采用光信號同步的間接測量方法的原理、工作過程和結(jié)構(gòu)分析

引言

在電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中，相位測量是一個(gè)經(jīng)常性項(xiàng)目，從傳統(tǒng)的“過零”法測量的情況看，要測量兩個(gè)交流信號的相位角，通常的做法是將兩個(gè)交流信號進(jìn)行放大、整形，成為在過零點(diǎn)變化的方波，同時(shí)還要在一個(gè)回路中進(jìn)行比較，進(jìn)而測量出同頻信號的相位差（Δtx）這一主要參數(shù)。但是往往現(xiàn)場測量需要接入的信號比較多，這很容易引起接線的錯(cuò)誤。此外，對線路進(jìn)行相位測量時(shí)有多個(gè)回路信號接入設(shè)備，倘若在現(xiàn)場出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，或者儀器內(nèi)部通道之間的隔離出現(xiàn)問題，很容易引起回路之間的短路，導(dǎo)致事故發(fā)生。

基于以上情況，必須從原理上改變傳統(tǒng)的測量方式以適應(yīng)測試過程的需要。

用光信號同步的間接測量方法和結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用了一種間接的測量方法，不需要將2個(gè)現(xiàn)場交流信號引入到同一個(gè)設(shè)備，即測量過程是分別在各個(gè)信號的回路獨(dú)立進(jìn)行的。這種間接的測量方法的條件是必須有一個(gè)同步信號作為測量基準(zhǔn)，這樣才能在各個(gè)獨(dú)立回路的測量回路之間建立起關(guān)聯(lián)，以便最后測量出Δtx和T0。在這里采用的是紅外光信號進(jìn)行同步相位測量的方法，利用光信號作為同步信號源，不需要在電路上的連接關(guān)系就可以進(jìn)行同步，同時(shí)還可以利用它作為數(shù)據(jù)通信的載體。

本系統(tǒng)包含一個(gè)主機(jī)和幾個(gè)測量部件。主機(jī)是系統(tǒng)的核心部分，而測量部件的數(shù)量取決于實(shí)際測量的需要（例如在測量六角圖時(shí)，就應(yīng)該是6個(gè)測量部件），主機(jī)是由MCS-51系列的AT89C51單片機(jī)為主體的部分，外圍電路比較簡單。它主要依靠一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)光接收器構(gòu)成通信接口，單片機(jī)的輸出端經(jīng)過反相器驅(qū)動(dòng)以后控制光發(fā)射器向測量部件發(fā)出調(diào)制光信號。而單片機(jī)的輸入直接與光接收器相連，光接收器把測量部件發(fā)來的調(diào)制光信號進(jìn)行解調(diào)，單片機(jī)則可以通過程序識別編碼信號。光發(fā)射器主要用來啟動(dòng)測量過程，而光接收器則實(shí)現(xiàn)主機(jī)與測量部件之間的數(shù)據(jù)通信。

每個(gè)測量部件也是一個(gè)由AT89C51單片機(jī)為核心的智能化的測量電路，其外圍部分主要包括光發(fā)射器、光接收器和測量電路（如圖1所示）。測量電路是由OP07組成的放大電路和LM311組成的整形電路組成，主要功能是將交流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的方波信號。方波的輸出與單片機(jī)的I/O線相連接，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以測量到相關(guān)的時(shí)間值，進(jìn)而計(jì)算出相位角。光發(fā)射器和光接收器的作用主要是實(shí)現(xiàn)測量，同時(shí)完成與主機(jī)的雙向通信。

間接測量法的原理

主機(jī)一方面控制測量過程，向各個(gè)測量部件發(fā)出紅外光同步信號啟動(dòng)測量，另一方面各個(gè)部件完成測量以后，通過紅外光通信將各個(gè)部件的測量數(shù)據(jù)匯總到主機(jī)，然后進(jìn)行計(jì)算以確定被測參數(shù)，即引入三維變量的間接測量方式取代直接測量法。這種間接測量方式不再需要直接測量時(shí)差，只需建立每個(gè)參數(shù)和光同步信號之間的時(shí)間關(guān)系，再通過計(jì)算求出時(shí)差?；芈凡辉傩枰陔娐飞系倪B接，僅僅依靠一個(gè)光同步信號就能夠間接地測量到多個(gè)測量回路參數(shù)之間的相位關(guān)系。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于：各個(gè)測量回路不再需要參考點(diǎn)的連接，回路相對獨(dú)立，分別測量各自的交流信號過零時(shí)刻與光同步信號之間的時(shí)間差，以作為相位測量的基本參數(shù)。它們之間的關(guān)聯(lián)不是靠電路形式的連接，而是依靠光信號，這樣就可以杜絕回路之間的短路發(fā)生，另外，還可以減少儀器的連線。光信號除了作為同步信號外，還作為數(shù)據(jù)傳輸通道，各個(gè)測量回路將測量數(shù)據(jù)通過光的傳輸，集中在主機(jī)部分最終完成參數(shù)的數(shù)值顯示。

