專利名稱：一種帶有光耦隔離的漏電保護器電網(wǎng)狀態(tài)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電網(wǎng)狀態(tài)檢測技術(shù)，具體涉及一種應用于帶有合閘功能的兩相總級漏
電保護器中帶有光耦隔離的漏電保護器電網(wǎng)狀態(tài)檢測方法。
背景技術(shù)：
由于總級漏電保護器需要對較大范圍內(nèi)的電網(wǎng)進行漏電監(jiān)護，保證較大范圍內(nèi)的 電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。因此有相當一部分的總級漏電保護器除了擁有漏電檢測功能 外，還擁有重合閘功能。重合閘功能的實現(xiàn)需要對電網(wǎng)的狀態(tài)進行檢測(即對開關(guān)的狀態(tài) 進行檢測)，而電網(wǎng)上的干擾比較大，很容易檢測出錯誤的狀態(tài)而導致漏電保護器誤動作， 而且電網(wǎng)傳輸?shù)氖?0Hz的高壓交流電，漏電保護器處理起來比較困難，同時由于需要檢測 電網(wǎng)狀態(tài)，電網(wǎng)線路需接入漏電保護器，而大多數(shù)漏電保護器的核心控制部件都工作在低 壓直流的弱電狀態(tài)，如果不采取一定的措施，隔離強電區(qū)域與弱電區(qū)域，極有可能由于電網(wǎng) 的高壓干擾而對漏電保護器核心部件造成損壞，存在安全隱患。因此，本發(fā)明提出了一種帶 有光耦隔離的漏電保護器電網(wǎng)狀態(tài)檢測方法，能夠排除電網(wǎng)上的干擾，正確地提取電網(wǎng)的 狀態(tài)，把電網(wǎng)上50Hz的高壓交流電網(wǎng)狀態(tài)信號轉(zhuǎn)化為低壓直流電網(wǎng)狀態(tài)信號，并通過光耦 隔離電路將電網(wǎng)強電區(qū)域與漏電保護器核心部件弱電區(qū)域隔離，以方便漏電保護器根據(jù)提 取出的電網(wǎng)狀態(tài)做出是否要進行合閘動作的判斷同時保護核心控制部件，增強漏電保護器 運行的安全性和可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出 一種帶有光耦隔離的漏電保護器電
網(wǎng)狀態(tài)檢測方法。
本發(fā)明包括以下步驟 1、將電網(wǎng)狀態(tài)信號進行如下信號波形變換如果電網(wǎng)狀態(tài)是導通的，則電網(wǎng)狀態(tài) 信號為頻率50Hz、峰值310V的正弦波信號，經(jīng)過信號波形變換后變?yōu)轭l率50Hz、高電平5V、 低電平OV的方波信號；如果電網(wǎng)狀態(tài)是斷開的，則電網(wǎng)狀態(tài)信號為低電平，經(jīng)過信號波形 變換后仍為低電平。將變換后的信號波形通過光耦隔離電路輸入。 2、將經(jīng)過整形過的電網(wǎng)狀態(tài)信號通過緩沖模塊，提高信號波形的質(zhì)量，而后對信 號波形的高電平進行計時，當高電平時間超過1毫秒時，步驟2將從步驟1輸入的信號的高 電平時間減少1毫秒作為輸出，這是一個方波信號；如果高電平時間沒有達到1毫秒，則步 驟2—直輸出低電平信號。然后進入步驟3。 3、從步驟2輸出的方波信號的第一個上升沿時刻起，輸出持續(xù)的高電平信號，其 余時刻輸出低電平信號。然后進入步驟4。 4、對步驟2輸出的信號進行判斷，如果這個信號存在下降沿，并在一個下降沿后 的20毫秒內(nèi)出現(xiàn)另一個上升沿，這說明步驟2輸出的信號是一個連續(xù)的方波信號，即此時 電網(wǎng)狀態(tài)是導通的，則將步驟3輸出的高電平信號保持，作為步驟4的輸出；如果步驟2輸出的信號存在下降沿，但是在一個下降沿后的20毫秒內(nèi)沒有出現(xiàn)另一個上升沿，那么說明 此時電網(wǎng)已經(jīng)斷開了，則將步驟3輸出的高電平信號變?yōu)榈碗娖阶鳛椴襟E4的輸出；如果步 驟2輸出的信號為持續(xù)的低電平，則說明電網(wǎng)狀態(tài)為斷開，步驟4輸出低電平。