CN114252836A - 一种电流互感器采样和状态检测电路的检测方法 - Google Patents

一种电流互感器采样和状态检测电路的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，针对现有检测电路成本高且方式不能兼顾电流有效值获得和互感器状态判断的问题，采用技术方案如下：一种电流互感器采样和状态检测的电路，包括连接在电流互感器的输出端的采样电阻，与所述采样电阻并联的信号处理单元，连接在采样电阻的一端和外接电源之间的上拉电阻，一端连接采样电阻的另一端、另一端接地的下拉电阻，电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，包括步骤1，获得电流数字信号；步骤2，获得交流数据；步骤3，获得直流数据并判断是否短路；步骤4，判断是否断路。仅增加上拉电阻和下拉电阻，增加的物料成本较低，且能够获得正常状态下的电流有效值，并检测互感器状态。

Description

一种电流互感器采样和状态检测电路的检测方法
技术领域
本发明专利涉及电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，主要应用在产品需要外接互感器的场景。
背景技术
现有计量芯片或者ADC采样电流互感器主要用于电流有效值、功率、电能的计算。但互感器的接线的状态，通过计量芯片或者ADC采样直接计算不出来。互感器的接线的情况如正常接线、短路、断线监控，能够为正常电量参数的计算和电气安全报警提供有力的数据支撑。
现有专利提供一种互感器状态检测电路，包括互感器检测器，还包括多谐振荡电路、间歇驱动电路与开关电路；多谐振荡电路以输出多谐振荡信号；间歇驱动电路耦接于多谐振荡电路以接收多谐振荡信号，并输出间歇控制信号；开关电路耦接于间歇驱动电路以接收间歇控制信号，并响应于间歇控制信号以驱动互感器检测器工作，本发明的一种互感器状态检测电路，通过间歇性驱动以达到降低功耗，避免出现电路发热的情况，达到了稳定、节能的效果。但其具有一定问题：互感器的状态检查通过增加主动激励信号去检查信号的输出，需要增加比较多的电路元器件，算法较为复杂，会增加成本，并且只能获得正常状态下的电流有效值，并不能对互感器状态进行判断。
发明内容
本发明一种电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，在现有电路基础上仅增加几个电阻，参数的选择以及检测方法，可以解决成本问题，还能在获得电流有效值同时对互感器状态进行判断。
本发明是通过以下技术方案来实现：一种电流互感器采样和状态检测的电路，包括：
采样电阻，连接在电流互感器的输出端，用于将电流互感器的输出装换为模拟电压值；
信号处理单元，其采样信号端与所述采样电阻并联，将采样电阻上的模拟电压信号转换为数字信号，以得到电流有效值以及其他电流相关的参量；
上拉电阻，连接在采样电阻的一端和外接电源之间；
下拉电阻，其一端连接采样电阻的另一端，另一端接地；目的是在采样电阻上固定产生一个额外的直流分量；
上述电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，包括：
步骤1，获得电流数字信号：通过电流互感器和采样电阻在采样电阻上形成线性关系的模拟电压信号，根据采样电阻阻值、互感器内阻阻值、上拉电阻阻值、下拉电阻阻值在信号处理单元处设定短路阈值和断开阈值，通过信号处理单元将采样电阻上的模拟电压信号转换为数字信号，获得一个周波的全波波形数据；
步骤2，获得交流数据：信号处理单元采用高通滤波方式，滤除步骤1中模拟电压信号的直流偏置信号，通过方均根值获得交流分量的有效值、利用FFT 算法获得电流谐波畸变率、电流谐波有效值；
步骤3，获得直流数据并判断是否短路：将步骤1获得的模拟电压信号获取的原始采样波形数据求和后平均得到直流偏置值，判断直流偏置值是否连续多次小于短路阈值，是判断为短路故障；否，则进行步骤4；
步骤4，判断是否断路：剔除采样电阻上的模拟电压信号获取的原始采样数波形数据中的干扰数据，依次进行求和平均，获得直流偏置值，判断直流偏置值是否连续多次大于断开阈值，是，则判断为断开状态；否，则判断为正常状态，获得电流有效值。
只需要在采样电阻上增加上拉电阻和下拉电阻就能实现互感器状态监测，增加的物料成本较低，且能够同时获得正常状态下的电流有效值，同时能够对互感器状态进行检测。
作为一种优选，步骤4中，剔除采样电阻上的模拟电压信号获取的原始采样数波形数据中的干扰数据的方式为：
对电流谐波畸变率和电流谐波有效值进行分析，当电流谐波畸变率增大或减少超过20％，电流谐波有效值增大或减少超过电流额定值的20％时，则这次波形数据丢弃。
作为另一种优选，步骤4中，剔除采样电阻上的模拟电压信号获取的原始采样数波形数据中的干扰数据的方式为：
计算步骤1获得的全波波形数据中电流数据量的最大值和最小值，当电流数据量的最大值大于理论的最大值的1.5倍时，或当电流数据量的最小值小于理论值的最小值的1.5倍，则这次波形数据丢弃。
在电流校准的时候，保存的数字量最大值作为理论最大值，保存的数字量最小值为理论最小值。
进一步地，所述上拉电阻和所述下拉电阻的阻值相同，且大于5倍的采样电阻阻值。主要是为了，降低电阻串上的功率，减少对采样电阻正常工作的影响，例如温漂的影响，同时保证在断开、短路和正常时在采样电阻上有比较明显差别的直流偏置值。
进一步地，所述信号处理单元包括计量芯片和连接计量芯片的单片机，或内置模拟数字转换器的单片机。
传统电路没有额外增加直流分量，无法通过有效值和ADC采样原始数据来分析互感器状态，这是因为电路为断开和短路状态时，在采样电阻上的直流分量和有效值都为0。本申请中，只需要在采样电阻上增加上拉电阻和下拉电阻就能实现互感器状态监测，增加的物料成本较低，且能够同时获得正常状态下的电流有效值，同时能够对互感器状态进行检测。