工作過程

在一個(gè)測量周期開始，由主機(jī)控制光發(fā)射器發(fā)出一個(gè)同步紅外光信號，測量部件的光接收器都能在同一時(shí)刻接收到這一信號，各個(gè)測量部件的單片機(jī)會(huì)同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行各自的測量過程，完成測量過程后，再由各個(gè)部件的單片機(jī)依次將測量數(shù)據(jù)傳送回主機(jī)，主機(jī)單片機(jī)通過光接收頭，依次接收到各個(gè)測量部件的數(shù)據(jù)并匯總這些基本數(shù)據(jù)，最后通過計(jì)算后主機(jī)就顯示相應(yīng)的數(shù)字值，至此完成一個(gè)測量周期。

主機(jī)部分

第一階段，主機(jī)光發(fā)射器發(fā)出同步光信號，啟動(dòng)各個(gè)測量部件同時(shí)進(jìn)入測量狀態(tài)，此時(shí)，單片機(jī)的P3.4/T0引腳設(shè)置為輸出狀態(tài)，當(dāng)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生調(diào)制信號，經(jīng)過反相器74LS04驅(qū)動(dòng)光電發(fā)送器，按照程序的約定這個(gè)信號是表示“啟動(dòng)”的光信號，即通過該光信號向每個(gè)測量部件傳送開始測量的同步信號。

第二階段，每個(gè)測量部件同時(shí)進(jìn)入測量，測量完成后再由各個(gè)部件依次將測量數(shù)據(jù)傳送回主機(jī)。主機(jī)對P3.3/INT1引腳的脈沖進(jìn)行測量和程序識別，經(jīng)過解碼確定測量部件所發(fā)出的信號，完成“取回?cái)?shù)據(jù)”的工作。

測量部分

每個(gè)測量部件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中以UA1（OP07）為主的部分是信號放大器，例如在以鉗形電流作為對電流信號的測量時(shí)，輸入的電信號一般比較小，必須經(jīng)過放大處理。而以UA2（LM331）為主的部分則是過零比較電路，主要用于將信號轉(zhuǎn)換為過零變化的方波，這個(gè)方波的上升沿表示交流信號的過零點(diǎn)。在圖1中還包含光電耦合器SA1（TIL117），它一方面進(jìn)行電路隔離，同時(shí)還將方波信號轉(zhuǎn)換為TTL電平以便在單片機(jī)的P3.2（INT0）上進(jìn)行測量，這個(gè)引腳設(shè)置為輸入狀態(tài)，利用軟件很容易對方波信號的上升（或下降）沿進(jìn)行測量。與現(xiàn)有電路比較，其測量部分簡化了很多，傳統(tǒng)電路是對兩個(gè)回路的交流信號進(jìn)行處理—即將兩個(gè)信號的過零點(diǎn)在一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行直接比較以確定出相位差（Δtx）。而該電路不再基于對兩個(gè)信號之間直接進(jìn)行比較，且測量方法也發(fā)生了很大的改變，它是采用一個(gè)公共的光脈沖作為測量同步信號。

測量完成后由測量部件單片機(jī)的P3.4/T0引腳輸出開關(guān)量信號，經(jīng)過反相器74LS04驅(qū)動(dòng)光電發(fā)送器，然后通過光信號向主機(jī)傳送每個(gè)測量部件的測量數(shù)據(jù)。由于對每個(gè)測量部件都進(jìn)行了編號，各個(gè)測量部件的工作程序會(huì)依據(jù)本身序號依次向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

工作時(shí)序

圖2描述了進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的時(shí)序關(guān)系，當(dāng)光接收器輸出信號出現(xiàn)下降沿（即Ps=0）時(shí)，表示接收到主機(jī)的信號，上升沿到來時(shí)開始計(jì)時(shí)，而且以后的數(shù)據(jù)傳送也是以這個(gè)上升沿為參照標(biāo)準(zhǔn)。測量時(shí)間Txi +T0i 和Txj+T0j不大于40ms。對于第一個(gè)測量部件在同步信號啟動(dòng)測量以后再延時(shí)TM1≥Txi +T0i就可以傳送數(shù)據(jù)了。為了可靠，本設(shè)計(jì)取TM1=50ms作為測量過程的延遲時(shí)間。設(shè)每次傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間為TN，那么第二個(gè)測量部件傳送數(shù)據(jù)的延時(shí)就是第一個(gè)延遲時(shí)間加上TN，即：TM2= TM1+TN，后面的延時(shí)TM的計(jì)算依次類推。

主機(jī)會(huì)根據(jù)這個(gè)過程在其內(nèi)部存儲區(qū)依次保存各個(gè)部分的測量數(shù)據(jù)，以便后來的計(jì)算和顯示。

結(jié)語

這種間接測量的方法是在傳統(tǒng)的測量方法基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)，光信號作為一個(gè)參照量被引入到測量過程，依靠計(jì)算機(jī)的控制、存儲、運(yùn)算和處理等功能，得到最終的參數(shù)數(shù)據(jù)。由于這種方法依靠光信號作為同步和數(shù)據(jù)傳輸，多個(gè)測量回路不再需要在電路上的直接連接，而是獨(dú)立進(jìn)行，這對于解決實(shí)際問題來說非常有用。

責(zé)任編輯：gt