CN104407208A - 一种利用电路能量基于傅里叶fft正反变换相对较准阻性电流测量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，包括能量收集装置及基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置，解决在满足现有数据监测下解决供电问题，是一种能够满足在微安级泄露电流下支持以DSP为控制器实现的避雷器在线监测装置。

Description

一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统

技术领域

本发明属于电网监测领域，具体涉及避雷器监测系统领域。

背景技术

现有的避雷器监测系统利用PT取电流的方式监测流经避雷器的电流，而这种方式已不能适应现有的智能站、变电站输电系统、高铁电力无处设置PT的现状，为解决以上问题，本发明采用基于傅里叶FFT正反变换相对校准阻性电流测量的方法及相应装置解决避雷器的测量问题。

随着电网发展对高效准确实时监测一直是避雷器在线监测系统关键，但目前现有监测设备，如传统模拟表存在准确性，只能监测全电流同时无法远传，在严酷恶劣环境中存在长期一致性和稳定性问题，现有电子检测装置，存在供电和传输问题，电源多采用外部供电或电池供电方式，都存在工程或电池寿命等问题，传输多采用有线、无线、和传统光纤通信方式，有线存在引入高压危险，无线在变电站中存在稳定性问题、传统光纤通信对功耗要求较大，外部电源根据实际现场使用情况会带来安全和施工问题，电池供电由于无法实现循环充电，存在一定寿命，而且避雷器处在室外运行，温差变化巨大，不同地域及不同季节都会对电池造成一定影响，增加避雷器监测设备的故障率，一般DSP属于高端控制器，对功耗要求比较大。为了解决在满足现有数据监测下解决供电问题，特设计一种能够满足在微安级泄露电流下支持以DSP为控制器实现的避雷器在线监测装置。

发明内容

本发明实现了一个无需外部供电仅用泄露电流就可以实现的一种避雷器漏电采集监测装置，重点是实现在微安级泄露下实现DSP的采集传输任务。

当有泄露电流经过电流采样单元和限伏整流单元时，经过限伏整流电路表交变电流整成直流电，对电容储能单元电容进行充电，随着时间电压增大，当增大到启动电压3.3V时，间歇隔离电源启动开始工作，把充在电容中的电能利用DC电源传输到DC电源输出端，稳压一个3.3V单元，DC输出一个稳定3.3V电压之后，触发DSP处理器开始工作，DSP处理器快速打开低功耗ADC运放单元，启动A/D过压采样单元，开始采样流过电流采样单元电流，快速采样完成之后，为了节省电量，DSP迅速关闭低功耗ADC运放单元和A/D过压采样单元节省能量，DSP处理器通过高等算法FFT将采集信号进行时域到频域变换后分析基波和多次谐波数据，最近计算获得最终要求参数，计算完成后，数据打包，通过曼彻斯特编码方式调制一个高频1MHZ载波信号LED发射电路，完成数据发射后，DSP立刻进入超低功耗休眠模式，一次完整测试会在间歇隔离DC电源输出电压从3.3V跌到2.5V内完成。由于泄露电流为不间断长期存在，前端能量收集单元会继续获取电能，当电压充到间歇隔离DC电源启动点时，测量电路会再一循环上面步骤完成数据采集测量工作，这个电路测量受通路泄露电流大小限制，当电流大的时候单位时间测量次数增加，反之减小。

主要电流采样单元通过采样电阻使用高输入阻抗的差分运放，实现通路泄露电流转换成比例电压关系，经过低功耗AGC运放单元实现滤波比例放大通过DSP控制A/D过采样单元电路实现A/D12位采样能力，DSP以1.2K的采样率，采样4096个点，通过FFT算法变化，获取采样电流的基波及各次谐波获取高精度电流采样值；

