CN106093510B - 一种互感线圈次级侧信号调理方法 - Google Patents

一种互感线圈次级侧信号调理方法 Download PDF

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Abstract

一种互感线圈次级侧信号调理方法，属于电子式电流互感器信号处理领域。该装置包括第一信号调理模块、第二信号调理模块、信号综合调理模块和供电模块；该方法中第一信号调理模块输入端接收互感线圈次级侧信号U d 输出信号U d1；第二信号调理模块输入端接收互感线圈次级侧信号U d 输出信号U d2；信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2，综合调理后输出调理信号U t ；该装置实现了电网互感信号的测量和保护用信号的不同精度要求，降低了互感线圈次级侧后续电路在信号采样精度和电路稳定性方面的设计难度；该方法实现了对电网互感信号的测量用信号进行合理放大、保护用信号进行压缩且反相的处理要求。

Description

一种互感线圈次级侧信号调理方法
技术领域
一种互感线圈次级侧信号调理方法，属于电子式电流互感器信号处理领域。
背景技术
电子式电流互感器分为以下两类：测量用电子式电流互感器和保护用电子式电流互感器。测量用电子式电流互感器的测量动态范围为额定一次电流的5%~120%，在额定一次电流附近精度要求最高；保护用电子式电流互感器的测量动态范围为额定一次电流的1~20倍（或更高），在额定一次电流附近精度要求最高。目前，传统的测量和保护方案是用两个互感线圈分别供测量和保护之用。但随着材料技术、数字技术、电子技术的发展，以同一互感线圈取出同时满足测量和保护精度要求的信号已经成为现实，但由于电网互感信号存在测量和保护用信号的不同精度要求，这就使电子式电流互感器互感线圈次级侧的后续电路设计难度加大。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：
以现有的数字、电子技术而言，基于同一互感线圈使用直接线性调理方法的电子式电流互感器很难同时满足电网互感信号对于测量和保护用信号的不同精度要求，因而增加了电子式电流互感器互感线圈次级侧后续电路在采样精度、电路稳定性方面的设计难度。
经分析发现，出现上述问题的原因是主要是：
由于现有技术中电子式电流互感器互感线圈初级侧的电流长期处于电网正常运行的额定值附近，只在短路故障等较短时间内超出电网运行额定最大值；但现有技术对电网运行的宽动态范围信号采用直接线性调理的处理方法均以电网的安全性为优先考虑的设计要素，在对电网运行电流信号进行线性放大或缩小使其动态范围适应后续电路的要求也都必须以保护用信号作为优先设计要素；测量动态范围为额定一次电流20倍的线性关系的电网信号，在其通过现有技术进行直接线性调理后，后续电路将长期工作在其最大动态范围的1/20附近，而测量用信号的动态范围为额定一次电流的5%~120%，两者精度要求差距太大，显然这就使得电子式电流互感器互感线圈次级侧的后续电路在测量用信号的采样精度设计和后续整个电路稳定性设计方面的难度加大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种对电网互感信号的测量用信号进行合理放大、保护用信号进行压缩且反相、满足电网互感信号对于测量和保护用信号不同精度要求、降低互感线圈次级侧后续电路采样精度和电路稳定性设计难度的互感线圈次级侧信号调理方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一方面，提供了一种互感线圈次级侧信号调理装置，包括第一信号调理模块、第二信号调理模块、信号综合调理模块和供电模块；第一信号调理模块和第二信号调理模块分别与信号综合调理模块相连，第一信号调理模块和第二信号调理模块同时接收互感线圈次级侧信号，信号综合调理模块接收第一信号调理模块和第二信号调理模块的输出信号，综合调理后输出满足测量和保护用精度要求的信号，供电模块给第一信号调理模块、第二信号调理模块和信号综合调理模块供电。
优选的，所述信号综合调理模块为减法电路，其减数端连接第一信号调理模块输出端，其被减数端连接第二信号调理模块输出端。
优选的，所述第一信号调理模块和第二信号调理模块均为比例运算放大电路，第一信号调理模块和第二信号调理模块的输入端同时接收互感线圈次级侧信号。
优选的，所述供电模块为稳压芯片78L05、LM2930T-5.0、79L05、LM2990T-5.0、LM1117-3.3、Mic5207、XC6206-33、7812、78L12、7912和79L12中的任一种。
优选的，减法电路和比例运算放大电路均采用轨到轨输入输出型运算放大器AD8027、OP184、AD8601和AD8605中的任一种。
另一方面，提供了一种互感线圈次级侧信号调理装置的信号调理方法，包括以下步骤：
第一信号调理模块输入端接收互感线圈次级侧信号U d ，其输出端输出信号U d1；
第二信号调理模块输入端接收互感线圈次级侧信号U d ，其输出端输出信号U d2；
