CN113922787A - 用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路及方法 - Google Patents

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夏桃芳
詹世安
李建新
高琛
詹文
丁忠安
陈前
鄢盛腾
王雅平
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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Abstract

本发明提出一种用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路及方法，对特征电流所在的频段进行针对性采集、放大，并且对分支电流线上较大的基波（50Hz）电流进行抑制，防止在进入处理器分析之前，调理电路的增益受基波电流大小的限制。为此，提出将罗氏线圈的输出信号与高阶有源滤波电路相连接。将所需特征频段的电流分量针对性的提取、放大，并对特征频段外的电流分量进行有效的抑制，尤其是抑制基波50Hz的电流信号。

Description

用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路及方法
技术领域
本发明属于配电自动化技术领域，尤其涉及一种用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路及方法。
背景技术
在电力系统中，低压拓扑关系包含“户变关系”以及“户表与变压器分支关系”。“台区”是指一台变压器的供电区域，“户变关系”是指台区内各个用电客户与台区供电变压器的供电归属关系，“户表与变压器分支关系”是指各个用电客户与台区供电变压器下的分支的供电归属关系。准确的拓扑关系在电力系统运行优化、低压配电监测及故障研判、线损计算等应用中尤为重要。
在低压拓扑关系识别过程中，一台小巧便携的拓扑关系识别设备可以大大提高现场操作人员的工作效率。在识别过程中，设备往往要采集低压线路分支电流来进行拓扑关系的确认。
低压线路分支处的电流最大可能达到千安培级别，现有的技术方案主要有两种：
1、一种是采用大量程的电流互感器，但是大量程意味着有较大的磁芯，互感器较为笨重，不满足分析设备便携、灵活测试的需求。
2、一种是采用罗氏线圈对大电流信号进行采集。由于罗氏线圈不含磁芯，因此不存在磁滞效应和磁芯饱和，几乎没有相位误差，可测量频率范围宽，可以测量千安培级别的大电流。相比传统的电流互感器，罗氏线圈体积小、质量轻、操作安全。但是罗氏线圈的输出是与被测电流的微分成正比的微弱电压信号，该信号在进入处理器进一步分析之前往往需要积分、放大、滤波来还原被测电流信号，其信号调理电路需要多模块电路串联，结构复杂、成本高。
根据上文所述，罗氏线圈输出的微弱电压信号往往需要先进行前置放大、无源或有源积分后，再进行有源或无源滤波来还原被测的电流信号，最后进入处理器分析处理。
上述的放大、积分、滤波的信号调理电路是由较多的模拟元器件搭建而成，包括电阻、电容、运放等模拟元器件。长时间工作会导致模拟器件的寄生参数发生变化不可避免的会引入额外的误差，影响整个调理电路的可靠性。
当前解决以上缺点的方法主要为：
1、使用高精度阻容及高性能运算放大器提高调理电路的可靠性，但会大大提高电路成本，电路的复杂性依然没有得到改善。
2、使用数字积分器，完全利用软件实现积分和滤波，但前端放大电路不可缺少，依然需要前端模拟电路来对信号进行放大以满足处理器的要求，且软件积分解决方案将耗费更多的处理器算力，增加功耗及器件成本。
此外，在低压拓扑关系识别过程中，往往需要在较大基波(50Hz)电流背景下提取需要分析的特征频段电流，并对基波电流背景进行有效抑制，防止处理器采集的信号强度受基波电流强度的限制。
发明内容
针对现有方案存在的缺陷和不足，本发明一种用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路及方法，其采用罗氏线圈采集一次侧电流，对罗氏线圈的输出信号通过有源滤波的信号调理方式，实现特征频段电流的提取、放大并对带外电流信号进行有效抑制。
本发明方案主要是为了适配便携式的电力设备中的低压拓扑关系识别的功能而提出的。由于低压拓扑关系识别是通过对线路中的特征频段电流进行采集、还原、放大来进一步分析低压拓扑关系，本方案对特征电流所在的频段进行针对性采集、放大，并且对分支电流线上较大的基波(50Hz)电流进行抑制，防止在进入处理器分析之前，调理电路的增益受基波电流大小的限制。为此，提出将罗氏线圈的输出信号与高阶有源滤波电路相连接。将所需特征频段的电流分量针对性的提取、放大，并对特征频段外的电流分量进行有效的抑制，尤其是抑制基波50Hz的电流信号
其具体采用以下技术方案：
一种用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路，其特征在于，包括：相连接的罗氏线圈和高阶有源滤波电路；所述罗氏线圈用于采集一次侧电流，其输出信号通过高阶有源滤波电路的有源滤波的信号调理方式，将所需特征频段的电流分量针对性的提取、放大，并对特征频段外的电流分量进行抑制。
