专利名称：同步脉冲发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力系统的输电领域，涉及一种脉冲发生装置，尤其是一 种同步脉冲发生装置，其主要作用是在各种柔性交流输电系统和高压直流输电系 统中，用于产生与电网电压工频同步的脉冲输出信号作为柔性交流输电系统和高 压直流输电系统控制保护系统控制各类电力电子设备触发相位的基准，从而保证 电力电子元件精确触发。
背景技术：
随着柔性交流输电技术的不断更新推广以及我国高压直流输电工程的不断 建设，电力电子变流技术得到了广泛的使用。在柔性交流输电和高压直流输电中， 由电力电子器件构成的交流调压装置、整流装置和逆变装置等设备是整个柔性交 流输电和高压直流输电的核心设备。
在柔性交流输电和高压直流输电系统中一方面为了保证电力电子器件构成 的交流调压装置、整流装置和逆变装置等设备能够实现其自身功能，同时另一方 面为了确保电力电子器件和相关一次设备的安全，需要通过控制保护系统使电力 电子器件按照一定的相位导通或关断。在柔性交流输电和高压直流输电中，交流 调压装置、整流装置和逆变装置等设备的电力电子器件导通或关断相位是相对于 电力系统工频电压而言的，因此找出电力系统工频电压每个周期的过零点的位置 才能使电力电子器件的在设定的相位准确导通或关断。
以上所述，设计一种能够准确找出电力系统工频电压每个周期的过零点， 并生成与之同步输出脉冲信号的装置是目前电力电子器件进行精确触发的保证。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种同步脉冲发生装置， 该装置能够用于各种柔性交流输电系统和高压直流输电系统中，用于产生与电网 工频电压同步的脉冲输出信号的同步脉冲发生装置，以保证电力电子元件精确触 发。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的
这种同步脉冲发生装置，包括CPU模块和电源模块，所述CPU模块以DSP为数字处理核心，所述CPU模块分别连接有时钟模块、A/D采样电路、过零比 较电路、告警输出模块和以太网通讯模块，所述A/D采样电路的输入端与电压 变换电路输出端连接，所述电压变换电路输入端与模拟量输入端子连接，所述电 压变换电路输出端与滤波电路的输入端连接，所述滤波电路输出端与过零比较电 路的输入端连接，所述过零比较电路输出端分为两路， 一路与同步脉冲生成模块 的输入端连接，另一路与CPU模块连接，所述同步脉冲生成模块的输出端与同 步脉冲输出模块的输入端连接;所述同步脉冲生成模块由FPGA及其外围的晶振 电路、E2PROM、告警指示灯和跳线开关组成，所述同步脉冲输出模块由光耦隔 离电路、输出驱动电路和电光转换输出元件构成。
上述CPU模块中的DSP采用TI公司的TMS320F2812,所述DSP连接有 外扩RAM、看门狗电路和晶振电路。
上述滤波电路包含有一个四阶巴特沃兹低通滤波器。
上述时钟模块由晶振电路和实时时钟电路组成，所述晶振电路的输出端与 所述实时时钟电路的输入端连接，所述实时时钟电路的输出端与CPU模块连接。
上述告警输出模块包括隔离电路、驱动电路、继电器和电输出端子，所述 隔离电路的输入端与所述CPU模块连接，所述继电器的输出端与电输出端子连 接。
上述以太网通讯模块由光电隔离电路、光纤以太网控制器和光电转换原件 组成，所述光电隔离电路的与CPU模块连接，所述光电隔离电路与光纤以太网 控制器连接，所述光纤以太网控制器与光电转换原件连接。
本实用新型通过实时检测、跟踪电网三相电压基波信号的过零点，生成一 个与过零点等时间间隔的固定宽度的标定脉冲；并且通过实时测量电网三相电压
基波信号的频率，根据电网的实时频率计算出同步标定脉冲所表示的实际相位， 将同步脉冲由电信号转换为光信号输出；本实用新型还具有电压信号丢失检测功 能和电压丢失记忆功能，电压信号丢失检测功能用于检测电压信号丢失故障，电 压丢失记忆功能保证在电压信号丢失时，依据电压信号丢失前的电压信号生成同 步脉冲。
本实用新型的同步脉冲发生装置结构简单、可靠性高。可用该装置作为各 种柔性交流输电系统和高压直流输电系统的同步脉冲发生装置。
图1为本实用新型的同步脉冲发生装置模块结构图2为本实用新型的电压变换电路电路原理图3为本实用新型的四阶巴特沃兹低通滤波器电路电路原理图4为本实用新型的过零比较电路电路原理图。