步驟4輸出 的信號即是提取出的電網(wǎng)狀態(tài)信號。 本發(fā)明通過波形變換電路、光耦隔離電路、緩沖模塊、干擾濾除模塊、交直流轉(zhuǎn)換 模塊和判斷連續(xù)性模塊實現(xiàn)了對電網(wǎng)狀態(tài)的檢測功能，在將電網(wǎng)上的50Hz高壓正弦波信 號變換成50Hz低壓方波信號之后，進行信號波形優(yōu)化，過濾電網(wǎng)上的干擾，而后再將此反 映電網(wǎng)狀態(tài)的方波信號進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了在電網(wǎng)導通時提取到高電平信號，電網(wǎng)斷開時提 取到低電平信號的功能，提供給漏電保護器作為合閘判斷的根據(jù)，同時在電網(wǎng)狀態(tài)信號的 傳輸接口上增加了光耦電路，完成強電與弱電的隔離，保護了漏電保護器后續(xù)的核心控制 部件。
圖1為本發(fā)明的總體框圖； 圖2為本發(fā)明實施例的電路原理圖； 圖3為本發(fā)明一個檢測電網(wǎng)狀態(tài)實施例的傳輸路徑節(jié)點波形。
具體實施例方式
—種帶有光耦隔離的漏電保護器電網(wǎng)狀態(tài)檢測方法包括以下步驟 1.將電網(wǎng)狀態(tài)信號進行如下信號波形變換如果電網(wǎng)狀態(tài)是導通的，則電網(wǎng)狀態(tài)
信號為頻率50Hz、峰值310V的正弦波信號，經(jīng)過信號波形變換后變?yōu)轭l率50Hz、高電平5V、
低電平OV的方波信號；如果電網(wǎng)狀態(tài)是斷開的，則電網(wǎng)狀態(tài)信號為低電平，經(jīng)過信號波形
變換后仍為低電平；將變換后的信號波形通過光耦隔離電路輸入； 2.將經(jīng)過整形過的電網(wǎng)狀態(tài)信號通過緩沖模塊，提高信號波形的質(zhì)量，而后對信 號波形的高電平進行計時，當高電平時間超過1毫秒時，將從輸入的方波信號的高電平時 間減少1毫秒作為輸出，輸出信號仍為方波信號；如果該方波信號的高電平時間沒有達到1 毫秒，則一直輸出低電平信號； 3.如果輸出的是方波信號的，則從方波信號的第一個上升沿時刻起，輸出持續(xù)的
5V高電平信號；如果輸出的是低電平信號，則持續(xù)輸出OV的低電平信號； 4.對步驟2的輸出信號進行判斷，如果這個信號存在下降沿，并在一個下降沿后
的20毫秒內(nèi)出現(xiàn)另一個上升沿，則該輸出信號為連續(xù)的方波信號，即此時電網(wǎng)狀態(tài)是導通
的，則將步驟3輸出的高電平信號保持，作為步驟4的輸出；如果步驟2輸出的信號存在下
降沿，但是在一個下降沿后的20毫秒內(nèi)沒有出現(xiàn)另一個上升沿，此時電網(wǎng)已經(jīng)斷開，則將
步驟3輸出的高電平信號變?yōu)榈碗娖阶鳛椴襟E4的輸出；如果步驟2輸出的信號為持續(xù)的
低電平，則電網(wǎng)狀態(tài)為斷開，步驟4輸出低電平； 步驟4輸出的信號即是提取出的電網(wǎng)狀態(tài)信號。 如圖l所示，這些步驟是通過外圍電路和半導體集成電路芯片(圖中虛框部分) 中的幾個功能模塊來實現(xiàn)的。 步驟1是通過波形變換模塊1來實現(xiàn)的，波形變換模塊結(jié)構(gòu)非常簡單，由整流二極
4管、限流電阻和穩(wěn)壓二極管構(gòu)成，但是能夠很好地實現(xiàn)波形變換的功能，如果電網(wǎng)狀態(tài)是導
通的，則輸入的電網(wǎng)狀態(tài)信號為頻率50Hz、峰值310V的正弦波信號，經(jīng)過整流二極管和限
流電阻完成半波整流，并通過穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓后變?yōu)轭l率50Hz、高電平5V、電平OV的方波
信號；如果電網(wǎng)狀態(tài)是斷開的，則輸入的電網(wǎng)狀態(tài)信號為低電平，經(jīng)過變換后仍為低電平。
通過變換處理的電網(wǎng)狀態(tài)信號通過光耦2傳輸，當狀態(tài)信號為高電平時，光耦導通，輸出為