进一步地，所述高阶有源滤波电路抑制基波50Hz的电流信号。
进一步地，所述高阶有源滤波电路采用四阶MFB型有源带通滤波电路。
进一步地，所述四阶MFB型有源带通滤波电路中：电阻Ro的两端分别连接罗氏线圈的两端作为信号输入端，其中一端接地，另一端连接电阻R1的一端；电阻R1的另一端分别连接电阻R2、电容C1和电容C2的一端；电阻R2的另一端接地，电容C1的另一端连接第一运算放大器的正向输入端和电阻R3的一端，电容C2的另一端连接电阻R3的另一端、第一运算放大器的输出端和电阻R4的一端；第一运算放大器的负向输入端接地；电阻R4的另一端分别连接电阻R5、电容C3和电容C4的一端；电阻R5的另一端接地，电容C3的另一端连接第二运算放大器的正向输入端和电阻R6的一端，电容C4的另一端连接电阻R6的另一端和第二运算放大器的输出端作为信号输出端；第二运算放大器的负向输入端接地。
进一步地，所述罗氏线圈的工作表达式如下：
Figure BDA0003293784110000031
其中M为一次电流与罗氏线圈之间的互感系数，i(t)为一次侧电流，t表示时间；
对罗氏线圈输出电压关系式进行拉普拉斯变换：
Figure BDA0003293784110000032
令s＝jω，得到在频域表达式：e(jω)＝jωMi(jω)；
所述四阶MFB型有源带通滤波电路的传递函数表示为：
Figure BDA0003293784110000033
电路的输出Vout为：
Figure BDA0003293784110000041
一种用于低压拓扑识别的信号采集与调理方法，其特征在于：将罗氏线圈和高阶有源滤波电路连接；所述罗氏线圈用于采集一次侧电流，其输出信号通过高阶有源滤波电路的有源滤波的信号调理方式，将所需特征频段的电流分量针对性的提取、放大，并对特征频段外的电流分量进行抑制。
进一步地，利用所述高阶有源滤波电路抑制基波50Hz的电流信号。
相比于现有技术，本发明及其优选方案具有以下优势：
1、相较于传统的电流互感器，采用罗氏线圈柔性传感器，具有便携、安全、无磁芯饱和、无磁滞效应且测量频带宽等优点。
2、提出的罗氏线圈的信号调理方法相较于传统的调理电路，不需要积分及放大等单功能电路，仅利用高阶有源滤波方法就实现了对一次侧电流的特征频段的提取、还原、放大等一系列处理。具有结构简单、误差引入小、简单有效等优点。
3、提出的罗氏线圈的信号调理电路结构简单，硬件成本低，无需后续处理器进一步软件滤波，降低了处理器用于软件滤波的算力消耗，也间接降低了后端处理器的硬件成本。
4、提出的罗氏线圈的信号调理方法，应用在拓扑关系识别的信号采集过程中具备明显优势。更一般的说，本方法对于较大的基波电流背景下提取特定频率范围的电流分量并抑制基波电流干扰的问题，提出了一个简单有效的解决方法。
5、提出的罗氏线圈的信号调理方法，可以根据实际应用场景对元器件参数进行重新设计，可以在所用运放放大器的带宽所允许下，实现不同频段内的电流分量的提取、放大或者剔除、抑制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例电路结构示意图；
图2是本发明实施例频谱分析示意图；
图3是本发明实施例电路测试一次侧电流示意图；
图4是本发明实施例电路测试调理电路输出示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本实施例提出将罗氏线圈的输出信号与高阶有源滤波电路相连接。将所需特征频段的电流分量针对性的提取、放大，并对特征频段外的电流分量进行有效的抑制，尤其是抑制基波50Hz的电流信号。电路结构如图1所示:
罗氏线圈输出的微弱电压信号作为所设计的调理电路的输入，其中调理电路部分为一个四阶MFB型有源带通滤波电路，所设计的调理电路将罗氏线圈输出的微弱电压信号进行滤波及放大，可以省去单独的积分电路及放大电路，直接实现特征电流信号频段的提取、还原、放大以及带外的抑制。
从原理上分析：罗氏线圈检测电流的基本原理是按照安倍定律和法拉第电磁感应定律，当线圈一定且不变时，其互感系数M为确定值，罗氏线圈绕组的输出感应电动势与被测电流随时间变化的变化率成正比，即罗氏线圈的输出感应信号是电流对时间的微分信号。罗氏线圈的工作表达式如下：
Figure BDA0003293784110000051
其中M为一次电流与罗氏线圈之间的互感系数，i(t)为一次侧电流。
对罗氏线圈输出电压关系式进行拉普拉斯变换：
Figure BDA0003293784110000052
令s＝jω，得到在频域表达式：e(jω)＝jωMi(jω)。
为了获得更好的带外抑制能力，信号调理电路部分设计了一个四阶MFB型有源带通滤波电路，其是由两个二阶MFB型有源带通滤波器级联而成的，其传递函数可以表示为：
Figure BDA0003293784110000061
那么电路的输出Vout为：
Figure BDA0003293784110000062
下面结合实例对发明的技术方法做进一步说明，但并不局限于此，凡是对发明技术方法进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
