一種新型的拓?fù)渥R(shí)別設(shè)備

張金全，谷智明

（1.廣西北投信創(chuàng)科技投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣州潤(rùn)和頤能軟件技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引 言

2021年5月15日，南方電網(wǎng)發(fā)布《南方電網(wǎng)公司建設(shè)新型電力系統(tǒng)行動(dòng)方案（2021—2030年）白皮書》，并召開數(shù)字電網(wǎng)推動(dòng)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)專家研討會(huì)。與會(huì)專家認(rèn)為，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)與發(fā)展數(shù)字電網(wǎng)勢(shì)在必行。為了提高電網(wǎng)的數(shù)字化程度、加強(qiáng)電網(wǎng)的精細(xì)化管理、增強(qiáng)用戶的用電體驗(yàn)，實(shí)時(shí)掌控整個(gè)臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系至關(guān)重要。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上提出了一種新型的拓?fù)渥R(shí)別設(shè)備，該方法充分利用了變壓器隔離的優(yōu)勢(shì)，利用H橋驅(qū)動(dòng)變壓器獲得投切電流，最終使用有源濾波電路還原投切波形，從而完成拓?fù)渥R(shí)別的功能，整個(gè)電路具有小型化、低功耗以及低成本等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。

1 技術(shù)原理

整個(gè)拓?fù)渥R(shí)別設(shè)備分為發(fā)送端電路和接收端電路，發(fā)送端電路負(fù)責(zé)發(fā)射出投切電流信號(hào)作為拓?fù)渥R(shí)別功能的檢測(cè)信號(hào)，發(fā)射電路要盡量控制體積、功耗及電流大小，過大的投切電流可能會(huì)引起電力線上其他設(shè)備的報(bào)警。接收端電路負(fù)責(zé)接收投切波形，由于電力線上的50 Hz交流信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多次諧波，投切信號(hào)的頻率要與諧波信號(hào)的頻率錯(cuò)開，避免干擾。電力線上經(jīng)過大電流時(shí)，50 Hz的信號(hào)幅度會(huì)很大，接收通路增加8階帶通濾波器，盡量濾除50 Hz信號(hào)及其低次諧波[3-9]。

1.1 投切發(fā)送電路

本文提出的拓?fù)渥R(shí)別投切電路采用變壓器對(duì)數(shù)字地與交流地進(jìn)行隔離，確保電路安全穩(wěn)定；使用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）+H橋輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波驅(qū)動(dòng)變壓器，保證變壓器的驅(qū)動(dòng)電壓與驅(qū)動(dòng)電流足夠。為了保證投切電流可調(diào)整，確保整個(gè)投切電路功耗較小，防止投切電阻過熱燒毀，增加過零檢測(cè)電路，CPU通過檢測(cè)過零點(diǎn)調(diào)整PWM的輸出間隔，即可控制投切電流的大小，如圖1所示[6]。

圖1 投切電流控制

在圖1左側(cè)豎直線的時(shí)間節(jié)點(diǎn)投切時(shí)，投切電壓幾乎為0，投切電流為0，在右側(cè)豎直線的時(shí)間節(jié)點(diǎn)投切時(shí)，投切電壓在310 V左右，此時(shí)投切電流最大。

整個(gè)投切電路分為負(fù)載電流產(chǎn)生電路與控制驅(qū)動(dòng)電路。圖2為負(fù)載電路產(chǎn)生電路，整個(gè)電路簡(jiǎn)單明了，由4個(gè)二極管（整流橋）、4個(gè)投切負(fù)載電阻（限流）以及1個(gè)PMOS管組成（投切）。

圖2 負(fù)載電流產(chǎn)生電路

整流橋的目的是為了讓投切電路投切整流后的直流電壓，這樣整個(gè)投切波形在交流的正、負(fù)周波上都存在。如果不經(jīng)過整流橋，僅在交流波形上投切，則投切波形僅在交流的正周波上存在，負(fù)周波上不存在，兩種投切產(chǎn)生的結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 投切220 V交流觀察交流投切波形

