CN109270337A - 基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器 - Google Patents

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    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers

Abstract

一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，包括双绕组电流互感器、互感取能模块、能量存储模块、电流传感模块、信号处理模块、无线发射模块，双绕组电流互感器包括一个与被测线路连接的一次侧绕组和两个二次侧绕组，两个二次侧绕组分别与互感取能模块和电流传感模块连接。本发明可应用于智能电网电能监控系统，无需外部供电系统提供能源，仅使用一个互感器进行能量收集和电流传感，减小了系统的体积，方便安装。本发明可以根据传感模块测得的电流大小进行最大功率跟踪，大大提高了取能模块的功率输出，减小了系统启动电流，从而提高了传感器的可靠性、扩展了使用范围。

Description

基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器
技术领域
本发明涉及电力设施技术领域，尤其涉及一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器。
背景技术
在电力监控管理系统中，由于电表本身计量故障，用户端对电表的非法改动以及绕行，供电设备老化线损等原因会产生线路损耗，目前分辨线损原因的手段主要依赖于人工现场勘查分析，工作效率低，人力成本高。智能电网对输电路实行在线实时监测，监测效率高，省时省力，对电力系统安全稳定具有重要意义。现有技术中，智能电网上的电流传感器多采用基于电流互感器的无源无线电流传感器产品，其输入端接有能量采集互感器L1、电流采集互感器L2，分别用来进行交流电能量收集及电流强度采集。在能量采集部分，互感器收集的能量将通过电平转换电源管理单元给电池或超级电容进行充电，并通过DC-DC直流转换模块以输出稳定的直流工作电压。在信号采集部分，通常使用精密电压信号放大电路以实现微弱电流信号的放大，并接入到单片机的ADC模块获得数字量，最终通过系统中的无线模块将采集的数字信号发送到远程监控系统（请参照图1所示）。这种基于电流互感器的无源无线电流传感器产品存在着以下问题：1、使用两个互感器分别进行电流信号的采集和能量的收集，增加了互感器的体积，不利于监控设备的小型化；2、随着充电电容/电池的电压变化，电流互感器输出功率会存在一个最大功率点，并且此功率点会随着一侧电流大小不同而发生变化，这种产品无法实现最大功率追踪，从而不能实现取能效率的最大化。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器。该传感器可应用于智能电网电能监控系统，作为电网线路计量装置的校准装置及稽查表使用，进行配电线路线损的分析，发现线损产生的原因，从而实现更智能化的电能管理；该传感器无需外部供电系统提供能源，仅使用一个互感器进行能量收集和电流传感，减小了系统的体积，方便安装；该传感器取能模块可以根据传感模块测得的电流大小进行最大功率跟踪，大大提高了取能模块的功率输出，减小了系统启动电流，从而提高了传感器的可靠性、扩展了使用范围。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，其特征在于：包括双绕组电流互感器、互感取能模块、能量存储模块、电流传感模块、信号处理模块、无线发射模块，双绕组电流互感器包括一个与被测线路连接的一次侧绕组和两个二次侧绕组，两个二次侧绕组分别与互感取能模块和电流传感模块连接；电流传感模块与信号处理模块、无线发射模块依次连接，电流传感模块将电流信号转化为电压信号然后传送至信号处理模块；信号处理模块对信号进行模数转化并计算电流有效值然后传送至无线发射模块，无线发射模块将电流有效值输出到云端，互感取能模块与能量存储模块连接并为能量存储模块提供电能输入，能量存储模块分别与互感取能模块、电流传感模块、信号处理模块、无线发射模块连接并为其提供电能，电流传感模块与互感取能模块连接并为其提供参考电压。
进一步的，所述互感取能模块包括全桥整流电路、缓冲电容、比较器、DC/DC转化器、开关，全桥整流电路与二次侧绕组连接对二次侧绕组流出的电流进行整流，比较器一个输入端口与电流传感模块连接并由电流传感模块提供参考电压、另一输入端与缓冲电容连接，比较器输出端与开关连接用于控制开关闭合，开关安装在DC/DC转化器与全桥整流电路之间的电路中，用于连通或断开DC/DC转化器与全桥整流电路之间的连接，缓冲电容一端连接全桥整流电路另一端连接比较器，DC/DC转化器与能量存储模块电路连接，比较器的供电电路与能量存储模块连接。
进一步的，所述电流传感模块包括采样电阻、低通滤波电路和电流传感放大器。
进一步的，所述能量存储模块包括超级电容和锂电池。
本发明所述基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，利用双绕组电流互感器根据电磁感应原理将一次侧绕组大电流转换成二次侧绕组小电流。双绕组电流互感器共用一个一次侧绕组以及闭合铁芯，两个二次侧绕组分别用来进行电能的收集和电流的测量。
互感取能模块通过全桥整流电路对二次侧绕组流出的电流进行整流，然后对缓冲电容进行充电。在一次侧绕组电流不变的情况下，充电功率与缓冲电容电压直接相关，存在一个使得充电功率最大的电压，即最大功率点电压。最大功率点电压与一次侧绕组电流近似成正比关系，因此可以由电流传感模块得到最大功率点电压。缓冲电容电压接入到比较器一个输入端，比较器另一输入端的参考电压由电流传感模块提供。当缓冲电容电压过大时，比较器控制开关闭合，DC/DC转化器开始工作，将能量输入到能量存储模块，从而使缓冲电容电压下降。当缓冲电容电压过小时，比较器控制开关断开，所有电流仅对缓冲电容充电，使得缓冲电容电压上升。通过开关与比较器的控制使得电容电压维持在最大功率点电压附近，从而在一次侧绕组电流变化的情况下保持最大充电功率。
