一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置。包括微控制器、用于與主站進(jìn)行通信的通信模塊、用于采樣電壓信號(hào)的采樣芯片、電壓變換電路、設(shè)置于10kV或35kV母線上的前端電壓互感器和用于為整個(gè)裝置供電的電源電路；所述微控制器通過(guò)SPI串行通訊接口連接至所述采樣芯片，并經(jīng)該采樣芯片及電壓變換電路與所述前端電壓互感器連接，所述微控制器還通過(guò)USART串行通訊接口與所述通信模塊連接；所述電源電路包括依次連接的濾波模塊、降壓模塊、整流模塊和穩(wěn)壓模塊，所述濾波模塊的輸入端連接至220V交流電源。本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，便于實(shí)際應(yīng)用推廣，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
【專利說(shuō)明】一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)中，電壓互感器的鐵磁諧振是一個(gè)常見(jiàn)的故障。當(dāng)產(chǎn)生某種沖擊擾動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊過(guò)程會(huì)在PT和三相導(dǎo)線對(duì)地電容間激發(fā)起鐵磁諧振現(xiàn)象，造成系統(tǒng)過(guò)電壓和PT過(guò)電流。目前，為了抑制鐵磁諧振，都是通過(guò)監(jiān)視并采集PT 二次側(cè)的電壓，在配電主站中對(duì)波形進(jìn)行判斷識(shí)別，最后通過(guò)串入阻尼電阻進(jìn)行消諧。
[0003]目前市場(chǎng)上可供選擇的監(jiān)視PT諧振過(guò)電壓的終端很少見(jiàn)，并且其所采用的單片機(jī)處理速度不夠快，采樣速率較低，功能單一，不易于監(jiān)視裝置功能的擴(kuò)展，同樣也不適合用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，難以滿足配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)發(fā)展的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置，包括微控制器、用于與主站進(jìn)行通信的通信模塊、用于采樣電壓信號(hào)的采樣芯片、電壓變換電路、設(shè)置于1kV或35kV母線上的前端電壓互感器和用于為整個(gè)裝置供電的電源電路；所述微控制器通過(guò)SPI串行通訊接口連接至所述采樣芯片，并經(jīng)該采樣芯片及電壓變換電路與所述前端電壓互感器連接，所述微控制器還通過(guò)USART串行通訊接口與所述通信模塊連接；所述電源電路包括依次連接的濾波模塊、降壓模塊、整流模塊和穩(wěn)壓模塊，所述濾波模塊的輸入端連接至220V交流電源。
[0006]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述微控制器采用STM32F407VGT6芯片。
[0007]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述電壓變換電路包括一閉環(huán)霍爾電壓傳感器，該閉環(huán)霍爾電壓傳感器采用HCV-10E。
[0008]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述采樣芯片采用AD7606。
[0009]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述通信模塊為GPRS模塊，該GPRS模塊采用ME3000 V2。
[0010]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述穩(wěn)壓模塊采用兩路穩(wěn)壓芯片LM2596，用于將所述整流模塊輸出的直流電壓轉(zhuǎn)為5V和用于為GPRS供電的4.2V直流電壓輸出，其中，5V直流電壓分別經(jīng)開(kāi)關(guān)電源和3.3V穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為12V和3.3V電壓。
[0011]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0012]1、本實(shí)用新型采用高性能低成本的STM32F407VGT6，采樣速率高，采樣精度高，為分析和應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)PT諧振過(guò)電壓提供良好的支持；
[0013]2、通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，傳輸可靠性高，通信穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，減少單獨(dú)鋪設(shè)通信線路；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PT諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)；當(dāng)PT發(fā)生過(guò)電壓時(shí)監(jiān)測(cè)裝置能及時(shí)報(bào)警并上傳數(shù)據(jù)，減少了工作量，提高了自動(dòng)化水平，為工作人員分析數(shù)據(jù)提供了良好的基礎(chǔ)，保證了設(shè)備的安全穩(wěn)定的運(yùn)行，本實(shí)用新型裝置的研制具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置原理框圖。
[0015]圖2是本實(shí)用新型諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用框圖。
[0016]圖3是本實(shí)用新型電源電路原理框圖。
[0017]圖4是本實(shí)用新型電源電路原理圖。