圖4 投切整流橋后直流觀察交流投切波形

控制驅(qū)動(dòng)電路由H橋組成，其中NMOS_G與NMOS_S為CPU提供的控制信號(hào)。H橋具有能正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、啟動(dòng)速度快、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好以及驅(qū)動(dòng)能力大等優(yōu)點(diǎn)，選擇的H橋芯片控制電壓與驅(qū)動(dòng)電壓分離，能夠通過驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整輸出電壓，解決了后級(jí)電路需求驅(qū)動(dòng)能力大和驅(qū)動(dòng)電壓高的問題[10]。選擇的坡莫合金鎳鋼變壓器具有很大的弱磁場(chǎng)導(dǎo)磁率，可做成400～8 000 Hz的變壓器，與本次投切電路的頻率匹配。整體控制驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 整體控制驅(qū)動(dòng)電路

1.2 接收電路

投切電流流入電力線后，會(huì)經(jīng)過兩級(jí)CT進(jìn)入接收通路，初級(jí)CT的變比為600 A∶5 A，次級(jí)CT的變比為5 A∶0.0025 A，整個(gè)通路的電流變比為240 000∶1，接收通路需要提供足夠的增益放大投切信號(hào)。本次設(shè)計(jì)主要通過三級(jí)通路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，第一級(jí)為CT的采樣電阻，阻值為100 Ω，可匹配CT完成電流轉(zhuǎn)換電壓的功能，也可以承擔(dān)一定的放大作用；第二級(jí)為普通運(yùn)放搭建的放大電路，該電路是為了匹配后級(jí)的有源帶通濾波器電路，不僅可以提供穩(wěn)定的直流偏置，還可以匹配后級(jí)電路的放大增益?？紤]到第三極有源放大濾波電路增益和濾波參數(shù)調(diào)整比較麻煩，當(dāng)?shù)谌?jí)有源放大濾波電路增益過大時(shí)，第二級(jí)增益適當(dāng)減小，當(dāng)?shù)谌龢O有源放大濾波電路增益過小時(shí)，第二級(jí)增益適當(dāng)放大。第三極采用運(yùn)放搭建8階有源帶通放大濾波器，選用Multiple Feedback架構(gòu)。搭建的濾波電路應(yīng)盡可能提升投切頻率的信號(hào)幅度，濾除50 Hz的信號(hào)，因此最終搭建對(duì)投切頻率有45 dB增益、對(duì)50 Hz有-50 dB以上衰減的帶通濾波器，整個(gè)電路如圖6所示。

圖6 接收通路

2 實(shí)際測(cè)量結(jié)果

2.1 攤位搭建

選用的調(diào)壓源能夠提供220 V的交流電，交流電進(jìn)入印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）開始投切。為了避免初級(jí)CT開路，在CT的次級(jí)端口用1 Ω連接起來。將次級(jí)CT套在1 Ω電阻的連接線上，次級(jí)CT的輸出端接入PCB板的接收通路進(jìn)行放大濾波采集。測(cè)試框圖及實(shí)物圖如圖7和圖8所示。

圖7 測(cè)試框圖

圖8 測(cè)試實(shí)物

2.2 測(cè)試結(jié)果

最終CPU采樣得到的波形如圖9所示。

圖9 CPU采樣最終波形

從圖9中可以看到，實(shí)際測(cè)試與采樣得到的波形是非常好的正弦波，沒有過沖、振鈴等現(xiàn)象，方便后續(xù)軟件的處理。通過軟件控制投切周期，當(dāng)投切電阻為2 000 Ω，交流電為220 V時(shí)，通過鉗表測(cè)試得到的交流電路峰值電流為0.1 A。

3 結(jié) 論

本文提出了一種新型的拓?fù)渥R(shí)別設(shè)備，此設(shè)備包含了拓?fù)渥R(shí)別的發(fā)通路與收通路，使用的器件較少，成本較低，實(shí)現(xiàn)方便，最后做出實(shí)物并通過實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證了方案，證明了該拓?fù)渥R(shí)別電路的可行性。