CN112485746A - 一种交直流高压分压器二次信号无线传输*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交直流高压分压器二次信号无线传输***，包括无线连接的分压器底部测量装置和远端显示装置，分压器底部测量装置包括信号处理模块、控制模块、无线发射模块和电源模块，信号处理模块用于接收分压器低压臂输入的电压信号，并输出增加了偏移电压的正电压信号，控制模块用于接收正电压信号，并将正电压信号调制为数字信号，无线发射模块用于接收数字信号，并将数字信号经调制后发射无线信号；远端显示装置包括无线接收模块和显示模块，无线接收模块用于接收无线信号并还原为数字信号，显示模块用于接收数字信号并予以显示。本发明通过设置无线模块发送电压数据，解决了分压器电缆传输易故障的难题，提升试验效率及安全性。

Description

一种交直流高压分压器二次信号无线传输***

技术领域

本发明涉及分压器信号传输领域，尤其涉及一种交直流高压分压器二次信号无线传输***。

背景技术

变电站、换流变或者试验基地开展交直流高压试验时均需要分压器进行电压测量和监视，分压器(包括高压臂、低压臂、峰值表及连接电缆等)是整个试验***的重要组成部分，直接影响试验的安全、环境、质量等各要素。目前常用的分压器装置均采用同轴电缆将低压臂信号传输到远端的峰值表进行读数，经过长期的现场实践发现，采用电缆传输的常规分压器存在如下问题：

1、电缆连接影响现场环境和安全，容易导致现场杂乱，电缆将高压与二次测量装置形成电气连接，分压器击穿时会对测量装置及人员造成损伤。

2、电缆连接易出故障问题，如连接断线、终端头损坏及焊接不良等，经常导致现场试验临时中断、进行故障查找。

3、需要频繁人工接线，电缆线的保管难度大，丢失问题时有发生，不同电缆存在匹配问题，阻抗不匹配导致试验数据不准确，同时存在严重的现场管理和信号丢失风险。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种交直流高压分压器二次信号无线传输***，，其结构简单、调节精度高、体积小、成本低，易于与现有分压器配套使用，主要解决现有分压器无无线通信功能的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种交直流高压分压器二次信号无线传输***，包括无线连接的分压器底部测量装置和远端显示装置，

所述分压器底部测量装置包括信号处理模块、控制模块、无线发射模块和电源模块，所述信号处理模块用于接收分压器低压臂输入的电压信号，并输出增加了偏移电压的正电压信号和所述正电压信号对应的频率信号，所述控制模块用于接收所述正电压信号和频率信号，并将所述正电压信号和频率信号调制为数字信号，所述无线发射模块用于接收所述数字信号，并将所述数字信号经调制后发射无线信号，所述电源模块用于为所述控制模块供电；

所述远端显示装置包括无线接收模块和显示模块，所述无线接收模块用于接收所述无线信号并还原为所述数字信号，所述显示模块用于接收所述数字信号并予以显示。

在一些实施方式中，所述信号处理模块的输入端包括输入阻抗单元，所述输入阻抗单元用于为***提供10MΩ以上的阻抗。

在一些实施方式中，所述信号处理模块用于测量0～400V范围内的电压信号，分为0V～50V档和40V～400V档，当输入的电压信号为处于所述0V～50V档区间时，分压比为38:1，将输入的电压信号分压到0～1.32V的正电压信号，当输入的电压信号为处于所述40V～400V档区间时，分压比为257:1，将输入的电压信号分压到0.155～1.55V的正电压信号。

在一些实施方式中，还包括输入波形整形单元，所述输入波形整形单元用于将所述0V～50V档输出的正电压信号放大并整形为方波信号，然后将所述方波信号发送到所述信号处理模块；所述信号处理模块还用于识别所述方波信号的频率，并将所述方波信号的频率通过所述无线发射模块发送到所述无线接收模块，所述显示模块还用于显示所述方波信号的频率。

在一些实施方式中，还包括按键输入模块，所述按键输入模块用于向所述控制模块输入控制信息，所述控制信息用于控制所述数字信号的输出数值。

在一些实施方式中，所述电源模块包括锂电池单元、辅助电源单元和电池充电装置，所述锂电池单元用于向所述辅助电源单元输出8.4V电压，所述锂电池单元的输入电源为12V/1A，所述辅助电源单元用于将输入的8.4V电压降压为±5V和3.3V。

