CN108710017A - 一种基于单磁回路的取电和测量切换装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单磁回路的取电和测量切换装置及系统，所述基于单磁回路的取电和测量切换装置包括：取电和测量切换模块、电源管理模块、测量调理模块以及主控模块，所述取电和测量切换模块通过所述电源管理模块连接至所述主控模块，所述取电和测量切换模块通过所述测量调理模块连接至所述主控模块，所述主控模块与所述取电和测量切换模块相连接。本发明利用电磁感应将配电线缆上的大电流信号变为二次小信号，进而既能够用来实现供电，又能够作为传感器的输出用于实现测量，即通过单磁线圈就能高效实现取电和测量的切换，简化了结构，有效降低成本并减轻重量，使得安装和后期维护更加方便；在此基础上，还能进一步提高测量精度和故障分辨能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力系统配电网故障监测领域，尤其涉及一种基于单磁回路的取电和测量切换装置，并涉及包括了该基于单磁回路的取电和测量切换装置的系统。
背景技术
智能配电网的故障监测装置，一般直接安装在6KV到35KV的配电线路上，这类装置的安装机构包含磁回路，通过电磁感应采集传感器的二次电流，实现对输电线缆一次电流的实时监控，实现测量的功能。但是，这种现有的装置直接安装在线缆上，缺少电源；而加装PT供电方式，势必造成成本和空间增加，同时造成一次设备整体可靠性下降。此外，若采用太阳能光伏供电方式，受环境和气候影响较大，也不是特别合适的方案。因此，现有技术对于电力系统配电网故障监测中的取电和测量，成本过高，可靠性能达不到要求，并且安装和维护难度大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种体积小，成本低，且安装和维护方便的基于单磁回路的取电和测量切换装置，并进一步提供包括了该基于单磁回路的取电和测量切换装置的系统。
对此，本发明提供一种基于单磁回路的取电和测量切换装置，包括：取电和测量切换模块、电源管理模块、测量调理模块以及主控模块，所述取电和测量切换模块通过所述电源管理模块连接至所述主控模块，所述取电和测量切换模块通过所述测量调理模块连接至所述主控模块，所述主控模块与所述取电和测量切换模块相连接。
本发明的进一步改进在于，所述取电和测量切换模块包括取电限幅电路和采样电路，所述取电限幅电路通过所述采样电路连接至所述主控模块。
本发明的进一步改进在于，所述取电限幅电路通过所述采样电路连接至所述测量调理模块。
本发明的进一步改进在于，所述取电限幅电路与所述电源管理模块相连接。
本发明的进一步改进在于，所述取电限幅电路包括取电单元和限幅单元，所述取电单元连接至配电线缆上的单磁回路输出端，所述取电单元通过所述限幅单元连接至所述电源管理模块。
本发明的进一步改进在于，所述采样电路包括开关控制单元和采样单元，所述取电限幅电路通过所述开关控制单元连接至所述采样单元。
本发明的进一步改进在于，所述电源管理模块与所述测量调理模块相连接。
本发明的进一步改进在于，所述电源管理模块包括供电电路和储能电路，所述供电电路分别与所述主控模块和测量调理模块相连接，所述储能电路与所述主控模块相连接。
本发明还提供一种基于单磁回路的取电和测量切换系统，包括了安装在配电线缆上的单磁线圈以及如上所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，所述取电和测量切换模块通过所述单磁线圈对配电线缆中的电流信号进行取电和测量。
本发明的进一步改进在于，所述主控模块实现分时控制，所述分时控制包括第一时间片、第二时间片和第三时间片，所述第一时间片用于实现取电和限幅控制；所述第二时间片切换至测量的暂态过程，用于实现取电后的采样；所述第三时间片在采样信号稳定后，将采样的模拟量转换成数字量并实现测量和控制，然后返回至所述第一时间片，依此循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用电磁感应将配电线缆上的大电流信号变为二次小信号，进而既能够用来实现供电，又能够作为传感器的输出用于实现测量，通过单磁线圈就能够高效实现取电和测量的切换，简化了装置结构，有效降低成本并减轻重量，使得安装和后期维护更加方便；在此基础上，还通过合理的分时控制提高采样频率，优化时间片控制，能够进一步提高测量精度和监测故障的分辨能力。
