CN208955745U - 一种配电网开关柜监控终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种配电网开关柜监控终端，配电网开关柜监控终端包含互感器电路、信号放大器电路、过零检测电路、倍频电路、锁相环倍频电路以及主控制器电路，上述电路采用的元器件简单，没有精密的检测器件，成本较低。通过上述各部分电路的配合，可以完成电压，电流，频率，谐波含量，功率因数，有功和无功信息，并且通过主控制器将以上信息传递给监控中心或者治理设备。

Description

一种配电网开关柜监控终端

技术领域

本实用新型涉及一种包含过零检测电路、低失真率信号放大电路和锁相环倍频电路的配电网开关柜监控终端。

背景技术

交流电信号谐波检测设备能够检测电力系统中的电压、电流、功率因数和谐波信息，对电压和电流信号中的谐波幅值和相位进行分析。检测设备可以将检测到的电压、电流、功率因数和谐波信息显示到液晶屏幕上，同时可以通过RS-485通信传输接口和GPRS等通讯手段将谐波信息传送给谐波抑制设备、无功补偿设备或电力系统信息监控平台。该谐波检测设备是以谐波检测为主，同时该检测设备还具有频率、电压、电流、功率因数的测量，能量累计等功能，可以作为单独的仪表使用，能够取代大量功能单一的传统模拟仪表。此外该谐波检测设备具有丰富、灵活的I/O功能，这使得该谐波检测设备具有一定的拓展功能，可以胜任作为分布式电源监测设备的要求。主要应用于变配电自动化、智能开关柜、分布式电源管理系统等。

现有的谐波测量设备不能实现电力系统谐波的实时监测，受限于处理器的运行速度无法进行多点的高精度FFT，受限于处理算法无法保证傅里叶变换的准确性，不能进行灵活的通信，不能与谐波治理装置、无功补偿设备结合使用，不能良好的适应分布式电源等特点。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的监测设备存在的不足，提出了一种包含过零检测电路、低失真率信号放大电路和倍频电路的配电网开关柜监控终端。

为实现上述目的，本实用新型包括以下技术方案。

电路方案一：本方案具有一种信号放大电路，包括互感器和运算放大器，所述互感器的一次侧接入电网，所述互感器二次侧经过电阻将电流信号转换为电压信号，所述电压信号连接运算放大器的同相输入端，所述运算放大器的同相输入端还连接了一个偏置电压形成的基准源，以保证该输入信号不会产生失真，第一供电电源的输出端连接所述运算放大器的电能输入端，所述运算放大器输出端产生的输出信号为信号放大电路的输出端。

该信号放大电路的主要器件为一个运算放大器和数个电阻，涉及到的元器件数量少且不涉及精密的检测器件，所以该信号放大电路的结构简单，成本较低。

电路方案二：在电路方案一的基础上，将所述信号放大电路输出的电压信号输入到过零比较器的同相输入端，将所述过零比较器的反相输入端接入到上述运算放大器的偏置电压，将第二供电电源接入到过零比较器的电能输入端，过零比较器的输出端输出信号即为过零比较电路的输出信号。

电路方案三：在电路方案二的基础上，将过零比较电路的输出信号接入到锁相环倍频电路的输入端，所述锁相环倍频电路包含锁相环芯片和计数器，所述锁相环芯片会根据计数器的进制将输入信号进行倍频，例如所述计数器为16进制计数器，则所述锁相环倍频电路的输出信号频率为输入信号频率的16倍，所述锁相环芯片和计数器芯片都由第二供电电源提供电能，所述锁相环的输出信号即为锁相环倍频电路的输出信号。

电路方案四：在所述电路方案一、二、三的基础上，所述运算放大器型号为OP07，所述过零比较器的型号为LN339，所述锁相环为CD4046，所述计数器为74LS161。

电路方案五：在电路方案一、二、三的基础上，将所述信号放大电路的输出端连接到控制器的AD转换接口，将所述过零比较电路的输出接到控制器的脉冲采集接口，将所述锁相环倍频电路的输出接到控制器的外部中断接口。

附图说明

图1是信号放大电路原理图。

图2是过零检测电路原理图。

图3是过零检测电路效果图。

图4是锁相环倍频电路原理图。

图5是倍频电路效果图。

图6是终端整体电路图。

具体实施方式

图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域的技术人员来说，附图中的某些公知结构及其说明可能省略但是可以理解的。

