CN114710140B - 低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路及工作方法 - Google Patents

低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路及工作方法，包括恒流发射模块、恒流驱动模块、光耦和数字编码信号模块；所述恒流发射模块包括若干个电阻的串联而成的电阻串、第一MOS管以及并联电阻，所述电阻串的一端用于连接所述恒流驱动模块，所述电阻串的另一端连接所述第一MOS管的漏极，第一MOS管的源极连接并联电阻的一端，并联电阻的另一端接地，第一MOS管的栅极连接所述光耦受光端的发射极和一个接地的电阻；所述光耦受光端的集电极用于连接所述恒流驱动模块，所述光耦发光端的正极和负极用于连接所述数字编码信号模块。保障了特征电流幅值恒定，不存工频纹波电流。

Description

低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路及工作方法
技术领域
本发明涉及台区拓扑识别的智能低压配电技术领域，特别涉及低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
近年来，由于智能电网建设和发展引起的配电网频繁变动（如迁建、增容、布点、割接），配电用户增加和用户用电地址变更等原因，导致低压配电台区户变关系出现变更。加之受线路交叉、地埋线路等条件限制，用电负荷表计与变压器的隶属对应关系很难及时更新。户变关系错误会导致台区线损计算不准确，异常线损台区屡屡冒出，阻碍线损治理工作，并影响新增负荷配电规划。户变关系识别的准确性在整个电力营销业务中非常重要，它既是每个台区配电服务的基础，也是规划配电方案和计算台区线路损耗的依据，同时更是台区优化用电质量的重要参考。
特征电流发送是低压配电台区拓扑识别的基础，当前应用的特征电流发射电路大都是通过低功率MOS管给电容组充电，建立后级MOS管驱动电压，再通过推挽电路驱动MOS管产生电流脉冲，进而实现低压配电台区的拓扑识别。这种特征电流发生电路需要的元器件较多，造成板面积及成本增加，需给电容充电启动时间较长，并且馈送到交流线上的脉冲电流还存在工频脉动，这将为台区的特征电流检测设备的检测精度提出更高的要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路及工作方法，在保障了特征电流幅值恒定，不存在工频纹波电流的同时，减少了所需元器件，降低了物料成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路。
低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，包括恒流发射模块、恒流驱动模块、光耦和数字编码信号模块；
所述恒流发射模块包括若干个电阻的串联而成的电阻串、第一MOS管以及并联电阻，所述电阻串的一端用于连接所述恒流驱动模块，所述电阻串的另一端连接所述第一MOS管的漏极，第一MOS管的源极连接并联电阻的一端，并联电阻的另一端接地，第一MOS管的栅极连接所述光耦受光端的发射极和一个接地的电阻；
所述光耦受光端的集电极用于连接所述恒流驱动模块，所述光耦发光端的正极和负极用于连接所述数字编码信号模块。
进一步地，所述并联电阻由两个反馈电阻并联得到。
进一步地，所述恒流驱动模块包括限流电路、稳压二极管和第二MOS管；
所述限流电路的一端连接AC/DC模块，并与所述第二MOS管的漏极并联至所述电阻串；
所述限流电路的另一端连接所述第二MOS管的栅极和所述稳压二极管的阴极，所述稳压二极管的阳极接地并连接至AC/DC模块。
进一步地，所述恒流驱动模块还包括第十二电阻；
所述第二MOS管的源极与所述第十二电阻的一端连接，所述第十二电阻的另一端连接所述光耦受光端的集电极。
进一步地，所述限流电路由两个电阻串联而成。
进一步地，所述AC/DC模块包括保险管、压敏电阻及整流桥；
所述保险管的一端连接交流电的火线端，所述保险管的另一端连接所述压敏电阻的一端以及所述整流桥的第一端，所述压敏电阻的另一端和整流桥的第二端均连接至交流电的零线端。
进一步地，所述整流桥的第三端连接所述限流电路，所述整流桥的第四端连接所述稳压二极管的阳极。
进一步地，所述数字编码信号模块包括第十电阻、第十三电阻和三极管；
