专利名称：一种带有光耦隔离的漏电保护器电网状态检测方法
技术领域：
本发明属于电网状态检测技术，具体涉及一种应用于带有合闸功能的两相总级漏
电保护器中带有光耦隔离的漏电保护器电网状态检测方法。
背景技术：
由于总级漏电保护器需要对较大范围内的电网进行漏电监护，保证较大范围内的 电网运行的安全性和可靠性。因此有相当一部分的总级漏电保护器除了拥有漏电检测功能 外，还拥有重合闸功能。重合闸功能的实现需要对电网的状态进行检测(即对开关的状态 进行检测)，而电网上的干扰比较大，很容易检测出错误的状态而导致漏电保护器误动作， 而且电网传输的是50Hz的高压交流电，漏电保护器处理起来比较困难，同时由于需要检测 电网状态，电网线路需接入漏电保护器，而大多数漏电保护器的核心控制部件都工作在低 压直流的弱电状态，如果不采取一定的措施，隔离强电区域与弱电区域，极有可能由于电网 的高压干扰而对漏电保护器核心部件造成损坏，存在安全隐患。因此，本发明提出了一种带 有光耦隔离的漏电保护器电网状态检测方法，能够排除电网上的干扰，正确地提取电网的 状态，把电网上50Hz的高压交流电网状态信号转化为低压直流电网状态信号，并通过光耦 隔离电路将电网强电区域与漏电保护器核心部件弱电区域隔离，以方便漏电保护器根据提 取出的电网状态做出是否要进行合闸动作的判断同时保护核心控制部件，增强漏电保护器 运行的安全性和可靠性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出 一种带有光耦隔离的漏电保护器电
网状态检测方法。
本发明包括以下步骤 1、将电网状态信号进行如下信号波形变换如果电网状态是导通的，则电网状态 信号为频率50Hz、峰值310V的正弦波信号，经过信号波形变换后变为频率50Hz、高电平5V、 低电平OV的方波信号；如果电网状态是断开的，则电网状态信号为低电平，经过信号波形 变换后仍为低电平。将变换后的信号波形通过光耦隔离电路输入。 2、将经过整形过的电网状态信号通过缓冲模块，提高信号波形的质量，而后对信 号波形的高电平进行计时，当高电平时间超过1毫秒时，步骤2将从步骤1输入的信号的高 电平时间减少1毫秒作为输出，这是一个方波信号；如果高电平时间没有达到1毫秒，则步 骤2—直输出低电平信号。然后进入步骤3。 3、从步骤2输出的方波信号的第一个上升沿时刻起，输出持续的高电平信号，其 余时刻输出低电平信号。然后进入步骤4。 4、对步骤2输出的信号进行判断，如果这个信号存在下降沿，并在一个下降沿后 的20毫秒内出现另一个上升沿，这说明步骤2输出的信号是一个连续的方波信号，即此时 电网状态是导通的，则将步骤3输出的高电平信号保持，作为步骤4的输出；如果步骤2输出的信号存在下降沿，但是在一个下降沿后的20毫秒内没有出现另一个上升沿，那么说明 此时电网已经断开了，则将步骤3输出的高电平信号变为低电平作为步骤4的输出；如果步 骤2输出的信号为持续的低电平，则说明电网状态为断开，步骤4输出低电平。步骤4输出 的信号即是提取出的电网状态信号。 本发明通过波形变换电路、光耦隔离电路、缓冲模块、干扰滤除模块、交直流转换 模块和判断连续性模块实现了对电网状态的检测功能，在将电网上的50Hz高压正弦波信 号变换成50Hz低压方波信号之后，进行信号波形优化，过滤电网上的干扰，而后再将此反 映电网状态的方波信号进行转换，实现了在电网导通时提取到高电平信号，电网断开时提 取到低电平信号的功能，提供给漏电保护器作为合闸判断的根据，同时在电网状态信号的 传输接口上增加了光耦电路，完成强电与弱电的隔离，保护了漏电保护器后续的核心控制 部件。
图1为本发明的总体框图； 图2为本发明实施例的电路原理图； 图3为本发明一个检测电网状态实施例的传输路径节点波形。
具体实施例方式