供电部分由，交直流转换电路，对能量收集单元充电，此电路中使用比较器判断充电幅度，为了减小限幅整流单元对整个测量回来电流非线性的影响，能量收集单元采样法拉电容方式存储电荷，通过比较器判断充电电压到达3.3V，然后开启间歇隔离DC-DC开关电源,能量转换到输出端电容内部，当输出电容电压能够达到3.3V时，自动启动DSP进行工作，DSP工作后启动低功耗AGC运放单元和A/D过采样单元实现信号采集，再通过内部傅里叶FFT变换处理分析有效数据，之后把有效数据通过LED脉冲发射单元把数据通过光形式传输到接收端。

其具体技术方案如下：

一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，包括能量收集装置及基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置，所述的能量收集装置包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量；所述的基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置利用能量收集装置收集的能量功能，包括精密AGC运放、低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器，所述的精密AGC运放、低通滤波器、ADC触发采样单元及MCU控制器依次连接，精密AGC运放还与MCU控制器相连，所述的精密过零比较器连接低通滤波器、ADC触发采样单元、延时触发器及MCU控制器，所述的延时触发器还连接有ADC触发采样单元及MCU控制器，所述的采样初相角控制单元与MCU控制器相连接。

优选的，所述的精密AGC运放用于放大输入信号，所述的低通滤波器用于实现对在1KHz以上的经过精密AGC运放的输入信号起到滤波作用，经滤波处理后，一路送精密过零比较器，一路送ADC触发采集单元等待采集，所述的精密过零比较器用于当其检测到正向信号过零点，即输出一个上升沿信号，一路给延时触发器，一路给MCU控制器来实现对输入信号的频率实时监测，所述的延时触发器用于根据精密过零比较器输出的上升沿信号延时一个设定值后触发ADC触发采集单元，所述的ADC触发采集单元正常情况下不工作，当延时触发器给ADC触发采集单元一个信号时，ADC触发采集单元开始运行ADC采集工作，所述的ADC采集触发单元电路配合MCU控制器对输入信号的离散采集，完成采样点个数后，通过基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量方法实现对采样信号的分析处理，求出全电流和阻性电流。

所述的采样初相角控制单元用于在测量的阻性电流不准确的情况下，通过MUC控制器调整延时触发器设定的延时值实现对算法中的离散采样基波初相角度的调整。

所述的能量收集装置包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量。

所述的限伏整流单元设于避雷器泄露电流的串联电路中，包括低损耗电容C6、TVS管V1、NMOS管Q1、PMOS管Q2、NMOS管Q7及PMOS管Q8，所述的低损耗电容C6及TVS管V1并联且设于避雷器泄露电流的第一输入端J1和第二输入端J2之间，所述的NMOS管Q1的漏极与第一输入端J1、NMOS管Q7及PMOS管Q8的栅极相连接，NMOS管Q1的栅极与NMOS管Q7的漏极及PMOS管Q2的栅极相连接，NMOS管Q1的源极连于能量收集单元且与NMOS管Q7的源极相连；所述的NMOS管Q7的漏极接于第二输入端J2，其栅极还与PMOS管Q8的栅极相连接；所述PMOS管Q2的源极与PMOS管Q8的源极相连接，且接于能量收集单元，PMOS管Q2的栅极与NMOS管Q7及PMOS管Q8的漏极相连接。

所述的能量收集单元包括3.3v限伏稳压管D1及储能法拉电容C1，所述的3.3v限伏稳压管D1与储能法拉电容C1并联接于PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极及NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极之间，其中，3.3v限伏稳压管D1的正极与NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极连接，3.3v限伏稳压管D1的负极与PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极连接。

所述的低功耗比较器控制单元包括比较器U1、稳压器U2、NMOS开关管以及电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，所述的稳压器U2的第一输入端与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，第二输入端经电阻R5、电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极相接，稳压器U2的输出端经电阻R2与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，所述的比较器U1正向输入端+IN经电阻R1与3.3v限伏稳压管D1的负极连接，经电阻R4与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1反向输入端-IN经电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1的电源输入端V+与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的输出端Vout经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的电压参考基点GND与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，所述的NMOS开关管包括NMOS管Q9、NMOS管Q10，所述NMOS管Q9的漏极经电阻R7与比较器U1反向输入端-IN连接，经电阻R7、电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9、NMOS管Q10的源极均与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9的栅极与NMOS管Q10的栅极相连接且经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接。

