CN107677873B - 一种输电线路电流检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流检测装置,包括依次连接的信号采集模块、交直流选择模块、电压跟随器、放大滤波器、交直流转换电路和单片机,放大滤波器输出端还直接与单片机连接,单片机中包含A/D转换模块和捕捉模块;其中,所述信号采集模块,包括电流互感器和测磁设备,电流互感器还连接电流电压转换电路;所述交直流选择模块,用于判断接收的信号是工频交流信号、高频交流信号还是直流信号,根据判断结果控制信号是否经过直交流转换电路;所述A/D转换模块用于计算得到电流值,捕捉模块用于计算相位差。采用本发明的技术方案能够实现在不接触输电线路的情况下进行多种类型电流的检测。

Description

一种输电线路电流检测装置
技术领域
本发明涉及一种电能测试领域,尤其涉及一种基于磁场的线路电流检测装置。
背景技术
随着电力工业的发展,大规模的直流或交流输电线路已经被建立,为了保证输电线路的稳定工作,通常在输电线路中加入很多状态检测系统,其中,由于电流信号是保证电路稳定和可靠工作的前提,检测输电线路中的电流数据则尤为重要,但由于输电线路中存在高电压大电流,出于安全性和工作效率的考虑,供电单位并不希望在导线上直接加装各种监测装置,并且,检测直流或者交流信号时频繁更换设备降低了工作效率。因此,目前本领域技术人员迫切解决的技术问题是如何在不接触输电线路的情况下实现多种电流的检测。
发明内容
为了解决上述问题,为解决现有技术存在的不足,本发明提供了一种线路电流检测装置,利用输电线路周围磁感应强度与输电线路电流成正比的关系,检测输电线路周围的磁感应强度,进而计算出输电线路电流值,实现输电线路电流值的非接触式测量,并且将检测直流和交流信号的不同装置集成在同一检测设备里,实现多种电流的检测。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种输电线路电流检测装置,包括:依次连接的信号采集模块、交直流选择模块、电压跟随器、放大滤波器、交直流转换电路和单片机,放大滤波器输出端还直接与单片机连接,单片机中包含A/D转换模块;其中,
所述信号采集模块,包括电流互感器和测磁设备,分别用于感测交流信号和直流信号,其中,电流互感器还连接电流电压转换电路,用于将交流电流信号转换为电压信号;
所述交直流选择模块,用于判断接收的信号是工频交流信号、高频交流信号还是直流信号,根据判断结果控制信号是否经过交直流转换电路;
所述A/D转换模块,用于将电压信号转换为数值,然后计算得到电流值。
进一步地,交直流选择模块的输出端还依次连接电压跟随器和放大滤波器。
进一步地,所述单片机还包括捕捉模块,所述捕捉模块连接电流互感器的输入端和放大滤波器的输出端,基于捕捉获取的信号计算相位差。
进一步地,所述直交流转换模块为包络线检波电路。
进一步地,根据交直流选择模块的判断结果,A/D转换模块对转换后的数值进行如下处理:
1)首先进行M次测量,将第N次至第N+4次测量的5个数据取平均,作为滤波后的第N次测量数据;
2)去掉最开始m个数据以及最后m个数据;剩余M-2m个数据按大小排序,用n个最大数据的平均值减去n个最小数据的平均值,其结果即为测量磁场数据的峰值;或
1)首先进行m次测量;去掉最开始n个数据以及最后n个数据;
2)剩余m-2n个数据按大小排序,并去掉n个最大值和n个最小值,剩余m-4n个数据取平均。
根据本发明的另一方面,本发明还提供了一种交流电流检测装置,包括:依次相连的电流互感器、电流电压转换模块、直交流转换模块和单片机,所述单片机中包含A/D转换模块;其中,所述A/D转换模块,用于将电压信号转换为数值,然后计算得到电流值;当检测到的电流是工频交流电流时,信号不经过直交流转换模块。
进一步地,电流电压转换模块的输出端还依次连接电压跟随器和放大滤波器。
进一步地,所述电流电压转换模块和电压跟随器之间设有选择模块,用于判断经过的信号是工频交流信号还是高频交流信号。
进一步地,所述单片机还包括捕捉模块,所述捕捉模块连接电流互感器的输入端和放大滤波器的输出端,基于捕捉获取的信号计算相位差。
