一种电力信号同步采样系统的制作方法

本实用新型涉及电力系统信号采集领域，特别涉及一种电力信号同步采样系统。

背景技术：

传统的电力信号测量装置对电网电压、电流一般采用的是定时测量的方式，即按照设定的采样周期将模拟信号转换成数字信号，这种方式在理想电网中可以准确的测量。但在实际电网中，由于用电负荷会时常发生波动，进而会引起电网频率变化。因此，在实际电网中，一旦电网频率发生波动，定时采样周期就会与电网实际周期发生偏离，这种周期性非同步误差的累积会导致更加严重的泄露误差，也就是说，此时采用定时测量的方式对电网电压、电流进行测量时，误差无法满足国家标准要求，测量准确性低。也就是说。利用一个固定频率的采样信号去采集波动的交流信号会发生不同步的问题，会导致泄露误差，进而会影响电能计量器具的计量准确性。

由此可见，如何克服传统的电力系统电信号测量方式，导致的测量准确性低的问题是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种电力信号同步采样系统，以解决现有技术中传统的电力系统电信号测量方式，导致的测量准确性低的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电力信号同步采样系统，包括：

用于将被测电信号转换为标准电信号的互感器；

与所述互感器连接，用于将所述标准电信号转换为数字信号的A/D转换芯片；

与所述互感器连接，用于依据所述标准电信号的频率确定出与所述标准电信号同频的采样信号的锁相环；

分别与所述A/D转换芯片和所述锁相环连接，用于根据所述锁相环输出的所述采样信号控制所述A/D转换芯片在信号过零点将所述标准电信号转换为所述数字信号的控制器以对所述被测电信号进行同步采样。

优选地，还包括：

与所述互感器、所述锁相环和所述控制器连接的多路模拟开关，所述多路模拟开关用于将当前电路切换至目标电路。

优选地，还包括：

与所述控制器连接，用于存储所述数字信号的存储器。

优选地，还包括：

与所述控制器连接，用于当接收到所述数字信号时，进行报警提示的报警装置。

优选地，还包括：

与供电电源连接，用于在所述供电电源提供的电信号超出阈值时，切断所述供电电源与所述控制器的供电电路的过流保护装置。

优选地，所述过流保护装置具体为熔断器。

优选地，所述多路模拟开关具体为HCF4051八路模拟开关器件。

优选地，所述存储器具体为Flash存储器。

优选地，报警装置具体为蜂鸣器和/或指示灯。

优选地，所述控制器具体为ARM1020E控制器。

相比与现有技术，本实用新型所提供的一种电力信号同步采样系统，包括互感器、A/D转换芯片、锁相环以及控制器，互感器可以将被测电信号转换为标准电信号；A/D转换芯片与互感器连接，可以将标准电信号转换为数字信号；锁相环与互感器连接，可以依据标准电信号的频率确定出与标准电信号同频的采样信号，即与被测电信号同频的采样信号；控制器分别与A/D转换芯片和锁相环连接，可以根据锁相环输出的采样信号控制A/D转换芯片在信号过零点将标准电信号转换为数字信号；因为采集被测电信号的采样信号的采样频率是与被测电信号的频率一致的，所以可以保证被测电信号与采样信号的频率同步性，进而可以实现对被测电信号的同步采样。由此可见，该系统，可以避免泄漏误差，提高电信号测量准确性，进而可以提高电能计量器具的计量准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例所提供的一种电力信号同步采样系统结构示意图；

图2为本实用新型实施例所提供的一种电力信号同步采样系统整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种电力信号同步采样系统，可以解决传统的电力系统电信号测量方式，导致的测量准确性低的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型实施例所提供的一种电力信号同步采样系统结构示意图，如图1所示，该系统包括：

用于将被测电信号转换为标准电信号的互感器101；

与互感器101连接，用于将标准电信号转换为数字信号的A/D转换芯片102；

与互感器101连接，用于依据标准电信号的频率确定出与标准电信号同频的采样信号的锁相环103；

分别与A/D转换芯片102和锁相环103连接，用于根据锁相环103输出的采样信号控制A/D转换芯片102在信号过零点将标准电信号转换为数字信号的控制器104以对被测电信号进行同步采样。

国家《供电营业规则》中规定了电力系统正常情况下供电频率的允许误差，电网装机容量在300万及以上的，允许误差为±0.2HZ；电网装机容量在300万以下的，允许误差为±0.5HZ；电力系统非正常状况下供电频率允许误差为±1.0HZ。所以一旦电网频率发生波动，传统的定时采样的周期就会与电网实际周期发生偏离，这种周期性不同步误差的累积会导致严重的泄露误差。进而会导致电信号测量准确性低，进而影响电能计量器具的计量准确性。