所述的低功耗DC隔离转换器单元包括变压器T1、电容C3、C2、C4、二极管D2、D5、PMOS管Q11，所述变压器T1初级线圈中电感L1两端之间串接有电容C2和二极管D2，所述变压器T1初级线圈中电感L2的p8端经二极管D5接NMOS管Q10的漏极，所述变压器T1初级线圈中电感L2的p7端经电容C3连接PMOS管Q11的栅极，PMOS管Q11的源极接NMOS管Q10的漏极，电感L2的p7端经电容C3、电阻R8接NMOS管Q10的漏极，变压器T1次级线圈中电感L3两端之间串接有电容C4。

所述整流稳压滤波输出单元包括由NMOS管Q3、NMOS管Q4、PMOS管Q5及PMOS管Q6组成的二极管桥式整流电路及与其连接的稳压滤波输出电路。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为能量收集装置结构示意图；

图3为基于傅里叶FFT正反变换相对校准阻性电流测量的装置结构示意图。

图4为能量收集装置电路结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，用于避雷器监测系统的能量收集装置，由限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器依次连接组成；自取限伏整流单元直接串联在被测回路中，回路中有电流流过时候，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元电容储能器充电，能量收集单元采用电容方式存储能量。

所述的限伏整流单元设于避雷器泄露电流的串联电路中，由低损耗电容，TVS管、3.3v限伏稳压管及四个MOS管结构组成，用于将交变电流整成直流电，对能量收集单元的电容储能单元充电。

电路中V1、C6为了防止瞬间雷击脉冲对MOS管整流单元电路冲击造成损坏，D1选用低功耗最低稳压静态电流小于5uA稳压管，减小充电损耗电流，限制充电电压在3.3V以内，由于D1和MOS管为非线性器件，如果充电电压不做任何限制下，会随着电压增加，超过3.3V以上，非线性器件影响开始显现，造成回路电流非线性加剧，回路电流波形发生畸变，特别对于三、五次谐波的影响显著。

所述的电容储能单元由超低功耗比较器、超低功耗稳压器、储能法拉电容、NMOS开关管构成，用于收集限伏整流单元传来的直流电，直接存储到储能器法拉电容中，当法拉电容端电压充到3.3V时，比较器工作输出高电平，NMOS管开通，输出3.3V电压给低功耗DC隔离转换器，开始震荡工作将储能器电容中的能量通过变压器方式转换到输出端。

整流电路采用非传统的二极管桥式整流电路，解决低输入电流下，二极管存在高达0.7V压降，由于二极管的为非线性器件，同样对回路电流造成非线性影响。

为了降低电路自身功耗，避免能量了浪费，电路中R1、R3、R4、R5、R6、R7电阻均选用兆欧以上阻值，同时U1、U2选用超低功耗比较器和参考稳压器，使能量收集过程中回路工作电流功耗在12uA以内。

所述的间歇隔离DC电源由整流单元、自激震荡单元、整流稳压单元构成，用于接收电容储能单元传来的电能并将其传输给避雷器监测系统。

低功耗DC隔离转换器，为非传统的复杂DC-DC开关电源模块，采用多绕制一组线圈电感L和电容C3电阻R8、MOS管Q11、二极管D5，根据输入电压幅度构成自动振荡器，而非传统功耗大的振荡器，大大降低DC开关电源静态工作电流,功耗≤10uA，和电路的复杂度，将电容C1中的能量，通过开关电源方式转换到输出端。

