CN101666826A - 基于双时基采样技术的过电压在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于双时基采样技术的过电压监测装置，包括阻容高电压传感器1，阻容高电压传感器1信号输出端通过双屏蔽层同轴电缆与信号调理单元2的双保护电路输入端相连，信号调理单元2的光电隔离输出端和信号隔离单元3的光电隔离模块5的输入端相连，光电隔离模块5的输出端和工业控制计算机4的网口7相连，同时信号隔离单元3的隔离电源6输出端和信号调理单元2的电源输入端相连，本发明信号调理单元2内采用双时基数据采集模块冗余采集过电压信号波形，不仅适应于电力***内部过电压的监测，同时适应于电力***外部过电压的监测，其尤其对雷电过电压效果最为突出，具有提高过电压在线监测的准确性和稳定性的特点。
Description
技术领域
本发明属于一种电力***过电压在线监测装置，具体涉及一种基于双时基采样技术的过电压在线监测装置。
背景技术
随着电力经济的不断发展和用户对用电质量要求的不断提高，电力***可靠性的要求越来越高。电力***的可靠性首先取决于电气设备运行的可靠性。然而电气设备的损坏事故中很大一部分是由绝缘故障引起的，其中电网过电压对电力设备的绝缘冲击很大，容易造成电力运行设备的绝缘的破坏，从而造成电力事故，严重影响着电力***安全运行。
过电压是电力***在一定条件下所出现的超过工作电压的异常电压，属于电力***中的一种电磁扰动现象，其类型是多种多样的。它的波形、电压幅值、持续时间以及产生原因都各不相同，就其产生根源来说，过电压分为外部过电压即雷电过电压和内部过电压两大类型，其中雷电过电压是损害电力设备程度最为严重的一种，且其波头陡、幅值高、时间极短即瞬间发生。为了对过电压事故发生的原因进行正确分析，电力***中已安装了相当数量的不同形式过电压检测装置。经联机检索国内外专利文献，申请号为[200510041795.1]，名称为电力***多通道瞬态波形过电压在线检测方法及其装置的中国发明专利，其装置基本上由高压分压器、信号调理单元、采集单元、工控机组成，实现了对电力***过电压的在线监测，但其稳定性差，抗干扰能力差，采样的准确性不高，采样率不能灵活设置，测量回路和一次设备直接电气相连，影响安全等，尤其对雷电过电压监测有一定的局陷性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于双时基采样技术的过电压在线监测装置，采用基于双采集模块冗余采集过电压信号波形，不仅适应于电力***内部过电压的监测，同时适应于电力***外部过电压的监测，尤其对雷电过电压效果最为突出，具有提高过电压在线监测的准确性和稳定性的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于双时基采样技术的过电压监测装置，包括阻容高电压传感器1，阻容高电压传感器1信号输出端通过双屏蔽层同轴电缆与信号调理单元2的双保护电路输入端相连，信号调理单元2的光电隔离输出端和信号隔离单元3的光电隔离模块5的输入端相连，光电隔离模块5的输出端和工业控制计算机4的网口7相连，同时信号隔离单元3的隔离电源6的输出端和信号调理单元2的电源输入端相连。
所述的信号调理单元2包括3组双保护电路8，双保护电路8的信号输入端与各自阻容高电压传感器1信号输出端相连，双保护电路8的信号输出端与分压电路9的信号输入端相连，分压电路9的信号输出端与触发电路10的信号输入端相连，同时分压电路9的信号输出端和双时基数据采集模块11的信号输入端相连，触发电路10的信号输出端和双时基数据采集模块11的触发端相连，双时基数据采集模块11的信号输出端和第一电光隔离模块12的信号输入端相连。
所述的双保护电路8包括陶瓷气体放电管DS1，输入端接阻容高电压传感器1的信号输出信号，并与陶瓷气体放电管DS1、电阻R1、电容C1、TVS管D1和电阻R5相连，电容C1另一端与电阻R2相连，陶瓷气体放电管DS1、电阻R1、电阻R2和TVS管D1另一端接地，电阻R5的另一端是信号输出端。