本申请实施例提供的电力信号同步采样系统，包括互感器101、A/D转换芯片102、锁相环103、以及控制器104；在申请实施例中互感器101选用微型互感器，A/D转换芯片102为多路A/D模块。对电力信号的具体采样流程为：从电网二次回路上采集的被测电信号(电压、电流)经过互感器101转换成±5V和±3V的交流电压信号(标准电信号)后，一路进入A/D转换芯片102进行信号的采样与量化，在本申请实施例中A/D转换芯片102选用六路模拟通道的A/D转换芯片。其中，同相电流和电压连接A/D转换芯片102的一对接口，便于同步转换与读取数据。一路输入锁相环103，通过锁相环103将被测电信号的频率锁定，输出与经互感器101转换后的被测电信号(标准电信号)同频的采样信号，两者相位差为180°，确保输出的采样信号与被测电信号的频率同步性。

在本申请实施例中，被测电信号经过互感器101转换后输出的标准电信号会输出至锁相环103，锁相环103进行频率锁定，输出与被测电信号同频率的采样信号，在实际应用中，锁相环103输出的采样信号的频率是被测电信号频率的256倍频，但是并不局限于256倍频，锁相环103输出的采样信号用于对被测电信号进行采样；最后与锁相环103和A/D转换芯片102连接的控制器104根据锁相环103发送的采样信号控制A/D转换芯片102工作，目的是使A/D转换芯片102根据控制器104发送的采样信号和控制信号使采样信号与被测信号在信号的过零点同步，即在信号过零点将经互感器101转换的被测电信号转换为数字信号，进而实现对被测电信号的同步采样。具体地，锁相环103输出的倍频采样信号输入至控制器104的I/O口，控制器104根据采样信号为A/D转换芯片102提供控制信号。控制器104通过CONVST引脚控制A/D转换芯片102，使六路A/D转换芯片102进行同步采样，能够同时对六路三相信号进行采集，完成三相电流、电压每周期256点的采样操作。也就是说，A/D转换芯片102可根据控制器104发送的控制指令实时调整采样频率，在信号过零点实现高精度的模数转换。在实际应用时，控制器104为A/D转换芯片102提供～CS片选信号和RD信号，读取A/D转换芯片102转换后的数字信号，并计算实时功率。考虑到后期方便对相关数据查看，作为优选地实施方式，还包括：与控制器104连接，用于存储数字信号的存储器。具体就是通过存储器将A/D转换芯片102转换后的数字信号进行存储，在实际应用中，还可以通过存储器将控制器104计算出的相关结果进行存储，作为优选地实施方式，存储器具体可以选用Flash存储器。

在实际应用中，锁相环103可以选用74VHC4046锁相环，74VHC4046锁相环频率锁定效率高，最大输出频率为12MHz(Vcc＝4.5)。A/D转换芯片102具体为AD7656模数转换芯片，AD7656模数转换芯片模数转换效率高。作为优选地实施方式，控制器104具体可以选用ARM1020E控制器，ARM1020E控制器数据处理速度较快。当然，锁相环103、A/D转换芯片102以及控制器104的具体型号并不局限于本申请实施中的型号，在实际应用中，还可以选用其它符合要求的型号，本实用新型并不作限定。

本实用新型所提供的一种电力信号同步采样系统，包括互感器、A/D转换芯片、锁相环以及控制器，互感器可以将被测电信号转换为标准电信号；A/D转换芯片与互感器连接，可以将标准电信号转换为数字信号；锁相环与互感器连接，可以依据标准电信号的频率确定出与标准电信号同频的采样信号，即与被测电信号同频的采样信号；控制器分别与A/D转换芯片和锁相环连接，可以根据锁相环输出的采样信号控制A/D转换芯片在信号过零点将标准电信号转换为数字信号；因为采集被测电信号的采样信号的采样频率是与被测电信号的频率一致的，所以可以保证被测电信号与采样信号的频率同步性，进而可以实现对被测电信号的同步采样。由此可见，该系统，可以避免泄漏误差，提高电信号测量准确性，进而可以提高电能计量器具的计量准确性。