当回路中有电流流过时，Q2、Q7与Q1、Q8交替导通，转换为直流，经过D1限伏稳压对C1法拉电容充电，稳压管U2工作输出一个2.0V参考电压，经过R5、R6分压1.0V给比较器U1反向输入端-IN，C1端电压充电到3.3V时候，经过R1、R4电阻分压输入比较器U1的正向输入端+IN电压大于反向输入端参考电压，比较器U1输入高电平，MOS管Q9、Q10导通，R7和R6并联后分压降低输入比较器U1的反向输入电压，保持U1在C1端电压降低到1.6V时前都能够稳定输出高电平，保持Q9、Q10持续导通；Q10导通后端隔离DC电源工作，C3、R8和T1(p7-p8)变压器组合震荡，转换到输出端口，进过Q3、Q6和Q4、Q5交替工作变换为脉动直流电，经过D3，D4稳压输出一个稳定直流电压。

本发明解决了目前现有的开关电源都是以电压形式且静态功耗都在至少几mA以上，无法应用到回路电流仅在几十uA低电流交流电流源回路电路中。

如图3所示，基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置电路设计如下：电路由精密AGC运放、1KHz低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器构成。

精密AGC运放：完成对输入信号的放大作用，通过AGC自动增益控制电路使其输入信号被放大到一个合适的幅度范围内，为后期处理准备；

低通滤波器：实现对输入信号频率在1KHz以上起到滤波作用，减小有效信号中的噪声扰动引起测量误差，对于输入信号幅度特别微弱情况下，信号中带有大量的干扰信息，此类信息同时被放大，如若不加处理会造成后端的精密过零比较无法准确判断有效信号的过零点从而引起误差

精密过零比较器：实现对输入信号过零点的判断工作，实现后端对输入信号的频率判断，从而为后端的同步采样做准备；

延时触发器：当精密过零比较器检测到正向信号过零点，即输出一个上升沿信号，延时触发器根据该上升沿信号延时一个设定值后触发ADC触发采集单元；

ADC触发采集单元：该单元正常情况下不工作，当延时触发器给ADC触发采集单元一个信号时，ADC触发采集单元开始运行ADC采集工作；

采集初相角控制单元：此功能单元实现对算法中的离散采样基波出现角度调整任务，使其满足要求；

工作原理过程：全电流经过采样电阻RS后，进入精密AGC运放，经过放大后的信号，通过低通滤波器，滤波处理后，一路送精密过零比较器，一路送ADC触发采集单元等待采集，精密过零比较器工作检测到正向过零点时输出一个上升沿触发信号，一路给延时触发器，一路给MCU控制器来实现对输入信号的频率实时监测，为实现同步测量要求，延时触发器根据设定延时值，延时一定时间达到后，触发ADC采集单元电路工作，ADC采集单元电路配合MCU控制器对输入信号的离散采集，完成采样点个数后，通过傅里叶变换方法按上述算法实现对采样信号的分析处理，求出全电流和阻性电流，但测量的阻性电流不准情况下，说明电路对采样初相角与真实全电流与阻性电流夹角的跟踪不够准确，此时通过调整采样初相角控制单元电路，即可实现对角度的追踪满足，实现阻性电流的准确测量工作。

实施例一

通过对氧化锌避雷器试品的全伏安特性曲线测试，氧化锌ZnO避雷器工作特性曲线可分为两大段，小电流段线性段，和大电流段非线性区；正常运行时，氧化锌片工作点通常都处在小电流即线性段运行；

根据测试小电流线性段，氧化锌避雷器的等效模型为Rx与Cx的并联方式实现。

根据RC阻容并联特性设参考信号端电压Rx中电流表示为Cx中的电流为

根据理论可得经过氧化锌避雷器的全电流为I为流过氧化锌避雷器全电流的有效值，f₀为工频基波，θ₀为参考初相角，θ₁为阻性电流i_R与全电流i夹角，因I_R＝Icos(θ₁)，所以只要通过测量得到全电流I和θ₁即可求出I_R值。

设同步采样率为Fs，被测信号基波频率(即工频基波)为f₀；

同步采样率要求为其与被测信号频率比值为整数倍关系，即Fs/f₀＝Nk；(Nk为整数)，电路中采样实时跟踪补偿Fs以达到同步采样要求，根据被测信号基波频率f₀变化范围在45Hz～65Hz之间，Nk可取值为Nk＝20；

