CN102854366B - 一种直流配用电系统中的小电流测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流配用电系统中的小电流测量装置，包括直流母线取能模块、信号采集模块、信号调理模块、无线传输模块，以及测量数据接收模块，其特征在于：（1）直流母线取能模块通过收集和管理直流母线中串有的分流器两端的电压来为整个小电流测量装置提供电源；（2）信号采集模块通过所述分流器来实现对小电流的采集，并输出至信号调理模块；（3）信号调理模块包括放大电路和保护电路，放大电路用于对信号采集模块输出的信号进行放大，限幅保护后将信号输出至无线传输模块；（4）无线传输模块对信号调理模块输出的信号进行模数转换后以无线的方式发送给测量数据接收模块。本装置能够精确测量直流电路中小电流的大小，并判断电流方向。

Description

一种直流配用电系统中的小电流测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种直流电流的测量装置及方法，特别涉及一种基于直流母线取能的直流配用电系统中的小电流测量装置及方法。

背景技术

随着我国经济的发展，电力、工业、交通等行业现代化水平越来越高，应用直流电的区域和部门越来越多，如发配电系统、城市和矿山的牵引车、电气化轨道、化工、冶金及国防工业等。

直流配用电系统的电流是电能计量和继电保护的主要测量参数，准确测量直流电流对于提高计量准确性和供电可靠性都具有重要价值。目前常用的直流电流测量方法按原理可分为两大类：一类基于欧姆定律，根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的大小，如分流器；另一类是根据被测电流所建立的磁场为基础，将电流的测量问题转变为磁场的测量问题来测量电流，比如通过测量其磁感应强度、磁通或者磁势等方法来测量电流，如霍尔传感器、直流互感器、直流电流比较仪等等。基于电磁感应的测量方法存在如下技术问题：（1）霍尔传感器过载能力不高，可能会被短路电流损坏；若为了防止霍尔传感器被短路电流损坏，必须选择大量程，这使得在小电流（远小于额定电流）的情况下无法实现准确测量；（2）直流互感器是利用磁平衡原理，存在磁饱和、体积大、造价高等问题；（3）直流电流比较仪结构复杂，体积较大，而且易受环镜影响，不满足低成本和小型化的要求，不可能用于在线监测。直流配用电系统的额定电流往往达到数千安培以上，且对供电安全性的要求非常高。相比而言，基于欧姆定律的分流器成本低、寿命长、耐受短路电流能力好，因此是目前最常用的直流配用电系统中电流测量方法。然而，分流器测量存在如下技术问题：分流器无法精确测量小电流，此外分流器测量的隔离也是亟待解决的问题之一。

也就是说，现有技术中的直流电流测量方法在电流远小于额定电流的情况下无法实现准确测量。特别地，在环网结构的直流配用电系统中，直流小电流的方向在某些情况下会发生反转，其大小只有几安培至几十安培，现有技术也无法准确判断小电流的方向。这些都不利于断路器的控制和继电保护。

因此，解决直流配用电系统中小电流的测量问题非常重要。直流配用电系统中的小电流的测量有几个难点：（1）小电流实质是主回路电流，位于高压侧；（2）直流电流的测量方法相对交流来说少一些，如交流系统中广泛采用的变压器原理的电流互感器就无法应用在直流电流的测量之中；（3）测量精度和过载能力问题：一般情况下，电路中流过kA数量级的稳态电流，发生短路故障时，电路中会出现几百kA数量级的短时短路电流。这就要求检测装置既能够准确检测出几十安培的电流，又能够长时间承受kA级大电流，还能承受短时数百kA的短路电流。

综上所述，现有技术无法用于直流配用电系统中小电流的测量，需要经过改进或采用其它方法对其进行测量。

发明内容

为解决上述一个或多个技术问题，本发明公开了一种直流配用电系统中的小电流测量装置，所述装置包括直流母线取能模块、信号采集模块、信号调理模块、无线传输模块，以及测量数据接收模块，其特征在于：