高電平；當狀態(tài)信號為低電平是，光耦關(guān)閉，輸出為低電平，由此很好地完成了電網(wǎng)狀態(tài)信
號的傳遞，同時通過光耦將電網(wǎng)同后續(xù)的處理電路隔離，起到了保護作用。 步驟2是通過緩沖模塊3和干擾濾除模塊4實現(xiàn)的。通過步驟1采集的電網(wǎng)狀
態(tài)信號波形往往比較差，其波形的上升沿和下降沿不夠理想，這會對后續(xù)信號處理造成不
利的影響，所以為了避免這些，先將步驟1提取的電網(wǎng)狀態(tài)波形通過緩沖模塊進行一定的
處理，提高其波形的質(zhì)量。同時由于電網(wǎng)上連接了眾多的負載，每個負載都會對電網(wǎng)產(chǎn)生影
響，特別是大功率電機的啟動等，會在電網(wǎng)上形成尖峰脈沖，這些尖峰脈沖有個特點為持續(xù)
時間很短，一般在幾十至幾百個微秒之間，因此，為了濾除尖峰脈沖的干擾，保證能夠正確
地提取電網(wǎng)狀態(tài)信號，使用了干擾濾除模塊。干擾濾除模塊的功能為將經(jīng)過步驟1整形后
的信號的高電平時間減少1毫秒，這樣就把高電平寬度小于1毫秒的干擾信號濾除，保證提
取的電路狀態(tài)是正確的。 步驟3和步驟4是通過交直流轉(zhuǎn)化模塊5和判斷連續(xù)性模塊6實現(xiàn)的，該部分采 用成熟的現(xiàn)有技術(shù)，見200710070505. 5號發(fā)明專利(名稱一種用于漏電保護器的電網(wǎng)狀 態(tài)檢測方法)。當步驟3檢測到步驟2輸出的信號存在上升沿時，這說明了在濾除了干擾的 情況下仍然有電網(wǎng)狀態(tài)信號(方波信號)輸入，表明此時刻電網(wǎng)是導通的。通過交直流轉(zhuǎn) 化模塊，可以在步驟2輸出的方波信號的第一個上升沿時刻產(chǎn)生一個持續(xù)的高電平信號， 這樣就把交流的方波信號轉(zhuǎn)化為直流信號，然后進入步驟4的判斷連續(xù)性模塊，當電網(wǎng)導 通時，步驟2輸出的信號是頻率略大于50Hz的方波信號，因此，在一個下降沿出現(xiàn)后的20 毫秒內(nèi)一定會出現(xiàn)另一個上升沿，步驟4的輸出保持高電平不變。如果經(jīng)過一段時間后，電 網(wǎng)斷開了，那么經(jīng)過步驟1步驟2處理過的電網(wǎng)狀態(tài)信號變成了低電平，因此在某個下降沿 后不會再有方波信號輸入，因此在這個下降沿出現(xiàn)后的20毫秒內(nèi)不會出現(xiàn)另一個上升沿， 這樣就導致步驟4的輸出變成低電平，即檢測到電網(wǎng)斷開并在輸出信號中以直流信號的方 式表現(xiàn)出來。如果步驟2輸出的信號是持續(xù)的低電平，則說明電網(wǎng)一直都是斷開的，輸出信 號也是持續(xù)的低電平。 圖2是本發(fā)明的一實施例的電路原理圖，本發(fā)明的方法就是通過這些電路得以實 現(xiàn)的，現(xiàn)具體介紹各個模塊的構(gòu)成和功能實現(xiàn)。在本電路中分為兩個部分外電路和集成電 路芯片內(nèi)部電路。外電路有兩個模塊波形變換電路和光耦隔離電路，具體介紹如下
波形變換電路由整流二極管、限流電阻和穩(wěn)壓二極管構(gòu)成，如果電網(wǎng)狀態(tài)是導通 的，則輸入的電網(wǎng)狀態(tài)信號為50Hz的正弦波信號，經(jīng)過整流二極管和限流電阻完成半波整 流，并通過穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓后變?yōu)轭l率50Hz、高電平5V、電平0V的方波信號；如果電網(wǎng)狀態(tài) 是斷開的，則輸入的電網(wǎng)狀態(tài)信號為低電平，經(jīng)過變換后仍為低電平。 光耦隔離電路的功能是當狀態(tài)信號為高電平時，光耦導通，輸出為高電平；當狀態(tài) 信號為低電平是，光耦關(guān)閉，輸出為低電平，由此很好地完成了電網(wǎng)狀態(tài)信號的傳遞。
