CN113156191A - 电子式互感器信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子式互感器信号采集装置，涉及电力系统的配电设备技术领域，本发明包括用于将配电网中的高电压或大电流转换成低电压信号或小电流信号的电子式互感器、用于分析电压信号或电流信号的测控终端和连接于电子式互感器与测控终端之间的模数转换电路，电子式互感器与模数转换电路之间连接有采集电路，采集电路包括依次连接的运放前保护模块、第一低通滤波模块、电压跟随模块、比例缩放模块、滤高频模块和第二低通滤波模块。本发明针对中压配网采集电压电流的电子式互感器输出的模拟小信号，所设计的采集电路实现简单、成本低廉，仅仅需要通用运放与阻容即可实现高精度高阻抗模拟小信号电压采集。

Description

电子式互感器信号采集装置

技术领域

本发明涉及电力系统的配电设备技术领域，具体而言，涉及一种电子式互感器信号采集装置。

背景技术

在中压(10KV)配网自动化监控领域，通过实时采集高压母线上的电压值和电流值经专用软件算法以监控当前线路运行的状态(正常、短路、断线、接地、过负荷、过压、欠压等)是目前最常用的做法。目前采集高压母线线路的电压和电流有二种方案：一种是基于传统电磁互感器的方式，将高电压与大电流通过电压互感器/电磁电流互感器转换成小电压与小电流信号，通过电缆方式输送给测控终端，测控终端对该信号实时采集并计算；另外一种是新型电子式采集方案，方法是将高电压大电流通过电子式电压互感器转换成幅值较小的电压信号，此方案较传统采集方式相比在体积上更小、集成度更高、功耗更小且不会发生磁饱和、安装难度更低。因此该方案随着中压配网自动化的快速发展也逐步进入大量使用阶段，但由于电子式互感器输出阻抗大、输出电压幅值低，容性负载低、导致抗干扰能力弱，在外界极强的电磁干扰情况下，通过电缆长距离传输到测控终端，测控终端如何实时高精度采集这种模拟小信号成为产品设计的最大难点。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种电子式互感器信号采集装置，以提高测控终端信息采集的精确性。

本发明的实施例是这样实现的：

一种电子式互感器信号采集装置，包括用于将配电网中的高电压或大电流转换成低电压信号或小电流信号的电子式互感器、用于分析上述电压信号或上述电流信号的测控终端和连接于上述电子式互感器与上述测控终端之间的模数转换电路，上述电子式互感器与上述模数转换电路之间连接有采集电路，上述采集电路包括依次连接的运放前保护模块、第一低通滤波模块、电压跟随模块、比例缩放模块、滤高频模块和第二低通滤波模块。

在本发明的一些实施例中，上述运放前保护模块包括并联在上述电子式互感器输出端上的放电管GDT4或寄生电容保护器件。

在本发明的一些实施例中，上述放电管GDT4或上述寄生电容保护器件的两端并联有电阻R64。

在本发明的一些实施例中，上述运放前保护模块包括双向瞬态抑制二极管TVS22，上述双向瞬态抑制二极管TVS22的两端分别通过电阻R59与电阻R67与上述电阻R64的两端连接，上述双向瞬态抑制二极管与上述电阻R67的连接端作接地处理。

在本发明的一些实施例中，上述第一低通滤波模块包括电阻R60和电容C69，上述电阻R60的前端与上述运放前保护模块的输出端连接，上述电阻R60的后端与上述电压跟随模块的输入端连接，上述电容C69的一端与上述电阻R60的后端连接、另一端接地。

在本发明的一些实施例中，上述电压跟随模块包括运算放大器U22A和反馈电阻R53，上述运算放大器U22A的同向输入端与上述第一低通滤波器的输出端串接，上述运算放大器U22A的输出端串接上述反馈电阻R53后与反向输入端连接。

