只需测得采样数据中的过零点的相对采样点时刻，就可以测量出任一时刻的相角。这样就简化了处理过程，从而节省了软硬件成本。所述的信号采集单元还包括一个频率跟踪模块，它由一个硬件的过零比较器把输入的母线电压信号整形成方波信号，然后用定时器捕捉模块ECT来捕捉方波信号的上升沿时刻，这个时刻也是输入电压信号的过零时刻。所述的中央数据处理单元根据连续测得的多个过零时刻，用软件过滤掉瞬态干扰后进行平均值计算就可以得到输入母线电压信号的频率。从而在输入的母线电压信号频率发生改变时，能够调节A/D的采样频率进行变频采样，从而提高采样精度，提高相角的测量精度。同时这个过零时刻也可以辅助所述的中央处理单元来校验上述从A/D采样数据中计算得过零时刻，从而提高零点的测量精度，提高相角的测量精度。

3）本实施例的通讯单元采用抗干扰能力强的RS485总线与后台通讯，可以接收后台主机的控制指令直接控制开关动作。同时后台也可人工设定分合闸角度，实现自动分合闸。

4）本实施例可通过DI接口回采开关的位置状态信号，从而实现对开关的闭环控制，提高装置的可靠性。

5）本实施例可通过后台主机或是装置前面板的液晶和操作按键对装置的校准寄存器进行设置微偏移量，装置在执行相角判别时会在自动判别的基础上叠加这个偏移量来控制出口操作，从而提高整个选相操作的精度。

6）本实施例采用了微控制器片内的模块来实现装置的主要部分，从而更简化了本相角判别装置的实现方式，节省了设备成本。

Claims (5)

1.一种高精度选相控制装置，其特征在于包括信号采集单元、中央处理单元（1）、控制输出单元（5）、通讯单元（4）和人机接口显示（19）；其中所述的信号采集单元包括低通抗混叠滤波模块（7）、A/D转换模块（2）和频率跟踪测量模块（3）；所述的A/D转换模块（2）分别通过线路与低通抗混叠滤波模块（7）和中央处理单元（1）相连；所述的频率跟踪测量模块（3）分别通过线路与低通抗混叠滤波模块（7）和中央处理单元（1）相连；所述的中央处理单元（1）通过线路与控制输出单元（5）相连；所述的中央处理单元（1）还分别通过线路与通讯单元（4）及人机接口显示（19）双向连接；所述的通讯单元（4）通过线路与后台主机（6）双向连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度选相控制装置，其特征在于所述的频率跟踪测量模块（3）包括过零比较器（17）和定时器捕捉模块ECT（18）；所述的过零比较器（17）分别通过线路与低通抗混叠滤波模块（7）和定时器捕捉模块ECT（18）相连；所述的定时器捕捉模块ECT（18）通过线路与中央处理单元（1）相连。

3.根据权利要求1所述的一种高精度选相控制装置，其特征在于所述的信号采集单元内安装有10只小型二次电压互感器，能同时接入10路母线电压信号。

4.根据权利要求1所述的一种高精度选相控制装置，其特征在于所述的中央处理单元（1）采用飞思卡尔HCS12系列高性能工业微控制器。

5.根据权利要求1所述的一种高精度选相控制装置，其特征在于所述的通讯单元（4）通过RS485总线与后台主机（6）双向连接。

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