根据本发明的另一方面,本发明还提供了一种直流电流检测装置,包括:依次相连的测磁设备、电压跟随器、放大滤波器和单片机,所述单片机中包含A/D转换模块;其中,所述A/D转换模块,用于将电压信号转换为数值,然后计算得到电流值。
本发明的有益效果:
1、本发明基于电线路周围磁感应强度与输电线路电流成正比的原理,检测输电线路周围的磁感应强度,能够在距离输电线路一定距离位置检测输电线路中的电流,提高输电线路的工作效率。
2、本发明的电流检测装置适用于范围广,能够检测直流输电线路和交流输电线路。
3、本发明的装置中兼有感测直流和交流信号的两种感测器,能够感测低频交流电流、高频交流电流和直流电流信号,并且设置有选择模块,能够根据感测到的信号类型自动选择合适的信号传输路径和电流计算方法。
4、本发明的电流检测装置能够检测交流电流的相位以及频率,反映交流电流的全部参数指标。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为电流检测装置示意图;
图2电流检测装置硬件结构图;
图3相位检测电路(捕捉模块)硬件结构图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
一种电流检测装置,包括:依次连接的信号采集模块、交直流选择模块、电压跟随器、放大滤波器、交直流转换电路和单片机,放大滤波器还直接与单片机连接,单片机中包含A/D转换模块和捕捉模块。
(1)所述信号采集模块,包括电流互感器和测磁设备,分别用于感测交流信号和直流信号,其中,电流互感器还连接电流电压转换电路,用于将交流电流信号转换为电压信号;电流电压转换电路和测磁设备均连接至交直流选择模块。
其中,所述环形电流互感器包括磁场传感模块,用于感测电流信号。
所述电流电压转换模块,用于将电流信号转换为电压信号,以及计算电流与电压的转换关系。
(2)所述交直流选择模块,用于判断接收的信号是工频交流信号、高频交流信号还是直流信号,根据判断结果控制信号是否经过交直流转换电路。
①判断结果是工频交流信号时,信号经交直流选择模块后进入电压跟随器、放大滤波器,然后直接进入单片机;
②判断结果是高频交流信号时,信号经交直流选择模块后进入电压跟随器、放大滤波器、交直流转换电路,最后进入单片机;
③判断结果是直流信号时,信号经交直流选择模块后进入电压跟随器、放大滤波器,最后进入单片机。
(3)电压跟随器,用于保持电压信号的稳定性。
当进行测量时,由于被测物体的不同、互感器的差异,以及后端电路的影响,送入电流检测电路的信号会由于驱动能力的限制有所变化,为了消除这种影响,在电路的第一级加入了电压跟随器,用于提高驱动能力,保持电流信号的稳定性。
(4)放大滤波器,用于增强电压信号以及滤除高频信号。
由于电流互感器感测到的信号很微弱,并且有大量高频信号的干扰,需要对该信号放大并且进行滤波,因此加入滤波放大电路。根据计算,该电路的主要技术指标如下:
滤波的中心频率
通频带宽度
上限频率
下限频率
(5)交直流转换电路,用于将交流信号转换为直流信号。
所述交直流转换模块为包络线检波电路,本实施例采用包络线检波电路首先将正弦交流信号转化为直流半波信号,然后利用电容E24将脉动的直流半波信号转换为标准直流信号。
(6)所述单片机包含A/D转换模块和捕捉模块:
所述单片机为MSP430,其中的A/D转换模块为ADC12,ADC12模块具有较高的AD转换速度以及12位的转换精度,具有8个模拟输入通道并且具有内部AD转换基准电源。在本设计中,由模拟通道A7输入,采用内部基准电压2.5V,通过AD转换,实现电流大小的测量。
其中,所述A/D转换模块,用于将电压信号转换为数值,然后计算得到电流值。
①当所述交直流选择模块的判断结果是交流信号时:
A/D检测交流磁场数据中,信号为50Hz时,单周期采样次数为150次,输入信号的单周期可采样次数范围为15次~300次,对应的频率范围为25Hz~500Hz,外界因素的干扰将引起一定的测量误差,为了减小测量误差,采用如下方法实现数据滤波:
1)首先进行600次测量,测量波形。
2)将第N次至第N+4次测量的5个数据取平均,作为滤波后的第N次测量数据,滤波后波形。
