CN112327032A - 电子取电互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及配电自动化技术领域，提出了电子取电互感器，包括通过光纤通信的高压侧电路和低压侧电路，高压侧电路包括依次连接的罗氏线圈P1、积分电路、采集控制器和激光发射电路，二次侧电路包括依次连接的光电转换电路，放大电路和滤波电路，积分电路和采集控制器之间还连接有缓冲电路。通过上述技术方案，解决了现有技术中电子取电互感器测量精度差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及配电自动化技术领域，具体的，涉及电子取电互感器。
背景技术
随着光纤传感技术、光纤通信技术的飞速发展，光电技术在电力系统中的应用越来越广泛，电子式互感器应运而生。电子式互感器是一种配电装置，用于测量线路中的电压电流等信息，电子式互感器具有体积小、重量轻、频带响应宽、无饱和现象、抗电磁干扰性能佳、无油化结构、绝缘可靠、便于向数字化、微机化发展等诸多优点，将逐渐取代传统的电磁式传感器，在数字化变电站中广泛应用。目前，电子式互感器的测量精度还有待提高。
发明内容
本发明提出电子取电互感器，解决了现有技术中电子取电互感器测量精度差的问题。
本发明的技术方案如下：包括通过光纤通信的高压侧电路和低压侧电路，所述高压侧电路包括依次连接的罗氏线圈P1、积分电路、采集控制器和激光发射电路，所述二次侧电路包括依次连接的光电转换电路，放大电路和滤波电路，所述积分电路和所述采集控制器之间还连接有缓冲电路，
所述缓冲电路包括场效应管Q2和场效应管Q6，所述场效应管Q2的G极与所述积分电路的输出连接，所述场效应管Q2的S极、所述场效应管Q6的S极均与恒流源电路的输出端连接，所述场效应管Q2的D极、所述场效应管Q6的D极均与电源+15V连接，所述场效应管Q2的D极还与运放U2的反相输入端连接，所述场效应管Q6的D极还与运放U2的同相输入端连接，所述运放U2的输出端连接至所述场效应管Q6的G极，所述运放U2的输出端还与所述采集控制器连接。
进一步，所述恒流源电路包括三极管Q3和三极管Q4，所述三极管Q3的基极通过电阻R11接地，所述三极管Q3的射极通过电阻R10连接电源-15V，所述三极管Q3的集电极形成所述恒流源电路的输出端，
所述三极管Q4的基极和集电极均与所述三极管Q3的基极连接，所述三极管Q4的射极通过电阻R9与电源-15V连接。
进一步，还包括串联的电阻R8和电容C4，所述电阻R8的一端与所述场效应管Q2的D极连接，所述电容C4的一端与所述场效应管Q6的D极连接。
进一步，所述激光发射电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极与所述采集控制器连接，所述三极管Q1的射极接地，所述三极管Q1的集电极依次通过电感L1与电源VCC连接，
所述三极管Q1的集电极还依次通过电容C1、激光二极管LD1接地，所述激光二极管LD1的两端反并联有二极管D1。
进一步，所述电感L1和电源VCC之间连接有二极管D2。
进一步，所述积分电路包括运放U1，所述罗氏线圈P1的输出端依次通过电容C3、电阻R1接入所述运放U1的反相输入端，所述运放U1的同相输入端接地，所述运放U1的输出端通过电容C2连接至所述运放U1的反相输入端，所述电容C2的两端并联有电阻R2。
进一步，所述光电转换电路包括光电三极管Q5，所述光电三极管Q5用于接收所述激光二极管LD1发出的激光，所述光电三极管Q5的基极通过电阻R12接地，所述光电三极管Q5的射极通过电阻R14接地，所述光电三极管Q5的集电极通过电阻R13与电源VDD连接，所述三极管Q5的射极还与放大电路连接。
进一步，所述放大电路包括运放U3A，所述运放U3A的反相输入端通过电阻R15与所述光电三极管Q5的射极连接，所述运放U3A的同相输入端接地，所述运放U3A的输出端通过电阻R17连接至反相输入端。