在一些实施方式中，所述控制模块还用于检测所述输入电源是否大于预设值，若是则为所述锂电池单元作出充电处理。

本发明的有益效果为：通过设置无线模块，测试人员可在距离被试分压器一定安全距离之外以无线传输的方式测量读取电压数据，解决了分压器电缆传输易出断线、终端头损坏及焊接不良等故障的难题，改善了现场环境和安全，免去了电缆将高压与二次测量装置形成电气连接带来的分压器击穿时会对测量装置及人员造成损伤问题，提升试验效率及安全性。

附图说明

图1为本发明实施例公开的交直流高压分压器二次信号无线传输***的原理示意图；

图2为本发明实施例公开的信号处理模块的电路原理图；

图3为本发明实施例公开的波形整形单元的电路原理图；

图4为本发明实施例公开的充电电路的电路原理图；

图5为本发明实施例公开的辅助电源单元的电路原理图；

图6为本发明实施例公开的无线发射模块、无线接收模块的电路原理图；

图7为本发明实施例公开的控制模块的电路原理图；

图8为本发明实施例公开的显示模块的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

如图1所示,本实施例提出了一种交直流高压分压器二次信号无线传输***，包括无线连接的分压器底部测量装置和远端显示装置，

分压器底部测量装置包括信号处理模块、控制模块、无线发射模块和电源模块，信号处理模块用于接收分压器低压臂输入的电压信号，并输出增加了偏移电压的正电压信号和所述正电压信号对应的频率信号，控制模块用于接收正电压信号和频率信号，并将正电压信号和频率信号调制为数字信号，无线发射模块用于接收数字信号，并将数字信号经调制后发射无线信号，电源模块用于为控制模块供电；

远端显示装置包括无线接收模块和显示模块，无线接收模块用于接收无线信号并还原为数字信号，显示模块用于接收数字信号并予以显示。

参阅图2,示意了信号处理模块的具体电路构成，以下分为阻抗单元选择设计说明、***测量分档说明、信号处理模块工作说明和信号干扰处理说明四部分详细说明。

阻抗单元选择设计说明：信号处理模块的输入端包括输入阻抗单元，输入阻抗单元用于为***提供10MΩ以上的阻抗。由于***可配置常规所有分压器上臂，常规交流分压器采用电容式分压器，低压臂一般采用100pF～3000pF，(其中3000pF是使用在超高电压等级的分压器的其中一节，如1200kV交流分压器采用三节分压器模式，单节的电容一般配置为3000pF)；按照下臂分压输出一般不大于400V计算；下臂电容量是uF级别分压电容，按照最小1uF在30Hz～300Hz下的容抗为5.3kΩ～530Ω；这***输入阻抗至少满足5.3kΩ*1000＝5.3MΩ，对外部分压器的影响精度小于或等于0.1％；所以设计***输入阻抗不小于5MΩ。

***测量分档说明：信号处理模块用于测量0～400V范围内的电压信号，分为0V～50V档和40V～400V档，当输入的电压信号为处于0V～50V档区间时，分压比为38:1，将输入的电压信号分压到0～1.32V的正电压信号，当输入的电压信号为处于40V～400V档区间时，分压比为257:1，将输入的电压信号分压到0.155～1.55V的正电压信号。由于下臂分压输出范围0～400V，按照***最大测量电压400V计算，在满足测量精度的条件下设计输入电压分档；由于模拟信号测量采用CPU自带的8路ADC模块(12位AD)分辨率为1/4096；在满足测量精度条件下采用两档分压，40V～400V时由图中R1与R3分压，(10MΩ+39KΩ)/39KΩ，分压比为257:1，将输入电压分压到0.155～1.55V；0V～50V时由图中R89与R31分压，(10MΩ+270KΩ)/270KΩ，分压比为38:1，将输入电压分压到0～1.32V。***采用自动换挡切换模式，当测试到输入电压超过50V切换到40V～400V档位。为防止测量过程中出现来回切换档位，需要档位间有回差，其中40～50V范围内在任意档位测试都可。