[0018]圖5是本實(shí)用新型采樣芯片引腳連接圖。
[0019]圖6是本實(shí)用新型微控制器引腳連接圖。
[0020]圖7是本實(shí)用新型GPRS模塊引腳連接圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行具體說(shuō)明。
[0022]本實(shí)用新型的一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置，包括微控制器(采用STM32F407VGT6芯片)、用于與主站進(jìn)行通信的通信模塊(所述通信模塊為GPRS模塊，該GPRS模塊采用ME3000V2)、用于采樣電壓信號(hào)的采樣芯片(采用AD7606)、電壓變換電路、設(shè)置于1kV或35kV母線上的前端電壓互感器和用于為整個(gè)裝置供電的電源電路；所述微控制器通過(guò)SPI串行通訊接口連接至所述采樣芯片，并經(jīng)該采樣芯片及電壓變換電路與所述前端電壓互感器連接，所述微控制器還通過(guò)USART串行通訊接口與所述通信模塊連接；所述電源電路包括依次連接的濾波模塊、降壓模塊、整流模塊和穩(wěn)壓模塊，所述濾波模塊的輸入端連接至220V交流電源。
[0023]所述電壓變換電路包括一閉環(huán)霍爾電壓傳感器，該閉環(huán)霍爾電壓傳感器采用HCV-1OE0
[0024]所述穩(wěn)壓模塊采用兩路穩(wěn)壓芯片LM2596，用于將所述整流模塊輸出的直流電壓轉(zhuǎn)為5V和用于為GPRS供電的4.2V直流電壓輸出，其中，5V直流電壓分別經(jīng)開(kāi)關(guān)電源和3.3V穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為12V和3.3V電壓。
[0025]為更好的講述本實(shí)用新型，以下結(jié)合本實(shí)用新型的硬件電路及現(xiàn)有軟體詳述本實(shí)用新型具體工作原理，需特別說(shuō)明的是，涉及軟件描述部分不是本實(shí)用新型的保護(hù)內(nèi)容。
[0026]如附圖1，本實(shí)用新型新型的諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)終端包括電壓變換電路2、采樣芯片
3、微控制器4、通信模塊5、電源6。所述微控制器4與采樣芯片3采用SPI串行通訊接口連接，微控制器4與通信模塊5采用USART串行通訊連接。
[0027]前端電壓互感器PT (接在1kV或35kV母線上)二次側(cè)的三相電壓和零序電壓信號(hào)I輸入本裝置。通過(guò)閉環(huán)霍爾電壓互感器HCV-10E將電壓轉(zhuǎn)換成mA級(jí)別的電流，再流經(jīng)測(cè)量電阻RM得到電壓，將該電壓信號(hào)(-10V~+10V之間)送入采樣芯片3。采樣芯片3將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由微控制器4采用SPI串行通信方式讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換值，并進(jìn)行判斷是否發(fā)生過(guò)電壓。若判定為過(guò)電壓，則啟動(dòng)通信模塊5，發(fā)送數(shù)據(jù)將采樣得到的電壓信號(hào)經(jīng)通信模塊5 (GPRS模塊)上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)(遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī))。
[0028]微控制器4每0.1ms啟動(dòng)一次電壓轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自身的緩沖區(qū)。每采集0.02s后便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)電壓判斷。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)高達(dá)4800個(gè)16位的數(shù)據(jù)。
[0029]由附圖3和附圖4可知，電源輸入為220V交流電源，先通過(guò)前端的濾波和保護(hù)電路防止雷擊過(guò)電壓或者電網(wǎng)中出現(xiàn)的過(guò)電壓侵入波，并消除共模干擾及濾除高頻諧波分量，再由變壓器降壓至交流電壓6V，然后分別通過(guò)不可控整流電路，電容濾波電路，兩路穩(wěn)壓芯片LM2596得到直流5V和4.2V。其中4.2V作為GPRS模塊的供電電源。5V電壓分別經(jīng)開(kāi)關(guān)電源DY05D12-2W升至±12V作為閉環(huán)電壓霍爾傳感器HCV-10E的供電電源、經(jīng)開(kāi)關(guān)電源DY05S12-1W升至12V作為繼電器輸出的供電電源、經(jīng)LMl117-3.3穩(wěn)壓芯片降至3.3V作為主控板的電源，供給微控制器、通信模塊和LED運(yùn)行指示等使用。采樣芯片AD7606的電源由2.5V，3.3V和5V組成。其中的2.5V電壓由3.3V經(jīng)精密穩(wěn)壓芯片ADR421降壓得到。
[0030]如圖6所示，MCU采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407VGT6微控制器。該微控制器是具有32位CPU，采用Cortex-M4內(nèi)核，100個(gè)引腳，IMB的程序存儲(chǔ)器，192KB的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)并有4KB的備份存儲(chǔ)區(qū)，3個(gè)10.5Mb/s的USART接口，3個(gè)37.5Mb/s的SPI。集成了單周期DSP指令和FPU (浮點(diǎn)單元)，支持復(fù)雜算法的計(jì)算，有利于快速和處理采樣得到的電壓信號(hào)。