—种带有光耦隔离的漏电保护器电网状态检测方法包括以下步骤 1.将电网状态信号进行如下信号波形变换如果电网状态是导通的，则电网状态
信号为频率50Hz、峰值310V的正弦波信号，经过信号波形变换后变为频率50Hz、高电平5V、
低电平OV的方波信号；如果电网状态是断开的，则电网状态信号为低电平，经过信号波形
变换后仍为低电平；将变换后的信号波形通过光耦隔离电路输入； 2.将经过整形过的电网状态信号通过缓冲模块，提高信号波形的质量，而后对信 号波形的高电平进行计时，当高电平时间超过1毫秒时，将从输入的方波信号的高电平时 间减少1毫秒作为输出，输出信号仍为方波信号；如果该方波信号的高电平时间没有达到1 毫秒，则一直输出低电平信号； 3.如果输出的是方波信号的，则从方波信号的第一个上升沿时刻起，输出持续的
5V高电平信号；如果输出的是低电平信号，则持续输出OV的低电平信号； 4.对步骤2的输出信号进行判断，如果这个信号存在下降沿，并在一个下降沿后
的20毫秒内出现另一个上升沿，则该输出信号为连续的方波信号，即此时电网状态是导通
的，则将步骤3输出的高电平信号保持，作为步骤4的输出；如果步骤2输出的信号存在下
降沿，但是在一个下降沿后的20毫秒内没有出现另一个上升沿，此时电网已经断开，则将
步骤3输出的高电平信号变为低电平作为步骤4的输出；如果步骤2输出的信号为持续的
低电平，则电网状态为断开，步骤4输出低电平； 步骤4输出的信号即是提取出的电网状态信号。 如图l所示，这些步骤是通过外围电路和半导体集成电路芯片(图中虚框部分) 中的几个功能模块来实现的。 步骤1是通过波形变换模块1来实现的，波形变换模块结构非常简单，由整流二极
4管、限流电阻和稳压二极管构成，但是能够很好地实现波形变换的功能，如果电网状态是导
通的，则输入的电网状态信号为频率50Hz、峰值310V的正弦波信号，经过整流二极管和限
流电阻完成半波整流，并通过稳压二极管稳压后变为频率50Hz、高电平5V、电平OV的方波
信号；如果电网状态是断开的，则输入的电网状态信号为低电平，经过变换后仍为低电平。
通过变换处理的电网状态信号通过光耦2传输，当状态信号为高电平时，光耦导通，输出为
高电平；当状态信号为低电平是，光耦关闭，输出为低电平，由此很好地完成了电网状态信
号的传递，同时通过光耦将电网同后续的处理电路隔离，起到了保护作用。 步骤2是通过缓冲模块3和干扰滤除模块4实现的。通过步骤1采集的电网状
态信号波形往往比较差，其波形的上升沿和下降沿不够理想，这会对后续信号处理造成不
利的影响，所以为了避免这些，先将步骤1提取的电网状态波形通过缓冲模块进行一定的
处理，提高其波形的质量。同时由于电网上连接了众多的负载，每个负载都会对电网产生影
响，特别是大功率电机的启动等，会在电网上形成尖峰脉冲，这些尖峰脉冲有个特点为持续
时间很短，一般在几十至几百个微秒之间，因此，为了滤除尖峰脉冲的干扰，保证能够正确
地提取电网状态信号，使用了干扰滤除模块。干扰滤除模块的功能为将经过步骤1整形后
的信号的高电平时间减少1毫秒，这样就把高电平宽度小于1毫秒的干扰信号滤除，保证提
取的电路状态是正确的。 步骤3和步骤4是通过交直流转化模块5和判断连续性模块6实现的，该部分采 用成熟的现有技术，见200710070505. 5号发明专利(名称一种用于漏电保护器的电网状 态检测方法)。当步骤3检测到步骤2输出的信号存在上升沿时，这说明了在滤除了干扰的 情况下仍然有电网状态信号(方波信号)输入，表明此时刻电网是导通的。通过交直流转 化模块，可以在步骤2输出的方波信号的第一个上升沿时刻产生一个持续的高电平信号， 这样就把交流的方波信号转化为直流信号，然后进入步骤4的判断连续性模块，当电网导 通时，步骤2输出的信号是频率略大于50Hz的方波信号，因此，在一个下降沿出现后的20 毫秒内一定会出现另一个上升沿，步骤4的输出保持高电平不变。