信号处理模块工作说明：由于***ADC只能测试正电压，则输入信号需要需要将交流信号处理为正电压信号，图2中，IC1和IC2为高精密运算放大器，将输入0～1.5V交流信号增加直流偏移，使输入信号到ADC测量端电压大于0V。其中IC1和IC2为高精密运算放大器OPA2277。由于输入阻抗10MΩ较高，则IC1A与IC2A为运放输入射随器模式，其目的为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级；也可用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。其中D1,D2,D3,D6为保护二极管，目的是在输入电压在分压下，任然超过电源电压5V时，限制信号电压不超过5V，防止输入电压过高损坏器件；保护后端运放等；IC1B与IC2B为信号增加直流偏移，再通过分压电阻R13,R15，将交流信号变换为0～2.5V范围内的正压信号。

信号干扰处理说明：由于***在测试不同频率下的高压，***在滤波处理上需要特别慎重，比如在分压状态不能加电容(即使需要滤波也只能在不影响精度的前提下实现)，但在高压状态下，小信号容易受到干扰，所以在前端所有信号处理完成后，在接入ADC测量前增加一个小电容滤波，图2中，C2和C12既是滤波电容，电容量为1000pF，在30Hz～300Hz下容抗为5.3MΩ～530KΩ；***在30Hz下的R13,R15，C2组成的分压比为：(10K//5.3M)与10K的分压为2.002:1；***在150Hz下的R13,R15，C2组成的分压比为：(10K//1.06M)与10K的分压为2.01:1；***在300Hz下的R13,R15，C2组成的分压比为：(10K//530K)与10K的分压为2.02:1。测试***由于频率不一致导致测量分压出现误差，但是不加电容滤波出现信号干扰大，毛刺较多；所以本***采用电容滤波，再数字滤波，最后通过不同频率下的分压比校准(具体系数为)：在不同频率下乘以一个K值，其中K＝1+10000(πfC)＝1+0.0000314*f。

参阅图3,还包括输入波形整形单元，输入波形整形单元用于将0V～50V档输出的正电压信号放大并整形为方波信号，然后将方波信号发送到信号处理模块；信号处理模块还用于识别方波信号的频率，并将方波信号的频率通过无线发射模块发送到无线接收模块，显示模块还用于显示方波信号的频率。方波信号的频率测试要求在输入小信号时也能正常测试输入信号频率，所以测试频率在输入变比在38:1端测试，***采用信号放大100倍，再经过单稳态整形输出信号，将过零干扰信号整形成需要的方波信号；测量采用CPU自带的TIMERA是一个具有多路捕获/比较寄存器的16位定时/计数器，主要有TAxCTL，TAxR，TAxCCTLn，TAxIV，TAxEX0几个寄存器，可以对外部信号进行捕获并测试周期，实现对信号的频率测量。

还包括按键输入模块，按键输入模块用于向控制模块输入控制信息，控制信息用于控制数字信号的输出数值。

所述电源模块包括锂电池单元、辅助电源单元和电池充电装置，锂电池单元用于向辅助电源单元输出8.4V电压，锂电池单元的输入电源为12V/1A，辅助电源单元用于将输入的8.4V电压降压为±5V和3.3V，电池充电装置用于向锂电池单元充电。锂电池单元的充电电路请参阅图4。

***供电电源电池选择：由于***在高压区域分压器底部，***电源供电部分选用电池供电，由于现在电池技术得到很大的提高，体积小，容量大，***采用8.4V锂电池3000mAH,在容量状态下，***可以连续供电30小时(在有触摸屏显示状态下)，在本机不显示，远程显示模式状态下可以连续工作60小时；***如果采用低功耗，休眠模式工作可以根据输入是否有信号来判断是否启动工作，***可以工作更长时间，比如一天单次工作时间1小时计算，至少可以工作60天；

***电源输入选择：充电电源采用外部适配器输入，输入电源采用12V/1A，在外部无电源输入状态下，按开关信号，(J2的1,2脚导通)，***后端正常工作，在外部电源供电状态下，继电器KA1工作，等同于开关信号((J2的1,2脚导通)；***后端正常工作。

充电说明：在外部无供电采用***电池供电时，通过CPU检测R62与R64分压电压，可以判断输入电源是否交流供电，外部电源供电分压电压大于2.5V，无外部电源供电分压电压为0；以此来判断外部输入电源，并作出是否充电处理。充电电路采用斩波调压模式，***选用MOS管为AO4407A。