所述第十电阻的一端用于连接单片机，所述第十电阻的另一端连接所述第十三电阻的一端和所述三极管的基极，所述第十三电阻的另一端接地并连接所述三极管的发射极，所述三极管的集电极连接所述光耦发光端的负极。
进一步地，所述数字编码信号模块还包括第十一电阻；
所述第十一电阻的一端连接数字信号电源，所述第十一电阻的另一端连接所述光耦发光端的正极。
本发明第二方面提供了低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路工作方法，包括如下步骤：
在一个开关周期内，数字编码信号模块驱动光耦导通时，恒流驱动模块的电流在接地电阻上产生压降，所述压降为第一MOS管提供驱动电压，驱动第一MOS管工作在恒流区；数字编码信号模块驱动光耦关断时，切断恒流驱动模块的电流的流通回路，第一MOS管关闭；
其中，第一MOS管的漏极电流增大时，第一MOS管的源极连接的并联电阻两端电压升高，第一MOS管的栅极和源极的电压减小；特征电流发射电路的功率损耗通过第一MOS管的漏极连接的电阻串进行分担。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其第一MOS管的漏极、源极和栅极分别连接电阻串、并联电阻、光耦受光端的发射极和一个接地的电阻，第一MOS管工作在恒流区，从而实现交流侧电流幅值恒定，保障了特征电流幅值恒定，不存工频纹波电流。
2、本发明所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其不需要给电容充电，启动时间短。
3、本发明所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其所需元器件少，占PCB板面积小，易于高度集成于低压电力线高速载波（HPLC）通讯模块中，物料成本低。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路的电路图；
图2为本发明实施例1的V-I工作特性曲线图；
图3为本发明实施例1的调制后的PWM控制信号示意图；
图4为本发明实施例1的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路馈送到交流侧的电流实域波形图；
图5为本发明实施例1和实施例2的采用LTspice仿真软件仿真的低压配电台区拓扑识别时发送到电力交流线的部分特征电流时域仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供了低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，包括光耦U2（强弱电隔离光耦）、AC/DC模块、恒流驱动模块、恒流发射模块、数字编码信号模块。
AC/DC模块由保险管F1、压敏电阻（第六电阻R6）及整流桥U1组成；具体的，保险管F1的一端连接交流电AC的火线端（L端），保险管F1的另一端连接压敏电阻R6的一端以及整流桥U1的第一端（L端）；压敏电阻R6的另一端和整流桥U1的第二端（N端）均连接至交流电AC的零线端（N端）；整流桥U1的第三端（V+端）和整流桥U1的第四端（V-端）用于连接恒流驱动模块及恒流发射模块，具体的，整流桥的第三端连接限流电路，整流桥的第四端连接稳压二极管的阳极。其中，保险管F1的作用是当后级电路短路时及时跟主电路断开，保护前端主电路不受后级电路短路的影响，确保配电的可靠性；压敏电阻R6的作用是吸收交流侧浪涌电压以保护后级电路；整流桥U1的作用是将交流电压转换成脉动的直流电压。
恒流驱动模块由限流电路、第九电阻R9、第十二电阻R12、稳压二极管D1和第二MOS管Q2组成。限流电路为第四电阻R4和第五电阻R5的串联电路，限流电路的一端连接至AC/DC模块中的整流桥U1的第三端，限流电路的该端还与第二MOS管Q2的漏极并联至恒流发射模块中第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的串联而成的电阻串的一端，限流电路的另一端连接至第二MOS管Q2的栅极和稳压二极管D1的阴极；稳压二极管D1的阳极接地并连接至AC/DC模块中的整流桥U1的第四端；第二MOS管Q2的源极与第十二电阻R12的一端连接；光耦受光端的集电极用于连接恒流驱动模块，具体的，光耦U2受光端的集电极连接第十二电阻R12的另一端；第九电阻R9的一端接地，第九电阻R9的另一端连接光耦U2受光端的发射极和恒流发射模块。其中，第四电阻R4和第五电阻R5起限流作用保护稳压二极管D1，第四电阻R4和第五电阻R5取值为兆欧级，以使稳压二极管产生工频电流脉动对交流侧特征电流的影响忽略；第二MOS管Q2有三个工作区，分别为截止区、可变电阻区、恒流区，V-I工作特性曲线如图2所示；第二MOS管Q2即工作在恒流区，恒定电流I2在第九电阻R9两端产生电压，以驱动第一MOS管Q1；第十二电阻R12为负反馈电阻，若I2增大，则第十二电阻R12两端电压升高，稳压管D1电压不变，因此第二MOS管Q2的V gs 电压减小，I2对应减小，实现了第二MOS管Q2的漏极电流的动态稳定。