信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2，综合调理后输出调理信号U t 。
优选的，所述输出信号U d1=K 1·U d ，输出信号U d2=K 1·K 2·U d ，调理信号U t =U d2-U d1，其中：K 1为供电模块供电电压幅值U gm 与互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm 的比值，即K 1=U gm /U dm ；K 2为互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm 与互感线圈次级侧信号U d 测量用信号临界值U em 的比值，即K 2=U dm /U em 。
与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：
1、当电网互感信号工作在其测量要求范围内时，通过互感线圈次级侧信号调理方法可以确保电网互感信号在其测量用范围内的信号得到有效放大，使得互感线圈次级侧后续电路采样精度的设计难度降低；当电网互感信号工作在其保护要求范围内时，通过互感线圈次级侧信号调理方法可以将波动幅度较大的电网互感信号进行压缩且反相，便于互感线圈次级侧后续电路的稳定性设计；该信号调理方法稳定可靠，使得互感线圈次级侧后续电路在电路采样精度、稳定性方面的设计难度降低，能够满足电网互感信号对于测量和保护用信号的不同精度处理要求。
2、经互感线圈次级侧信号调理装置调理后的信号U t 包含原互感线圈次级侧信号U d 的全部波形信息，通过检测信号U d 变化率的正负突变即可区分测量用信号临界值以内和以外的信号（保护用信号），且该信号还易被还原为原始互感线圈次级侧信号U d 。
3、实现上述调理方法的互感线圈次级侧信号调理装置结构简单，能够同时满足电网互感信号对于测量和保护用信号的不同精度要求；并使得互感线圈次级侧后续电路在精度和电路稳定性方面的设计难度大幅度降低，后续电路系统也更加稳定。
附图说明
图1 互感线圈次级侧信号调理装置结构框图。
图2 信号调理方法流程框图。
具体实施方式
图1~2为本发明一种互感线圈次级侧信号调理方法的最佳实施例，下面结合附图1~2对本发明一种互感线圈次级侧信号调理方法的具体实施例作进一步详细说明。
参照图1：
图1是一种互感线圈次级侧信号调理装置结构框图，包括第一信号调理模块、第二信号调理模块、信号综合调理模块和供电模块；第一信号调理模块和第二信号调理模块分别与信号综合调理模块相连，第一信号调理模和第二信号调理模块均采用基于运算放大器和精密电阻构成的反相比例运算放大电路，其输入端都同时接收互感线圈次级侧信号，信号综合调理模块采用基于运算放大器和精密电阻构成的减法电路，其减数端连接第一信号调理模块输出端，其被减数端连接第二信号调理模块输出端；信号综合调理模块接收第一信号调理模块和第二信号调理模块的输出信号，综合调理后输出满足测量和保护用的不同精度要求的信号，供电模块给第一信号调理模块、第二信号调理模块和信号综合调理模块供电，供电模块的供电方式是基于稳压芯片结构电路的供电方式，具备单正电源和正负双电源两种供电模式，供电电压有±5V、±3.3V、±12V，常用的芯片有78L05、LM2930T-5.0、79L05、LM2990T-5.0、LM1117-3.3、Mic5207、XC6206-33、7812、78L12、7912和79L12。
第一信号调理模块、第二信号调理模块、信号综合调理模块均为基于运算放大器的电路，均采用轨到轨输入输出型运算放大器AD8027、OP184、AD8601和AD8605中的任一种；第一信号调理模块、第二信号调理模块、信号综合调理模块均包括精密电阻，一般采用精度为0.05%以内的高精度电阻。
参照图2：
图2是一种信号调理方法流程框图，包括以下步骤：
步骤S201，第一信号调理模块输入端接收互感线圈次级侧信号U d ；
步骤S202，第一信号调理模块输出端输出信号U d1=K 1·U d ；
步骤S203，第二信号调理模块输入端接收互感线圈次级侧信号U d ；
步骤S204，第二信号调理模块输出端输出信号U d2= K 1·K 2·U d ；
步骤S205，信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2，综合调理后输出调理信号U t =U d2-U d1。
其中，K 1为供电模块供电电压幅值U gm 与互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm 的比值，即K 1=U gm /U dm ；K 2为互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm 与互感线圈次级侧信号U d 测量用信号临界值U em 的比值，即K 2=U dm /U em 。
实施例1：供电模块供电电压幅值为±5V，基于正负双电源供电的双极性信号调理：
此实施例互感线圈次级侧信号保护用信号临界值为±5V，供电模块供电电压幅值为±5V，互感线圈次级侧信号测量用信号临界值为±0.5V，输出信号为双极性信号。
