CN212658784U - 一种交流精密配电监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种交流精密配电监测系统，通过设置频率测量电路实时监测电网频率，跟踪电网频率变化，在每次采样前根据频率变化调整采样周期，可以实现同步采样的目的；电压测量电路中设置加法器，对放大电路输出的交流信号进行限幅，使得输出信号成为近似方波信号，采用加法器实现正弦波转方波的方法相比与现有的比较器实现正弦波转方波的方法，可以解决现有技术中小信号难以实现正弦波转方波的技术问题，提高转换效率，以及减少方波信号的失真。

Description

一种交流精密配电监测系统

技术领域

本实用新型涉及配电监测领域，尤其涉及一种交流精密配电监测系统。

背景技术

配电监测系统采集配电变压器的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波等数据，为负荷预测、线损分析、故障判断、经济运行等提供数据参考。其中，传统测量电网频率检测都采用锁相环的方法达到同步采样，但是随着配电网中非线性负载的不断增加，电网中的谐波含量也越来越高，采用锁相环的方法已经不适用于电网频率测量。因为，为解决现有技术中频率测量无法同步采样的问题，本实用新型提供了一种交流精密配电监测系统，实时跟踪电网频率变化并根据电网频率变化调整采样间隔，进而实现同步采样。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了一种交流精密配电监测系统，实时跟踪电网频率变化并根据电网频率变化调整采样间隔，进而实现同步采样。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种交流精密配电监测系统，其包括互感器转换电路、频率测量电路和处理器，频率测量电路包括电阻R1-R3、电阻R18、电阻R19、电位器RP3、第一运算放大器；

互感器转换电路的输入端输入三相交流电压或电流，互感器转换电路的输出端通过电阻R18与第一运算放大器的同相输入端电性连接；

电位器RP3的一端与电源正极电性连接，电位器RP3的另一端与电源负极电性连接，电位器RP3的滑动端与通过电阻R3分别与电阻R2的一端以及电阻 R1的一端电性连接，电阻R2的另一端接地，电阻R1的另一端与第一运算放大器的反相输入端电性连接，运算放大器的输出端分别与电阻R19的一端以及处理器内部集成的定时器电性连接，电阻R19的另一端与电源电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括抗混叠滤波器；

互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与电阻R18的一端电性连接，电阻R18的另一端与第一运算放大器的同相输入端电性连接。

进一步优选的，抗混叠滤波器包括：二阶RC低通滤波器和电压跟随器；

互感器转换电路的输出端与二阶RC低通滤波器的输入端电性连接，二阶 RC低通滤波器的输出端通过电压跟随器与电阻R18的一端电性连接。

进一步优选的，还包括电压测量电路和电流测量电路；

互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器分别与电压测量电路的输入端和电流测量电路的输入端电性连接，电压测量电路的输出端和电流测量电路的输出端分别与处理器的A/D采样引脚一一对应电性连接。

进一步优选的，电压测量电路包括放大电路和正弦波转方波电路；

互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与放大电路的输入端电性连接，放大电路的输出端通过正弦波转方波电路与处理器的A/D采样引脚电性连接。

进一步优选的，放大电路包括：电阻R9-R11和第二运算放大器；

电阻R9的一端与电源电性连接，电阻R9的另一端分别与电阻R10的一端以及第二运算放大器的同相输入端电性连接，电阻R10的另一端接地；

互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与第二运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R11并联在第二运算放大器的反相输入端及其输出端之间，第二运算放大器的输出端通过正弦波转方波电路与处理器的A/D采样引脚电性连接。

进一步优选的，正弦波转方波电路包括：加法器和稳压电路；

放大电路的输出端分别与加法器的第一输入端以及稳压电路的输入端电性连接，稳压电路的输出端与加法器的第二输入端电性连接，加法器的输出端与处理器的A/D采样引脚电性连接。

进一步优选的，稳压电路包括：电阻R12-R14、二极管D3、二极管D4和第三运算放大器；

放大电路的输出端通过电阻R12分别与二极管D3的负极、电阻R14的一端以及第三运算放大器的反相输入端电性连接，第三运算放大器的同相输入端接地，电阻R14的另一端通过电阻R13与加法器的第二输入端电性连接，二极管D3的正极分别与二极管D4的负极以及第三运算放大器的输出端电性连接，二极管D4的正极与电阻R14的另一端电性连接。