集成電路芯片內(nèi)部電路有四個模塊， 一共使用到了 3種D觸發(fā)器，現(xiàn)將這3禾中D觸發(fā)器的功能介紹如下 D觸發(fā)器a的功能是擁有D、 CLK、 R三個輸入端和Q和Qbar輸出端口 ，當CLK端 口輸入下降沿信號時，將此時刻D端口的數(shù)據(jù)傳至Q端口 ，其余時間Q端口數(shù)值保存不變； 無論何時一旦R端口有低電平信號，Q端口輸出為低電平，Qbar端口是對Q端口取反得到。
D觸發(fā)器b的功能是擁有D、 CLK、 R三個輸入端和Q和Qbar輸出端口 ，當CLK端 口輸入上升沿信號時，將此時刻D端口的數(shù)據(jù)傳至Q端口 ，其余時間Q端口數(shù)值保存不變； 無論何時一旦R端口有低電平信號，Q端口輸出為低電平，Qbar端口是對Q端口取反得到。
D觸發(fā)器c的功能是擁有D、 CLK、 R三個輸入端和Q和Qbar輸出端口 ，當CLK端 口輸入上升沿信號時，將此時刻D端口的數(shù)據(jù)傳至Q端口 ，其余時間Q端口數(shù)值保存不變； 無論何時一旦R端口有高電平信號，Q端口輸出為低電平，Qbar端口是對Q端口取反得到。
經(jīng)過外圍電路處理的電網(wǎng)狀態(tài)方波信號首先輸入至集成電路芯片內(nèi)部的緩沖模 塊，緩沖模塊的電路只有兩個反向器，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是能夠很好地實現(xiàn)提高波形質(zhì)量的 功能。 在干擾濾除模塊中，4個D觸發(fā)器a構(gòu)成了 1毫秒延時電路，這4個D觸發(fā)器a的 Qbar端都接回了輸入端D，那么CLK端口輸入一個下降延，Q端的輸出就會翻轉(zhuǎn)一次，由于 第一個D觸發(fā)器a使用了 10kHz的時鐘，所以4個D觸發(fā)器a的延時時間分別為0. l毫秒、 0. 2毫秒、0. 4毫秒和0. 8毫秒，因此要形成1毫秒的延時，就必須用一個與門將0. 2毫秒檔 和0. 8毫秒檔并起來。波形整形模塊的輸出被送入4個D觸發(fā)器a和D觸發(fā)器b的R端， 當這個信號為高電平時，4個D觸發(fā)器a開始進行計時，延時時間到達1毫秒時，D觸發(fā)器b 的CLK端輸入信號從低電平變?yōu)楦唠娖?，而D觸發(fā)器b的D端接在高電平上，因此Q端輸出 高電平信號，此時送入與門2的兩個信號都是高電平，則干擾濾除模塊輸出高電平；當波形 整形模塊的輸出信號變?yōu)榈碗娖綍r，D觸發(fā)器a和D觸發(fā)器b都處于清零狀態(tài)，干擾濾除模 塊輸出為低電平。這樣就實現(xiàn)了將高電平信號時間截去1毫秒，濾除干擾的功能。
交直流轉(zhuǎn)換模塊和判斷連續(xù)性模塊在電路原理圖中是一個完整的模塊，一旦干擾 濾除模塊的輸出有上升沿輸出，提取出的直流電網(wǎng)狀態(tài)信號就變成高電平，只有在干擾濾 除模塊輸出為低電平，且提取出的直流電網(wǎng)狀態(tài)信號為高電平時，由5個D觸發(fā)器a構(gòu)成的 延時20毫秒電路才會工作，這個時刻即為存在方波信號，并且在方波的下降延時進行計時 的時刻，如果在20毫秒內(nèi)干擾濾除模塊沒有出現(xiàn)高電平信號，使得5個D觸發(fā)器a被清零， 那么就會使與門3輸出高電平信號，導致D觸發(fā)器c清零，提取出的直流電網(wǎng)狀態(tài)信號變成 低電平，此時認為電網(wǎng)的狀態(tài)為斷開。 圖3是本發(fā)明一個檢測電網(wǎng)狀態(tài)實施例的傳輸路徑節(jié)點波形，波形A是電網(wǎng)上原 始的狀態(tài)波形，表示初始時電網(wǎng)導通，然后斷開，然后又導通；波形B是經(jīng)過外圍波形變換 處理后通過光耦傳輸?shù)郊呻娐沸酒臓顟B(tài)信號波形，當檢測到電網(wǎng)導通時的波形為方 波，當檢測到電網(wǎng)斷開時為低電平。波形C是經(jīng)過了緩沖模塊處理后的信號波形，可見其波 形質(zhì)量比波形B有了很大的提升。波形D是通過干擾濾除模塊處理后的波形，可以看到，每 個方波脈沖的高電平時間都減少了 1毫秒，這樣就濾除了電網(wǎng)上的許多尖峰脈沖干擾，保 證了電路狀態(tài)提取的正確性。波形E是經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換模塊和判斷連續(xù)性模塊的直流電網(wǎng) 狀態(tài)輸出信號，可以看出，在波形D方波的一個下降沿的20毫秒內(nèi)有另一個上升沿出現(xiàn)的 話，直流電網(wǎng)狀態(tài)輸出信號會保持高電平，而如果波形D方波的一個下降沿的20毫秒內(nèi)沒