如果经过一段时间后，电 网断开了，那么经过步骤1步骤2处理过的电网状态信号变成了低电平，因此在某个下降沿 后不会再有方波信号输入，因此在这个下降沿出现后的20毫秒内不会出现另一个上升沿， 这样就导致步骤4的输出变成低电平，即检测到电网断开并在输出信号中以直流信号的方 式表现出来。如果步骤2输出的信号是持续的低电平，则说明电网一直都是断开的，输出信 号也是持续的低电平。 图2是本发明的一实施例的电路原理图，本发明的方法就是通过这些电路得以实 现的，现具体介绍各个模块的构成和功能实现。在本电路中分为两个部分外电路和集成电 路芯片内部电路。外电路有两个模块波形变换电路和光耦隔离电路，具体介绍如下
波形变换电路由整流二极管、限流电阻和稳压二极管构成，如果电网状态是导通 的，则输入的电网状态信号为50Hz的正弦波信号，经过整流二极管和限流电阻完成半波整 流，并通过稳压二极管稳压后变为频率50Hz、高电平5V、电平0V的方波信号；如果电网状态 是断开的，则输入的电网状态信号为低电平，经过变换后仍为低电平。 光耦隔离电路的功能是当状态信号为高电平时，光耦导通，输出为高电平；当状态 信号为低电平是，光耦关闭，输出为低电平，由此很好地完成了电网状态信号的传递。
集成电路芯片内部电路有四个模块， 一共使用到了 3种D触发器，现将这3禾中D触发器的功能介绍如下 D触发器a的功能是拥有D、 CLK、 R三个输入端和Q和Qbar输出端口 ，当CLK端 口输入下降沿信号时，将此时刻D端口的数据传至Q端口 ，其余时间Q端口数值保存不变； 无论何时一旦R端口有低电平信号，Q端口输出为低电平，Qbar端口是对Q端口取反得到。
D触发器b的功能是拥有D、 CLK、 R三个输入端和Q和Qbar输出端口 ，当CLK端 口输入上升沿信号时，将此时刻D端口的数据传至Q端口 ，其余时间Q端口数值保存不变； 无论何时一旦R端口有低电平信号，Q端口输出为低电平，Qbar端口是对Q端口取反得到。
D触发器c的功能是拥有D、 CLK、 R三个输入端和Q和Qbar输出端口 ，当CLK端 口输入上升沿信号时，将此时刻D端口的数据传至Q端口 ，其余时间Q端口数值保存不变； 无论何时一旦R端口有高电平信号，Q端口输出为低电平，Qbar端口是对Q端口取反得到。
经过外围电路处理的电网状态方波信号首先输入至集成电路芯片内部的缓冲模 块，缓冲模块的电路只有两个反向器，虽然结构简单，但是能够很好地实现提高波形质量的 功能。 在干扰滤除模块中，4个D触发器a构成了 1毫秒延时电路，这4个D触发器a的 Qbar端都接回了输入端D，那么CLK端口输入一个下降延，Q端的输出就会翻转一次，由于 第一个D触发器a使用了 10kHz的时钟，所以4个D触发器a的延时时间分别为0. l毫秒、 0. 2毫秒、0. 4毫秒和0. 8毫秒，因此要形成1毫秒的延时，就必须用一个与门将0. 2毫秒档 和0. 8毫秒档并起来。波形整形模块的输出被送入4个D触发器a和D触发器b的R端， 当这个信号为高电平时，4个D触发器a开始进行计时，延时时间到达1毫秒时，D触发器b 的CLK端输入信号从低电平变为高电平，而D触发器b的D端接在高电平上，因此Q端输出 高电平信号，此时送入与门2的两个信号都是高电平，则干扰滤除模块输出高电平；当波形 整形模块的输出信号变为低电平时，D触发器a和D触发器b都处于清零状态，干扰滤除模 块输出为低电平。这样就实现了将高电平信号时间截去1毫秒，滤除干扰的功能。