本发明采用了最大功率控制电路，根据采集的电流信号强度进行输出功率点的反馈控制，使得缓冲电容电压稳定在最大输出功率点附近，从而将能量采集效率提升到最大，减小了系统的最小启动电流，扩展了无源无线电流传感器适用的电流范围。
本发明采用了双绕组电流互感器，进一步减小了互感器体积，同时在单个互感器上同时实现互感取能及电流采集，互感器比例关系控制更加精确，降低了最大功率控制的偏差。
电流传感模块采集到的电流信号通过信号处理模块进行缓冲，再由无线发射模块进行周期性的信号发射，减小了系统功耗的同时，不会损失电流数据。
附图说明
图1为现有技术中的无源无线电流互感器结构示意图；
图2为本发明所述基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器的结构示意图；
图3为本发明所述互感取能模块的结构示意图；
图4为电流传感模块原理图；
实施方式
下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图2所示，本发明提供了一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，包括双绕组电流互感器、互感取能模块、能量存储模块、电流传感模块、信号处理模块、无线发射模块，双绕组电流互感器包括一个与被测线路连接的一次侧绕组和两个二次侧绕组，两个二次侧绕组分别与互感取能模块和电流传感模块连接；电流传感模块与信号处理模块、无线发射模块依次连接，电流传感模块将电流信号转化为电压信号然后传送至信号处理模块；信号处理模块对信号进行模数转化并计算电流有效值然后传送至无线发射模块，无线发射模块将电流有效值输出到云端，互感取能模块与能量存储模块连接并为能量存储模块提供电能输入，能量存储模块分别与互感取能模块、电流传感模块、信号处理模块、无线发射模块连接并为其提供电能。电流传感模块根据一次侧绕组电流的大小为互感取能模块提供相应参考电压以实现互感取能模块的最大功率跟踪。电流互感器利用电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流。双绕组电流互感器共用一个一次侧绕组以及闭合铁芯，两个二次侧绕组分别用来进行电能的收集和电流的测量。
如图3所示，互感取能模块包括全桥整流电路、缓冲电容、比较器、DC/DC转化器、开关，取能二次侧绕组进入的电流首先通过全桥整流电路进行整流，然后对缓冲电容进行充电。在一次侧绕组电流不变的情况下，充电功率与缓冲电容电压直接相关，存在一个使得充电功率最大的电压，即最大功率点电压。最大功率点电压与一次侧绕组电流近似成正比关系，因此可以由电流传感模块得到最大功率点电压。将缓冲电容的电压接入到比较器一个输入端，比较器另一输入端的参考电压由电流传感模块提供。当缓冲电容电压过大时，比较器控制开关闭合，DC/DC转化器开始工作，将能量输入到能量存储模块，从而使缓冲电容电压下降。当缓冲电容电压过小时，比较器控制开关断开，所有电流仅对缓冲电容充电，使得缓冲电容电压上升。通过开关与比较器的控制使得缓冲电容电压维持在最大功率点电压附近，从而在一次侧绕组电流变化的情况下保持最大充电功率。
如图4所示，电流传感模块利用R0为采样电阻，R1、R2与C3构成低通滤波电路，可以将高次谐波成分滤除，C1、C2公共端接地，使输入电流传感放大器INA199的信号为正值。通过改变R0的大小，可以对电流传感模块的量程进行调整。
能量存储模块包括超级电容和锂电池，超级电容可以承担瞬时的较大充放电功率，以提高系统的稳定性及工作寿命。锂电池的能量密度较高可以存储较多的电能。
信号处理模块将模拟电压信号转变为数字信号并进行缓存。
无线发射模块周期性地从信号处理模块中获取缓存数据并通过GPRS发射到云端，可以大大减小系统的能量消耗。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，其特征在于：包括双绕组电流互感器、互感取能模块、能量存储模块、电流传感模块、信号处理模块、无线发射模块，双绕组电流互感器包括一个与被测线路连接的一次侧绕组和两个二次侧绕组，两个二次侧绕组分别与互感取能模块和电流传感模块连接；电流传感模块与信号处理模块、无线发射模块依次连接，电流传感模块将电流信号转化为电压信号然后传送至信号处理模块；信号处理模块对信号进行模数转化并计算电流有效值然后传送至无线发射模块，无线发射模块将电流有效值输出到云端，互感取能模块与能量存储模块连接并为能量存储模块提供电能输入，能量存储模块分别与互感取能模块、电流传感模块、信号处理模块、无线发射模块连接并为其提供电能，电流传感模块与互感取能模块连接并为其提供参考电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，其特征在于：所述互感取能模块包括全桥整流电路、缓冲电容、比较器、DC/DC转化器、开关，全桥整流电路与二次侧绕组连接对二次侧绕组流出的电流进行整流，比较器一个输入端口与电流传感模块连接并由电流传感模块提供参考电压、另一输入端与缓冲电容连接，比较器输出端与开关连接用于控制开关闭合，开关安装在DC/DC转化器与全桥整流电路之间的电路中，用于连通或断开DC/DC转化器与全桥整流电路之间的连接，缓冲电容一端连接全桥整流电路另一端连接比较器，DC/DC转化器与能量存储模块电路连接，比较器的供电电路与能量存储模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，其特征在于：所述电流传感模块包括采样电阻、低通滤波电路和电流传感放大器。
4.根据权利要求1所述的一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，其特征在于：所述能量存储模块包括超级电容和锂电池。
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