附图说明
图1是本发明一种实施例的模块结构框图；
图2是本发明一种实施例的取电和测量切换模块的电路原理图；
图3是本发明一种实施例的电源管理模块的电路原理图；
图4是本发明一种实施例的测量调理模块的电路原理图；
图5是本发明一种实施例的主控模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1所示，本例提供一种基于单磁回路的取电和测量切换装置，包括：取电和测量切换模块1、电源管理模块2、测量调理模块3以及主控模块4，所述取电和测量切换模块1通过所述电源管理模块2连接至所述主控模块4，所述取电和测量切换模块1通过所述测量调理模块3连接至所述主控模块4，所述主控模块4与所述取电和测量切换模块1相连接。
本例安装在配电线缆上的单磁线圈5的输出端，利用电磁感应原理，将配电线缆（高压线路）中的大电流信号变为二次小信号，该小信号既能够用来给所述基于单磁回路的取电和测量切换装置供电，又能够作为传感器的输出用于测量；其取电和测量之间的切换，以及采样等数据处理，都通过所述主控模块4实现控制，所述主控模块4优选为嵌入式处理模块、MCU或单片机等任意一种处理器。
如图2所示，本例所述取电和测量切换模块1实现了取电与测量功能的解耦，使得配电线缆上的单磁线圈5的单磁回路实现测试功能，而且没有能量损耗于取电功能，保证传感器的二次输出真实反应一次线缆电流。
如图2所示，本例所述取电和测量切换模块1包括取电限幅电路11和采样电路12，所述取电限幅电路11通过所述采样电路12连接至所述主控模块4，所述取电限幅电路11通过所述采样电路12连接至所述测量调理模块3，所述取电限幅电路11与所述电源管理模块2相连接。
更为优选的，如图2所示，本例所述取电限幅电路11包括取电单元111和限幅单元112，所述取电单元111连接至配电线缆上的单磁回路输出端，所述取电单元111通过所述限幅单元112连接至所述电源管理模块2；所述采样电路12包括开关控制单元121和采样单元122，所述取电限幅电路11通过所述开关控制单元121连接至所述采样单元122。所述配电线缆上的单磁回路输出端即为单磁线圈5的单磁回路二次线圈输出端，也就是图2中的AC1和AC2。
如图2所示，所述取电限幅电路11中，AC1和AC2是单磁线圈5的单磁回路二次线圈输出端的交流+和交流-。所述取电和测量切换模块1实现取电功能时，通过所述取电单元111的整流桥D1、电容CE1和VCC输出直流信号；所述限幅单元112的晶闸管Q1和稳压管D3用于限幅，保证在一次电流很大的情况下，VCC输出的直流信号限制在合理范围内，防止烧坏后级的所述电源管理模块2的电路。
如图2所示，所述采样电路12中，该取电和测量切换模块1在实现测量功能时，所述主控模块4的控制信号通过控制信号输出端DRV1和控制信号输出端DRV2，使能MOS管Q2和MOS管Q3导通，AC1和AC2通过采样电阻R2形成回路，I_AD作为采样电压进入后级的测量调理模块3。
由此可以看到，本例所述取电和测量切换模块1实现取电和测量功能，不存在元器件公用，通过硬件方式很好地实现了解耦。
本例所述电源管理模块2与所述测量调理模块3相连接，为所述测量调理模块3供电；如图3所示，本例所述电源管理模块2优选包括供电电路21和储能电路22，所述供电电路21分别与所述主控模块4和测量调理模块3相连接，所述储能电路22与所述主控模块4相连接。
如图3至图5所示，所述电源管理模块2的VDD分别与所述主控模块4的主控芯片的VDD以及所述测量调理模块3的放大器的VDD相连接，所述电源管理模块2的VDDin与所述测量调理模块3的VDDin相连接，所述测量调理模块3的AD_I和ref2.5分别与所述主控模块4的AD_I和ref2.5相连接。