其中1为CPU模块；2为电源模块；3为时钟模块；4为A/D采样电路； 5为电压变换电路；6为滤波电路；7为过零比较电路；8为告警输出模块；9为 以太网通讯模块；IO为同步脉冲生成模块；ll为同步脉冲输出模块。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详细描述
如图1为本实用新型的同步脉冲发生装置模块结构图，其中CPU模块1包 括DSP及其外扩RAM、看门狗电路和晶振电路，负责实现电网电压频率测量、 电压信号丢失检测、电压丢失记忆功能。所述CPU模块1分别连接有时钟模块 3、 A/D采样电路4、过零比较电路7、告警输出模块8和以太网通讯模块9，所 述A/D采样电路4的输入端与电压变换电路5输出端连接，电压变换电路5将 由模拟量输入端子输入装置的电压信号转换为适合滤波电路6和A/D采样电路4 的电压信号的功能。所述电压变换电路5输入端与模拟量输入端子12连接，所 述电压变换电路5输出端与滤波电路6的输入端连接，滤波电路6釆用四阶巴特 沃兹低通滤波器，用于滤出电网工频三相电压信号中的谐波信号，以获得电压基 波信号。所述滤波电路6输出端与过零比较电路7的输入端连接，过零比较电路 7用于找出电网工频三相电压信号的过零点。所述过零比较电路7输出端分为两 路， 一路与同步脉冲生成模块10的输入端连接，另一路与CPU模块1连接，同 步脉冲生成模块10由FPGA及其外围的晶振电路、E2PROM、告警指示灯、跳 线开关，用于实现同步脉冲信号的生成。所述同步脉冲生成模块10的输出端与 同步脉冲输出模块ll的输入端连接;所述同步脉冲输出模块ll由光耦隔离电路、 输出驱动电路和电光转换输出元件构成，用于将同步脉冲信号由电信号转换为光 信号输出。图中所示的告警信号输出模块，负责输出告警信号。以太网通信模块， 包括光电隔离电路和以太网接口，用于实现与其它装置之间的高速数据通讯。本 装置的用电由电源模块提供，电源模块包含有交流电源电路和直流电源电路，可经过电压变换电路生成+5V、 +12V或-12V的电源和隔离+5V电源。
本实用新型所涉及的各个功能模块和电路都是采用方便的模块插接的方式 组合起来的，其中所述的看门狗电路、晶振电路、时钟模块、A/D采样电路、告 警输出模块和以太网通讯模块都是可以以模块电路板的形式定制或者购得的。 如图2所示为电压转换电路，其工作原理如下
输入本实用新型的电网三相电压信号由一次设备电压互感器二次侧输出， 该信号不能够直接被同步脉冲发生装置中的四阶滤波电路和A/D采样电路使用。 本实用新型设计了电压变换电路，通过电压互感器将输入的电网三相电压信号降 到系统板模拟输入能够接收的范围，并进一步将电压信号变换为四阶滤波电路和 AD元件可处理的信号。根据图2，本实用新型的电压转换电路由一个电压互感 器和一个运放连接组成，电压互感器的输入端V一IN+串联一个电阻，电压互感器 的输出为一个电流信号，右边的运放并联一个电阻，运放构成一个I/V转换电路， 用来将电压互感器输出的电流信号转换为适合四阶滤波电路和A/D采样电路的 电压信号。
如图3所示为四阶滤波电路，根据国标要求电网三相基波电压信号的变化 范围为48-51Hz。本实用新型用途是产生与电网三相电压基波信号同步的同步输 出脉冲信号，因此要滤除电网三相电压信号中的高次谐波信号,因此需要一个低 通滤波器，滤掉电网中高次谐波分量对信号的干扰。本实用新型采用了四阶 Butterworth低通滤波器，实现这样的功能。
如图4所示为过零比较电路，过零比较电路用于找出电网三相电压基波信 号中由负到正经过的正过零点和由正到负经过的负过零点时。过零比较电路选用 的比较器为TI公司的LM311。为了防止电压信号在过零点出现上下扰动，导致 过零比较失效，过零比较电路还设计一个同相斯密特触发器。
本装置实时检测三相电压基波信号的过零点和频率，在各相电压基波信号 的正向和反向过零点处生成脉冲同步信号，并将同步信号转换为光脉冲输出，本 实用新型是通过以下工作过程来实现具体功能的
一、同步脉冲的输出。
(1)通过电压变换电路将由模拟量输入端子输入装置的电网三相电压信 号转换为适合滤波电路和A/D采样电路的电压信号。(2) 将经过电压变换电路处理过的三相电压信号输入四阶滤波电路，滤 除三相电压信号中的谐波分量保留电压基波信号。
(3) 将四阶滤波电路输出的电压基波信号输入过零比较电路，在电压基 波信号正向过零点和反向过零点处，产生与电压基波信号同步的方波信号， 并将此方波信号传送给同步脉冲生成模块和CPU模块。