对于正极性信号来说，测量用信号临界值为0.5V，保护用信号范围临界值为5V，供电模块供电电压幅值U gm =5V，其调理过程为：
互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm =5V，互感线圈次级侧信号U d 测量用信号临界值U em =0.5V，K 1=U gm /U dm =5V/5V=1，K 2=U dm /U em =5V/0.5V=10；
A、当待处理正极性信号U d 在其测量用信号临界值范围以内工作时：
经第一信号调理模块调理后的输出信号U d1=K 1·U d =U d ；
经第二信号调理模块调理后的输出信号U d2=K 1·K 2·U d =10U d ；
信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2输出调理信号U t =U d2-U d1 =10U d -U d =9U d ；
B、当待处理正极性信号U d 在其测量用信号临界值以外、其保护用信号临界值范围以内工作时：
经第一信号调理模块调理后的输出信号U d1=K 1·U d =U d ；
经第二信号调理模块调理后的输出饱和信号U d2=U gm =5V；
信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2，综合调理后输出调理信号U t =U d2-U d1 =5V-U d 。
上述即待处理正极性信号的调理过程（即0~0.5V和0.5V~5V的信号调理），同样的情况适用于负极性信号的调理（即-0.5V~0和-0.5V~-5V的信号调理），只是极性相反。
该实施例对-0.5V~0.5V以内的测量用信号增益放大9倍，对-0.5V~0.5V以外的保护用信号则增益为-1；一种情况是测量用长期工作信号为0.2V~0.5V且精度要求1%，则经调理后长期工作信号变为1.8V~4.5V而精度要求不变，降低了后续电路对采样精度的设计难度；同时，其将0.5V~5V和-5V~-0.5V内的保护用信号进行压缩且反相，有利于后续电路的稳定性设计。
实施:2：一种基于单正电源的输出单极性信号的调理：
此实施例互感线圈次级侧信号保护用信号临界值为±5V，供电模块供电电压幅值为3.3V，互感线圈次级侧信号测量用信号临界值为±0.25V，输出信号为单极性信号。
双极性信号经过单正电源全波整流电路变为正极性信号；此时，供电模块供电电压幅值U gm =3.3V，互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm =5V，互感线圈次级侧信号U d 测量用信号临界值U em =0.25V，K 1=U gm /U dm =3.3V/5V=0.66，K 2=U dm /U em =5V/0.25V=20；
A、当待处理正极性信号U d 在其测量用信号临界值范围以内工作时：
经第一信号调理模块调理后的输出信号U d1=K 1·U d =0.66U d ；
经第二信号调理模块调理后的输出信号U d2=K 1·K 2·U d =13.2U d ；
信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2输出调理信号U t =U d2-U d1 =13.2U d -0.66U d =12.54U d 。
B、当待处理正极性信号U d 在其测量用信号临界值以外、其保护用信号临界值范围以内工作时：
经第一信号调理模块调理后的输出信号U d1=K 1·U d =0.66U d ；
经第二信号调理模块调理后的输出饱和信号U d2=U gm =3.3V；
信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2输出调理信号U t =U d2-U d1 =3.3V-0.66U d ，即待处理正极性信号的0.66倍反相加在3.3V上；上述即互感线圈次级侧信号-0.25V~0.25V、0.25V~5V、-5V~-0.25V的信号调理为单极性信号的过程。
该实施例对-0.25V~0.25V范围内的测量用信号增益放大12.54倍，对-0.25V~0.25V以外的信号则增益为-0.66；一种情况是测量用长期工作信号为0.1V~0.3V且精度要求1%以内的工况，则经调理后长期工作信号变为1.034V~3.102V而精度要求不变，显然后续电路的采样芯片选型对于精度的要求难度降低；而将0.25V~5V、-5V~-0.25V的保护用信号进行压缩且反相更有利于后续电路的稳健性设计。
实施:3：供电模块供电电压幅值为±12V，基于正负双电源的双极性信号调理：
此实施例互感线圈次级侧信号保护用信号临界值为±5V，供电模块供电电压幅值为±12V，互感线圈次级侧信号测量用信号临界值为±0.25V，输出信号为双极性信号。
对于负极性信号来说，测量用信号临界值为-0.25V，保护用信号范围临界值为-5V，供电模块供电电压幅值U gm =-12V，其调理过程为：
