一种现场总线型交流电压传感器及其工作方法与流程

本发明实施例涉及电气设备技术领域，尤其涉及一种现场总线型交流电压传感器及其工作方法。

背景技术：

在轨道交通、电力设备及配电网等领域，传感器起着重要的作用，在整个系统中，传感器担负着电压变换、线路保护及报警等作用。

目前，使用的交流电压传感器绝大多数是25kv电磁式电压互感器、电子式电压互感器和非传统电压互感器，电磁式电压互感器通过电磁感应把一次交流电压变换成与一次绕组和二次绕组匝数成正比的二次交流电压，电子式电压互感器其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。

在轨道交通及配电网中，应用现场总线来进行相关技术改进成为一个主要的发展趋势，传统的和非传统的电压互感器只有电压比例变换功能，电子式电压互感器只有电压信号数字变换功能或电压比例变换功能，都没有信号处理能力，不满足现场总线要求，即缺乏智能。为了使现场总线使用的交流电压传感器智能化，需要依靠数字处理器或网络主机帮助实现。这就使现场总线系统变得复杂，需要配电网有自适应功能，而这就需要现场总线交流电压传感器的直接参与才能实现。同时，现有电压传感器二次侧的额定输出电压种类繁多，阻碍了智能交流电压传感器的标准化，不利于25kv配电和用电装置的技术发展。

技术实现要素：

本发明提供一种现场总线型交流电压传感器及其工作方法，以实现电压传感器输出数据与现场总线的数据传输需求匹配。

第一方面，本发明实施例提供了一种现场总线型交流电压传感器，包括：高压臂串联电阻、低压臂串联电阻、信号调理模块、模数转换模块、数字信号处理模块、通讯接口模块和电源模块，还包括：

现场总线通信接口，与所述通讯接口模块相连，用于从所述通讯模块接收数字信号处理模块处理后的信号，并传输至所连接的现场总线中。

进一步地，所述高压臂串联电阻包括：多只具有两端电容屏的高压臂电阻依次串联。

进一步地，所述信号调理模块、模/数变换模块、数字信号处理模块、通讯接口模块和电源模块布设于电子电路印刷板上。

进一步地，信号调理模块，与所述串联电阻相连，用于将分压器电阻的二次电压进行有效值、直流幅值、基波幅值、相位及电压峰值的计算，得到模拟信号；

模数转换模块，与所述信号调理模块相连，用于将所述模拟信号进行采样量化，得到采样数字信号；

数字信号处理模块，与所述模数转换模块相连，用于根据所述采样数字信号进行统计分析，形成状态代码和控制代码；

通讯接口模块，与所述数字信号处理模块相连，用于接收所述状态代码和控制代码，并通过所述现场总线通信接口发送到现场总线。

进一步地，所述电子电路印刷板的信号线和电源线与现场总线连接器相连接，并采用密封底板封装。

进一步地，所述交流电压传感器的接触网的电压为25kv。

第二方面，本发明实施例提供了一种交流电压传感器的工作方法，采用本发明实施例所提供的现场总线型交流电压传感器来执行，所述方法包括：

由模数转换模块提供电压采样数字信号；

数字信号处理模块执行如下至少一项操作：

根据模数转换模块提供的采样数字信号，计算交流电压有效值，若所述交流电压有效值超过设定过电压阈值时，则判断所连接线路处于过电压状态，产生过电压控制代码，若所述交流电压有效值低于设定低电压阈值时，则判断所连接线路处于欠电压状态，产生欠电压控制代码；

根据所述采样数字信号计算直流幅值及总谐波失真，若所述直流幅值超过设定直流超限阈值，则产生直流超限控制代码，若所述总谐波失真超过设定失真阈值，则产生失真超限控制代码；

在识别到失真时，控制对所述采样数字信号进行限幅处理，若重新采样的采样数字信号的半波时间小于或等于设定暂降阈值，则产生电压暂降控制代码；

根据所述采样数字信号计算幅值最大信号，若所述幅值最大信号的半波时间小于或等于设定暂态过电压阈值，则产生暂态过电压控制代码；

所述数字信号处理模块将各所述控制代码通过所述现场总线通信接口发送到现场总线。

本发明通过交流电压传感器内部电子电路印刷板的信号线与现场总线转换器相连，并传输至所连接的现场总线中，最终输出数字信号处理模块处理后的信号，用户可以根据自己的需求在现场总线上提取所需数据，通过现场总线的方式把数据传输给用户，解决了现场数据传输的问题，并解决了传统和非传统电压互感器及电子式电压互感器不能处理信号的问题，促进了电压传感的智能化、标准化、控制设备之间的集成化和数字化，达到了电压传感器智能化的效果。