(4) 同步脉冲生成模块收到过零比较电路输出的方波信号后，同步脉冲 生成模块中的FPGA元件检测出方波信号的上升沿和下降沿并在上升沿和下 降沿处各产生一个窄脉冲信号，该脉冲为同步脉冲。
(5) 同步脉冲经过触发脉冲输出模块，转换为光脉冲信号输出。
二、 电压基波信号频率测量
由过零比较电路输出与电压基波信号同步的方波信号进入CPU模块后，
CPU模块的DSP元件捕获方波信号的上升沿和下降沿并自动记录方波上升沿和
下降沿时刻的计数器时标，并计算出两次方波信号的上升沿的时间间隔，该时间
间隔就是基波信号的周期，并以此计算出基波信号的频率。 由R^全县壬生於、加i
(1) 通过电压变换电路将由模拟量输入端子输入装置的电网三相电压信
号转换为适合滤波电路和A/D采样电路的电压信号。
(2) 经过电压变换电路处理过的三相电压信号进入A/D采样电路中的 AD芯片进行采样。
(3) AD芯片的采样值输入CPU模±央，由CPU模块的DSP元件对三相 电压进行有效值的计算和矢量运算，运算结果作为电压信号丢失的判断依据。
三、 电压丢失记忆
当CPU模块的DSP元件检测出发生电网电压信号丢失故障时，DSP元件 依照发生电网电压信号丢失故障前记录的与电压信号同步的方波信号的上升沿 和下降沿的时刻，控制同步脉冲生成模块中的FPGA元件在方波信号的上升沿和 下降沿的时刻生成窄脉冲同步信号。
权利要求1. 一种同步脉冲发生装置，包括CPU模块(1)和电源模块(2)，其特征在于所述CPU模块(1)以DSP为数字处理核心，所述CPU模块(1)分别连接有时钟模块(3)、A/D采样电路(4)、过零比较电路(7)、告警输出模块(8)和以太网通讯模块(9)，所述A/D采样电路(4)的输入端与电压变换电路(5)输出端连接，所述电压变换电路(5)输入端与模拟量输入端子(12)连接，所述电压变换电路(5)输出端与滤波电路(6)的输入端连接，所述滤波电路(6)输出端与过零比较电路(7)的输入端连接，所述过零比较电路(7)输出端分为两路，一路与同步脉冲生成模块(10)的输入端连接，另一路与CPU模块(1)连接，所述同步脉冲生成模块(10)的输出端与同步脉冲输出模块(11)的输入端连接；所述同步脉冲生成模块(10)由FPGA及其外围的晶振电路、E2PROM、告警指示灯和跳线开关组成，所述同步脉冲输出模块(11)由光耦隔离电路、输出驱动电路和电光转换输出元件构成。
2. 根据权利要求1所述的同步脉冲发生装置，其特征在于所述CPU模块(1)中的DSP 采用TI公司的TMS320F2812，所述DSP连接有外扩RAM、看门狗电路和晶振电路。
3. 根据权利要求1所述的同步脉冲发生装置，其特征在于所述滤波电路(6)包含有一个 四阶巴特沃兹低通滤波器。
4. 根据权利要求1所述的同步脉冲发生装置，其特征在于所述时钟模块(3)由晶振电路 和实时时钟电路组成，所述晶振电路的输出端与所述实时时钟电路的输入端连接，所述实 时时钟电路的输出端与CPU模块(1)连接。
5. 根据权利要求1所述的同步脉冲发生装置，其特征在于所述告警输出模块(8)包括隔 离电路、驱动电路、继电器和电输出端子，所述隔离电路的输入端与所述CPU模块连接， 所述继电器的输出端与电输出端子连接。
6. 根据权利要求1所述的同步脉冲发生装置，其特征在于所述以太网通讯模块(9)由光 电隔离电路、光纤以太网控制器和光电转换原件组成，所述光电隔离电路的与CPU模块 连接，所述光电隔离电路与光纤以太网控制器连接，所述光纤以太网控制器与光电转换原 件连接。
专利摘要本实用新型涉及一种同步脉冲发生装置，包括CPU模块和电源模块，CPU模块以DSP为数字处理核心，所述CPU模块分别连接有时钟模块、A/D采样电路、过零比较电路、告警输出模块和以太网通讯模块，所述A/D采样电路的输入端与电压变换电路输出端连接，所述电压变换电路输入端与模拟量输入端子连接，所述电压变换电路输出端与滤波电路的输入端连接，所述滤波电路输出端与过零比较电路的输入端连接。该装置能够用于各种柔性交流输电系统和高压直流输电系统中，用于产生与电网工频电压同步的脉冲输出信号的同步脉冲发生装置，以保证电力电子元件精确触发。
文档编号H03K3/00GK201256381SQ20082002992
公开日2009年6月10日 申请日期2008年8月12日 优先权日2008年8月12日
发明者严结实, 欣 刘, 杭 张, 白云飞, 骆应超 申请人:中国西电电气股份有限公司