交直流转换模块和判断连续性模块在电路原理图中是一个完整的模块，一旦干扰 滤除模块的输出有上升沿输出，提取出的直流电网状态信号就变成高电平，只有在干扰滤 除模块输出为低电平，且提取出的直流电网状态信号为高电平时，由5个D触发器a构成的 延时20毫秒电路才会工作，这个时刻即为存在方波信号，并且在方波的下降延时进行计时 的时刻，如果在20毫秒内干扰滤除模块没有出现高电平信号，使得5个D触发器a被清零， 那么就会使与门3输出高电平信号，导致D触发器c清零，提取出的直流电网状态信号变成 低电平，此时认为电网的状态为断开。 图3是本发明一个检测电网状态实施例的传输路径节点波形，波形A是电网上原 始的状态波形，表示初始时电网导通，然后断开，然后又导通；波形B是经过外围波形变换 处理后通过光耦传输到集成电路芯片的状态信号波形，当检测到电网导通时的波形为方 波，当检测到电网断开时为低电平。波形C是经过了缓冲模块处理后的信号波形，可见其波 形质量比波形B有了很大的提升。波形D是通过干扰滤除模块处理后的波形，可以看到，每 个方波脉冲的高电平时间都减少了 1毫秒，这样就滤除了电网上的许多尖峰脉冲干扰，保 证了电路状态提取的正确性。波形E是经过交直流转换模块和判断连续性模块的直流电网 状态输出信号，可以看出，在波形D方波的一个下降沿的20毫秒内有另一个上升沿出现的 话，直流电网状态输出信号会保持高电平，而如果波形D方波的一个下降沿的20毫秒内没
6有另一个上升沿出现，那么直流电网状态输出信号就会变为低电平，这样就实现了电网状 态检测和提取的功能。
权利要求
一种带有光耦隔离的漏电保护器电网状态检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)将电网状态信号进行如下信号波形变换如果电网状态是导通的，则电网状态信号为频率50Hz、峰值310V的正弦波信号，经过信号波形变换后变为频率50Hz、高电平5V、低电平0V的方波信号；如果电网状态是断开的，则电网状态信号为低电平，经过信号波形变换后仍为低电平；将变换后的信号波形通过光耦隔离电路输入；(2)将经过整形过的电网状态信号通过缓冲模块，提高信号波形的质量，而后对信号波形的高电平进行计时，当高电平时间超过1毫秒时，将从输入的方波信号的高电平时间减少1毫秒作为输出，输出信号仍为方波信号；如果该方波信号的高电平时间没有达到1毫秒，则一直输出低电平信号；(3)如果输出的是方波信号的，则从方波信号的第一个上升沿时刻起，输出持续的5V高电平信号；如果输出的是低电平信号，则持续输出0V的低电平信号；(4)对步骤(2)的输出信号进行判断，如果这个信号存在下降沿，并在一个下降沿后的20毫秒内出现另一个上升沿，则该输出信号为连续的方波信号，即此时电网状态是导通的，则将步骤(3)输出的高电平信号保持，作为步骤(4)的输出；如果步骤(2)输出的信号存在下降沿，但是在一个下降沿后的20毫秒内没有出现另一个上升沿，此时电网已经断开，则将步骤(3)输出的高电平信号变为低电平作为步骤(4)的输出；如果步骤(2)输出的信号为持续的低电平信号，则电网状态为断开，步骤(4)输出低电平；步骤(4)输出的信号即是提取出的电网状态信号。
全文摘要
本发明涉及一种带有光耦隔离的漏电保护器电网状态检测方法。本发明方法首先将电网状态信号进行波形变换，电网状态导通时，变换为方波信号，电网状态断开时，变换为低电平；高电平时间超过1毫秒时，将高电平时间减少1毫秒作为输出，没有达到1毫秒时，则一直输出低电平信号；如果这个信号存在下降沿，并在一个下降沿后的20毫秒内出现另一个上升沿，则持续输出高电平信号，如果没有出现另一个上升沿，输出低电平信号；输出的信号即提取出的电网状态信号。本发明方法实现了对电网状态的检测，并将结果提供给漏电保护器作为合闸判断的根据，简化合闸处理流程，同时实现了强电与弱电的转换及分离，大大增强了漏电保护器运行的安全性和可靠性。
文档编号H02H3/02GK101777747SQ20101010462
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者彭成, 范镇淇, 郭行干, 韩雁 申请人:浙江大学