恒流发射模块包括若干个电阻的串联而成的电阻串、第一MOS管以及两个反馈电阻（第七电阻R7和第八电阻R8）并联而成的并联电阻；电阻串的一端用于连接所述恒流驱动模块，电阻串的另一端连接第一MOS管的漏极，第一MOS管的源极连接并联电阻的一端，并联电阻的另一端接地，第一MOS管的栅极连接所述光耦受光端的发射极和一个接地的电阻（第十二电阻R12）。具体的，恒流发射模块由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一MOS管Q1、第七电阻R7和第八电阻R8组成。第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的串联而成的电阻串的另一端连接第一MOS管Q1的漏极；第一MOS管Q1的栅极连接恒流驱动模块中第九电阻R9的另一端和光耦U2受光端的发射极；第一MOS管Q1的源极连接第七电阻R7和第八电阻R8组成的并联电阻的一端，第七电阻R7和第八电阻R8组成的并联电阻的另一端接地。
数字信号编码模块由第十电阻R10、第十一电阻R11、第十三电阻R13和三极管Q3组成。第十电阻R10的一端连接单片机（MCU）的CTRL控制引脚，第十电阻R10的另一端连接第十三电阻R13的一端和三极管Q3的基极，第十三电阻R13的另一端接地并连接三极管Q3的发射极；发光端的正极和负极用于连接所述数字编码信号模块，具体的，三极管Q3的集电极连接光耦U2发光端的负极，第十一电阻R11的一端连接数字信号电源VCC，第十一电阻R11的另一端连接光耦U2发光端的正极。第十电阻R10为三极管Q3限流驱动电阻；第十一电阻R11为光耦原边限流电阻；第十三电阻电阻R13为三极管Q3关断提供放电回路；三极管Q3增大信号驱动能力；光耦U2作用为实现强弱电的隔离。
如图3所示，MCU通过OOK调制实现特征电流的有无来代表数字信号的“1”和“0”；MCU将通过OOK调制后的PWM控制信号输出到CTRL控制引脚以控制特征电流发射电路，以实现在交流侧产生特定频率、占空比、幅值的特征电流，实现特征电流的发送（即，在交流侧产生特定频率和占空比及幅值的电流）。具体的，MCU的PWM信号通过CTRL控制引脚控制三极管Q3的通断进而控制光耦U2的通断，从而控制第一MOS管Q1的通断，实现了对电流I1的控制，从而交流侧就能检测到固定频率固定占空比固定幅值的电流信号。
数字编码信号模块控制光耦U2通断，当光耦U2导通时，恒定电流I2经过电阻R12和光耦U2后进入电阻R9，恒定电流I2在第九电阻R9上产生恒定驱动电压V gs1，控制第一MOS管Q1导通，并使第一MOS管Q1工作在恒流模式；当光耦U2关断时，电流I2回路切断，电阻R9上电压为0，即V gs1=0，从而第一MOS管Q1关断。其中，本发明通过设计合适的驱动电压V gs1使第一MOS管Q1工作在恒流区，从而实现交流侧电流幅值恒定。
Figure 720756DEST_PATH_IMAGE001
特征电流占空比及幅值已确定，所以整个主回路功耗一定，因第二MOS管Q2的栅极的电流I2和第二MOS管Q2的源极的电流I3很小，故I RMS ≈I 1RMS ，
Figure 625127DEST_PATH_IMAGE002
其中，P loss 指的是整个电路的功率损耗，V d 指的是整个整流后直流侧电压，I 1RMS 为第一MOS管Q1漏极电流有效值，I RMS 为交流侧特征电流有效值。
假设功率P loss 全部由第一MOS管Q1承受，则第一MOS管Q1温升增大，为确保第一MOS管Q1稳定可靠工作，其功率及封装尺寸必将增大，故通过在回路中串入第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3来分担整个回路的功率损耗，从而降低了第一MOS管Q1的发热功率，此时第一MOS管Q1承受的功率PQ1为：
Figure 646435DEST_PATH_IMAGE003