结合图1，本实例所设计的调理电路中包含的有源带通滤波电路的中心频率为1KHz，通带为200Hz，对一次侧电流的通带增益为25.8dB，目的为在较大的基波(50Hz)电流下，提取0.9KHz～1.1KHz频段的电流分量对其进行放大，并对基波(50Hz)电流进行有效的抑制。在本实例中，罗氏线圈的互感系数为：M＝35μH,滤波器各项元件参数为：Ro＝1MΩ、R1＝8.2KΩ、R2＝1.4KΩ、R2＝240KΩ、R4＝7.5KΩ、R5＝1.2KΩ、R6＝210KΩ、C1＝C2＝C3＝C4＝10nF。
那么本实例的输出电压与一次侧电流的关系为：
Figure BDA0003293784110000063
对上式进行频谱分析：
从图2可以看出，本方法对一次侧电流呈频率选择性，对50Hz频率基波电流有-79.1dB的抑制，对1KHz频率的电流有25.8dB的增益，即对1KHz中心频率，200Hz通带内的信号有25.8dB左右的信号增益，对带外信号有较强的抑制尤其是50Hz有-79.1dB的抑制。
在实际电路中进行测试，如下两图所示，图3为一次侧电流，其由峰值为500安培的50Hz电流分量以及峰值为0.1安培1KHz电流分量叠加而成。经过本方法调理电路处理后，其输出如图4所示，可以看出本方法可以有效提取通带内频率分量1KHz并将其放大25.8dB，并对50Hz的电流分量进行了有效抑制。
从以上实例可以看出，本发明提出了一种用于低压拓扑识别的信号采集与调理方案，首次将罗氏线圈输出的信号与所设计的有源滤波电路相结合来进行大电流信号的采集与调理方法，该调理电路将罗氏线圈输出的微弱的、正比于一次侧电流微分的电压信号由有源滤波电路直接提取并还原放大，并对一次侧较大的基波电流进行有效抑制，防止基波电流干扰。电路简单、成本低、简单有效。
1、该方案可以实现罗氏线圈不需要单独的积分电路及放大电路，仅通过所提出的调理电路，即高阶有源滤波方法就可以实现对罗氏线圈输出的微弱电压信号的提取、还原、放大。
2、该方案可以实现对所设计的特定频段电流信号的提取及放大，并对带外的电流信号有较强的抑制。
3、本方案中的实例电路仅为有源滤波电路的其中一种表现形式作为一种优选方案，实际应用中可以也根据所需提取的特征频段对这部分调理电路进行电路元件参数的重新设计，来实现运放带宽内的任意频段的提取及抑制。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路，其特征在于，包括：相连接的罗氏线圈和高阶有源滤波电路；所述罗氏线圈用于采集一次侧电流，其输出信号通过高阶有源滤波电路的有源滤波的信号调理方式，将所需特征频段的电流分量针对性的提取、放大，并对特征频段外的电流分量进行抑制。
2.根据权利要求1所述的用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路，其特征在于：所述高阶有源滤波电路抑制基波50Hz的电流信号。
3.根据权利要求2所述的用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路，其特征在于：所述高阶有源滤波电路采用四阶MFB型有源带通滤波电路。
4.根据权利要求3所述的用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路，其特征在于：所述四阶MFB型有源带通滤波电路中：电阻Ro的两端分别连接罗氏线圈的两端作为信号输入端，其中一端接地，另一端连接电阻R1的一端；电阻R1的另一端分别连接电阻R2、电容C1和电容C2的一端；电阻R2的另一端接地，电容C1的另一端连接第一运算放大器的正向输入端和电阻R3的一端，电容C2的另一端连接电阻R3的另一端、第一运算放大器的输出端和电阻R4的一端；第一运算放大器的负向输入端接地；电阻R4的另一端分别连接电阻R5、电容C3和电容C4的一端；电阻R5的另一端接地，电容C3的另一端连接第二运算放大器的正向输入端和电阻R6的一端，电容C4的另一端连接电阻R6的另一端和第二运算放大器的输出端作为信号输出端；第二运算放大器的负向输入端接地。
5.根据权利要求4所述的用于低压拓扑识别的信号采集与调理电路，其特征在于：
所述罗氏线圈的工作表达式如下：
Figure FDA0003293784100000011
其中M为一次电流与罗氏线圈之间的互感系数，i(t)为一次侧电流，t表示时间；
对罗氏线圈输出电压关系式进行拉普拉斯变换：
Figure FDA0003293784100000012
令s＝jω，得到在频域表达式：e(jω)＝jωMi(jω)；
所述四阶MFB型有源带通滤波电路的传递函数表示为：
Figure FDA0003293784100000021
电路的输出Vout为：
Figure FDA0003293784100000022
6.一种用于低压拓扑识别的信号采集与调理方法，其特征在于：将罗氏线圈和高阶有源滤波电路连接；所述罗氏线圈用于采集一次侧电流，其输出信号通过高阶有源滤波电路的有源滤波的信号调理方式，将所需特征频段的电流分量针对性的提取、放大，并对特征频段外的电流分量进行抑制。
7.根据权利要求6所述的用于低压拓扑识别的信号采集与调理方法，其特征在于：利用所述高阶有源滤波电路抑制基波50Hz的电流信号。
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