所述的分压电路9的信号输入端接运算放大器U1的同相输入端引脚14，并与电容C2、电容C3相连，电容C3的另一端和电阻R3相连，电容C1、电阻R3的另一端接地，运算放大器U1的反相输入端引脚12接电阻R4，电阻R4的另一端和运算放大器U1的引脚16相连，运算放大器U1的引脚17和+12V直流电源、电容C4和电容C5相连，电容C4和电容C5的另一端接地，运算放大器U1的引脚15和-12V直流电源、电容C6和电容C7相连，电容C6和电容C7的另一端接地。
所述的触发电路10包括双门限比较器U2，接分压电路9分压后的信号In端和电阻R6、电阻R7相连，电阻R6的另一端和双门限比较器U2的INB-引脚24、电阻R11相连，电阻R7的另一端和双门限比较器U2的INA+引脚26、电阻R8相连，电阻R11、电阻8的另一端接地，双门限比较器U2的INB-引脚25和可调电位器RP2可动端、电容C11相连，可调电位器RP2的初端和双门限比较器U2的V-引脚23、电容C11、电感L2相连，电感L2的另一端和直流电源-5V、电解电容C12相连，可调电位器RP2的末端、电容C11、电解电容C12的另一端接地，双门限比较器U2的INB+引脚27和可调电位器RP1可动端、电容C9相连，可调电位器RP1的初端和双门限比较器U2的+V引脚28、电容C8、电感L1相连，电感L1的另一端和+5V直流电源及电容C13相连，可调电位器RP1的末端接地，电容C8、电容C13、电容C9的另一端接地，双门限比较器U2的2引脚19和电阻R10相连，双门限比较器U2的15引脚32和电阻R9相连，双门限比较器U2的GND引脚20、LEA引脚21、NC引脚22、NC引脚29、LEB引脚30、GND引脚31接地，电阻R9、电阻R10的另一端接地，双门限比较器U2的QA引脚18和电阻R13、二极管D2相连，双门限比较器U2的QB引脚33和电阻R12、二极管D3相连，电阻R12、电阻R13接地，二极管D2、二极管D3相连作为OUT输出端。
所述的双时基数据采集模块11包括放大器34，放大器34的信号输出端与精密衰减滤波35的信号输入端相连、精密衰减滤波35的信号输出端和转换器36的信号输入端相连，转换器36的信号输出端与配置逻辑电路37的输入端相连，两个双时基数据采集模块11的放大器34的信号输入端与分压电路9的OUT输出端相连，触发电路10的输出端也与放大器34的信号输入端相连，配置逻辑电路37的输出端即双时基数据采集模块11的输出端和第一电光隔离模块12的输入端相连，第一电光隔离模块12的输出端与光电隔离模块5的输入端相连。
本发明能实时在线监测、自动跟踪电力***内外过电压，能在过电压发生时完整、准确地同时记录过电压波形及相关信息；保护电路完成信号的匹配转换，提高了***的安全性，分压电路进行再次分压，跟随输出，满足采集模块输入匹配的需要，同时使信号不失真，为后续准确数模转换提供了真实可靠的可采集信号。采用的采集卡实时采样率可达25MS/s，采样速率从1KS/s到25MS/s范围内可以设定；每通道8M大容量板载内存；双时基数据采集模块11具备3个同步采样通道，可记录母线A、B、C三相波形，双模块冗余，以不同的采样率、采样长度对同一波形采集，一模块设置成高采样率、低采样长度主要记录波形的详细情况，另一模块设置为低采样率、高采样长度主要记录波形全过程，很好的解决了采样率与存储深度的问题，为波形的全面分析研究提供了有力的保证。同时信号隔离单元3为信号调理单元2提供了经过隔离的电源，双时基数据采集模块11将处理后的数字信号经电光-光电转换后和工控机通讯，提高了***的抗电磁干扰能力和***的测量精度，同时在安全上做到变电站一次设备和二次测量***的电气隔离，本发明具有长期运行稳定性、高的测量精度和安全性。
本发明的性能指标如下：
1、本发明的测量电压误差：＜2％；
2、本发明的方波响应时间＜40ns(过冲不大于5％)；