进一步优选的，加法器包括：电阻R15、电阻R16和第四运算放大器；

放大电路的输出端通过电阻R15与第四运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R14的另一端通过电阻R13与第四运算放大器的反相输入端电性连接，第四运算放大器的同相输入端接地，电阻R16并联在第四运算放大器的反相输入端及其输出端之间，第四运算放大器的输出端与处理器的A/D采样引脚电性连接。

本实用新型的一种交流精密配电监测系统相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过设置频率测量电路实时监测电网频率，跟踪电网频率变化，在每次采样前根据频率变化调整采样周期，可以实现同步采样的目的；

(2)通过在频率测量电路中设置抗混叠滤波器，可以用于滤除互感器转换电路输出信号中的高频信号成分，并且以很小的衰减让有用信号的频率通过，抑制带外频率信号，防止信号发生频谱混叠以及高频干扰现象；

(3)电压测量电路中设置加法器，对放大电路输出的交流信号进行限幅，使得输出信号成为近似方波信号，采用加法器实现正弦波转方波的方法相比与现有的比较器实现正弦波转方波的方法，可以解决现有技术中小信号难以实现正弦波转方波的技术问题，提高转换效率，以及减少方波信号的失真；

(4)通过在加法器的第二输入端上设置稳压电路，对放大电路输出正弦波进行调理，使加法器的第二输入端的电压稳定在某个固定值，解决现有技术中，加法器的输入端电压在阈值电压附件有任何微小变化或者峰值噪声都会引起加法器输出电压跳变的技术问题，提高加法器的抗干扰能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种交流精密配电监测系统的结构图；

图2为本实用新型一种交流精密配电监测系统的详细结构图；

图3为本实用新型一种交流精密配电监测系统中频率测量电路的电路图；

图4为本实用新型一种交流精密配电监测系统中抗混叠滤波器、放大电路、加法器和稳压电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型的一种交流精密配电监测系统，其包括互感器转换电路、频率测量电路、电压测量电路、电流测量电路和处理器。

互感器转换电路，输入三相交流电压或者三相交流电流，对其进行分压、隔离以及电流-电压转换。本实施例中，互感器转换电路可以包括电压互感器转换电路和电流互感器转换电路，两种电路结构相同，只不过使用的互感器类型不同；电压互感器转换电路的输出与电压测量电路的输入电性连接，电流互感器转换电路的输出与电流测量电路的输入电性连接。优选的，电压互感器转换电路的电路结构如图4所示，其包括分压电阻R4、电压互感器T1、钳位保护电路以及由运算放大器LM324组成的电流-电压转换电路，其中，三相交流电压经过分压电阻R4分压后获得微弱的电流信号，该电流信号经过电压互感器T1隔离、钳位保护电路限幅后，输出至电流-电压转换电路中进行电流-电压转换，其中，电容C4和电位器RP2用于补偿位移；电位器RP1和电阻R8用于调节运算放大器LM324的输出电压大小。

频率测量电路，用于检测电网频率。常用基于傅里叶变换的测量方法检测电网参数，配电网正常运行时，电网频率是在50Hz附件不断波动，实际周期是不断变化的，因此若采用基于傅里叶变换的测量方法检测谐波，在采样过程中，当采样频率不是信号频率的整数倍时，使用傅里叶变换的测量方法会产生频率泄露现象和栅栏效应，使得测量的频率、相位和幅值不准确，无法满足系统同步性的要求。如果存在采样同步偏差，频谱泄漏就会使谐波分析的精度下降。产生同步误差的主要原因之一是信号频率的漂移，许多方法假定信号频率不变，显然是有局限性的，也是不符合工程实际的。产生同步误差的主要原因之二是采样定时器分辨率有限，但随着MCU的字长和工作频率的日益提高，这个因素的影响会越夹越小，不过，如果用等间隔采样，积累误差会相当大。减少采样同步偏差硬件途径称为硬件同步法，常用的是锁相环(PLL)法，锁相环电路较复杂，成本较高，而且受器件、环境等因素的影响较大。在交流采样系统中，一般是一个周波内采样N个点的电量值，并对该电量值进行数据处理，但是电网的频率有一定的波动，因此需要根据电网频率不断的调整采样间隔，这样才可以实现同步采样。本实施例中的，频率测量电路就是实时监测电网频率，跟踪电网频率变化，在每次采样前根据频率变化调整采样周期，实现同步采样的目的。