本例所述电源管理模块2的供电电路21在取电后的VCC通过芯片U5输出5V，为所述主控模块4和测量调理模块3供电。同时5V电源还要再取电充足的情况下为所述储能电路22的超级电容充电，实现储能的功能，进而保证整个装置及其所在系统在一次线缆停电或负载很小的情况下，能够持续工作。
本例所述测量调理模块3的电路原理示意图优选如图4所示，该测量调理模块3用于实现对交流采样电压I_AD进行滤波，并叠加直流电压基准。本例通过选择合适的基准和电阻分压，保证一次线缆电流最大值时，二次测的采样波形始终在0V以上，调理后的信号进入后级的主控模块4实现模数转换。
本例所述主控模块4的电路原理示意图优选如图5所示，用于实现控制功能，其中，DRV1和DRV2是控制模块的驱动信号输出端，打开该驱动信号输出端的驱动信号，则进入测量状态（采样电路12）；关闭该驱动信号，则进入取电状态（取电限幅电路11）。
AD_I是经测量状态下，经所述测量调理模块3之后的采样模拟量，用所述主控模块4的单片机内部的ADC实现模数转换，然后进行数字信号处理，还原出一次线缆电流值。
本例还提供一种基于单磁回路的取电和测量切换系统，包括了安装在配电线缆上的单磁线圈5以及如上所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，所述取电和测量切换模块1通过所述单磁线圈5对配电线缆中的电流信号进行取电和测量。
本例所述主控模块4实现分时控制，所述分时控制包括第一时间片、第二时间片和第三时间片，所述第一时间片用于实现取电和限幅控制；所述第二时间片切换至测量的暂态过程，用于实现取电后的采样；所述第三时间片在采样信号稳定后，将采样的模拟量转换成数字量并实现测量和控制，然后返回至所述第一时间片，依此循环。
如上所述，本例所述取电和测量切换模块1已经在硬件上实现了解耦，这是两者可以切换的基础，接下来就需要所述主控模块4实现控制，如模数转换（ADC）和时序控制等，优选的方式是通过软件和硬件相结合配合，通过合理的控制策略，实现一个交流周波内两者的循环分时工作。
如果用相对粗犷的控制策略，一个周波20ms时间都用来采样，接下来几个周波用来取电，如此循环，会有如下问题：每个采样周波是纯耗电时间，浪费能量；在一次线路电压较低、超级电容未储能的情况下，取电的能量很可能不足以支撑系统一个周波纯耗电的工况。而且取电的几个周波是不进行采样的，测量的实时性变差。
市电是50HZ的正弦波，为了保证测量的实时性，需要对每个周波进行采样、同时为了提高测量精度，每个周波的采样点越多，越能还原波形。20点采样是电力二次装置常用的采样频率，即1KHZ，不需要高级的硬件配置，就可以做到0.5%测量精度。
因此，本例将控制策略细化。在1HZ采样频率下，细化1ms内的分时控制，分成第一时间片、第二时间片和第三时间片；第一时间片，实现取电功能，系统工作于所述取电限幅电路11的工作状态；第二时间片，控制模块驱动DRV1和DRV2，MOS管Q2和Q3导通，硬件切换到测量功能，系统完成从切换到测量的暂态过程，系统工作于所述采样电路12的工作状态；第三时间片，在采样信号稳定后，所述主控模块4的单片机等启动ADC，将模拟量转换成数字量，实现测量功能，控制模块关闭驱动DRV1和DRV2，MOS管Q2和MOS管Q3关闭，系统回到第一时间片；如此循环下去，循环周期优选为1ms。
本例通过优化电路，在每个循环周期，可以尽可能的增加第一时间片的时间，保证在一次线缆电流很小的条件下，也不消耗储能，就能够完成第二时间片和第三时间片的工作，达到自给自足的效果。本发明实施例，取电第一时间片可以达到650us，测量第二时间片和3总共350us。
本例旨在通过一个单磁回路，取电和测量在后级电路进行切换，分时进行，既保证取电的功率可以满足实施例装置正常运行，又能保证测量的实时性和准确性，具有装置体积小、成本低以及安装方便的优势，并进一步对所述取电和测量切换系统提出了合理的分时控制。