本发明的有益效果：只需要在采样电阻上增加上拉电阻和下拉电阻就能实现互感器状态监测，增加的物料成本较低，且能够同时获得正常状态下的电流有效值，同时能够对互感器状态进行检测。
附图说明
图1为实施例1的原理框图
图2为实施例1的流程图；
图3为实施例2的原理框图；
图4为实施例2的流程图；
图5为实施例1正常波形图；
图6为实施例1短路时波形图；
图7为实施例1断路时波形图；
图中：R0-电流互感器内阻；R1-为上拉电阻；R2-采样电阻；R3-下拉电阻。
具体实施方式
实施例1
在传统的电表上，新增了剩余电流互感器，以及电流采样上，采用了专用计量芯片，这种芯片可以得到交流信号的有效值和原始波形数据(高通滤波前数据)，比如RN7302，能够直接得到交流信号的有效值，并且可以直接得到直流偏置或者采样的波形。
本实施例中的电流互感器采样和状态检测的电路，如图1所示，包括：
采样电阻，连接在电流互感器的输出端，用于将电流互感器的输出装换为模拟电压值；
信号处理单元，其采样信号端与所述采样电阻并联，将采样电阻上的模拟电压信号转换为数字信号，以得到电流有效值以及其他电流相关的参量；所述信号处理单元包括计量芯片和连接计量芯片的单片机；
上拉电阻，连接在采样电阻的一端和外接电源之间；
下拉电阻，其一端连接采样电阻的另一端，另一端接地；目的是在采样电阻上固定产生一个额外的直流分量。
采样电阻的要求，根据信号处理单元的最大的信号处理要求和电流互感器的规格和测量电流的范围选取：
在短路情况下，采样电阻上的直流偏置电压V直为：
V直＝Vcc/(R1+R3)×R3；
采样电阻值R2满足：R2≤Vcc/(R1+R3)×R3/1.414/I0；
其中：VCC为上拉电阻的电源值；R1为上拉电阻值，R3为下拉电阻值。I0 为额定输出电流值。
通过上拉电阻R1，互感器内阻R0，采样电阻R2，下拉电阻R3组成采样电路。本实施例中上拉电阻R1阻值为10kΩ，采样电阻R2阻值为200kΩ，电流互感器内阻R0阻值为100Ω，下拉电阻R3阻值为1kΩ，Vcc为3.3V。
正常时，R2上面的电压为：
V2＝R2×R0/(R2+R0)/(R2×R0/(R2+R0)+R1+R3)＝0.02V。
断开时，R2上的电压为：
V2’＝R2/(R2+R1+R3)＝0.059V。
短路时，R2上的电压为0V。因为短路后，等效于0Ω电阻并联在R2上面，相当于R2电阻变为0Ω，根据上面公式，R2上的电压为0V。
上述电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，如图2所示，包括：
步骤1，获得电流数字信号：通过电流互感器和采样电阻在采样电阻上形成线性关系的模拟电压信号，根据采样电阻阻值、互感器内阻阻值、上拉电阻阻值、下拉电阻阻值在信号处理单元处设定短路阈值和断开阈值，通过信号处理单元将采样电阻上的模拟电压信号转换为数字信号，获得一个周波的全波波形数据；
步骤2，获得交流数据：信号处理单元采用高通滤波方式，滤除步骤1中模拟电压信号的直流偏置信号，通过方均根值获得交流分量的有效值、利用FFT 算法获得电流谐波畸变率、电流谐波有效值；FFT算法原理为：根据波形的时域数据，进行蝴蝶运算，将时域数据转换为包含幅值和角度的频域数据，根据幅值可以得到电流谐波有效值和电流谐波畸变率；
步骤3，获得直流数据并判断是否短路：将步骤1获得的模拟电压信号获取的原始采样波形数据求和后平均得到直流偏置值，判断直流偏置值是否连续多次小于短路阈值，是判断为短路故障；否，则进行步骤4；
步骤4，判断是否断路：剔除采样电阻上的模拟电压信号获取的原始采样数波形数据中的干扰数据，依次进行求和平均，获得直流偏置值，判断直流偏置值是否连续多次大于断开阈值，是，则判断为断开状态；否，则判断为正常状态，获得电流有效值；
具体剔除过程为：
对电流谐波畸变率和电流谐波有效值进行分析，当电流谐波畸变率增大或减少超过20％，电流谐波有效值增大或减少超过电流额定值的20％时，则这次波形数据丢弃。
本实施例中，计量芯片在计算电流有效值时需要通过MCU配置打开高通滤波器，滤除各种情况下的直流分量，得到真正的电流有效值。同时滤波前包含直流偏置原始数据波形数据传输到MCU。MCU根据波形数据得到谐波畸变率和谐波有效值，波形数据最大值和最小值特征数据进行综合判断，如果谐波出现突变，或者波形最值数据超过预设的理论最值比例，则直接丢弃本次波形数据。如图5 所示，谐波为0，最大值为0.3，最小值为0.1。谐波没有出现突变，理论最大值为0.3，理论最小值为0.1，均在理论最值的1.5倍范围内；对采样波形进行求和平均一个周波计算得出直流偏置，通过设置0.2倍的X值作为短路故障阈值，设置2倍的X值作为断开故障，通过上面的关系很容易判断3种状态，判断的时候，采取连续多次的方式，进一步剔除干扰。
正常时，计算的直流偏置为0.02，短路的时候为0，断开的时候为0.59。如图5至图7所示，图5可以判断为正常波形；图6中，直流偏置为0，小于阈值 0.004，判定为短路；图7波形大于阈值0.04，判定为断开。综上算法计算得出的互感器状态和真实的情况一致。
实施例2
在一些特殊场景，比如需要低成本或者体积受限，或者有其他需求的情况下，计算电流有效值采用方案为具有ADC模块的MCU进行采样。
如图3所示，本实施例中电路与实施例1不同之处为：所述信号处理单元包括内置模拟数字转换器的单片机。
如图4所示，本实施例中方法与实施例1不同之处为：剔除采样电阻上的模拟电压信号获取的原始采样数波形数据中的干扰数据的方式为：
计算步骤1获得的全波波形数据中电流数据量的最大值和最小值，当电流数据量的最大值大于理论的最大值的1.5倍时，或当电流数据量的最小值小于理论值的最小值的1.5倍，则这次波形数据丢弃。在电流校准的时候，保存的数字量最大值作为理论最大值，保存的数字量最小值为理论最小值。在校准的时候，对采样波形进行求和平均得到的值进行存储，得到校准的直流偏置值。