在本发明的一些实施例中，上述比例缩放模块包括运算放大器U22B、反馈电阻R54、输入电阻R56和平衡电阻，上述输入电阻R56串接在上述电压跟随模块的输出端与上述运算放大器U22B的反向输入端之间，上述运算放大器U22B的输出端连接上述反馈电阻R54后与反向输入端连接，上述运算放大器U22B的同向输入端连接上述平衡电阻后接地。

在本发明的一些实施例中，上述滤高频模块由电容C61与上述反馈电阻R54并联构成。

在本发明的一些实施例中，上述第二低通滤波模块的输入端与上述比例缩放模块的输出端连接，上述第二低通滤波模块的输出端与上述模数转换电路连接。

在本发明的一些实施例中，上述第二低通滤波模块包括电阻R61和电容C70，上述电阻R61的前端与上述比例缩放模块的输出端连接，上述电阻R61的后端与上述模数转换电路连接，上述电容C70的一端与上述电阻R61的后端连接、另一端接地。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

在本发明中，电子式互感器信号采集装置主要由电子式互感器、采集电路、模数转换电路及测控终端几个板块构成。示例性的，电子式互感器为电压互感器，设置在电压互感器与测控终端之间的采集电路可保证测控终端能够实时高精度的采集到电压互感器传递过来的电压信号。其中，采集电路主要包括运放前保护模块、第一低通滤波模块、电压跟随模块、比例缩放模块、滤高频模块和第二低通滤波模块等。这些模块的作用及效果如下：

运放前保护模块可防止出现超出后级电路承受范围的电压信号、电流信号涌入后级，另外，还可吸收、综合外界的其他干扰，避免对后级电路造成过大的影响，可对后面各级电路起保护作用；

第一低通滤波模块可滤出输入运放前模拟信号上的高频干扰，提高测控终端信号采集的精确性；

在发明实施例中，电压跟随模块为电压跟随器，电压跟随器的显著特点就是输入阻抗高，而输出阻抗低，在电路中可起到缓冲的作用。由于电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器进行缓冲，起到承上启下的作用；

比例缩放模块可将前级输入的信号进行比例缩放(放大或者缩小)，以满足后级模数转换电路对该输入信号工作范围的要求；

滤高频模块可滤出、吸收掉滤出比例缩放后的模拟信号上的高频干扰，提高测控终端信号采集的精确性；

第二低通滤波模块为本实施例中，模拟信号涌入模数转换电路前的最后一道过滤步骤，可滤出比例缩放后的高频干扰信号，给模数转换电路提供一个干净的模拟量信号，提高测控终端信号采集的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一种电子式互感器信号采集装置一实施例的电路框图；

图2为本发明一种电子式互感器信号采集装置一实施例中采集电路的电路原理图。

图标：1-运放前保护模块；2-第一低通滤波模块；3-电压跟随模块；4-比例缩放模块；5-滤高频模块；6-第二低通滤波模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1和图2，本实施例提供一种电子式互感器信号采集装置，其包括用于将配电网中的高电压或大电流转换成低电压信号或小电流信号的电子式互感器、用于分析上述电压信号或上述电流信号的测控终端和连接于上述电子式互感器与上述测控终端之间的模数转换电路，上述电子式互感器与上述模数转换电路之间连接有采集电路，上述采集电路包括依次连接的运放前保护模块1、第一低通滤波模块2、电压跟随模块3、比例缩放模块4、滤高频模块5和第二低通滤波模块6。

在本实施例中，电子式互感器信号采集装置主要由电子式互感器、采集电路、模数转换电路及测控终端几个板块构成。示例性的，电子式互感器为电压互感器，设置在电压互感器与测控终端之间的采集电路可保证测控终端能够实时高精度的采集到电压互感器传递过来的电压信号。

采集电路主要包括运放前保护模块1、第一低通滤波模块2、电压跟随模块3、比例缩放模块4、滤高频模块5和第二低通滤波模块6等。这些模块的作用及效果如下：

运放前保护模块1可防止出现超出后级电路承受范围的电压信号、电流信号涌入后级，另外，还可吸收、综合外界的其他干扰，避免对后级电路造成过大的影响，可对后面各级电路起保护作用；