3、阻容高电压传感器1的绝缘水平：短时(1min)工频耐受电压(均方根值)：＞105kV；雷电冲击电压(峰值)：＞280kV；耐受操作过电压(峰值)＞240kV
4、双时基数据采集模块11采样速率在1KS/s到25MS/s范围内可以设定；采样长度可调，每通道最高可达4M点；
5、触发电路10的触发门槛电压在额定电压的1-5倍范围内任意设置。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的信号调理单元2结构示意图。
图3为本发明的双保护电路8、分压电路9的结构原理图。
图4为本发明的触发电路10的结构原理图。
图5为本发明的双时基数据采集模11结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参照图1，一种基于双时基采样技术的过电压监测装置，包括阻容高电压传感器1，阻容高电压传感器1信号输出端通过双屏蔽层同轴电缆与信号调理单元2的双保护电路输入端相连，信号调理单元2的光电隔离输出端和信号隔离单元3的光电隔离模块5的输入端相连，光电隔离模块5的输出端和工业控制计算机4的网口7相连，同时信号隔离单元3的隔离电源6输出端和信号调理单元2的电源输入端相连。
参照图2，所述的信号调理单元2包括3组双保护电路8，双保护电路8的信号输入端与各自阻容高电压传感器1信号输出端相连，双保护电路8的信号输出端与分压电路9的信号输入端相连，分压电路9的信号输出端与触发电路10的信号输入端相连，同时分压电路9的信号输出端和双时基数据采集模块11的输入端相连，触发电路10的信号输出端和双时基数据采集模块11的触发端相连，双时基数据采集模块11的输出端和第一电光隔离模块12的输入端相连。
参照图3，所述的双保护电路8包括陶瓷气体放电管、TVS管、电容、电阻。输入端接阻容高电压传感器1的输出信号，并与陶瓷气体放电管DS1、电阻R1、电容C1、TVS管D1和电阻R5相连，电容C1另一端与电阻R2相连，陶瓷气体放电管DS1、电阻R1、电阻R2和TVS管D1另一端接地，电阻R5的另一端是输出端。双保护电路8针对一段母线三相电压同步输入，所以可以进行二次保护，以保证***设备和工作人员的安全。
参照图3，所述的分压电路9的输入端接运算放大器U1的同相输入端引脚14，并与电容C2、电容C3相连，电容C3的另一端和电阻R3相连，电容C1、电阻R3的另一端接地，运算放大器U1的反相输入端引脚12接电阻R4，电阻R4的另一端和运算放大器U1得引脚16相连，运算放大器U1的引脚17和+12V直流电源、电容C4和电容C5相连，电容C4和电容C5的另一端接地，运算放大器U1的引脚15和-12V直流电源、电容C6和电容C7相连，电容C6和电容C7的另一端接地。分压电路9对一段母线三相电压并联传感器输出信号进行再次分压，同时满足采集模块输入匹配的需要，保证信号在要求范围内不失真，能准确测量。
参照图4，所述的触发电路10包括双门限比较器、电感、可调电位器、电容、电阻、二极管，接分压电路9分压后的信号In端，并和电阻R6、R7相连，电阻R6的另一端和双门限比较器U2的INB-引脚24、电阻R11相连，R7的另一端和双门限比较器U2的INA+引脚26、电阻R8相连，电阻R11、电阻8的另一端接地，双门限比较器U2的INB-引脚25和可调电位器RP2可动端、电容C11相连，可调电位器RP2的初端和双门限比较器U2的V-引脚23、电容C11、电感L2相连，电感L2的另一端和直流电源-5V、电解电容C12相连，可调电位器RP2的末端、电容C11、电解电容C12的另一端接地，双门限比较器U2的INB+引脚27和可调电位器RP1可动端、电容C9相连，可调电位器RP1的初端和双门限比较器U2的+V引脚28、电容C8、电感L1相连，电感L1的另一端和+5V直流电源及电容C13相连，可调电位器RP1的末端接地，电容C8、电容C13、电容C9的另一端接地，双门限比较器U2的2引脚19和电阻R10相连，双门限比较器U2的15引脚32和电阻R9相连，双门限比较器U2的GND引脚20、LEA引脚21、NC引脚22、NC引脚29、LEB引脚30、GND引脚31接地，电阻R9、电阻R10的另一端接地，双门限比较器U2的QA引脚18和电阻R13、二极管D2相连，双门限比较器U2的QB引脚33和电阻R12、二极管D3相连，电阻R12、电阻R13接地，二极管D2、二极管D3相连作为OUT输出端。