（1）所述直流母线取能模块通过收集和管理直流母线中串有的分流器两端的电压来为整个小电流测量装置提供电源；

（2）所述信号采集模块通过所述分流器来实现对所述小电流的采集，并输出至所述信号调理模块；

（3）所述信号调理模块包括放大电路和保护电路，所述放大电路用于对所述信号采集模块输出的信号进行放大，限幅保护后将信号输出至无线传输模块；

（4）所述无线传输模块对所述信号调理模块输出的信号进行模数转换后以无线的方式发送给所述测量数据接收模块。

同时，本发明还公开了一种直流配用电系统中的小电流测量方法，其特征在于：

（1）通过收集和管理直流母线中串有的分流器两端的电压来为整个小电流测量方法提供电源支持；

（2）通过所述分流器来实现对所述小电流的采集；

（3）对上一步骤采集的信号进行放大；

（4）对上一步骤放大的信号进行模数转换后以无线的方式发送给测量数据接收方。

附图说明

图1为本发明中的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为解决上述一个或多个技术问题，本发明的一个实施例中公开了一种直流配用电系统中的小电流测量装置，所述装置包括直流母线取能模块、信号采集模块、信号调理模块、无线传输模块，以及测量数据接收模块，其特征在于：

（1）所述直流母线取能模块通过收集和管理直流母线中串有的分流器两端的电压来为整个小电流测量装置提供电源；

（2）所述信号采集模块通过所述分流器来实现对所述小电流的采集，并输出至所述信号调理模块；

（3）所述信号调理模块包括放大电路和保护电路，所述放大电路用于对所述信号采集模块输出的信号进行放大，限幅保护后将信号输出至无线传输模块；

（4）所述无线传输模块对所述信号调理模块输出的信号进行模数转换后以无线的方式发送给所述测量数据接收模块。

结合图1来看，其中，与无线传输模块对应的测量数据接收模块未示出。就该实施例而言，其采用的是“分流器＋直流母线取能+信号采集+信号调理+无线传输”的方式。分流器不仅用于直流母线取能模块，同时分流器自身还是信号采集模块的一部分，本发明则是对现有技术中分流器测量技术的改进，通过信号调理模块中的放大电路从而实现对小电流的测量。另外，信号采集模块发送给信号调理模块信号之前，信号采集模块也可以包括除了分流器之外其他的电路单元，以有利于传输信号给信号调理模块为准。

实际应用中，如果在高压直流配用电系统中，除测量数据接收模块之外，其余模块可构成小电流测量的高压侧部分，高压侧部分将小电流信号通过无线传输模块发出后，在低压侧通过相应的测量数据接收模块将信号接收并提取出信息，这样就实现了小电流的准确测量，也实现了高低压侧的隔离。如果需要对模数转换后的数据进行处理，则可以由测量数据接收模块来完成，简单的处理也可以由无线传输模块完成，但是出于降低功耗的目的，倾向于由测量数据接收模块完成。

进一步地，如果有需要的话，所述测量装置也可以加装包含电容的储放电模块，作为特殊情况下的备用电源。

更优的，在另一个实施例中，所述直流母线取能模块还包括：（a）升压变压器；（b）超低电压、升压型转换器和电源管理器。就该实施例而言，属于直流母线取能模块的优选实施例，分流器两端的电压，有时也需要通过（a）升压变压器进行升压，以供（b）超低电压、升压型转换器和电源管理器来进行转换和电源管理。

更优的，在另一个实施例中，所述超低电压、升压型转换器和电源管理器，采用Linear Technology公司的LTC3108芯片。对于Linear Technology公司的LTC3108芯片而言，这是一种高度集成的DC/DC 转换器，相当于一个完整的能量收集电源管理系统，其非常适合于收集和管理来自诸如TEG(热电发生器)、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量。该器件本身也具有升压型拓扑结构，所采用的升压型拓扑结构可在输入电压低至20mV的情况下正常运作，输出电压值可选择2.35V，3.3V，4.1V，5V中的任意一个值。也就是说，该实施例主要通过LTC3108来实现收集和管理分流器两端的电压。当然，也可以不采用LTC3108系列芯片，而采用其他超低电压、升压型转换器和电源管理器。

实际应用中可选择如下方式，所述升压变压器与一个小的耦合电容以及LTC3108内部的一个MOS开关形成一个振荡器。这种设计可以实现低至20mV的直流电压的放大，使其能满足LTC3108的输入电压要求。振荡器的频率取决于变压器的二级绕组，频率范围10KHz到100KHz。当输入电压为20mV时，可以选择一个比例约为1:100的升压变压器。

更优的，在另一个实施例中，所述信号调理模块包括处理正向电流的正向电流放大电路，和处理逆向电流的逆向电流放大电路。显然，相对于前述实施例而言，本实施例使得本发明能够在解决精确测量一个方向的小电流的前提下，进一步解决对正向和逆向两个方向的小电流的精确测量问题。