[0031 ] 由附圖1和附圖5所示，采樣芯片3采用的是16位精度8通道同步采樣的AD7606。轉(zhuǎn)換速率高達(dá)200kSPs。在本實(shí)用新型的諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)終端中，有4路采樣輸入，分別接至PT三相開(kāi)口處(測(cè)得零序電壓)，以及二次側(cè)的A相、B相、C相。采樣芯片AD7606與微控制器4的主要連接有數(shù)據(jù)線和控制線。由于本裝置采用SPI串行通信方式，采樣芯片3的DB7和微控制器4的SPI1_MIS0單一的數(shù)據(jù)線相連，而SPI通信需要時(shí)鐘線，采用微控制器4的SPI1_SCK引腳與采樣芯片3的SCK連接，從而控制AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀取的速度。微控制器4的PC4引腳與采樣芯片3的CONVSTA和C0NVSTB引腳相連，控制啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。采樣芯片3的BUSY引腳作為外部中斷信號(hào)源接入微控制器4的PC3引腳，用于提示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束。采樣芯片3的0S0~0S2是過(guò)采樣模式引腳，通過(guò)配置這三個(gè)引腳可以改變采樣芯片的采樣率，從而實(shí)現(xiàn)采樣率的調(diào)節(jié)。微控制器4的PA7引腳連接采樣芯片3的RESET引腳，可以復(fù)位采樣芯片3。此外，還可以通過(guò)改變采樣芯片3的RANGE引腳接入的電平高低，改變輸入電壓的測(cè)量范圍。例如:RANGE引腳接高電平，則測(cè)量范圍為-10V~10V ;反之，測(cè)量范圍為-5V~5V。
[0032]如圖7所示，通信模塊5采用的是中興的ME3000 V2。用于監(jiān)測(cè)裝置與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信。微控制用AT命令集操作通信模塊5。通過(guò)中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)建立TCP/IP鏈接，監(jiān)測(cè)裝置可以接收來(lái)自遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令，包括設(shè)定閾值電壓，電壓召喚，對(duì)時(shí)，以及主動(dòng)上傳電壓數(shù)據(jù)等功能。由附圖1、附圖6和附圖7可知，微控制器4與通信模塊5的數(shù)據(jù)交互通過(guò)異步串行通信實(shí)現(xiàn)，微控制器的USART1_RX和USART1_TX分別與GPRS模塊ME3000_V2的TXD和RXD相連，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。GPRS模塊的28和30引腳分別控制來(lái)電、來(lái)短信指示燈LED3和控制網(wǎng)絡(luò)信號(hào)指示燈LED2。由于LED3高電平點(diǎn)亮，而收到短信，將有4-5s的低電平，故LED3熄滅4-5s。微控制器的PB3輸出電平信號(hào)通過(guò)三極管9014放大后控制GPRS模塊的復(fù)位引腳RESET ;通過(guò)PB4引腳與GPRS模塊的0N/0FF引腳相連，控制通信模塊5的開(kāi)啟和關(guān)閉；PD7引腳作為Si4435芯片(P-MOSFET)的柵極g輸入控制GPRS模塊的電源V_MAIN通斷。此外，通信模塊的數(shù)據(jù)流量使用是要付費(fèi)的，這需要通過(guò)SM卡實(shí)現(xiàn)。因此，GPRS模塊需要和SM卡實(shí)現(xiàn)信息交互。GPRS模塊的V_CARD引腳作為電源連接SM卡的VCC ；UIM_RST引腳連接SM卡的RST引腳實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能；UM_CLK引腳作為數(shù)據(jù)讀寫的時(shí)鐘線連接SIM卡的CLK ;UM_DAT作為雙向讀寫的數(shù)據(jù)線連接SM卡的DAT。
[0033]通信模塊5與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的協(xié)議采用的是IEC60870-5-104規(guī)約。規(guī)約設(shè)定當(dāng)通訊雙方中的任意一方?jīng)]有收到或發(fā)送任何數(shù)據(jù)超過(guò)4s，則發(fā)送測(cè)試幀對(duì)通訊鏈路進(jìn)行測(cè)試，如果沒(méi)有收到回復(fù)就立即斷開(kāi)鏈路重新連接。
[0034]對(duì)發(fā)生過(guò)電壓的判斷方法為:每采集0.02s，將采樣獲得的電壓值與設(shè)定的閾值對(duì)比。當(dāng)有10個(gè)數(shù)據(jù)大于設(shè)定值時(shí)，判定為發(fā)生過(guò)電壓，反之則判定為電壓狀態(tài)正常。當(dāng)發(fā)生過(guò)電壓時(shí)，立即向遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送電壓數(shù)據(jù)，內(nèi)容為過(guò)電壓前兩周期波形和后10周期波形。
[0035]如附圖2，本實(shí)用新型的諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)終端B與裝有相應(yīng)監(jiān)控及管理軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)A組成諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從功能上講，遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取各個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的信息，并對(duì)信息進(jìn)行解析，顯示在圖形界面上。工作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上就可以對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)終端的電壓閾值進(jìn)行設(shè)定，召喚監(jiān)測(cè)裝置上傳電壓數(shù)據(jù)，查看歷史電壓數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)波形，導(dǎo)出電壓的歷史波形。