但此时第一MOS管Q1在恒流区的静态工作点会向左平移，电阻造成不利影响是在电压过零点附近，第一MOS管Q1工作在可变电阻区，电流幅值在一个开关周期达不到规定要求，但就对整个编码信号造成的影响忽略不计。
第七电阻R7和第八电阻R8为反馈电阻，若电流I1增大，第七电阻R7和第八电阻R8两端电压升高，第一MOS管Q1的栅源（栅极和源极）电压减小，I1对应减小，实现了第一MOS管Q1漏极电流I1的动态稳定。
图4为本发明低压配电台区拓扑识别用特征电流发生电路馈送到交流侧的电流实域波形。MCU通过控制CTRL引脚使能输出包含特定频率成分的码元信息，该图所示为向交流侧馈送特征电流过程中示波器捕捉到的电力线上码元信息为1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 10 0 1（每位信号时长0.6s，其中，码位为0时，无特征电流发送，码位为1时，有特征电流发送）部分时间展开图，特征电流幅值为500mA，频率为833.33Hz，占空比为1/3。
图5的F为本发明采用LTspice仿真软件仿真的低压配电台区拓扑识别时发送到电力交流线的特征电流时域仿真波形图。MCU按照一定的编码规则，通过OOK开关调制方式，在交流侧产生幅值为500mA，频率为833.33Hz，占空比为1/3的特征电流仿真波形，该图与图4示波器在交流侧捕捉到的特征电流时域波形保持一致，进一步验证了本发明的可行性。
本发明的特征电流发射电路实现了低压配电台区拓扑自动识别，解决了需人到现场挨个表箱进行核查，费时费力且效率低下及采用瞬间停电法进行核查，对供电质量影响较大，存在用户投诉和损坏用户家用电器的问题。
本发明的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，所需元器件少，占PCB板面积小，易于高度集成于HPLC通讯模块中，物料成本低；不需要给电容充电，启动时间短；特征电流幅值恒定，不存工频纹波电流。
实施例2
本发明实施例2提供了低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路工作方法，包括如下步骤：
图5为本发明采用LTspice仿真软件仿真的低压配电台区拓扑识别时发送到电力交流线的部分特征电流时域仿真波形图。图5中的A为单片机安CTRL控制引脚输出的PWM波形，开关频率833.3Hz，占空比1/3，幅值3.3V；图5中的B为交流侧L/N电压波形，频率50Hz，幅值311V；图5中的C为整流桥U1直流侧电压波形，幅值311V，频率100Hz；图5中的D为电流I2的波形，开关频率为833.3Hz，幅值为3.5mA；图5中的E为电流I1的波形，开关频率833.3Hz，幅值496mA；图5中的F为电流I波形，开关频率833.3Hz，幅值500mA。
在工频正半周以一个开关周期为例在一个开关周期内，数字编码信号模块驱动光耦导通时，恒流驱动模块的电流I2在接地电阻R9上产生压降，所述压降为第一MOS管Q1提供驱动电压，驱动第一MOS管Q1工作在恒流区；数字编码信号模块驱动光耦U2关断时，切断恒流驱动模块的电流I2的流通回路，第一MOS管Q1关闭。具体的：
CTRL控制引脚为高电平时，三极管Q3导通，发射极接地，光耦U2发光发管接通，控制光耦U2受光管导通；而稳压二级管D1一直为第二MOS管Q2提供驱动电压，且第二MOS管Q2工作在恒流区，光耦U2受光管导通后，电流I2流经R12、R9及光耦U2，并在电阻R9上产生压降，此压降为第一MOS管Q1提供驱动电压，驱动第一MOS管Q1工作在恒流区，流过第一MOS管Q1的电流为I1如图5中的E，直流侧电流I1在交流侧L/N之间产生的开关频率为833.3Hz，幅值500mA的电流I波形如图5中的F；
CTRL控制引脚为低电平时，三极管Q3关闭，光耦U2发光侧回路断开，从而光耦U2副边断开，切断了电流I2的流通回路，第九电阻R9上的电压为零，第一MOS管Q1关闭，切断了直流侧电流I1的流通回路，此时直流侧电流I1为零，进而交流侧电流I为零；这样在交流侧L/N之间就产生了开关频率为833.3Hz，幅值恒定500mA，跟电压同相的电流波形。
下一开关周期工作状态同上重复。
其中，第一MOS管的漏极电流增大时，第一MOS管的源极连接的并联电阻两端电压升高，第一MOS管的栅极和源极的电压减小；特征电流发射电路的功率损耗通过第一MOS管的漏极连接的电阻串进行分担。
以上所述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。