更优的，在另一个实施例中，正向电流放大电路采用分级测量的方式，由第一级和第二级两级放大电路构成，依据直流母线取能模块所提供的电源电压和适当的正向小电流阈值来确定两级放大电路的放大倍数。就该实施例而言，之所以正向电流的测量采用分级测量方式，是因为正向小电流的值相比逆向小电流而言，其值比较大，范围也比较宽，分级测量能够兼顾宽测量范围和高测量精度。举例而言，选定一个适当的正向小电流阈值Ix：若第一级放大电路的输出为Uo1，其放大倍数K1如果要保证母线中流过额定电流In时，本级放大电路输出等于直流母线取能模块提供的电源电压值Vss，则有K1=Vss/Un（其中Un为母线中流过额定电流In时，分流器的输出电压值）；若第二级放大电路的输出为Uo2，其放大倍数K2要保证母线中流过电流大小为正向小电流阈值Ix时，本级放大电路输出等于电源值Vss，则有K1*K2=Vss/Ux，从而K2=Ux/Un（其中Ux为母线中流过电流为正向小电流阈值Ix时，分流器的输出电压值）。

附带说明地，逆向电流放大电路可以只采用一级放大电路，这是由于逆向电流值一般都比较小，没有必要提供较大的测量范围。这级放大电路的放大倍数只需保证母线中流过电流大小为逆向小电流阈值-Im时，本级放大电路K输出等于电源值即可，即K=Vss/Um（其中Um为母线中流过反向小电流阈值Im时，分流器的输出电压值）。正向小电流阈值Ix与逆向小电流阈值-Im这两个值的大小可以不相同，根据放大倍数的需要而定。

进一步地，在另一个实施例中：无线传输模块默认只对第一级放大电路的输出进行模数转换；当处理后的值小于所述正向小电流阈值所对应的分流器的电压阈值时，无线传输模块再对第二级放大电路的输出进行模数转换，从而保证宽测量范围的基础上提高测量精度。也就是说，一般情况下，无线传输模块中的模数转换部分只采集Uo1，当Uo1经数据处理后的值小于正向小电流阈值Ix时，即Uo1*K1<Ux，采集Uo2。

更优选的，在另一个实施例中，所述正向电流放大电路和逆向电流放大电路均包括与其对应的保护电路，保护电路用于限制放大电路输入端之间的电压。就该实施例而言，意在对放大电路的保护，防止过压。对于本领域技术人员而言，保护电路的实现方式很多，比如利用二极管、或三极管、MOS管、IGBT管等。

更优选的，在另一个实施例中：正向电流放大电路中第二级放大电路前设置有二极管，用于限制该级放大电路输入端之间的电压，使输出不超过所述直流母线取能模块提供的电源的电压值。就该实施例而言，其用于对正向电流放大电路中第二级放大电路的正常工作进行保护。

更优选的，在另一个实施例中：所述无线传输模块采用ZigBee、WiFi、GSM、CDMA、WCDMA中的任一方式或任一组合方式进行无线传输。相对而言，ZigBee虽然低功耗，但是传输距离也相对短一些，至于具体在实际中采用何种无线传输方式，取决于其技术需求，比如GSM、CDMA、WCDMA模块均具备接入移动通信网络能力，理论上传输距离没有限制，现有技术中也存在多种采用移动通信网络，特别是短信收发来完成测量的技术手段。

如果希望无线传输模块尽可能的低功耗和满足测量最基本需求，那么可以选择ZigBee协议，无线传输模块的设计原则可以参考下例：

当超低电压、升压型转换器和电源管理器，采用Linear Technology公司的LTC3108芯片时，以德州仪器的ZigBee无线片上系统CC2530为例，其中最小系统和无线传输部分均采用官方设计。CC2530除实现ZigBee无线传输的功能外，还能够完成电源供电控制和数据处理等功能。直流母线取能模块通过LTC3108的第7脚PGD（PGOOD端的简称），以及V2EN（VOUT2使能端VOUT2_EN的简称）和无线传输模块相连，其中PGD是接受的直流母线取能模块的信号，这个信号代表电源供电是否正常，为低电平时可间接说明分流器两端电压低于20mV，电路中可能会产生小电流，以此作为小电流测量的起点。V2EN可控制LTC3108的VOUT2是否有输出，即是否对信号采集和调理模块供电。信号调理模块的输出信号以单端输入的方式送入CC2530的ADC进行模数转换和数据处理。