[0036]使用本實(shí)用新型諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)終端的工作過(guò)程的一個(gè)示例如下所述。
[0037]監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)電壓采樣芯片以1kHz的頻率對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)SPI串行總線送到微控制器，微控制器對(duì)采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果發(fā)生了過(guò)電壓，則調(diào)用通信模塊，將12個(gè)周期的電壓波形數(shù)據(jù)用通訊規(guī)約打包發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，標(biāo)度轉(zhuǎn)換，然后存在自身的數(shù)據(jù)庫(kù)中。并在圖形界面上顯示出警報(bào)信息，提醒工作人員。如果沒(méi)有發(fā)生過(guò)電壓，則判斷是否接收到遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果收到，則解析數(shù)據(jù)，并按數(shù)據(jù)的內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如修改本監(jiān)測(cè)裝置的電壓閾值等。如果監(jiān)控計(jì)算機(jī)向其召測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中器就將所召測(cè)的數(shù)據(jù)按照規(guī)約打包，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)收到數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、標(biāo)度轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在自身的數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果沒(méi)有收到任何遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的任何數(shù)據(jù)則判斷是否超過(guò)設(shè)定的時(shí)間，超過(guò)即發(fā)送測(cè)試幀，測(cè)試鏈路狀態(tài)。此時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)回應(yīng)測(cè)試確認(rèn)幀，確認(rèn)通訊鏈路正常。工作人員可以在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上對(duì)歷史電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，同時(shí)也可以遠(yuǎn)程對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行進(jìn)行手動(dòng)召喚。
[0038]以上是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:包括微控制器、用于與主站進(jìn)行通信的通信模塊、用于采樣電壓信號(hào)的采樣芯片、電壓變換電路、設(shè)置于10”或35”母線上的前端電壓互感器和用于為整個(gè)裝置供電的電源電路；所述微控制器通過(guò)3？1串行通訊接口連接至所述采樣芯片，并經(jīng)該采樣芯片及電壓變換電路與所述前端電壓互感器連接，所述微控制器還通過(guò)舊八奶串行通訊接口與所述通信模塊連接；所述電源電路包括依次連接的濾波模塊、降壓模塊、整流模塊和穩(wěn)壓模塊，所述濾波模塊的輸入端連接至2207交流電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述微控制器采用81132？4077616 芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述電壓變換電路包括一閉環(huán)霍爾電壓傳感器，該閉環(huán)霍爾電壓傳感器采用11(^-102。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述采樣芯片采用八07606。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述通信模塊為6？尺3模塊，該6即3模塊采用腿3000 乂2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述穩(wěn)壓模塊采用兩路穩(wěn)壓芯片112596，用于將所述整流模塊輸出的直流電壓轉(zhuǎn)為訊和用于為供電的.4.2乂直流電壓輸出，其中，5乂直流電壓分別經(jīng)開(kāi)關(guān)電源和3.3乂穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為12乂和3丨電壓。
【文檔編號(hào)】G01R19/165GK204203344SQ201420724237
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】高偉, 郭謀發(fā) 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司, 國(guó)網(wǎng)福建長(zhǎng)樂(lè)市供電有限公司, 福州大學(xué)