触发电路10能分别针对一段母线三相电压的信号进行判断，是否生成触发信号，根据预先设置的触发信号电平和母线电压分压后的实时信号进行比较，在等于或超过预先设置的触发信号电平时生成触发信号，三相独立，比较后某相、两相或三相同时生成触发信号，经汇总送给采集模块触发端作为采集波形保存的启动信号。
参照图5，所述的双时基数据采集模块11包括放大器34，放大器34的信号输出端与精密衰减滤波35的信号输入端相连、精密衰减滤波35的信号输出端和转换器36的信号输入端相连，转换器36的信号输出端与配置逻辑电路37的输入端相连，两个双时基数据采集模块11的放大器34的信号输入端与分压电路9的OUT输出端相连，触发电路10的输出端也与放大器34的信号输入端相连，配置逻辑电路37的输出端即双时基数据采集模块11的输出端和第一电光隔离模块12的输入端相连，第一电光隔离模块12的输出端与光电隔离模块5的输入端相连。
本发明的工作原理是：
本发明在电力***过电压在线监测中使用过程为：
第一步：基于双时基采样技术的过电压在线监测装置处于开机并进行了参数设置及初始化，将过电压触发电平设置在额定电压的1.5倍或根据用户需求进行调节；
第二步：基于双时基采样技术的过电压在线监测装置中的双时基数据采集模块11正在采集信号波形，等待触发电路10传送触发信号；
第三步：判别是否出现过电压，当基于双时基数据采集模块11在线监测装置测得的电压幅值绝对值不小于给定值时，确定为电网出现过电压，此时双时基数据采集模块11根据预触发设置进行数据存储；当在线监测装置测得的电压幅值绝对值小于给定值时，***重复执行第二步；
第四步：将双时基数据采集模块11采集的数据上传工业控制计算机4中；工业控制计算机4将双数据采集模块上传的信号存入其缓存，以文件的格式存入其硬盘；
第七步：判断数据存储是否完成，数据存储结束重新执行第二步。
本发明的采集程序主要实现对过电压的在线监测、自动跟踪、数据波形存储后，通过分析程序完成用虚拟仪器设计的多输入示波器实现对已保存过电压历史数据的查询、操作、数字滤波、分析等功能。先通过数据库进行数据查询设置后完成选择的数据调用，再选择通道，对波形详细的操作、通过频谱变换、数字滤波等处理后研究分析，最后可通过报表输出。
当电网出现过电压时，电压信号经阻容高电压传感器进行分压后，较低的电压信号经双屏蔽同轴电缆传送到信号调理单元，在信号调理单元内的较低电压信号经过分压后，传送到双时基数据采集模块，有触发信号后，双时基数据采集模块进行数据采集后上传工控机，工控机对数据进行存储、回显、分析。
Claims (6)
1、一种基于双时基采样技术的过电压监测装置，其特征在于，包括阻容高电压传感器(1)，阻容高电压传感器(1)信号输出端通过双屏蔽层同轴电缆与信号调理单元(2)的双保护电路输入端相连，信号调理单元(2)的光电隔离输出端和信号隔离单元(3)的光电隔离模块(5)的输入端相连，光电隔离模块(5)的输出端和工业控制计算机(4)的网口(7)相连，同时信号隔离单元(3)的隔离电源(6)输出端和信号调理单元(2)的电源输入端相连。
2、根据权利要求1所述的过电压监测装置，其特征在于，所述的信号调理单元(2)包括3组双保护电路(8)，双保护电路(8)的信号输入端与各自阻容高电压传感器(1)信号输出端相连，双保护电路(8)的信号输出端与分压电路(9)的信号输入端相连，分压电路(9)的信号输出端与触发电路(10)的信号输入端相连，同时分压电路(9)的信号输出端和双时基数据采集模块(11)的输入端相连，触发电路(10)的信号输出端和双时基数据采集模块(11)的触发端相连，双时基数据采集模块(11)的输出端和第一电光隔离模块(12)的输入端相连。