值得一提的是，单磁回路的取电与测量切换，技术问题主要集中在取电与测量的解耦，本例保证单磁回路在一个时间片内，只用于取电或者只用于测量，并且每个时间片的时间都很短，每个周波必须有足够多的采样时间片，这样才能保证传感器二次侧的测量值真实反映一次线缆的运行情况，否则会导致监测装置误报或漏报线路故障。
因此，在尽可能小的一次电流下，取电功能就能够得到足够的功率以及较大的电压，使各功能电路可以正常工作，并且保证测量精度。
综上所述，本例利用电磁感应将配电线缆上的大电流信号变为二次小信号，进而既能够用来实现供电，又能够作为传感器的输出用于实现测量，通过单磁线圈就能够高效实现取电和测量的切换，简化了装置结构，有效降低成本并减轻重量，使得安装和后期维护更加方便；在此基础上，还通过合理的分时控制提高采样频率，优化时间片控制，能够进一步提高测量精度和监测故障的分辨能力。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于单磁回路的取电和测量切换装置，其特征在于，包括：取电和测量切换模块、电源管理模块、测量调理模块以及主控模块，所述取电和测量切换模块通过所述电源管理模块连接至所述主控模块，所述取电和测量切换模块通过所述测量调理模块连接至所述主控模块，所述主控模块与所述取电和测量切换模块相连接。
2.根据权利要求1所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，其特征在于，所述取电和测量切换模块包括取电限幅电路和采样电路，所述取电限幅电路通过所述采样电路连接至所述主控模块。
3.根据权利要求2所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，其特征在于，所述取电限幅电路通过所述采样电路连接至所述测量调理模块。
4.根据权利要求2所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，其特征在于，所述取电限幅电路与所述电源管理模块相连接。
5.根据权利要求2至4任意一项所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，其特征在于，所述取电限幅电路包括取电单元和限幅单元，所述取电单元连接至配电线缆上的单磁回路输出端，所述取电单元通过所述限幅单元连接至所述电源管理模块。
6.根据权利要求2至4任意一项所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，其特征在于，所述采样电路包括开关控制单元和采样单元，所述取电限幅电路通过所述开关控制单元连接至所述采样单元。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，其特征在于，所述电源管理模块与所述测量调理模块相连接。
8.根据权利要求7所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，其特征在于，所述电源管理模块包括供电电路和储能电路，所述供电电路分别与所述主控模块和测量调理模块相连接，所述储能电路与所述主控模块相连接。
9.一种基于单磁回路的取电和测量切换系统，其特征在于，包括了安装在配电线缆上的单磁线圈以及如权利要求1至8任意一项所述的基于单磁回路的取电和测量切换装置，所述取电和测量切换模块通过所述单磁线圈对配电线缆中的电流信号进行取电和测量。
10.根据权利要求9所述的基于单磁回路的取电和测量切换系统，其特征在于，所述主控模块实现分时控制，所述分时控制包括第一时间片、第二时间片和第三时间片，所述第一时间片用于实现取电和限幅控制；所述第二时间片切换至测量的暂态过程，用于实现取电后的采样；所述第三时间片在采样信号稳定后，将采样的模拟量转换成数字量并实现测量和控制，然后返回至所述第一时间片，依此循环。
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