Claims (5)

1.一种电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，其特征在于，
电流互感器采样和状态检测的电路，包括：
采样电阻，连接在电流互感器的输出端，用于将电流互感器的输出装换为模拟电压值；
信号处理单元，其采样信号端与所述采样电阻并联，将采样电阻上的模拟电压信号转换为数字信号；
上拉电阻，连接在采样电阻的一端和外接电源之间；
下拉电阻，其一端连接采样电阻的另一端，另一端接地；
所述电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，包括：
步骤1，获得电流数字信号：通过电流互感器和采样电阻在采样电阻上形成线性关系的模拟电压信号，根据采样电阻阻值、互感器内阻阻值、上拉电阻阻值、下拉电阻阻值在信号处理单元处设定短路阈值和断开阈值，通过信号处理单元将采样电阻上的模拟电压信号转换为数字信号，获得一个周波的全波波形数据；
步骤2，获得交流数据：信号处理单元采用高通滤波方式，滤除步骤1中模拟电压信号的直流偏置信号，通过方均根值获得交流分量的有效值、利用FFT算法获得电流谐波畸变率、电流谐波有效值；
步骤3，获得直流数据并判断是否短路：将步骤1获得的模拟电压信号获取的原始采样波形数据求和后平均得到直流偏置值，判断直流偏置值是否连续多次小于短路阈值，是判断为短路故障；否，则进行步骤4；
步骤4，判断是否断路：剔除采样电阻上的模拟电压信号获取的原始采样数波形数据中的干扰数据，依次进行求和平均，获得直流偏置值，判断直流偏置值是否连续多次大于断开阈值，是，则判断为断开状态；否，则判断为正常状态，获得电流有效值。
2.根据权利要求1所述的电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，其特征在于，步骤4中，剔除采样电阻上的模拟电压信号获取的原始采样数波形数据中的干扰数据的方式为：
对电流谐波畸变率和电流谐波有效值进行分析，当电流谐波畸变率增大或减少超过20％，电流谐波有效值增大或减少超过电流额定值的20％时，则这次波形数据丢弃。
3.根据权利要求1所述的电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，其特征在于，剔除采样电阻上的模拟电压信号获取的原始采样数波形数据中的干扰数据的方式为：
计算步骤1获得的全波波形数据中电流数据量的最大值和最小值，当电流数据量的最大值大于理论的最大值的1.5倍时，或当电流数据量的最小值小于理论值的最小值的1.5倍，则这次波形数据丢弃。
4.根据权利要求1所述的电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，其特征在于，所述上拉电阻和所述下拉电阻的阻值相同，且大于5倍的采样电阻阻值。
5.根据权利要求1所述的电流互感器采样和状态检测电路的检测方法，其特征在于，所述信号处理单元包括计量芯片和连接计量芯片的单片机，或内置模拟数字转换器的单片机。
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