2)由于开始测量时以及测量结束时的不稳定性,去掉最开始10个数据以及最后10个数据;
3)剩余580个数据按大小排序,用10个最大数据的平均值减去10个最小数据的平均值值,其结果即为测量磁场数据的峰峰值。
②当所述交直流选择模块的判断结果是直流信号时:
该A/D转换模块将电压信号转换为数值后,为了减小误差,采用多次测量去掉若干最大值以及若干最小值,剩余数据取平均值的算法,具体方案如下:
1)首先进行m次测量;
2)由于开始测量时以及测量结束时的不稳定性,去掉最开始n个数据以及最后n个数据;
3)剩余m-2n个数据按大小排序,并去掉n个最大值和n个最小值;
4)剩余m-4n个数据取平均。本实施例中,m取600,n取10。
所述捕捉模块连接电流互感器的输入端和放大滤波器的输出端,基于捕捉获取的信号计算相位差。
电压产生电路的输出信号与电流检测电路的输入信号之间的相位差,即是所需测量的值,但由于回测的电流信号非常微弱,杂波较多,因此需要在滤波电路之后获取该电流信号。两路正弦信号的上升沿时间较长,若直接比较其相位,会有较大误差,在该设计中,加入了过零比较器,用于减小信号的上升沿时间,根据实际测试,由OP07所构成的过零比较器,其上升沿时间可控制在2μs之内。处理后的信号分别送入MSP430的TA1和TA2引脚,利用定时器的捕捉功能计算两个上升沿到来的时间差,再经过数据处理,得出电压和电流的相位差
实施例二
根据实施例一的电流检测装置,本实施例提供了一种工频交流电流(50Hz)检测装置,包括:依次相连的电流互感器、电流电压转换模块、电压跟随器、放大滤波器、和单片机,单片机中包含A/D转换模块和捕捉模块,所述捕捉模块连接信号电流互感器的输入端和放大滤波器的输出端。
(1)所述环形电流互感器为环形电流互感器,包括磁场传感模块,用于感测电流信号;
(2)所述电流电压转换模块,用于将电流信号转换为电压信号,以及计算电流与电压的转换关系;
(3)所述电压跟随器,用于保持电压信号的稳定性;
(4)所述放大滤波器,用于增强电压信号以及滤除高频信号;
(5)所述单片机中包含A/D转换模块:
其中,所述A/D转换模块,用于将电压信号转换为数值,根据电流电压转换模块获取的转换关系计算得到电流值;
A/D检测交流磁场数据中,信号为50Hz时,单周期采样次数为150次,输入信号的单周期可采样次数范围为15次~300次,对应的频率范围为25Hz~500Hz。同样外界因素的干扰将引起一定的测量误差,为了减小测量误差,也采用特定的算法实现滤波,具体方案如下:
1)首先进行600次测量。
2)将第N次至第N+4次测量的5个数据取平均,作为滤波后的第N次测量数据。
2)由于开始测量时以及测量结束时的不稳定性,去掉最开始10个数据以及最后10个数据。
3)剩余580个数据按大小排序,用10个最大数据的平均值减去10个最小数据的平均值值,其结果即为测量磁场数据的峰峰值。
所述捕捉模块基于由信号采集模块的输入端和放大滤波器的输出端捕捉获取的信号计算相位差。
实施例三:
根据实施例一的电流检测装置,本实施例提供了一种高频交流电流(1000Hz以上)检测装置,包括:依次相连的电流互感器、电流电压转换模块、电压跟随器、放大滤波器、直交流转换模块和单片机,单片机中包含A/D转换模块和捕捉模块,所述捕捉模块连接信号电流互感器的输入端和放大滤波器的输出端。
(1)所述环形电流互感器为环形电流互感器,包括磁场传感模块,用于感测电流信号;
(2)所述电流电压转换模块,用于将电流信号转换为电压信号,以及计算电流与电压的转换关系;
(3)所述电压跟随器,用于保持电压信号的稳定性;
(4)所述放大滤波器,用于增强电压信号以及滤除高频信号;
(5)所述直交流转换模块,用于获取直流信号;
所述直交流转换模块为包络线检波电路。本实施例采用包络线检波电路首先将正弦交流信号转化为直流半波信号,然后利用电容E24将脉动的直流半波信号转换为标准直流信号。
(6)所述单片机中包含A/D转换模块和捕捉模块:
其中,所述A/D转换模块,用于将电压信号转换为数值,根据电流电压转换模块获取的转换关系计算得到电流值;