第一低通滤波模块2可滤出输入运放前模拟信号上的高频干扰，提高测控终端信号采集的精确性；

在本实施例中，电压跟随模块3为电压跟随器，电压跟随器的显著特点就是输入阻抗高，而输出阻抗低，在电路中可起到缓冲的作用。由于电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器进行缓冲，起到承上启下的作用；

比例缩放模块4可将前级输入的信号进行比例缩放(放大或者缩小)，以满足后级模数转换电路对该输入信号工作范围的要求；

滤高频模块5可滤出、吸收掉滤出比例缩放后的模拟信号上的高频干扰，提高测控终端信号采集的精确性；

第二低通滤波模块6为本实施例中，模拟信号涌入模数转换电路前的最后一道过滤步骤，可滤出比例缩放后的高频干扰信号，给模数转换电路提供一个干净的模拟量信号，提高测控终端信号采集的精确性。

实施例2

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述运放前保护模块1包括并联在上述电子式互感器输出端上的放电管GDT4或寄生电容保护器件。

在本实施例中，运放前保护模块1包括连接在采集电路输入端(电子式互感器输出端)的放电管GDT4或寄生电容保护器件，示例性的，在本实施例中为放电管GDT4(如图2所示)。从结构上讲，可将气体放电管看成一个具有很小电容的对称开关，在正常工作条件下它是关断的，其极间电阻达兆欧级以上。当浪涌电压超过电路系统的耐压强度时，气体放电管被击穿而发生弧光放电现象，由于弧光电压低，仅为几十伏，从而可在短时间内限制了浪涌电压的进一步上升。气体放电管就是利用上述原理来限制浪涌电压，对电路起过压保护作用的。

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述放电管GDT4或上述寄生电容保护器件的两端并联有电阻R64。

另外，在本实施例中，在放电管GDT4的两端还并联有高阻抗短接电阻R64。当输入端Ux模拟信号断开时，由于运放输入阻抗极高，容易受到干扰而损坏器件，接入R64电阻，在Ux断开时，提供一个干扰回流路径，防止干扰信号损坏运放。

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述运放前保护模块1还包括双向瞬态抑制二极管TVS22，上述双向瞬态抑制二极管TVS22的两端分别通过电阻R59与电阻R67与上述电阻R64的两端连接，上述双向瞬态抑制二极管与上述电阻R67的连接端作接地处理。

在本实施例中，运放前保护模块1还包括双向瞬态抑制二极管TVS22、电阻R59和电阻R67。

其中，双向瞬态抑制二极管是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。在本实施例中，双向瞬态抑制二极管TVS22可作为电磁兼容防护器件，吸收GDT4在吸收干扰时产生的残余干扰电压。

另外，电阻R59为保护限电流电阻，当浪涌干扰信号串入Ux，GDT4动作吸收干扰信号，由于放电管特性，保护有仍有较大的残压，该残压通过R59大电阻限流后确保不会对后级电路产生损坏。电阻R67为Un接地电阻，采用电阻分隔短接，可增强系统的抗干扰能力。

实施例3

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述第一低通滤波模块2包括电阻R60和电容C69，上述电阻R60的前端与上述运放前保护模块1的输出端连接，上述电阻R60的后端与上述电压跟随模块3的输入端连接，上述电容C69的一端与上述电阻R60的后端连接、另一端接地。

在本实施例中，第一低通滤波模块2是由电阻R60和电容C69组成的一阶低通滤波器，从运放前保护模块1传输来的模拟信号上的高频干扰会经电容C69流出，流入运放输入端的模拟信号会更加精确，可提高信号传输的准确性。