附图说明

图1a是本发明实施例一中的现场总线型交流电压传感器的结构示意图。

图1b是本发明实施例一中的电压传感器结构示意图。

图1c是本发明实施例一中的高压臂电阻结构示意图。

图2为本发明实施例二提供的交流电压传感器的工作方法中生成电压控制代码流程图。

图3为本发明实施例三提供的交流电压传感器的工作方法中生成控制代码流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。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结构。

实施例一

图1a是本发明实施例一中的现场总线型交流电压传感器的结构示意图，图1b为本发明实施例一提供的电压传感器结构示意图，图1c是本发明实施例一中的高压臂电阻结构示意图，本实施例可适用于检测与电压互感器相连接的外端设备的工作情况。

如图1a所示，该现场总线型交流电压传感器，包括：高压臂串联电阻120、低压臂串联电阻130、信号调理模块140、模数转换模块150、数字信号处理模块160、通讯接口模块170和电源模块190，还包括：现场总线通信接口1119，与所述通讯接口模块170相连，用于从所述通讯模块170接收数字信号处理模块160处理后的信号，并传输至所连接的现场总线(fieldbus)180中。

其中，高压臂串联电阻120是由多只具有两端电容屏的高压臂电阻依次串联得到。信号调理模块140、模数变换模块150、数字信号处理模块160、通讯接口模块170和电源模块180可以布设于电子电路印刷板1118上。

信号调理模块140与所述高压臂串联电阻相连，用于将分压器电阻的二次电压进行有效值、直流幅值、基波幅值、相位及电压峰值的计算，得到模拟信号；

模数转换模块150与所述信号调理模块相连，用于将所述模拟信号进行采样量化，得到采样数字信号；

数字信号处理模块160与所述模数转换模块相连，用于根据所述采样数字信号进行统计分析，形成状态代码和控制代码；

通讯接口模块170中与所述数字信号处理模块相连，用于接收所述状态代码和控制代码，传输至所连接的现场总线180中，并通过所述现场总线通信接口180与外端设备相连接。

电子电路印刷板1118需要的工作电源通过现场总线180给电源模块190提供的直流电源获得，其信号线和电源线与现场总线连接器1119相连接，并采用密封底板封装。

所述交流电压传感器接触网的电压优选为25kv。

如图1b和图1c所示，该交流电压传感器的具体结构如下：

包括一次电压端子110、高压臂串联电阻120、低压臂电阻130、环氧树脂棒1114、绝缘伞裙1115、二次静电屏1116、屏蔽腔1117、电子电路印刷板1118，现场总线连接器1119、安装座1120和密封底板1121。

其中，一次电压端子110为电网一次侧对地电压的输入端；高压臂电阻选用rx70型线绕电阻，单只电阻标称值1m′ω，额定功率0.5w，然后把高压臂电阻1112装入两端电容屏1111，电容屏之间有电容绝缘介质1113，把装有两端电容屏的高压臂电阻依次串联焊接成高压臂串联电阻120；低压臂电阻130与高压臂串联电阻120组成电阻分压器；在一根加工有螺旋槽的环氧树脂棒1114顶部嵌入一次电压端子110，把高压臂串联电阻120的始端焊在一次电压端子110上，然后沿螺旋槽底部放置高压臂串联电阻120，最后在高压臂串联电阻120的末端焊接低压臂电阻130；把嵌有一次电压端子110和螺旋槽上装有高压臂串联电阻120和低压臂电阻130的环氧树脂棒1114与二次静电屏1116一起置入环氧树脂模具，浇注成带有绝缘伞裙1115、屏蔽腔1117、安装座1120的固体绝缘25kv非传统电压互感器。

该交流电压传感器的工作原理：电阻分压器的二次电压输入到信号调理模块140，经过电压变换、限幅、滤波、偏置后输入到模数转换模块150，模拟信号通过采样量化后得到数字信号，接着输入到数字信号处理模块160，数字信号处理模块160根据需要有选择地计算某些交流电量参数，如交流电压有效值、峰值、平均值、非周期分量、谐波失真、直流电压等。计算结果形成的状态代码和控制代码送到通讯接口模块170，发送到现场总线180。