采样率Fs选择为Fs＝Nk*f₀＝20*(45Hz～65Hz)＝0.99KHz～1.3KHz。

根据采样定理和三五次谐波分析要求，采样率Fs选择满足要求，为了准确分析和防止频谱泄露，连续采样点数设为N＝8192，最小物理分辨率为0.12Hz满足测量要求。

如图3所示，通过Rs采样电阻对氧化锌避雷器中全电流的离散采样根据避雷器实际运行情况，主要谐波分量主要集中在三五次谐波中，所以主要分析基波和三五次谐波，通过傅里叶FFT时域信号变化到频域信号转换滤去高次谐波，再利用FFT反变换还原离散采样信号可得到，

即

$i_{\left(n\right)}=\sqrt{2}\mathrm{ISin}(2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{n\Δt}+{\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_2)+\sqrt{2}{I}_3\mathrm{Sin}(2\mathrm{\π}3f_0\mathrm{n\Δt}+{\mathrm{\θ}}_3)+\sqrt{2}{I}_5\mathrm{Sin}(2\mathrm{\π}5f_0\mathrm{n\Δt}+{\mathrm{\θ}}_5);$

通过上述表达式分别求出基波和三五次谐波的分量电流I、I₃、I₅，及相应采样初相位θ₂、θ₃、θ₅；先不考虑三五次谐波下，即和真实通过氧化锌避雷器中的全电流相比较，得知在能够满足θ₁＝θ₂情况下根据离散采样FFT变换后求得θ₁，根据I_R＝Icos(θ₁)，即可求出基波下的阻性电流，同样方法分别求出三五次谐波下的阻性电流，总的阻性电流即为各次谐波向量和的平均值。

根据氧化锌避雷器的工作特性测试，在小电流段主要呈线性段，为了达到满足θ₁＝θ₂，本文采用初次进行校准方法实现θ₁＝θ₂；因为θ₁、θ₂实际角度范围都在(-π-+π)之间，通过控制硬件电路配合控制器，调整对全电流离散采样起始采样位置的控制即可实现θ₁＝θ₂，在长期运行中即可保证小电流段测量的准确性，对于大电流非线性段，采样的信号中三五次谐波明显有加剧现象，因该算法是工作各个谐波下的平均值来计算总的阻性电流，所以依然能够满足准确测量要求，即通过测试此方法能够满足对阻性电流的监测任务；

如图3所示，本发明硬件电路设计如下：电路由精密AGC运放、1KHz低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器构成：

精密AGC运放：完成对输入信号的放大作用，通过AGC自动增益控制电路使其输入信号被放大到一个合适的幅度范围内，为后期处理准备。

低通滤波器：实现对输入信号频率在1KHz以上起到滤波作用，减小有效信号中的噪声扰动引起测量误差，对于输入信号幅度特别微弱情况下，信号中带有大量的干扰信息，此类信息同时被放大，如若不加处理会造成后端的精密过零比较无法准确判断有效信号的过零点从而引起误差。