互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm =-5V，互感线圈次级侧信号U d 测量用信号临界值U em =-0.25V，K 1=U gm /U dm =-12V/-5V=2.4，K 2=U dm /U em =-5V/-0.25V=20；
A、当待处理负极性信号U d 在其测量用信号临界值范围以内工作时：
经第一信号调理模块调理后的输出信号U d1=K 1·U d =2.4U d ；
经第二信号调理模块调理后的输出信号U d2=K 1·K 2·U d =48U d ；
信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2输出调理信号U t =U d2-U d1 =48U d -2.4U d =45.6U d ；
B、当待处理负极性信号U d 在其测量用信号临界值以外、其保护用信号临界值范围以内工作时：
经第一信号调理模块调理后的输出信号U d1=K 1·U d =2.4U d ；
经第二信号调理模块调理后的输出饱和信号U d2=U gm =-12V；
信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2，综合调理后输出调理信号U t =U d2-U d1 =-12V-2.4U d 。
上述即待处理负极性信号的调理过程（即-0.5V~0和-0.5V~-5V的信号调理），同样的情况适用于正极性信号的调理（即0~0.5V和0.5V~5V的信号调理），只是极性相反。
该实施例对-0.25V~0.25V以内的测量用信号增益放大45.6倍，对-0.25V~0.25V以外的保护用信号则增益为-2.4；一种情况是测量用长期工作信号为0.05V~0.25V且精度要求1%，则经调理后长期工作信号变为2.28V~11.4V而精度要求不变，而0.25V~5V、-5V~-0.25V内的保护用信号则进行了压缩且反相，有利于降低互感线圈次级侧后续电路在采样精度和电路稳定性方面的设计难度。
上述各实施例中的信号调理方式，其优点是：
经综合调理模块调理后的信号U t 包含原互感线圈次级侧信号U d 的全部波形信息，通过检测信号U d 变化率的正负突变即可区分测量用信号临界值以内和以外的信号（保护用信号），且该信号还易被还原为原始互感线圈次级侧信号U d ，使得互感线圈次级侧后续电路在精度和电路稳定性方面的设计难度大幅度降低，后续电路系统也更加稳定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种互感线圈次级侧信号调理方法，其特征在于：包括信号调理系统，信号调理系统包括第一信号调理模块、第二信号调理模块、信号综合调理模块和供电模块；第一信号调理模块和第二信号调理模块分别与信号综合调理模块相连，第一信号调理模块和第二信号调理模块同时接收互感线圈次级侧信号，信号综合调理模块接收第一信号调理模块和第二信号调理模块的输出信号，综合调理后输出满足测量和保护用精度要求的信号，供电模块给第一信号调理模块、第二信号调理模块和信号综合调理模块供电；
还包括以下步骤：
第一信号调理模块输入端接收互感线圈次级侧信号U d ，其输出端输出信号U d1；
第二信号调理模块输入端接收互感线圈次级侧信号U d ，其输出端输出信号U d2；
信号综合调理模块接收第一信号调理模块的输入信号U d1和第二信号调理模块的输入信号U d2，综合调理后输出调理信号U t ；
所述输出信号U d1=K 1·U d ，输出信号U d2=K 1·K 2·U d ，调理信号U t =U d2-U d1，其中：K 1为供电模块供电电压幅值U gm 与互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm 的比值，即K 1=U gm /U dm ；K 2为互感线圈次级侧信号U d 保护用信号临界值U dm 与互感线圈次级侧信号U d 测量用信号临界值U em 的比值，即K 2=U dm /U em 。
2.根据权利要求1所述的互感线圈次级侧信号调理方法，其特征在于：所述信号综合调理模块为减法电路，其减数端连接第一信号调理模块输出端，其被减数端连接第二信号调理模块输出端。
3.根据权利要求1所述的互感线圈次级侧信号调理方法，其特征在于：所述第一信号调理模块和第二信号调理模块均为比例运算放大电路，第一信号调理模块和第二信号调理模块的输入端同时接收互感线圈次级侧信号。
4.根据权利要求1所述的互感线圈次级侧信号调理方法，其特征在于：所述供电模块为稳压芯片78L05、LM2930T-5.0、79L05、LM2990T-5.0、LM1117-3.3、Mic5207、XC6206-33、7812、78L12、7912和79L12中的任一种。
5.根据权利要求2或3所述的互感线圈次级侧信号调理方法，其特征在于：减法电路和比例运算放大电路均采用轨到轨输入输出型运算放大器AD8027、OP184、AD8601和AD8605中的任一种。
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