实施例4

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述电压跟随模块3包括运算放大器U22A和反馈电阻R53，上述运算放大器U22A的同向输入端与上述第一低通滤波模块2的输出端串接，上述运算放大器U22A的输出端串接上述反馈电阻R53后与反向输入端连接。

在本实施例中，电压跟随模块3为电压跟随器，该电压跟随器由运算放大器U22A和反馈电阻R53构成并由外部提供±15V供电电压。运算放大器U22A的同向输入端与第一低通滤波器的输出端串接，反馈电阻R53串接在运算放大器U22A的输出端与反向输入端之间。

电压跟随器能够给前级电路提供足够高的输入阻抗，否则过小的输入阻抗会引起电子式互感器输出模拟量小信号Ux严重失真。且给下一级电路提供足够小的输出阻抗，增强系统驱动能力。

实施例5

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述比例缩放模块4包括运算放大器U22B、反馈电阻R54、输入电阻R56和平衡电阻，上述输入电阻R56串接在上述电压跟随模块3的输出端与上述运算放大器U22B的反向输入端之间，上述运算放大器U22B的输出端连接上述反馈电阻R54后与反向输入端连接，上述运算放大器U22B的同向输入端连接上述平衡电阻后接地。

在本实施例中，比例缩放模块4由运算放大器U22B、反馈电阻R54、输入电阻R56和平衡电阻构成。其中，平衡电阻的阻值应等于反馈电阻与输入电阻并联后的阻值，以实现理论的放大倍数。在本实施例中，平衡电阻R62与R65并联后的阻值等于R54与R56并联后的阻值。其闭环电压放大倍数。设计者可通过调整该比例，以满足后级模数转换采集电路对该输入信号工作范围的要求。

实施例6

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述滤高频模块5由电容C61与上述反馈电阻R54并联构成。

在本实施例中，在反馈电阻R54上还并联有电容C61，电容C61与电阻R54可构成一个高频滤波器，经运算放大器U22B输出端输出的模拟信号中的高频信号可经电容C61回流，可提高输入模数转换电路的模拟信号的精确性。

实施例7

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述第二低通滤波模块6的输入端与上述比例缩放模块4的输出端连接，上述第二低通滤波模块6的输出端与上述模数转换电路连接。

在本实施例中，在比例缩放模块4及滤高频模块5后还连接有第二低通滤波模块6，第二低通滤波模块6是本采集电路中最后一道过滤程序。由前级电路输出的模拟信号，经述第二低通滤波模块6过滤后便进入模数转换电路，由数模转换电路将(标准的)模拟电压信号或电流信号转化为数字量，然后传送给检测终端，由检测终端经专用软件算法计算后以诊断出当前线路运行的状态(正常、短路、断线、接地、过负荷、过压、欠压等)。

请参照图2，在本发明一些实施例中，上述第二低通滤波模块6包括电阻R61和电容C70，上述电阻R61的前端与上述比例缩放模块4的输出端连接，上述电阻R61的后端与上述模数转换电路连接，上述电容C70的一端与上述电阻R61的后端连接、另一端接地。

在本实施例中，第二低通滤波模块6可以为一阶低通滤波器、二阶低通滤波器等。在本实施例中以最为简约的一阶低通滤波器为例。该第二低通滤波模块6由电阻R61和电容C70构成，经上述实施例5中运算放大器U22B输出端输出的模拟信号上的高频干扰，一部分经上述高频滤波模块回流一部分经电容C70过滤掉，可有效提高输入模数转换电路的模拟信号的精确性。

综上，本发明的实施例提供一种电子式互感器信号采集装置具有如下有益效果：

在本发明中，电子式互感器信号采集装置主要由电子式互感器、采集电路、模数转换电路及测控终端几个板块构成。示例性的，电子式互感器为电压互感器，设置在电压互感器与测控终端之间的采集电路可保证测控终端能够实时高精度的采集到电压互感器传递过来的电压信号。