精密过零比较器：实现对输入信号过零点的判断工作，实现后端对输入信号的频率判断，从而为后端的同步采样做准备。

延时触发器：当精密过零比较器检测到正向信号过零点，即输出一个上升沿信号，延时触发器根据该上升沿信号延时一个设定值后触发ADC触发采集单元。

ADC触发采集单元：该单元正常情况下不工作，当延时触发器给ADC触发采集单元一个信号时，ADC触发采集单元开始运行ADC采集工作。

采集初相角控制单元：此功能单元实现对算法中的离散采样基波初相角度调整任务，使其满足θ₁＝θ₂要求。

工作原理过程：全电流经过采样电阻Rs后，进入精密AGC运放，经过放大后的信号，通过低通滤波器，滤波处理后，一路送精密过零比较器，一路送ADC触发采集单元等待采集，精密过零比较器工作检测到正向过零点时输出一个上升沿触发信号，一路给延时触发器，一路给MCU控制器来实现对输入信号的频率实时监测，为实现同步测量要求，延时触发器根据设定延时值，延时一定时间达到后，触发ADC采集单元电路工作，ADC采集单元电路配合MCU控制器对输入信号的离散采集，完成采样点个数后，通过傅里叶变换方法按上述算法实现对采样信号的分析处理，求出全电流和阻性电流，在测量的阻性电流不准的情况下，说明电路对采样初相角与真实全电流与阻性电流夹角的跟踪不够准确，此时通过调整采样初相角控制单元电路，即可实现对角度的追踪满足θ₁＝θ₂，实现阻性电流的准确测量工作。

所述的能量收集装置，包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量。

所述的限伏整流单元设于避雷器泄露电流的串联电路中，包括低损耗电容C6、TVS管V1、NMOS管Q1、PMOS管Q2、NMOS管Q7及PMOS管Q8，所述的低损耗电容C6及TVS管V1并联且设于避雷器泄露电流的第一输入端J1和第二输入端J2之间，所述的NMOS管Q1的漏极与第一输入端J1、NMOS管Q7及PMOS管Q8的栅极相连接，NMOS管Q1的栅极与NMOS管Q7的漏极及PMOS管Q2的栅极相连接，NMOS管Q1的源极连于能量收集单元且与NMOS管Q7的源极相连；所述的NMOS管Q7的漏极接于第二输入端J2，其栅极还与PMOS管Q8的栅极相连接；所述PMOS管Q2的源极与PMOS管Q8的源极相连接，且接于能量收集单元，PMOS管Q2的栅极与NMOS管Q7及PMOS管Q8的漏极相连接。用于将交变电流整成直流电，以便对能量收集单元的电容储能单元充电。电路中TVS管V1、低损耗电容C6为了防止瞬间雷击脉冲对MOS管整流单元电路冲击造成损坏。

所述的能量收集单元包括3.3v限伏稳压管D1及储能器法拉电容C1，所述的3.3v限伏稳压管D1与储能器法拉电容C1并联接于PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极及NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极之间，其中，3.3v限伏稳压管D1的正极与NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极连接，3.3v限伏稳压管D1的负极与PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极连接。用于收集限伏整流单元传来的直流电，直接存储到储能器法拉电容C1中。3.3v限伏稳压管D1选用低功耗最低稳压静态电流小于5uA稳压管，减小充电损耗电流，限制充电电压在3.3V以内，由于3.3v限伏稳压管D1和MOS管为非线性器件，如果充电电压不做任何限制下，会随着电压增加，超过3.3V以上，非线性器件影响开始显现，造成回路电流非线性加剧，回路电流波形发生畸变，特别对于三、五次谐波的影响显著。

所述的低功耗比较器控制单元包括比较器U1、稳压器U2、NMOS开关管以及电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，所述的稳压器U2的第一输入端与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，第二输入端经电阻R5、电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极相接，稳压器U2的输出端经电阻R2与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，所述的比较器U1正向输入端+IN经电阻R1与3.3v限伏稳压管D1的负极连接，经电阻R4与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1反向输入端-IN经电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1的电源输入端V+与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的输出端Vout经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的电压参考基点GND与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，所述的NMOS开关管包括NMOS管Q9、NMOS管Q10，所述NMOS管Q9的漏极经电阻R7与比较器U1反向输入端-IN连接，经电阻R7、电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9、NMOS管Q10的源极均与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9的栅极与NMOS管Q10的栅极相连接且经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接。为了降低电路自身功耗，避免能量的浪费，电路中R1、R3、R4、R5、R6、R7电阻均选用兆欧以上阻值，同时比较器U1、稳压器U2选用超低功耗比较器和超低功耗稳压器，使能量收集过程中回路工作电流功耗在12uA以内。当储能器法拉电容C1端电压充到3.3V时，超低功耗比较器U1工作输出高电平，NMOS开关管开通，输出3.3V电压给低功耗DC隔离转换器单元，开始震荡工作将储能器法拉电容C1中的能量通过变压器方式转换到输出端。