6有另一個上升沿出現(xiàn)，那么直流電網(wǎng)狀態(tài)輸出信號就會變?yōu)榈碗娖?，這樣就實現(xiàn)了電網(wǎng)狀 態(tài)檢測和提取的功能。
權(quán)利要求
一種帶有光耦隔離的漏電保護器電網(wǎng)狀態(tài)檢測方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)將電網(wǎng)狀態(tài)信號進行如下信號波形變換如果電網(wǎng)狀態(tài)是導通的，則電網(wǎng)狀態(tài)信號為頻率50Hz、峰值310V的正弦波信號，經(jīng)過信號波形變換后變?yōu)轭l率50Hz、高電平5V、低電平0V的方波信號；如果電網(wǎng)狀態(tài)是斷開的，則電網(wǎng)狀態(tài)信號為低電平，經(jīng)過信號波形變換后仍為低電平；將變換后的信號波形通過光耦隔離電路輸入；(2)將經(jīng)過整形過的電網(wǎng)狀態(tài)信號通過緩沖模塊，提高信號波形的質(zhì)量，而后對信號波形的高電平進行計時，當高電平時間超過1毫秒時，將從輸入的方波信號的高電平時間減少1毫秒作為輸出，輸出信號仍為方波信號；如果該方波信號的高電平時間沒有達到1毫秒，則一直輸出低電平信號；(3)如果輸出的是方波信號的，則從方波信號的第一個上升沿時刻起，輸出持續(xù)的5V高電平信號；如果輸出的是低電平信號，則持續(xù)輸出0V的低電平信號；(4)對步驟(2)的輸出信號進行判斷，如果這個信號存在下降沿，并在一個下降沿后的20毫秒內(nèi)出現(xiàn)另一個上升沿，則該輸出信號為連續(xù)的方波信號，即此時電網(wǎng)狀態(tài)是導通的，則將步驟(3)輸出的高電平信號保持，作為步驟(4)的輸出；如果步驟(2)輸出的信號存在下降沿，但是在一個下降沿后的20毫秒內(nèi)沒有出現(xiàn)另一個上升沿，此時電網(wǎng)已經(jīng)斷開，則將步驟(3)輸出的高電平信號變?yōu)榈碗娖阶鳛椴襟E(4)的輸出；如果步驟(2)輸出的信號為持續(xù)的低電平信號，則電網(wǎng)狀態(tài)為斷開，步驟(4)輸出低電平；步驟(4)輸出的信號即是提取出的電網(wǎng)狀態(tài)信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有光耦隔離的漏電保護器電網(wǎng)狀態(tài)檢測方法。本發(fā)明方法首先將電網(wǎng)狀態(tài)信號進行波形變換，電網(wǎng)狀態(tài)導通時，變換為方波信號，電網(wǎng)狀態(tài)斷開時，變換為低電平；高電平時間超過1毫秒時，將高電平時間減少1毫秒作為輸出，沒有達到1毫秒時，則一直輸出低電平信號；如果這個信號存在下降沿，并在一個下降沿后的20毫秒內(nèi)出現(xiàn)另一個上升沿，則持續(xù)輸出高電平信號，如果沒有出現(xiàn)另一個上升沿，輸出低電平信號；輸出的信號即提取出的電網(wǎng)狀態(tài)信號。本發(fā)明方法實現(xiàn)了對電網(wǎng)狀態(tài)的檢測，并將結(jié)果提供給漏電保護器作為合閘判斷的根據(jù)，簡化合閘處理流程，同時實現(xiàn)了強電與弱電的轉(zhuǎn)換及分離，大大增強了漏電保護器運行的安全性和可靠性。
文檔編號H02H3/02GK101777747SQ20101010462
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者彭成, 范鎮(zhèn)淇, 郭行干, 韓雁 申請人:浙江大學