进一步，所述滤波电路包括依次连接的高通滤波电路和带通滤波电路，所述高通滤波电路包括运放U3B，所述运放U3A的输出端依次通过电阻R18和电容C5与所述运放U3B的反相输入端连接，所述运放U3B的同相输入端接地，所述运放U3B的输出端通过电阻R20连接至反相输入端。
进一步，所述电阻R20的两端并联有电容C6。
进一步，所述带通滤波电路包括串联的电阻R22和电容C8、以及串联的电容C7和电阻R23，所述电阻R22的一端与所述运放U3B的输出端连接，所述电容C8的一端接地，所述电阻R22与所述电容C8的串联点与所述电容C7的一端连接，所述电阻R23的一端接地，所述电容C7和电阻R23的串联点与运放U4的同相输入端连接，所述运放U4的反相输入端接地，所述电阻R22和电容C8的串联点还通过电阻R24与所述运放U4的输出端连接，
所述运放U4的输出端还通过电阻R26连接至反相输入端。
进一步，所述滤波电路还包括比较电路，所述比较电路包括运放U5，所述运放U5的同相输入端与所述运放U4的输出端连接，所述运放U5的反相输入端与基准电压VREF连接，所述运放U5的输出端用于与二次设备连接。
进一步，还包括串联的电阻R19和电阻R27，所述电阻R19的一端与电源VDD连接，所述电阻R27的一端接地，所述电阻R27两端并联电容C9，所述电阻R19和所述电阻R27的串联点输出为所述基准电压VREF。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明中罗氏线圈P1套设在被测线路的外侧，罗氏线圈输出感应电势，感应电势经积分电路之后，得到与被测线路电流成比例的电压信号，采集控制器通过读取该电压信号即可得到被测线路的电流信号；采集控制器内部包含AD转换模块，积分电路输出的电压信号经AD转换模块转换为数字信号，采集控制器再将这些数字量转换为脉冲信号输出；采集控制器输出的脉冲信号驱动激光发射电路产生激光信号，激光信号经光纤传递至二次侧，二次侧设置有光电转换电路，用于将接收到的激光信号转换为电信号，再经放大电路放大、滤波电路滤波之后，输出脉冲信号，二次设备通过读取该脉冲信号，即可换算得到被测线路的电流值。
在积分电路和采集控制器之间设置缓冲电路，用于进行阻抗匹配和隔离，避免积分电路和采集控制器之间互相影响，有利于提高AD转换精度。具体工作原理如下：场效应管Q2和场效应管Q6连接成差动放大器，场效应管Q2的G极连接积分电路的输出端，场效应管Q2的D极接入运放U2的反相输入端、场效应管Q5的D极接入运放U2的同相输入端，运放U2的输出端反馈至场效应管Q2的G极，当电路处于稳定状态时，运放U2的输出端与积分电路的输出端一致，保证电压信号的准确传输。
场效应管Q2的S极、所述场效应管Q6的S极均与恒流源电路连接，保证电路工作点的稳定，进一步保证信号的准确传输。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明电路原理框图；
图2为本发明中高压侧电路原理图；
图3为本发明中二次侧电路原理图；
图中：1-积分电路，2-采集控制器，3-激光发射电路，4-光电转换电路，5-放大电路，6-滤波电路，61-高通滤波电路，62-带通滤波电路，63-比较电路，7-缓冲电路，8-恒流源电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
如图1-图2所示，本实施例电子取电互感器包括通过光纤通信的高压侧电路和低压侧电路，高压侧电路包括依次连接的罗氏线圈P1、积分电路、采集控制器和激光发射电路，二次侧电路包括依次连接的光电转换电路，放大电路和滤波电路，积分电路和采集控制器之间还连接有缓冲电路，
缓冲电路包括场效应管Q2和场效应管Q6，场效应管Q2的G极与积分电路的输出连接，场效应管Q2的S极、场效应管Q6的S极均与恒流源电路的输出端连接，场效应管Q2的D极、场效应管Q6的D极均与电源+15V连接，场效应管Q2的D极还与运放U2的反相输入端连接，场效应管Q6的D极还与运放U2的同相输入端连接，运放U2的输出端连接至场效应管Q6的G极，运放U2的输出端还与采集控制器连接。