导通电阻小于15mΩ,在1A充电电流下，损耗为0.015*1*1＝0.015W；选用贴片式模式可以满足散热要求；功率电感采用贴片功率电感；充电PWM采用工作频率不小于20kHz，可以采用更高频率或者选用专用的锂电池充电芯片，但是考虑***的CPU为MSP430F149，内部含有PWM控制模式输出，故***采用自制PWM充电模式，采用测试电池电压和充电电流来判断PWM的输出脉宽调节；测试电池电压采用R24与R25分压后经过CPU内部ADC12测量，测试电池当前电压，R24与R25的阻值尽量选择高阻模式，选择阻值为100k+10k，电池损耗为80uA；测试电池充电电流采用R26//R27//R28三个1Ω电阻并联，并联后阻值为0.33Ω，充电电池容量为3000mAh，按照充电小于8小时计算，恒流充电电流不小于3000/8＝375mA；***选择恒流充电电流0.5A，则充电电流在通过电阻测量0.33Ω*0.5A＝0.165V；经过IC3B运算放大器放大10倍，0.165*10＝1.65V，由CPU内部ADC12测量；***通过检测电压电流，来调节PWM输出的宽度，保证始终在恒流状态下进行充电，待电池电压达到8.4V时采用恒压充电，保证充电电压恒压在8.4V进行涓流充电。

辅助电源单元的电路原理图如图5所示，对电源部分设计说明：由于测试交流电压的精密运放需要正负电源供电，***供电电源为8.4V锂电池，考虑到***在7.2V也能正常工作，则选择***正负电源为+5V和-5V。CPU采用MPS430F149的工作电源为3.3V，所以***还需要产生3.3V辅助电源。5V工作电源一般采用降压式稳压芯片如LM7805，但是由于***采用电池供电，需要在设计时尽量考虑降低***功耗；如果常规降压式稳压芯片，5V所需电流为100mA，这输入电源也需要100mA；则按照电池电压8V供电，功耗为0.8W，功耗较大；故***采用开关式转换芯片MP2359。工作频率为1.4MHz，可以达到效率不小于92％；如输出需要5V,100mA，按照92％效率计算所需功耗为；5*0.1/(0.92)＝0.55W；比原0.8W的功耗大大降低；***所需-5V电源采用TPS60400；由于***-5V电源直供给3个运放工作，所以所需电流小于10mA，选用电荷泵DCDC模式芯片，只需要很少的外部器件(2个电容)即可产生负电源，TPS60400非常适合电池供电***下的负电源***。

控制模块还用于检测输入电源是否大于预设值，若是则为锂电池单元作出充电处理。

无线发射模块、无线接收模块如图6所示，无线模块的主要硬件构成主要为无线模块主控芯片为使用流行的ARM芯片和无线接收/发送使用nRF24L01+芯片(此款芯片的技术比较成熟，便于缩短开发时间)，还包括天线(高增益陶瓷天线)内置在控制盒内，通过射频放大器放大到22dBm,这样可以将传输距离增加不少。

控制模块如图7所示，***CPU采用MSP430F149；MSP430F149IPM是TI公司设计生产的一款超低功耗的16位单片机。具有低电压、超低功耗；快速苏醒；低电压、超低功耗。工作电压3.6V～1.8V，正常工作模式280μA@1MHz，2.2V，待机模式1.6μA，RAM数据保存的掉电模式下0.1μA。五级节电模式。快速苏醒，从待机模式下恢复工作，只需要不到6μS时间。16位精简指令集MCU，命令周期125nS，12位ADC，具有内部参考电压源，并且具有采样、保持、自动扫描等功能。具有12位的模数转换器可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦。2个16位计数器，具有捕获、门限功能，具有片内比较器，支持ISP(在线***编程)，方便开发和项目升级。支持序列号，熔丝位烧写。双串口。CPU内部含有2K掉电保存容量，但是考虑***可靠性外部再增设一个掉电保存数据芯片X5043，同时保存内部重要参数，采用数据交叉比较判断数据的正确性，如果其一数据丢失还能采用另外一组可靠数据。

显示模块如图8所示，触摸屏采用工业4.3寸电容屏具体参数如下：DC48270F043_6111_0C(RS232,电容触摸)核心处理器为32位大彩定制专用处理器，接收部分可以采用两种模式：其一、本机触摸屏显示模式时采用同型号无线收发模块同远端一致；其二、采用USB转无线模式可以采用电脑控制，并提供上位机软件。