本实施例的技术方案，通过将信号调理模块140、模数转换模块150、数字信号处理模块160、通讯接口模块170和电源模块190集成于电子电路印刷板上，并内置于交流电压传感器中，同时，电子电路印刷版的通讯接口模块与现场总线转换器相连，将数字信号处理模块处理后的信号，并传输至所连接的现场总线中，用户可以根据自己的需求在现场总线上提取所需数据，解决了现场数据传输问题，促进了电压传感的智能化和标准化，达到了电压传感器智能化的效果。

在上述技术方案的基础上，信号调理模块140优选可以是程控增益放大芯片ad526。信号调理模块140这样设置的好处在于可以进行相关的软件编程以满足用户的不同需求。模数转换模块150优选可以是16位的adc芯片ads8505，模数转换模块150这样设置的好处在于其模拟输入需要阻抗比较小，并无需进行放大，使得电子电路印刷板的设置更加简洁。数字信号处理模块160优选可以是16位的dsp芯片tms320lf2407a、64k×16位的ram芯片cy7c1021和频率10mhz的晶振芯片pxo－660，数字信号处理模块160这样设置的好处在于三者相结合使用，能够保证电路运行稳定，并可以依据用户需要方便地修改控制策略，修正控制参数等。通讯接口模块170中优选可以是485接口芯片max1487e，通讯接口模块170这样设置的好处在于电路的输出信号边沿不会过陡，在传输线上削减高频分量的产生，从而有效地抑制电路中干扰的产生。

本发明实施例还提供了一种交流电压传感器的工作方法，可适用于判断外接设备电路的工作情况，该方法可以由本发明实施例所提供的现场总线型交流电压传感器来执行，具体包括如下步骤：

由模数转换模块提供电压采样数字信号；

依据所述采样数字信号，数字信号处理模块执行如下至少一项操作：

根据所述电压采样数字信号计算交流电压有效值，判断述交流电压有效值超过线路设定过电压阈值，若是，则线路处于过电压状态，产生过电压控制代码，判断所述交流电压有效值低于线路设定的低电压阈值，若是，则线路处于欠电压状态，产生欠电压控制代码，若否，则再次根据所述电压采样数字信号计算交流电压有效值。

根据所述电压采样数字信号计算直流幅值，判断所述直流幅值是否超过线路设定直流超限阈值，若是，则产生直流超限控制代码，若否，则再次由模数转换模块提供的电压采样数字信号进行计算；

根据所述电压采样数字信号计算总谐波失真，判断所述总谐波失真是否超过线路设定失真阈值，若是，则产生失真超限控制代码，若否，则再次由模数转换模块提供的电压采样数字信号进行计算；

对所述电压采样数字信号进行限幅处理，判断重新采样的采样数字信号的半波时间是否小于或等于设定暂降阈值，若是，则产生电压暂降控制代码，若否，则再次由模数转换模块提供的电压采样数字信号进行计算；

据所述电压采样数字信号计算电压幅值下降的半波时间，判断所述半波时间是否小于或等于设定暂态过电压阈值，若是，则产生暂态过电压控制代码，若否，则再次由模数转换模块提供的电压采样数字信号进行计算；

所述数字信号处理模块将各所述控制代码通过通讯接口模块发送到现场总线。

数字信号处理模块所执行的各种操作的具体过程介绍如下：

实施例二

图2为本发明实施例二提供的交流电压传感器的工作方法中生成电压控制代码的流程图，本实施例可适用于判断外接设备电路的工作情况，该方法可以由模数转换模块和数字处理模块来执行，具体包括如下步骤：

步骤210、由模数转换模块提供电压采样数字信号，计算交流电压有效值；

其中，数字信号处理模块160对提取到的电压数字信号进行计算，得到交流电压有效值。模数转换模块150在进行模拟信号采样量化，得到采样数字信号过程中，每周波的采样率为80个点。