本实施例中罗氏线圈P1套设在被测线路的外侧，罗氏线圈输出感应电势，感应电势经积分电路之后，得到与被测线路电流成比例的电压信号，采集控制器通过读取该电压信号即可得到被测线路的电流信号；采集控制器内部包含AD转换模块，积分电路输出的电压信号经AD转换模块转换为数字信号，采集控制器再将这些数字量转换为脉冲信号输出；采集控制器输出的脉冲信号驱动激光发射电路产生激光信号，激光信号经光纤传递至二次侧，二次侧设置有光电转换电路，用于将接收到的激光信号转换为电信号，再经放大电路放大、滤波电路滤波之后，输出脉冲信号，二次设备通过读取该脉冲信号，即可换算得到被测线路的电流值。
在积分电路和采集控制器之间设置缓冲电路，用于进行阻抗匹配和隔离，避免积分电路和采集控制器之间互相影响，有利于提高AD转换精度。具体工作原理如下：场效应管Q2和场效应管Q6连接成差动放大器，场效应管Q2的G极连接积分电路的输出端，场效应管Q2的D极接入运放U2的反相输入端、场效应管Q5的D极接入运放U2的同相输入端，运放U2的输出端反馈至场效应管Q2的G极，当电路处于稳定状态时，运放U2的输出端与积分电路的输出端一致，保证电压信号的准确传输。
场效应管Q2的S极、场效应管Q6的S极均与恒流源电路连接，保证电路工作点的稳定，进一步保证信号的准确传输。
进一步，如图2所示，恒流源电路包括三极管Q3和三极管Q4，三极管Q3的基极通过电阻R11接地，三极管Q3的射极通过电阻R10连接电源-15V，三极管Q3的集电极形成恒流源电路的输出端，
三极管Q4的基极和集电极均与三极管Q3的基极连接，三极管Q4的射极通过电阻R9与电源-15V连接。
三极管Q3的集电极为场效应管Q2和场效应管Q6提供恒定的电流，三极管Q4的集电极和基极短接，相当于二极管、与电阻R11、电阻R9串联在-15V电源和地之间，三极管Q3的基极电压等于三极管Q4的基射极间电压Ube4与电阻R9端电压之和，当温度升高时，三极管Q3的集电极电流增加，同时，三极管Q4的基射极间电压Ube4减小、导致三极管Q3的基极电压减小、三极管Q3的基极电流减小、进而使三极管Q3的集电极电流减小，以抵消温度升高引起的集电极电流的增加，从而避免三极管Q3的温度漂移问题，保证三极管Q3的集电极提供稳定的电流输出。
进一步，如图2所示，还包括串联的电阻R8和电容C4，电阻R8的一端与场效应管Q2的D极连接，电容C4的一端与场效应管Q6的D极连接。
电阻R8对脉冲干扰信号起到强的削弱作用，电容C4对直流信号起到有效的隔离作用，避免脉冲干扰信号和直流分量进入运放U2，进一步有利于信号的准确传输。
进一步，如图2所示，激光发射电路包括三极管Q1，三极管Q1的基极与采集控制器连接，三极管Q1的射极接地，三极管Q1的集电极依次通过电感L1与电源VCC连接，
三极管Q1的集电极还依次通过电容C1、激光二极管LD1接地，激光二极管LD1的两端反并联有二极管D1。
采集控制器将AD转换模块得到的数字信号以脉冲信号的形式输出，当脉冲信号为高电平时，三极管Q1导通，电源VCC通过三极管Q1为电感L1充电，电感L1储存能量，同时，电容C1通过三极管Q1驱动激光二极管LD1点亮；当脉冲信号为低电平时，三极管Q1不导通，电源VCC和电感L1中储存的能量通过二极管D1为电容C1充电，电容C1储存足够的能量，为下一次点亮激光二极管LD1准备。
本实施例中电容C1中存储的能量全部用于驱动激光二极管LD1，不仅有利于提高电能利用效率，而且，大电流流过激光二极管LD1，激光二极管LD1的发光强度更大，有利于光信号的准确传输。
进一步，如图2所示，电感L1和电源VCC之间连接有二极管D2。
当三极管Q1断开时，电感L1两端会产生高压电势，二极管的阳极与电源VCC连接，阴极与电感L1连接，二极管D2起到截止作用，避免电感L1中的电能回流入电源VCC。
进一步，如图2所示，积分电路包括运放U1，罗氏线圈P1的输出端依次通过电容C3、电阻R1接入运放U1的反相输入端，运放U1的同相输入端接地，运放U1的输出端通过电容C2连接至运放U1的反相输入端，电容C2的两端并联有电阻R2。