1、通过设置无线模块，测试人员可在距离被试分压器一定安全距离之外以无线传输的方式测量读取电压数据，解决了分压器电缆传输易出断线、终端头损坏及焊接不良等故障的难题，改善了现场环境和安全，免去了电缆将高压与二次测量装置形成电气连接带来的分压器击穿时会对测量装置及人员造成损伤问题，提升试验效率及安全性；无需保管电缆线的保管难度大，阻抗匹配导致试验数据不准确的问题也得以解决。

2、本发明可通用多类型分压器，可以配合常规各电压等级分压器完成检测，***测试电压范围在AC0～400V、DC0～±300V，信号采集装置可自动识别交流或直流信号，测试数据通过无线模式发送到远端，免除现场长距离接线。信号采集及发射装置采用电池模块供电、低功耗设计。

3、数据接收装置可设置不同分压比、切换交直流模式，可实时接收发射装置的数据并显示，内容包括均方根值、峰峰值、平均值等，接收装置接收距离大于30米，确保现场可使用。

4、优化各组成部分，使测量精度优于1％。本发明采用无线传输处理数字信号，信号不失真即不影响精度，精度可以满足测量要求，本项目采用定点高频传输方式，可免除变电站内复杂环境的电磁干扰。

本发明进而提供了一种用于上述直流高压分压器二次信号无线传输***的无接触电压测量方法，包括：

步骤一，将分压器底部测量装置接于被测量分压器的低压臂；

步骤二，将分压器底部测量装置的接地端和被试分压器低压臂的接地端分别接入各自试验现场的接地极点；

步骤三，通过无线信号连接分压器底部测量装置和远端显示装置；

步骤四，通过远端显示装置的显示模块设置测量参数，读取被测数据。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种交直流高压分压器二次信号无线传输***，其特征在于，包括无线连接的分压器底部测量装置和远端显示装置，

所述分压器底部测量装置包括信号处理模块、控制模块、无线发射模块和电源模块，所述信号处理模块用于接收分压器低压臂输入的电压信号，并输出增加了偏移电压的正电压信号和所述正电压信号对应的频率信号，所述控制模块用于接收所述正电压信号和频率信号，并将所述正电压信号和频率信号调制为数字信号，所述无线发射模块用于接收所述数字信号，并将所述数字信号经调制后发射无线信号，所述电源模块用于为所述控制模块供电；

所述远端显示装置包括无线接收模块和显示模块，所述无线接收模块用于接收所述无线信号并还原为所述数字信号，所述显示模块用于接收所述数字信号并予以显示。

2.如权利要求1所述的交直流高压分压器二次信号无线传输***，其特征在于，所述信号处理模块的输入端包括输入阻抗单元，所述输入阻抗单元用于为***提供10MΩ以上的阻抗。

3.如权利要求1所述的交直流高压分压器二次信号无线传输***，其特征在于，所述信号处理模块用于测量0～400V范围内的电压信号，分为0V～50V档和40V～400V档，当输入的电压信号为处于所述0V～50V档区间时，分压比为38:1，将输入的电压信号分压到0～1.32V的正电压信号，当输入的电压信号为处于所述40V～400V档区间时，分压比为257:1，将输入的电压信号分压到0.155～1.55V的正电压信号。

4.如权利要求3所述的交直流高压分压器二次信号无线传输***，其特征在于，还包括输入波形整形单元，所述输入波形整形单元用于将所述0V～50V档输出的正电压信号放大并整形为方波信号，然后将所述方波信号发送到所述信号处理模块；所述信号处理模块还用于识别所述方波信号的频率，并将所述方波信号的频率通过所述无线发射模块发送到所述无线接收模块，所述显示模块还用于显示所述方波信号的频率。

5.如权利要求1所述的交直流高压分压器二次信号无线传输***，其特征在于，还包括按键输入模块，所述按键输入模块用于向所述控制模块输入控制信息，所述控制信息用于控制所述数字信号的输出数值。

6.如权利要求1所述的交直流高压分压器二次信号无线传输***，其特征在于，所述电源模块包括锂电池单元、辅助电源单元和电池充电装置，所述锂电池单元用于向所述辅助电源单元输出8.4V电压，所述锂电池单元的输入电源为12V/1A，所述辅助电源单元用于将输入的8.4V电压降压为±5V和3.3V。

7.如权利要求6所述的交直流高压分压器二次信号无线传输***，其特征在于，所述控制模块还用于检测所述输入电源是否大于预设值，若是则为所述锂电池单元作出充电处理。

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