优选的，如图3所示，频率测量电路包括包括电阻R1-R3、电阻R18、电阻 R19、电位器RP3、第一运算放大器；互感器转换电路的输入端输入三相交流电压或电流，互感器转换电路的输出端通过电阻R18与第一运算放大器的同相输入端电性连接；电位器RP3的一端与电源正极电性连接，电位器RP3的另一端与电源负极电性连接，电位器RP3的滑动端与通过电阻R3分别与电阻R2的一端以及电阻R1的一端电性连接，电阻R2的另一端接地，电阻R1的另一端与第一运算放大器的反相输入端电性连接，运算放大器的输出端分别与电阻R19 的一端以及处理器内部集成的定时器电性连接，电阻R19的另一端与电源电性连接。

其中，电阻R1、电阻R18和第一运算放大器构成差分放大器，将输入的模拟信号转换为数字信号，并输入至处理器内部集成的定时器输入引脚，通过检测两个脉冲间隔的时间，以此计算出周波的周期和频率，得到周波的周期后，设定A/D采样间隔时间，实现跟踪频率变化的交流采样；频率测量电路采用运放实现，运放存在零点漂移现象。因此，本实施例中设置由电阻R2、电阻R3、电位器RP3以及5V电源，构成调零电路，用于消除运放的零点漂移现象，且调零电路的失调调整范围为±5mV。

抗混叠滤波器，用于滤除互感器转换电路输出信号中的高频信号成分，并且以很小的衰减让有用信号的频率通过，抑制带外频率信号，防止信号发生频谱混叠以及高频干扰现象。互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与电阻 R18的一端电性连接，电阻R18的另一端与第一运算放大器的同相输入端电性连接。优选的，如图2所示，抗混叠滤波器包括二阶RC低通滤波器和电压跟随器；互感器转换电路的输出端与二阶RC低通滤波器的输入端电性连接，二阶 RC低通滤波器的输出端通过电压跟随器与电阻R18的一端电性连接。其中，二阶RC低通滤波器的截止频率最高为800Hz。

电压测量电路，用于检测电网中三相电压的大小；电流测量电路用于检测电网中三相电流的大小。其中，互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器分别与电压测量电路的输入端和电流测量电路的输入端电性连接，电压测量电路的输出端和电流测量电路的输出端分别与处理器的A/D采样引脚一一对应电性连接。本实施例中，电压测量电路和电流测量电路的电路结构相同，因此，在此只介绍电压测量电路的结构。优选的，如图2所示，电压测量电路包括放大电路和正弦波转方波电路。

放大电路，由于电压互感器副边输出是交流信号，存在正负特性，而处理器的A/D采样部分的引脚电压最大范围一般为0-3V或者0-5V，因此，本实施例中设置放大电路对抗混叠滤波器输出信号进行电压抬升。本实施例中，互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与放大电路的输入端电性连接，放大电路的输出端通过正弦波转方波电路与处理器的A/D采样引脚电性连接。优选的，如图4所示，放大电路包括：电阻R9-R11和第二运算放大器；具体的，电阻 R9的一端与电源电性连接，电阻R9的另一端分别与电阻R10的一端以及第二运算放大器的同相输入端电性连接，电阻R10的另一端接地；互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与第二运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R11 并联在第二运算放大器的反相输入端及其输出端之间，第二运算放大器的输出端通过正弦波转方波电路与处理器的A/D采样引脚电性连接。

正弦波转方波电路，由于放大电路输出信号是正弦波，其不便被捕捉，为了便于处理器的A/D引脚捕捉信号，因此，需要将其转换为方波信号。本实施例中，正弦波转方波电路包括：加法器和稳压电路。