所述的低功耗DC隔离转换器单元包括变压器T1、电容C3、C2、C4、二极管D2、D5、PMOS管Q11，所述变压器T1初级线圈中电感L1两端之间串接有电容C2和二极管D2，所述变压器T1初级线圈中电感L2的p8端经二极管D5接NMOS管Q10的漏极，所述变压器T1初级线圈中电感L2的p7端经电容C3连接PMOS管Q11的栅极，PMOS管Q11的源极接NMOS管Q10的漏极，电感L2的p7端经电容C3、电阻R8接NMOS管Q10的漏极，变压器T1次级线圈中电感L3两端之间串接有电容C4。低功耗DC隔离转换器单元，为非传统的复杂DC-DC开关电源模块，采用多绕制一组线圈电感L和电容C3电阻R8、MOS管Q11、二极管D5，根据输入电压幅度构成自动振荡器，而非传统功耗大的振荡器，大大降低DC开关电源静态工作电流,功耗≤10uA，和电路的复杂度，将储能器法拉电容C1中的能量，通过开关电源方式转换到输出端。

所述整流稳压滤波输出单元包括由NMOS管Q3、NMOS管Q4、PMOS管Q5及PMOS管Q6组成的二极管桥式整流电路及与其连接的稳压滤波输出电路。这里的整流电路采用非传统的二极管桥式整流电路，解决低输入电流下，二极管存在高达0.7V压降，由于二极管的为非线性器件，同样对回路电流造成非线性影响。

当回路中有电流流过时，PMOS管Q2、NMOS管Q7与NMOS管Q1、PMOS管Q8交替导通，转换为直流，经过3.3v限伏稳压管D1限伏稳压对储能器法拉电容C1充电，稳压管U2工作输出一个2.0V参考电压，经过电阻R5、R6分压1.0V给比较器U1反向输入端-IN，储能器法拉电容C1端电压充电到3.3V时候，经过电阻R1、R4分压输入比较器U1的正向输入端+IN电压大于反向输入端参考电压，比较器U1输入高电平，MOS管Q9、Q10导通，电阻R7和R6并联后分压降低输入比较器U1的反向输入电压，保持比较器U1在储能器法拉电容C1端电压降低到1.6V时前都能够稳定输出高电平，保持NMOS管Q9、Q10组成的NMOS开关管持续导通；NMOS管Q10导通后端隔离DC电源工作，电容C3、电阻R8和变压器T1(p7-p8)组合震荡，转换到输出端口，经过NMOS管Q3、PMOS管Q6和NMOS管Q4、PMOS管Q5交替工作变换为脉动直流电，经过二极管D3，D4稳压输出一个稳定直流电压。

能量收集装置解决了目前现有的开关电源都是以电压形式且静态功耗都在至少几mA以上，无法应用到回路电流仅在几十uA低电流交流电流源回路电路中的问题。

Claims (9)

1.一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：包括能量收集装置及基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置，所述的能量收集装置包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量；所述的基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置利用能量收集装置收集的能量功能，包括精密AGC运放、低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器，所述的精密AGC运放、低通滤波器、ADC触发采样单元及MCU控制器依次连接，精密AGC运放还与MCU控制器相连，所述的精密过零比较器连接低通滤波器、ADC触发采样单元、延时触发器及MCU控制器，所述的延时触发器还连接有ADC触发采样单元及MCU控制器，所述的采样初相角控制单元与MCU控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：所述的精密AGC运放用于放大输入信号，所述的低通滤波器用于实现对在1KHz以上的经过精密AGC运放的输入信号起到滤波作用，经滤波处理后，一路送精密过零比较器，一路送ADC触发采集单元等待采集，所述的精密过零比较器用于当其检测到正向信号过零点，即输出一个上升沿信号，一路给延时触发器，一路给MCU控制器来实现对输入信号的频率实时监测，所述的延时触发器用于根据精密过零比较器输出的上升沿信号延时一个设定值后触发ADC触发采集单元，所述的ADC触发采集单元正常情况下不工作，当延时触发器给ADC触发采集单元一个信号时，ADC触发采集单元开始运行ADC采集工作，所述的ADC采集触发单元电路配合MCU控制器对输入信号的离散采集，完成采样点个数后，通过基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量方法实现对采样信号的分析处理，求出全电流和阻性电流。