Claims (10)

1.低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：包括恒流发射模块、恒流驱动模块、光耦和数字编码信号模块；
所述恒流发射模块包括若干个电阻的串联而成的电阻串、第一MOS管以及并联电阻，所述电阻串的一端用于连接所述恒流驱动模块，所述电阻串的另一端连接所述第一MOS管的漏极，第一MOS管的源极连接并联电阻的一端，并联电阻的另一端接地，第一MOS管的栅极连接所述光耦受光端的发射极和一个接地的电阻；
所述光耦受光端的集电极用于连接所述恒流驱动模块，所述光耦发光端的正极和负极用于连接所述数字编码信号模块；
所述数字信号编码模块连接单片机的CTRL控制引脚，单片机通过OOK调制后的PWM控制信号输出到CTRL控制引脚以控制特征电流发射电路，以实现在交流侧产生特定频率、占空比、幅值的特征电流。
2.如权利要求1所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：所述并联电阻由两个反馈电阻并联得到。
3.如权利要求1所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：所述恒流驱动模块包括限流电路、稳压二极管和第二MOS管；
所述限流电路的一端连接AC/DC模块，并与所述第二MOS管的漏极并联至所述电阻串；
所述限流电路的另一端连接所述第二MOS管的栅极和所述稳压二极管的阴极，所述稳压二极管的阳极接地并连接至AC/DC模块。
4.如权利要求3所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：所述恒流驱动模块还包括第十二电阻；
所述第二MOS管的源极与所述第十二电阻的一端连接，所述第十二电阻的另一端连接所述光耦受光端的集电极。
5.如权利要求3所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：所述限流电路由两个电阻串联而成。
6.如权利要求3所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：所述AC/DC模块包括保险管、压敏电阻及整流桥；
所述保险管的一端连接交流电的火线端，所述保险管的另一端连接所述压敏电阻的一端以及所述整流桥的第一端，所述压敏电阻的另一端和整流桥的第二端均连接至交流电的零线端。
7.如权利要求6所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：所述整流桥的第三端连接所述限流电路，所述整流桥的第四端连接所述稳压二极管的阳极。
8.如权利要求1所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：所述数字编码信号模块包括第十电阻、第十三电阻和三极管；
所述第十电阻的一端用于连接单片机，所述第十电阻的另一端连接所述第十三电阻的一端和所述三极管的基极，所述第十三电阻的另一端接地并连接所述三极管的发射极，所述三极管的集电极连接所述光耦发光端的负极。
9.如权利要求8所述的低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路，其特征在于：所述数字编码信号模块还包括第十一电阻；
所述第十一电阻的一端连接数字信号电源，所述第十一电阻的另一端连接所述光耦发光端的正极。
10.低压配电台区拓扑识别用特征电流发射电路工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
在一个开关周期内，数字编码信号模块驱动光耦导通时，恒流驱动模块的电流在接地电阻上产生压降，所述压降为第一MOS管提供驱动电压，驱动第一MOS管工作在恒流区；数字编码信号模块驱动光耦关断时，切断恒流驱动模块的电流的流通回路，第一MOS管关闭；
其中，第一MOS管的漏极电流增大时，第一MOS管的源极连接的并联电阻两端电压升高，第一MOS管的栅极和源极的电压减小；特征电流发射电路的功率损耗通过第一MOS管的漏极连接的电阻串进行分担；
所述数字信号编码模块连接单片机的CTRL控制引脚，单片机通过OOK调制后的PWM控制信号输出到CTRL控制引脚以控制特征电流发射电路，以实现在交流侧产生特定频率、占空比、幅值的特征电流。
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