3.5 电网电压频率的采集与处理

在煤矿供电系统面保护里，电网频率信号也是至关重要的一个方面。电网频率信号检测的基本原理是以电网电压信号的过零点为标志来计算两个过零点之间的时间差，进而通过一定的算法就可以求出当前电网的电压频率。

3.5.1 电网频率检测设计流程

电压信号过零点可以通过一定的硬件电路将其检测出来，其硬件结构流程图如图3.8所示。取电压互感器的交流信号与电压零值进行比较，得到对应的方波信号，由于得到的方波信号不是特别完美，上升沿与下降沿有毛刺的存在，经过光耦隔离之后，电压波形完美，在经过分压，得到最大值为2.5Ｖ，最小值为0Ｖ的方波，DSP可以顺利采集。

电压互感器R过零比较光耦隔离分压CAP图3. 8 频率检测硬件电路流程图

按照以上流程所得的电压波形变换如图3.9所示，DSP通过捕捉两个连续的上升沿或

者两个连续的下降沿，所得的时间差为一个周期的时间Ｔ，既而f=1/T。

2.5VTTut5Vtt

图3.9 频率检测波形变换图

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3.5.2 电网频率信号检测电路设计

本次电压采样电路选择的电压互感器为TV1013-1H，其变比为2000:2000，本次设计采集的电压信号为相电压，即220V，在电压互感器一次侧串联一个200K 的电阻，再在二次侧并联一个330的电阻。

3.10 频率检测硬件结构图

由电压设计电路计算得电压互感器二次侧输出电压的范围为-0.513V至+0.513V，该信号被加在比较器的同相输入端，同时将比较器的反向相输入经10K电阻接地，此电阻是为了让电路设计阻抗匹配，当同相端电压大于反相端电压时比较器输出高电平，当同相端电压小于反相端电压时比较器输出低电平，由于比较器工作电源为5V，故其输出高电平信号电压为5V。为了避免干扰信号使比较器输出端产生负电压损害DSP，在比较器输出端加一个二极管。由于所得波形有毛刺，所以再经过光耦隔离后分压，使得电压值在DSP的CAP引脚能识别的0—3.3V，采用1K与1K的电阻进行分压，当比较器输出5V高电平信号时，CAP引脚便可得到约为2.5V的高电平脉冲信号。

3.6 电网有功功率、无功功率的采集与处理

在煤矿井下防越级跳闸设计的测控单元及上位机监控系统里，我们有必要知道测控单元安装处的有功功率及无功功率。有功功率及无功功率检测的基本原理是对电压信号和电流信号过零点之间的时间差进行统计，并通过一定的算法求出电压信号和电流信号之间的相位差，进而求出测控单元安装处电网的有功功率和无功功率。

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3.6.1 电网有功功率、无功功率采集的硬件设计流程

电网有功功率和无功功率的采集主要是通过采集电流、电压之间的相位差来实现的，而采集相位差的本质是求的电流过零点和电压过零点之间的时间差，该时间差可以用DSP的捕获单元来完成，DSP可以同时既捕捉上升沿又捕捉下降沿，硬件电路的主要工作是将电压电流的过零信号转换为脉冲信号送至DSP捕获单元的引脚上。

压 感

器电R过零比较互R电过零比较与非门光耦隔离分压CAP 流互 感器图3.12 有功无功检测硬件电路流程图

该硬件电路的工作流程如图3.9所示，电流互感器和电压互感器分别将一次回路的强电流电压信号变送到二次回路，过零比较是为了将电流电压的过零信号转化为脉冲信号，经过二与非门之后两路脉冲信号被合成了一路，光耦隔离是为了去毛刺，让波形上升沿下降沿更容易被DSP捕捉到，分压是为了使过零点采样电路和DSP捕获单元达到电平匹配。 u/iat5V b t5Vct2.5Vt1t2t1dt图3.13 有功无功检测波形变换图

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如图3.13所示，波形a为电压和电流互感器二次侧的波形，经过零检测电路后，波

形变换为波形b，上半轴的信号为高电平，而下半轴的信号为低电平，再经过与非门后，变换为波形c，当同时为高电平时，与非之后为低电平，其他情况均为高电平，在经过分压之后所得波形为波形d。

电压和电流的相角差即是电压和电流波形经过过零点对应的相角之差为θ，则所对应的的时间差为波形d图所示的t2，DSP捕捉一个上升沿和一个相邻的下降沿，所得的时间差记为t1，因为电压电流为50HZ,则一个波形周期是20ms，对应的角度为360°，如果t1以ms为单位，则时间差为t1对应的角度差记为α，那么α=t1*18，如波形d，t1有两种情况，则α也有两种情况:①当α=t1*18>180°，则所求相角差θ=α-180°= t1*18-180°；②当α=t1*18<180°，所求相角差θ=180°-α=180°- t1*18。

3.6.2电网有功功率、无功功率采集的硬件电路及计算

有功无功检测电路原理和频率检测电路基本相似，由电压电流设计电路计算互感器二次侧输出电压电流的范围，该信号被加在比较器的同相输入端，同时将比较器的反向相输入经10K电阻接地，此电阻是为了让电路设计阻抗匹配，当同相端电压大于反相端电压时比较器输出高电平，当同相端电压小于反相端电压时比较器输出低电平，由于比较器工作电源为5V，故其输出高电平信号电压为5V。为了避免干扰信号使比较器输出端产生负电压损害DSP，在比较器输出端加一个

图3.14 有功无功检测电路

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