3.根据权利要求1所述的一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：所述的采样初相角控制单元用于在测量的阻性电流不准确的情况下，通过MUC控制器调整延时触发器设定的延时值实现对算法中的离散采样基波初相角度的调整。

4.根据权利要求1所述的一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：所述的能量收集装置包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量。

5.根据权利要求4所述的一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：所述的限伏整流单元设于避雷器泄露电流的串联电路中，包括低损耗电容C6、TVS管V1、NMOS管Q1、PMOS管Q2、NMOS管Q7及PMOS管Q8，所述的低损耗电容C6及TVS管V1并联且设于避雷器泄露电流的第一输入端(J1)和第二输入端(J2)之间，所述的NMOS管Q1的漏极与第一输入端(J1)、NMOS管Q7及PMOS管Q8的栅极相连接，NMOS管Q1的栅极与NMOS管Q7的漏极及PMOS管Q2的栅极相连接，NMOS管Q1的源极连于能量收集单元且与NMOS管Q7的源极相连；所述的NMOS管Q7的漏极接于第二输入端(J2)，其栅极还与PMOS管Q8的栅极相连接；所述PMOS管Q2的源极与PMOS管Q8的源极相连接，且接于能量收集单元，PMOS管Q2的栅极与NMOS管Q7及PMOS管Q8的漏极相连接。

6.根据权利要求5所述的一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：所述的能量收集单元包括3.3v限伏稳压管D1及储能法拉电容C1，所述的3.3v限伏稳压管D1与储能法拉电容C1并联接于PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极及NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极之间，其中，3.3v限伏稳压管D1的正极与NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极连接，3.3v限伏稳压管D1的负极与PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极连接。

7.根据权利要求6所述的一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：所述的低功耗比较器控制单元包括比较器U1、稳压器U2、NMOS开关管以及电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，所述的稳压器U2的第一输入端与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，第二输入端经电阻R5、电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极相接，稳压器U2的输出端经电阻R2与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，所述的比较器U1正向输入端+IN经电阻R1与3.3v限伏稳压管D1的负极连接，经电阻R4与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1反向输入端-IN经电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1的电源输入端V+与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的输出端Vout经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的电压参考基点GND与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，所述的NMOS开关管包括NMOS管Q9、NMOS管Q10，所述NMOS管Q9的漏极经电阻R7与比较器U1反向输入端-IN连接，经电阻R7、电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9、NMOS管Q10的源极均与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9的栅极与NMOS管Q10的栅极相连接且经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接。

8.根据权利要求7所述的一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：所述的低功耗DC隔离转换器单元包括变压器T1、电容C3、C2、C4、二极管D2、D5、PMOS管Q11，所述变压器T1初级线圈中电感L1两端之间串接有电容C2和二极管D2，所述变压器T1初级线圈中电感L2的p8端经二极管D5接NMOS管Q10的漏极，所述变压器T1初级线圈中电感L2的p7端经电容C3连接PMOS管Q11的栅极，PMOS管Q11的源极接NMOS管Q10的漏极，电感L2的p7端经电容C3、电阻R8接NMOS管Q10的漏极，变压器T1次级线圈中电感L3两端之间串接有电容C4。

9.根据权利要求8所述的一种利用电路能量基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，其特征在于：所述整流稳压滤波输出单元包括由NMOS管Q3、NMOS管Q4、PMOS管Q5及PMOS管Q6组成的二极管桥式整流电路及与其连接的稳压滤波输出电路。