其中，数字信号处理模块160的数字处理单元在指令程序控制下从其存储单元中将电阻分压器二次电压的采样数字信号提取出，再依据具体指令程序进行相关计算。

优选的，在提取采样数字信号时，可以提取二次电压连续30个周波的数字信号。

示例性的，指令程序可根据用户具体需要进行相关的编写。

根据所述交流电压有效值与线路设定的相关电压阈值进行比较，根据比较结果，判定所发送的控制代码，包括以下至少一种情况：

步骤221、判断所述交流电压有效值是否超过线路设定的过电压阈值，若是，则线路处于过电压状态，发送过电压控制代码，若否，则跳转进行步骤210，继续执行。

步骤222、判断所述交流电压有效值是否低于线路设定的低电压阈值，若是，则线路处于欠电压状态，发送欠电压控制代码，若否，则跳转进行步骤210，继续执行。

其中，线路为外接设备中的工作电路，过电压阈值及欠电压阈值可根据用户需要进行设置，以最优保护外端设备正常工作为益，步骤221、步骤222非顺序关系，而是根据线路具体情况有选择的进行执行。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的交流电压传感器的工作方法中生成控制代码的流程图，具体包括如下步骤：

步骤310、由模数转换模块提供电压采样数字信号；

其中，模数转换模块150在进行模拟信号采样量化，得到采样数字信号过程中，每周波的采样率为80个点。

其中，数字信号处理模块160的数字处理单元在指令程序控制下从其存储单元中将电阻分压器二次电压的采样数字信号提取出，再依据具体指令程序进行相关计算。

优选的，在提取采样数字信号时，可以提取二次电压连续1个周波的数字信号。

示例性的，指令程序可根据用户具体需要进行相关的编写。

依据所述采样数字信号，数字信号处理模块执行如下至少一项操作：

步骤321、根据所述电压采样数字信号计算电压直流幅值，判断所述电压直流幅值是否超过线路设定的电压直流超限阈值，若是，则产生直流超限控制代码，若否，则跳转进行步骤310，继续执行；

其中，在计算电压直流幅值时可以选用离散付立叶变换算法，这样做选取的好处在于能够提高处理速度。

步骤322、根据所述电压采样数字信号计算总谐波失真，判断所述总谐波失真是否超过设定失真阈值，若是，则产生失真超限控制代码，若否，则跳转进行步骤310，继续执行；

其中，采用离散付立叶变换算法计算电压直流幅值和基波有效值，从所述电压信号中减去所述电压直流信号成份和基波信号成份，得到的剩余信号的有效值即为总谐波有效值。用基波有效值、直流幅值、总谐波有效值的方和根除总谐波有效值，得到总谐波失真。

步骤323、对所述电压采样数字信号进行限幅处理，判断重新采样的采样数字信号的半波时间是否小于或等于设定暂降阈值，若是，则产生电压暂降控制代码，若否，则跳转进行步骤310，继续执行；

其中，在对所述电压采样数字信号进行限幅后，去掉超过所述电压基波幅值部分后得到剩余信号，所述剩余信号减去所述直流信号成份和所述基波信号成份后选出幅值最大信号，若此值超过设定的阈值，则在所述最大幅值对应的采样时间点向前和向后搜索，找出从所述最大幅值点下降到最接近1/2幅值的时间点，把所述点前后两个时间点所对应的时间间隔作为半波时间。

步骤324、据所述电压采样数字信号计算电压幅值下降的半波时间，判断所述半波时间是否小于或等于设定暂态过电压阈值，若是，则产生暂态过电压控制代码，若否，则跳转进行步骤310，继续执行；

其中，在所述电压采样数字信号中计算交流电压峰值，并取出电压幅值最大信号，若所述电压幅值最大信号超过设定的阈值p，则在所述电压幅值最大处对应的采样时间点向前和向后搜索，找出从所述电压幅值最大点下降到最接近1/2幅值的时间点，把所述的前后两个时间点所对应的时间间隔作为半波时间。

步骤321、步骤322、步骤323及步骤324非顺序关系，而是根据线路具体情况有选择的进行执行；步骤中的相关阈值的设定，可根据用户的具体需要进行相应的设定

在进行上述至少一个步骤之后，进行如下步骤：

步骤330、所述数字信号处理模块将各所述控制代码通过通讯接口模块发送到现场总线。

该方法的工作过程：数字处理模块控制模数转换模块得到所述的控制代码，发送到通讯接口模块，再发送到现场总线，在通过现场总线接口模块与外界相连。

本实施例的技术方案，数字处理模块根据线路的具体情况，有选择的计算相关信号，得到相关的控制代码，发送到现场总线中，在实施过程中，用户根据自己的需要通过现场总线提取数据信息，解决了现场数据传输过程中分类传输信号的问题，促进了控制设备之间的集成化和数字化，达到了电压传感器智能化的效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。