如图1所示，信号放大电路包含互感器和运算放大器，互感器对应图中T1，运算放大器对应图中U1，作为一个具体的实施方式，互感器T1是规格为2mA /2mA电流互感器，运算放大器U1是型号为OP07的低功耗运算放大器。运算放大器U1的同相输入端连接到互感器的输出端之一，互感器另一输出端接地，同时该运算放大器的同相输入端还叠加了1.5V的偏置电压，该偏置电压经过10k电阻连接到同相输入端，将输入信号由交流信号转换为直流信号，保证输入信号不会产生失真（若不包含偏置电压，交流信号小于零的部分将会被视为零。），运算放大器的反相输入端输入电压为0V，将互感器的接地端经电阻与其共地，其中电阻R1为限流电阻，电阻R2为信号转换电阻，电阻R3，R4，R5，R6为保证运算放大器正常工作的电阻,运算放大器U1由±12V电源供电，上述信号放大电路的说明仅针对电压信号采集电路，经过该信号放大电路，信号的强度不变但是其驱动能力增强，不会因为测量电路的接入产生失真。电流采集电路原理与电压信号采集电路原理几乎完全相同，仅互感器的连接方式存在微小差别，故电流采集电路不再单独展示，图6中含有该部分电路。

过零检测电路由LM339N组成，该过零检测电路示于图2，比较器LM339N同相输入端的输入信号为来自信号放大电路的正弦输出信号，比较器LM339N的反相输入端连接运算放大器的1.5V偏置电压，以保证比较器输出的信号为标准方波信号，LM339N由5V电源供电。最终该过零检测电路的输入输出信号波形如图3所示（为了观察方便，正弦信号向负半轴进行了偏移）。

同样的；电流信号经过信号放大电路之后连接到控制芯片以供电流检测需要，该信号经过过零检测电路，过零检测电路的输出连接到控制芯片，控制芯片通过计算电压和电流过零检测电路产生相同电平跳变的时间差来确定电压、电流信号的相位差，从而进一步确定功率因数，功率因数测量准确率高。

锁相环倍频电路是在过零检测电路的基础上增加的倍频电路，该电路如图4所示，倍频电路由锁相环CD4046和计数器74LS161组成，锁相环能够根据输入信号和分频信号来确定倍频频率，通过选择74LS161的不同引脚来确定计数器的计数周期，从而达到将过零检测电路的输入信号进行倍频的目的，根据锁相环倍频数计算公式选择合适的外围器件，最终选择128倍频，通过实际分析发现该频率下的谐波计算精度足够，其中锁相环和计数器都由5V电源供电。倍频电路的输入信号和输出信号示于图5，图5中可以看出，输出信号的频率为输入信号频率的128倍。

运算放大器U1的输出端，即信号放大电路的输出端连接控制芯片的信号输入端，同时信号放大器的输出端也连接过零检测电路的输入端，经过过零检测电路后的正弦信号变为与电网频率相同的方波信号，该方波信号同时为锁相环倍频电路和控制芯片提供频率信息，锁相环倍频电路的输出信号连接控制芯片的外部中断接口，为控制芯片提供采集指令。该控制器芯片具体为基于ARM Cortex-M4的K60芯片，该芯片为配电网开关柜监控终端的主控制器。

Claims (5)

1.一种配电网开关柜监控终端，其特征在于，包含互感器电路、信号放大电路、过零检测电路、锁相环倍频电路和主控制器，所述互感器电路连接信号放大电路，所述信号放大电路连接过零检测电路和主控制器，所述过零检测电路连接主控制器和锁相环倍频电路，所述锁相环倍频电路连接主控制器；其中互感器电路将强电信号转换为弱电信号，通过信号放大电路将该弱信号转换为可测量的电压信号，该电压信号供主控制器检测电路中的电压和电流幅值信息，同时过零检测电路将该电压信号转换为方波信号，该方波信号为主控制器提供频率信息，同时倍频电路将该方波信号提高128倍频率并以此为主控制器提供测量命令。

2.根据权利要求1所述的一种配电网开关柜监控终端，其特征在于，信号放大电路采用OP07芯片，以互感器作为其信号源，并且包含保证其正常工作的匹配电阻以及偏置电压电路，最终该信号放大电路为主控制器及过零检测电路提供电压信号。

3.根据权利要求1所述的一种配电网开关柜监控终端，其特征在于，过零检测电路采用LM339N芯片，以信号放大电路作为其信号源，将正弦信号转换为方波信号，同时将该方波信号传送给锁相环倍频电路和主控制器。

4.根据权利要求1所述的一种配电网开关柜监控终端，其特征在于，锁相环倍频电路采用锁相环芯片CD4046和计数器芯片74LS161的组合来形成倍频电路，以锁相环为核心，通过74LS161芯片为其提供频率倍增数，达到将输入信号倍频的目的，倍频信号为主控制器提供信号采集指令。

5.根据权利要求1所述的一种配电网开关柜监控终端，其特征在于，主控制器采用MK60DN512ZVLQ10嵌入式处理器，对上述电路中的物理量进行测量或对其做出反应，同时该主控制器能够在根据采集到的物理量完成电压电流采集的基础上进行FFT获得电路中的谐波信息，通过电压、电流信号的相位差确定功率因数以及有功无功信息，通过通讯接口将上述信息传递到监控平台和谐波、无功治理设备。