其中,所述单片机为MSP430,其中的A/D转换模块为ADC12,ADC12模块具有较高的AD转换速度以及12位的转换精度,具有8个模拟输入通道并且具有内部AD转换基准电源。在本设计中,由模拟通道A7输入,采用内部基准电压2.5V,通过AD转换,实现电流大小的测量。
所述捕捉模块基于由信号采集模块的输入端和放大滤波器的输出端捕捉获取的信号计算相位差。
在测量时应区分阻性部分和感性部分,因此必须对测量的电流数据进行相位检测,根据公式以及即可计算得出纯电阻值。
电压产生电路的输出信号与电流检测电路的输入信号之间的相位差,即是所需测量的值,但由于回测的电流信号非常微弱,杂波较多,因此需要在滤波电路之后获取该电流信号。两路正弦信号的上升沿时间较长,若直接比较其相位,会有较大误差,在该设计中,加入了过零比较器,用于减小信号的上升沿时间,根据实际测试,由OP07所构成的过零比较器,其上升沿时间可控制在2μs之内。处理后的信号分别送入MSP430的TA1和TA2引脚,利用定时器的捕捉功能计算两个上升沿到来的时间差,再经过数据处理,得出电压和电流的相位差
实施例四:
根据实施例一的电流检测装置,本实施例提供了一种直流电流检测装置,包括:依次相连的测磁设备、电压跟随器、放大滤波器和单片机,单片机中包含A/D转换模块。
(1)所述测磁设备,用于感测电压信号;
(2)所述电压跟随器,用于保持电压信号的稳定性;
(3)所述放大滤波器,用于增强电压信号以及滤除高频信号;
(4)所述单片机中包含A/D转换模块:
其中,所述A/D转换模块,用于将电压信号转换为数值,然后计算得到电流值;
该A/D转换模块将电压信号转换为数值后,为了减小误差,采用多次测量去掉若干最大值以及若干最小值,剩余数据取平均值的算法,具体方案如下:
1)首先进行m次测量;
2)由于开始测量时以及测量结束时的不稳定性,去掉最开始n个数据以及最后n个数据;
3)剩余m-2n个数据按大小排序,并去掉n个最大值和n个最小值;
4)剩余m-4n个数据取平均。本实施例中,m取600,n取10。
采用本发明的电流检测装置,可以实现不接触检测线路即可测得电流值,并且该装置能够根据检测线路的电流类型自动切换信号传输路径,因此适用范围广,交流和直流检测线路均可检测。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种输电线路电流检测装置,其特征在于,包括:依次连接的信号采集模块、交直流选择模块、电压跟随器、放大滤波器、交直流转换电路和单片机,放大滤波器输出端还直接与单片机连接,单片机中包含A/D转换模块;其中,
所述信号采集模块,包括电流互感器和测磁设备,分别用于感测交流信号和直流信号,其中,电流互感器还连接电流电压转换电路,用于将交流电流信号转换为电压信号;
所述交直流选择模块,用于判断接收的信号是工频交流信号、高频交流信号还是直流信号,根据判断结果控制信号是否经过交直流转换电路;
所述A/D转换模块,用于将电压信号转换为数值,然后计算得到电流值;
根据交直流选择模块的判断结果,A/D转换模块对转换后的数值进行如下处理:
1)首先进行M次测量,将第N次至第N+4次测量的5个数据取平均,作为滤波后的第N次测量数据;
2)去掉最开始m个数据以及最后m个数据;剩余M-2m个数据按大小排序,用n个最大数据的平均值减去n个最小数据的平均值,其结果即为测量磁场数据的峰值;或
1)首先进行m次测量;去掉最开始n个数据以及最后n个数据;
2)剩余m-2n个数据按大小排序,并去掉n个最大值和n个最小值,剩余m-4n个数据取平均。
2.如权利要求1所述的一种输电线路电流检测装置,其特征在于,交直流选择模块的输出端还依次连接电压跟随器和放大滤波器。
3.如权利要求2所述的一种输电线路电流检测装置,其特征在于,所述单片机还包括捕捉模块,所述捕捉模块连接电流互感器的输入端和放大滤波器的输出端,基于捕捉获取的信号计算相位差。
4.如权利要求1所述的一种输电线路电流检测装置,其特征在于,所述交直流选择模块为包络线检波电路。
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GR01 Patent grant
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