3、根据权利要求2所述的过电压监测装置，其特征在于，所述的双保护电路(8)输入端接阻容高电压传感器(1)的输出信号，并与陶瓷气体放电管(DS1)、电阻(R1)、电容(C1)、TVS管(D1)和电阻(R5)相连，电容(C1)另一端与电阻(R2)相连，陶瓷气体放电管(DS1)、电阻(R1)、电阻(R2)和TVS管(D1)另一端接地，电阻(R5)的另一端是输出端。
4、根据权利要求2所述的过电压监测装置，其特征在于，所述的分压电路(9)的输入端接运算放大器(U1)的同相输入端引脚(14)，并与电容(C2)、电容(C3)相连，电容(C3)的另一端和电阻(R3)相连，电容(C1)、电阻(R3)的另一端接地，运算放大器(U1)的反相输入端引脚(12)接电阻(R4)，电阻(R4)的另一端和运算放大器(U1)的引脚(16)相连，运算放大器(U1)的引脚(17)和+12V直流电源、电容(C4)及电容(C5)相连，电容(C4)和电容(C5)的另一端接地，运算放大器(U1)的引脚(15)和-12V直流电源、电容(C6)和电容(C7)相连，电容(C6)和电容(C7)的另一端接地。
5、根据权利要求2所述的过电压监测装置，其特征在于，所述的触发电路(10)接分压电路(9)分压后的信号(In)端，并和电阻(R6)、(R7)相连，电阻(R6)的另一端和双门限比较器(U2)的INB-引脚(24)、电阻(R11)相连，(R7)的另一端和双门限比较器(U2)的INA+引脚(26)、电阻(R8)相连，电阻(R11)、电阻(8)的另一端接地，双门限比较器(U2)的INB-引脚(25)和可调电位器(RP2)可动端、电容(C11)相连，可调电位器(RP2)的初端和双门限比较器(U2)的V-引脚(23)、电容(C11)、电感(L2)相连，电感(L2)的另一端和直流电源-5V、电解电容(C12)相连，可调电位器(RP2)的末端、电容(C11)、电解电容(C12)的另一端接地，双门限比较器(U2)的INB+引脚(27)和可调电位器(RP1)可动端、电容(C9)相连，可调电位器(RP1)的初端和双门限比较器(U2)的+V引脚(28)、电容(C8)、电感(L1)相连，电感(L1)的另一端和+5V直流电源及电容(C13)相连，可调电位器(RP1)的末端接地，电容(C8)、电容(C13)、电容(C9)的另一端接地，双门限比较器(U2)的2引脚(19)和电阻(R10)相连，双门限比较器(U2)的15引脚(32)和电阻(R9)相连，双门限比较器(U2)的GND引脚(20)、LEA引脚(21)、NC引脚(22)、NC引脚(29)、LEB引脚(30)、GND引脚(31)接地，电阻(R9)、电阻(R10)的另一端接地，双门限比较器(U2)的QA引脚(18)和电阻(R13)、二极管(D2)相连，双门限比较器(U2)的QB引脚(33)和电阻(R12)、二极管(D3)相连，电阻(R12)、电阻(R13)接地，二极管(D2)、二极管(D3)相连作为OUT输出端。
6、根据权利要求2所述的过电压监测装置，其特征在于，所述的双时基数据采集模块(11)包括放大器(34)，放大器(34)的信号输出端与精密衰减滤波(35)的信号输入端相连、精密衰减滤波(35)的信号输出端和转换器(36)的信号输入端相连，转换器(36)的信号输出端与配置逻辑电路(37)的输入端相连，两个双时基数据采集模块(11)的放大器(34)的信号输入端与分压电路(9)的(OUT)输出端相连，触发电路(10)的输出端也与放大器(34)的信号输入端相连，配置逻辑电路(37)的输出端即双时基数据采集模块(11)的输出端和第一电光隔离模块(12)的输入端相连，第一电光隔离模块(12)的输出端与光电隔离模块(5)的输入端相连。
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