为了避免锁相环103的输入在故障时出现失压断相的问题，进而提高系统可靠性。在上述实施例的基础上，作为优选地实施方式，还包括：

与互感器101、锁相环103和控制器104连接的多路模拟开关，多路模拟开关用于将当前电路切换至目标电路。

具体就是互感器101的输出端连接多路模拟开关的输入端，多路模拟开关的输出端与锁相环103的输入端连接，控制器104的控制端与多路模拟开关的多路输入端连接，使用多路模拟开关芯片作为信号切换控制，由控制器104控制模拟开关的输出。当控制器104判断出锁相环103输出错误或无信号时，控制多路模拟开关切换下一路，即将当前电路切换至目标电路。作为优选地实施方式，多路模拟开关具体为HCF4051八路模拟开关器件。

在A/D转换芯片102转换将被测电信号转换为数字信号时，为了及时提醒相关人员，在上述实施例的基础上，作为优选地实施方式，还包括：

与控制器104连接，用于当接收到数字信号时，进行报警提示的报警装置。考虑到成本以及使用便捷性的问题，报警装置可以选用蜂鸣器和/或指示灯。

为了防止出现在采样系统中的供电电源提供的电信号过大时，损坏控制器104的情况，在上述实施例的基础上，作为优选地实施方式，与供电电源连接，用于在供电电源提供的电信号超出阈值时，切断供电电源与控制器104的供电电路的过流保护装置。过流保护装置优选地可以选用熔断器。在实际应用中，为了便于相关人员及时查看经A/D转换芯片102转换后的数字信号，本申请实施例中的采样系统还可以包括：

与控制器104连接，用于对数字信号进行显示的显示装置。具体地，在得出数字信号之后，通过控制显示装置将该数字信号进行显示，便于查看。在实时应用中，显示装置可以选用LED显示器等显示器件。

为了为使本领域技术人员更好地理解本方案，下面结合附图，对本方案进行详细说明。图2为本实用新型实施例所提供的一种电力信号同步采样系统整体结构示意图，如图2所示，包括互感器101；HCF4051芯片201，HCF4051芯片201就是八路模拟开关；74VHC4046芯片202就是锁相环103；AD7656芯片203，AD7656芯片203就是A/D转换芯片102；ARM1020E 204，ARM1020E204就是控制器104和SLC NandFlash存储芯片205。在实际应用中，一般要求采样频率为原始信号的5-10倍。考虑对谐波计量的要求，需要能够测量2～21次谐波信号，因此采样频率至少应该为50×21×5＝5.25KHz，又考虑到要为模数转换器留出一定的转换时间，故设定采样频率为12.8KHz，即每周期256点。根据这一设计，74VHC4046芯片202中的压控振荡器的输出经过可编程逻辑器件256分频后产生的参考信号，当进入锁定状态时，输出信号的频率就是输入信号的256倍，将该采样信号输入ARM1020E 204的I/O口。

AD7656芯片203根据ARM1020E 204的采样信号和控制信号对六路信号进行模数转换。本实用新型选用的AD7656芯片203内置六个16bit快速、低功耗，吞吐速率可达250kSPS，可处理最高12MHz输入频率。本申请实施例中六路50Hz信号每周期需采样256个点，即采样速率应为76.8kSPS，故AD7656芯片203芯片能够满足设计需求。转换与数据采集过程利用ARM1020E 204的CONVST引脚控制，如图2中的CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC，将CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC三个引脚连在一起，可以允许三对AD7656芯片203进行同步采样，从而实现对六路三相信号的采集。当三个CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC引脚同时变低时，需要六次读取操作从V1-V6获得转换结果，转换结果以升序输出。其中V1、V2为A相电流、电压(即TA，UA)，V3、V4为B相电流、电压(即TB，UB)，V5、V6为C相电流、电压(TC，UC)。经互感器101转换后均变为交流电压信号，依次为U'IA、U'UA、U'IB、U'UB、U'IC、U'UC。

ARM1020E 204为AD7656芯片203提供～CS片选信号和RD信号，完成三相电流、电压每周期256点的采样操作。～CS和RD的频率应不小于采样信号频率的6倍，即76.8kHz，否则无法读完6路转换数据，考虑到转换时间等因素可设置为80kHZ。AD7656芯片204的16位并行输出与ARM1020E 204的16个I/O口连接，读取转换数据，并通过I/O口写入SLC NandFlash存储芯片205。

以上对本实用新型所提供的一种电力信号同步采样系统进行了详细介绍。本文中运用几个实例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明，只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制，本领域技术人员，在没有创造性劳动的前提下，对本实用新型所做出的修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请中。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个操作与另一个操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”等类似词，使得包括一系列要素的单元、设备或系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种单元、设备或系统所固有的要素。