运放U1及电阻R1、电容C2组成积分电路，实现对罗氏线圈感生电势的积分，从而得到与被测线路同相的电压波形；电容C3起到隔直作用，避免直流分量进入积分电路造成积分电路的饱和；电阻R2并联在电容C2的两端，形成直流分量的反馈通过，有利于减小直流增益，进一步起到对直流分量的抑制作用。
进一步，如图3所示，光电转换电路包括光电三极管Q5，光电三极管Q5用于接收激光二极管LD1发出的激光，光电三极管Q5的基极通过电阻R12接地，光电三极管Q5的射极通过电阻R14接地，光电三极管Q5的集电极通过电阻R13与电源VDD连接，三极管Q5的射极还与放大电路连接。
激光二极管LD1发出的激光经光纤传送到二次侧，首先由光电三极管Q5接收，在激光二极管LD1点亮时，光电三极管Q5导通，光电三极管Q5的射极输出高电平；反之，在激光二极管LD1不亮时，光电三极管Q5关断，光电三极管Q5的射极输出低电平，从而将接收到的激光信号转换为电信号。
在光电三极管Q5的基极和地之间连接电阻R12，将光电三极管Q5的基极电位保持恒定，当温度升高引起光电三极管Q5的集电极电流增加时，光电三极管Q5的射极电流增加，电阻R14分压增加，光电三极管Q5的射极电位升高，导致光电三极管Q5的基射极电压Ube5减小，光电三极管Q5的基极电流减小、集电极电流随之减小，以抵消温度升高引起的集电极电流的增加，避免温度升高引起的温度漂移问题。
进一步，如图3所示，放大电路包括运放U3A，运放U3A的反相输入端通过电阻R15与光电三极管Q5的射极连接，运放U3A的同相输入端接地，运放U3A的输出端通过电阻R17连接至反相输入端。
进一步，如图3所示，滤波电路包括依次连接的高通滤波电路和带通滤波电路，高通滤波电路包括运放U3B，运放U3A的输出端依次通过电阻R18和电容C5与运放U3B的反相输入端连接，运放U3B的同相输入端接地，运放U3B的输出端通过电阻R20连接至反相输入端。
进一步，如图3所示，电阻R20的两端并联有电容C6。
运放U3A及电阻R17、电阻R15构成反相比例运算电路，对光电三极管Q5输出的电压信号进行放大；光电三极管Q5输出的电压信号经过运放U3A之后进行了一次反相，然后依次经电阻R18滤除脉冲干扰信号、电容C5滤除直流分量后，由运放U3B再次反相，使得运放U3B的输出信号与光电三极管Q5输出的电压信号保持同相；电阻R20的两端并联电容C6，为高频信号提供反馈通道，减小高频信号的增益，从而对高频信号起到抑制作用。
进一步，如图3所示，带通滤波电路包括串联的电阻R22和电容C8、以及串联的电容C7和电阻R23，电阻R22的一端与运放U3B的输出端连接，电容C8的一端接地，电阻R22与电容C8的串联点与电容C7的一端连接，电阻R23的一端接地，电容C7和电阻R23的串联点与运放U4的同相输入端连接，运放U4的反相输入端接地，电阻R22和电容C8的串联点还通过电阻R24与运放U4的输出端连接，
运放U4的输出端还通过电阻R26连接至反相输入端。
电阻R22和电容C8组成的低通滤波器、电容C7和电阻R23组成的高通滤波器、与运放U4一起形成带通滤波器，使激光二极管LD1闪烁频率附近的信号通过，进一步提高了信号传输的准确性。
运放U4的输出端通过电阻R26连接至反相输入端，形成电压负反馈，有利于减小波形失真。
进一步，如图3所示，滤波电路还包括比较电路，比较电路包括运放U5，运放U5的同相输入端与运放U4的输出端连接，运放U5的反相输入端与基准电压VREF连接，运放U5的输出端用于与二次设备连接。
进一步，如图3所示，还包括串联的电阻R19和电阻R27，电阻R19的一端与电源VDD连接，电阻R27的一端接地，电阻R27两端并联电容C9，电阻R19和电阻R27的串联点输出为基准电压VREF。
本实施例中，通过电阻R19和电阻R27分压将基准电压VREF设定为一个较高的电平，这里为1/4VDD，这样，在没有接收到激光二极管LD1的光信号时，运放U5的输出保持为低电平，避免干扰信号的影响。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.电子取电互感器，包括通过光纤通信的高压侧电路和低压侧电路，所述高压侧电路包括依次连接的罗氏线圈P1、积分电路(1)、采集控制器(2)和激光发射电路(3)，所述二次侧电路包括依次连接的光电转换电路(4)，放大电路(5)和滤波电路(6)，其特征在于，所述积分电路(1)和所述采集控制器(2)之间还连接有缓冲电路(7)，