稳压电路，由于加法器的第二输入端电压在阈值电压附件有任何微小变化或者峰值噪声都会引起加法器输出电压跳变，其抗干扰能力差，因此为解决上述问题，本实施例中设置了稳压电路对放大电路输出正弦波进行调理，使加法器的第二输入端的电压稳定在某个固定值。稳压电路的输入端与放大电路的输出端电性连接，稳压电路的输出端与加法器的第二输入端电性连接。优选的，如图4所示，稳压电路包括：电阻R12-R14、二极管D3、二极管D4和第三运算放大器；具体的，放大电路的输出端通过电阻R12分别与二极管D3的负极、电阻R14的一端以及第三运算放大器的反相输入端电性连接，第三运算放大器的同相输入端接地，电阻R14的另一端通过电阻R13与加法器的第二输入端电性连接，二极管D3的正极分别与二极管D4的负极以及第三运算放大器的输出端电性连接，二极管D4的正极与电阻R14的另一端电性连接。其中，二极管 D3和二极管D4构成了钳位电路，将二极管D3和二极管D4的电压钳制在某个固定值上；电阻R12-R14用于去除信号中的耦合信号。

加法器，对放大电路输出的交流信号进行限幅，使得输出信号成为近似方波信号。本实施例中，加法器的第一输入端与放大电路的输出端电性连接，加法器的第二输入端与稳压电路的输出端电性连接，加法器的输出端与处理器的 A/D采样引脚电性连接。优选的，如图4所示，加法器包括：电阻R15、电阻 R16和第四运算放大器；放大电路的输出端通过电阻R15与第四运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R14的另一端通过电阻R13与第四运算放大器的反相输入端电性连接，第四运算放大器的同相输入端接地，电阻R16并联在第四运算放大器的反相输入端及其输出端之间，第四运算放大器的输出端与处理器的A/D采样引脚电性连接。本实施例的加法器为反相加法器，其输入阻抗低，输入信号易流入加法器中，不会对后级电路产生影响；电阻R15和电阻R16用于滤波；第四运算放大器的增益够高，输入信号幅度够大，致使输入信号瞬时值乘以增益大于运放所能够输出的幅度，输出即将限幅，输出信号成为近似方波。

本实施例的工作原理为：三相交流电压或三相交流电流通过互感器转换电路转换成微弱的电压信号，该电压信号经过抗混叠滤波器进行滤波，滤波后的信号分成两路，一路输入至频率测量电路过零点触发，并将触发脉冲发送至处理器的定时器引脚，处理器根据相邻两个脉冲间隔的时间，以此计算出周波的周期和频率，得到周波的周期后，设定A/D采样间隔时间，实现跟踪频率变化的交流采样；

另一路输入至电压测量电路和电流测量电路，电压测量电路和电流测量电路对抗混叠滤波器输出信号进行电压检测，由于三相交流电压和三相交流电流检测原理相同，因此，在此只介绍电压测量电路的工作原理：抗混叠滤波器的输出信号经过放大电路进行电压抬升后，输出正弦波信号，该正弦波信号通过加法器限幅后变成方波信号，该方波信号输入至处理器的A/D采样引脚，处理器的A/D采样引脚根据调整后的采样间隔采样。

本实施例的有益效果为：通过设置频率测量电路实时监测电网频率，跟踪电网频率变化，在每次采样前根据频率变化调整采样周期，可以实现同步采样的目的；

通过在频率测量电路中设置抗混叠滤波器，可以用于滤除互感器转换电路输出信号中的高频信号成分，并且以很小的衰减让有用信号的频率通过，抑制带外频率信号，防止信号发生频谱混叠以及高频干扰现象；

电压测量电路中设置加法器，对放大电路输出的交流信号进行限幅，使得输出信号成为近似方波信号，采用加法器实现正弦波转方波的方法相比与现有的比较器实现正弦波转方波的方法，可以解决现有技术中小信号难以实现正弦波转方波的技术问题，提高转换效率，以及减少方波信号的失真；