此外，本发明也公开了一种直流配用电系统中的小电流测量方法，其特征在于：

（1）通过收集和管理直流母线中串有的分流器两端的电压来为整个小电流测量方法提供电源支持；

（2）通过所述分流器来实现对所述小电流的采集；

（3）对上一步骤采集的信号进行放大；

（4）对上一步骤放大的信号进行模数转换后以无线的方式发送给测量数据接收方。

    就上述实施例而言，其属于与本发明前述第一个实施例所对应的方法实施例。

进一步地，如果希望配合供电电路、减少功率消耗和提高测量精度，可以按照如下要求选择的放大电路中的运算放大器：（1）可单电源供电，如3.3V；（2）低功耗；（3）低输入偏置电压和低温度漂移电压；（4）具备轨对轨输出功能，即允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。如果希望提高响应速度，也可以选择具备高速响应速度的运算放大器。

综上所述，本发明所述的小电流测量装置及其方法能够精确测量出直流电路中小电流的大小，甚至是方向。本发明具有以下优点：（1）容易实现高精确度测量：分流器测量直流电流没有零漂且精确度高，如果运算放大器选择低偏置放大器，当偏置电压仅为μV级别，其误差更小，精度更高；此外，如果采用对正向小电流进行分级测量，那么就能够在不影响测量范围的基础上进一步保证高精确度；（2）测量范围广：本发明可测量出额定电流值以下所有电流的值，测量范围广；（3）容易实现高速响应速度：分流器用作传感器，测量无延时；此外，如果元器件选型时均采用响应速度快的元器件，那么就能进一步提高响应速度；（4）容易实现良好的过载能力：如果电路中添加了过载保护电路，那么就能获得良好的过载能力；（5）高低压侧隔离性好：本发明中由于采用了直流母线取能和无线传输的方法，高低压侧没有直接的电气连接，两侧相互独立，因此隔离性好，不需担心高低压侧绝缘的问题；（6）尺寸小、安装简单方便：一般直流母线中都串有分流器，即使没有也可以很方便的串接，几乎不占用测量装置额外空间；其它电路部分体积小，制成一个小匣子挂接在分流器两侧即可，也不会破坏原导电回路，简单方便；（7）成本低廉，大规模生产成本更低。总而言之，本发明所述的测量装置和方法的测量精确度高，测量范围广，高低压侧隔离性好，尺寸小，安装简单方便，成本低廉，容易实现，也容易实现快速响应速度和良好的过载能力，适合于工程实际应用。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种直流配用电系统中小电流的测量装置，所述小电流的值远小于直流配用电系统中的额定电流，所述装置包括直流母线取能模块、信号采集模块、信号调理模块、无线传输模块，以及测量数据接收模块，其特征在于：

（1）所述直流母线取能模块通过收集和管理直流母线中串有的分流器两端的电压来为整个小电流测量装置提供电源；

（2）所述信号采集模块通过所述分流器来实现对所述小电流的采集，并输出至所述信号调理模块；

（3）所述信号调理模块用于对信号采集模块输出的信号进行调理，并将调理后的信号输出至所述无线传输模块，其中：所述信号调理模块包括放大电路和保护电路，所述放大电路用于对所述信号采集模块输出的信号进行放大，所述保护电路用于限制放大电路输入端之间的电压；

（4）所述无线传输模块对所述信号调理模块输出的信号进行模数转换后以无线的方式发送给所述测量数据接收模块；

其中：

所述放大电路包括处理正向电流的正向电流放大电路，和处理逆向电流的逆向电流放大电路；

所述正向电流放大电路采用分级测量的方式，由第一级和第二级两级放大电路构成，依据直流母线取能模块所提供的电源电压和适当的正向小电流阈值来确定两级放大电路的放大倍数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直流母线取能模块还包括：（a）升压变压器；（b）超低电压、升压型转换器和电源管理器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：无线传输模块默认只对第一级放大电路的输出进行模数转换；当处理后的值小于所述正向小电流阈值所对应的分流器的电压阈值时，无线传输模块再对第二级放大电路的输出进行模数转换，从而保证宽测量范围的基础上提高测量精度。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述正向电流放大电路和逆向电流放大电路均包括与其对应的保护电路。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：正向电流放大电路中第二级放大电路前设置有二极管，用于限制该级放大电路输入端之间的电压，使输出不超过所述直流母线取能模块提供的电源的电压值。

6.根据权利要求1至5任一所述的装置，其特征在于：所述无线传输模块采用ZigBee、WiFi、GSM、CDMA、WCDMA中的任一方式或任一组合方式进行无线传输。