采集电路主要包括运放前保护模块1、第一低通滤波模块2、电压跟随模块3、比例缩放模块4、滤高频模块5和第二低通滤波模块6等。这些模块的作用及效果如下：

运放前保护模块1可防止出现超出后级电路承受范围的电压信号、电流信号涌入后级，另外，还可吸收、综合外界的其他干扰，避免对后级电路造成过大的影响，可对后面各级电路起保护作用；

第一低通滤波模块2可滤出输入运放前模拟信号上的高频干扰，提高测控终端信号采集的精确性；

在发明实施例中，电压跟随模块3为电压跟随器，电压跟随器的显著特点就是输入阻抗高，而输出阻抗低，在电路中可起到缓冲的作用。由于电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器进行缓冲，起到承上启下的作用；

比例缩放模块4可将前级输入的信号进行比例缩放(放大或者缩小)，以满足后级模数转换电路对该输入信号工作范围的要求；

滤高频模块5可滤出、吸收掉滤出比例缩放后的模拟信号上的高频干扰，提高测控终端信号采集的精确性；

第二低通滤波模块6为本实施例中，模拟信号涌入模数转换电路前的最后一道过滤步骤，可滤出比例缩放后的高频干扰信号，给模数转换电路提供一个干净的模拟量信号，提高测控终端信号采集的精确性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种电子式互感器信号采集装置，包括用于将配电网中的高电压或大电流转换成低电压信号或小电流信号的电子式互感器、用于分析所述电压信号或所述电流信号的测控终端和连接于所述电子式互感器与所述测控终端之间的模数转换电路，其特征在于，所述电子式互感器与所述模数转换电路之间连接有采集电路，所述采集电路包括依次连接的运放前保护模块、第一低通滤波模块、电压跟随模块、比例缩放模块、滤高频模块和第二低通滤波模块。

2.根据权利要求1所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述运放前保护模块包括并联在所述电子式互感器输出端上的放电管GDT4或寄生电容保护器件。

3.根据权利要求2所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述放电管GDT4或所述寄生电容保护器件的两端并联有电阻R64。

4.根据权利要求3所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述运放前保护模块包括双向瞬态抑制二极管TVS22，所述双向瞬态抑制二极管TVS22的两端分别通过电阻R59与电阻R67与所述电阻R64的两端连接，所述双向瞬态抑制二极管与所述电阻R67的连接端作接地处理。

5.根据权利要求1所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述第一低通滤波模块包括电阻R60和电容C69，所述电阻R60的前端与所述运放前保护模块的输出端连接，所述电阻R60的后端与所述电压跟随模块的输入端连接，所述电容C69的一端与所述电阻R60的后端连接、另一端接地。

6.根据权利要求1所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述电压跟随模块包括运算放大器U22A和反馈电阻R53，所述运算放大器U22A的同向输入端与所述第一低通滤波模块的输出端串接，所述运算放大器U22A的输出端串接所述反馈电阻R53后与反向输入端连接。

7.根据权利要求1所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述比例缩放模块包括运算放大器U22B、反馈电阻R54、输入电阻R56和平衡电阻，所述输入电阻R56串接在所述电压跟随模块的输出端与所述运算放大器U22B的反向输入端之间，所述运算放大器U22B的输出端连接所述反馈电阻R54后与反向输入端连接，所述运算放大器U22B的同向输入端连接所述平衡电阻后接地。

8.根据权利要求7所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述滤高频模块由电容C61与所述反馈电阻R54并联构成。

9.根据权利要求1所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述第二低通滤波模块的输入端与所述比例缩放模块的输出端连接，所述第二低通滤波模块的输出端与所述模数转换电路连接。

10.根据权利要求9所述的电子式互感器信号采集装置，其特征在于，所述第二低通滤波模块包括电阻R61和电容C70，所述电阻R61的前端与所述比例缩放模块的输出端连接，所述电阻R61的后端与所述模数转换电路连接，所述电容C70的一端与所述电阻R61的后端连接、另一端接地。

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