通过在加法器的第二输入端上设置稳压电路，对放大电路输出正弦波进行调理，使加法器的第二输入端的电压稳定在某个固定值，解决现有技术中，加法器的输入端电压在阈值电压附件有任何微小变化或者峰值噪声都会引起加法器输出电压跳变的技术问题，提高加法器的抗干扰能力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交流精密配电监测系统，其包括互感器转换电路、频率测量电路和处理器，其特征在于：所述频率测量电路包括电阻R1-R3、电阻R18、电阻R19、电位器RP3、第一运算放大器；

所述互感器转换电路的输入端输入三相交流电压或电流，互感器转换电路的输出端通过电阻R18与第一运算放大器的同相输入端电性连接；

所述电位器RP3的一端与电源正极电性连接，电位器RP3的另一端与电源负极电性连接，电位器RP3的滑动端与通过电阻R3分别与电阻R2的一端以及电阻R1的一端电性连接，电阻R2的另一端接地，电阻R1的另一端与第一运算放大器的反相输入端电性连接，运算放大器的输出端分别与电阻R19的一端以及处理器内部集成的定时器电性连接，电阻R19的另一端与电源电性连接。

2.如权利要求1所述的一种交流精密配电监测系统，其特征在于：还包括抗混叠滤波器；

所述互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与电阻R18的一端电性连接，电阻R18的另一端与第一运算放大器的同相输入端电性连接。

3.如权利要求2所述的一种交流精密配电监测系统，其特征在于：所述抗混叠滤波器包括：二阶RC低通滤波器和电压跟随器；

所述互感器转换电路的输出端与二阶RC低通滤波器的输入端电性连接，二阶RC低通滤波器的输出端通过电压跟随器与电阻R18的一端电性连接。

4.如权利要求2所述的一种交流精密配电监测系统，其特征在于：还包括电压测量电路和电流测量电路；

所述互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器分别与电压测量电路的输入端和电流测量电路的输入端电性连接，电压测量电路的输出端和电流测量电路的输出端分别与处理器的A/D采样引脚一一对应电性连接。

5.如权利要求4所述的一种交流精密配电监测系统，其特征在于：所述电压测量电路包括放大电路和正弦波转方波电路；

所述互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与放大电路的输入端电性连接，放大电路的输出端通过正弦波转方波电路与处理器的A/D采样引脚电性连接。

6.如权利要求5所述的一种交流精密配电监测系统，其特征在于：所述放大电路包括：电阻R9-R11和第二运算放大器；

所述电阻R9的一端与电源电性连接，电阻R9的另一端分别与电阻R10的一端以及第二运算放大器的同相输入端电性连接，电阻R10的另一端接地；

所述互感器转换电路的输出端通过抗混叠滤波器与第二运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R11并联在第二运算放大器的反相输入端及其输出端之间，第二运算放大器的输出端通过正弦波转方波电路与处理器的A/D采样引脚电性连接。

7.如权利要求5所述的一种交流精密配电监测系统，其特征在于：所述正弦波转方波电路包括：加法器和稳压电路；

所述放大电路的输出端分别与加法器的第一输入端以及稳压电路的输入端电性连接，稳压电路的输出端与加法器的第二输入端电性连接，加法器的输出端与处理器的A/D采样引脚电性连接。

8.如权利要求7所述的一种交流精密配电监测系统，其特征在于：所述稳压电路包括：电阻R12-R14、二极管D3、二极管D4和第三运算放大器；

所述放大电路的输出端通过电阻R12分别与二极管D3的负极、电阻R14的一端以及第三运算放大器的反相输入端电性连接，第三运算放大器的同相输入端接地，电阻R14的另一端通过电阻R13与加法器的第二输入端电性连接，二极管D3的正极分别与二极管D4的负极以及第三运算放大器的输出端电性连接，二极管D4的正极与电阻R14的另一端电性连接。

9.如权利要求8所述的一种交流精密配电监测系统，其特征在于：所述加法器包括：电阻R15、电阻R16和第四运算放大器；

所述放大电路的输出端通过电阻R15与第四运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R14的另一端通过电阻R13与第四运算放大器的反相输入端电性连接，第四运算放大器的同相输入端接地，电阻R16并联在第四运算放大器的反相输入端及其输出端之间，第四运算放大器的输出端与处理器的A/D采样引脚电性连接。

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