所述缓冲电路(7)包括场效应管Q2和场效应管Q6，所述场效应管Q2的G极与所述积分电路(1)的输出连接，所述场效应管Q2的S极、所述场效应管Q6的S极均与恒流源电路(8)的输出端连接，所述场效应管Q2的D极、所述场效应管Q6的D极均与电源+15V连接，所述场效应管Q2的D极还与运放U2的反相输入端连接，所述场效应管Q6的D极还与运放U2的同相输入端连接，所述运放U2的输出端连接至所述场效应管Q6的G极，所述运放U2的输出端还与所述采集控制器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的电子取电互感器，其特征在于，所述恒流源电路(8)包括三极管Q3和三极管Q4，所述三极管Q3的基极通过电阻R11接地，所述三极管Q3的射极通过电阻R10连接电源-15V，所述三极管Q3的集电极形成所述恒流源电路(8)的输出端，
所述三极管Q4的基极和集电极均与所述三极管Q3的基极连接，所述三极管Q4的射极通过电阻R9与电源-15V连接。
3.根据权利要求1所述的电子取电互感器，其特征在于，还包括串联的电阻R8和电容C4，所述电阻R8的一端与所述场效应管Q2的D极连接，所述电容C4的一端与所述场效应管Q6的D极连接。
4.根据权利要求1所述的电子取电互感器，其特征在于，所述激光发射电路(3)包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极与所述采集控制器(2)连接，所述三极管Q1的射极接地，所述三极管Q1的集电极依次通过电感L1与电源VCC连接，
所述三极管Q1的集电极还依次通过电容C1、激光二极管LD1接地，所述激光二极管LD1的两端反并联有二极管D1。
5.根据权利要求4所述的电子取电互感器，其特征在于，所述电感L1和电源VCC之间连接有二极管D2。
6.根据权利要求4所述的电子取电互感器，其特征在于，所述光电转换电路(4)包括光电三极管Q5，所述光电三极管Q5用于接收所述激光二极管LD1发出的激光，所述光电三极管Q5的基极通过电阻R12接地，所述光电三极管Q5的射极通过电阻R14接地，所述光电三极管Q5的集电极通过电阻R13与电源VDD连接，所述三极管Q5的射极还与放大电路(5)连接。
7.根据权利要求6所述的电子取电互感器，其特征在于，所述放大电路(5)包括运放U3A，所述运放U3A的反相输入端通过电阻R15与所述光电三极管Q5的射极连接，所述运放U3A的同相输入端接地，所述运放U3A的输出端通过电阻R17连接至反相输入端。
8.根据权利要求7所述的电子取电互感器，其特征在于，所述滤波电路(6)包括依次连接的高通滤波电路(61)和带通滤波电路(62)，所述高通滤波电路(61)包括运放U3B，所述运放U3A的输出端依次通过电阻R18和电容C5与所述运放U3B的反相输入端连接，所述运放U3B的同相输入端接地，所述运放U3B的输出端通过电阻R20连接至反相输入端。
9.根据权利要求8所述的电子取电互感器，其特征在于，所述电阻R20的两端并联有电容C6。
10.根据权利要求8所述的电子取电互感器，其特征在于，所述带通滤波电路(62)包括串联的电阻R22和电容C8、以及串联的电容C7和电阻R23，所述电阻R22的一端与所述运放U3B的输出端连接，所述电容C8的一端接地，所述电阻R22与所述电容C8的串联点与所述电容C7的一端连接，所述电阻R23的一端接地，所述电容C7和电阻R23的串联点与运放U4的同相输入端连接，所述运放U4的反相输入端接地，所述电阻R22和电容C8的串联点还通过电阻R24与所述运放U4的输出端连接，
所述运放U4的输出端还通过电阻R26连接至反相输入端。
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