CN205679682U - 一种在线自供能电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

一种在线自供能电子式电流互感器，包括一次侧传感单元、信号调理电路、A/D转换电路、传输单元、二次侧数据处理单元、二次侧输出合并单元。一次侧传感单元连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换电路，A/D转换电路连接传输单元，传输单元连接二次侧数据处理单元，二次侧数据处理单元连接二次侧输出合并单元。本实用新型一种在线自供能电子式电流互感器，通过在二次数据输出部分加设反馈单元，对输出进行反馈调整，是输出的数字信号不失真，提高精度。通过在供电部分加设后备电源单元和外界温度探测，可以提高激光其光源的使用寿命，并增设人机对话窗口，更加方便检修和维护。

Description

一种在线自供能电子式电流互感器

技术领域

本实用新型涉及一种电流互感器，具体是一种在线自供能电子式电流互感器。

背景技术

电流互感器是电力系统中连接一次设备与二次设备的重要元件，是电力系统安全稳定运行的重要保证。目前电子式电流互感器已有多种类型，其供能方式单一，且在母线电流处于空载等小电流状态时电源供电不稳定，以及在母线处于超过额定电流的大电流状态甚至短路故障电流状态时，电源系统供点可能会中断，严重时会造成危险。激光取能虽然能解决上述问题，但激光的发光波长及输出功率都受温度影响，且该方法制作成本高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型提供一种在线自供能电子式电流互感器，通过在二次数据输出部分加设反馈单元，对输出进行反馈调整，是输出的数字信号不失真，提高精度。通过在供电部分加设后备电源单元和外界温度探测，可以提高激光其光源的使用寿命，并增设人机对话窗口，更加方便检修和维护。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种在线自供能电子式电流互感器，包括一次侧传感单元、信号调理电路、A/D转换电路、传输单元、二次侧数据处理单元、二次侧输出合并单元。一次侧传感单元连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换电路，A/D转换电路连接传输单元，传输单元连接二次侧数据处理单元，二次侧数据处理单元连接二次侧输出合并单元。

所述一次侧传感单元包括接于高压侧的Rogowski线圈；

所述传输单元包括光纤、RS-485通信接口、接口转换器；

所述二次侧数据处理单元包括单片机模块；

所述二次侧输出合并单元包括LD光源、波形发生器、光电池、DC-DC转换器、传输光纤，

LD光源连接波形发生器，波形发生器通过传输光纤连接光电池，光电池连接DC-DC转换器；

DC-DC转换器连接后备电源单元，后备电源单元连接MCU控制单元，MCU控制单元通过驱动及保护电路连接LD光源。

所述MCU控制单元连接温控保护电路，所述温控保护电路包括红外温度传感器，红外温度传感器用于对LD光源、外界环境温度进行采集，并反馈至MCU控制单元。

所述信号调理电路由积分电路、放大电路、滤波电路、移相电路依次连接组成。

所述传输单元通过电光变换模块与高压侧的A/D转换电路连接；所述传输单元通过光电变换模块与二次侧数据处理单元连接。

所述MCU控制单元连接人机对话模块。

所述光电池为硅光电池。

所述DC-DC转换器为MAX639转换芯片。

本实用新型一种在线自供能电子式电流互感器，优点在于：

1：通过在二次数据输出部分加设反馈单元，对输出进行反馈调整，是输出的数字信号不失真，提高精度。

2：通过在供电部分加设后备电源单元和外界温控保护电路，可以提高激光其光源的使用寿命，并增设人机对话模块，更加方便检修和维护。

3：设置反馈模块，使输出数字信号不失真，精度得到提高；

4： 设置的外界温度探测器部分，记录外界温度，排除干扰；

5： 后备电源单元，检修时可短暂对电流互感进行供能。

6： 人机对话模块，可控制MCU控制单元达到控制整个激光供电电路的控制。

附图说明

图1为本实用新型的模块连接示意图。

图2为本实用新型的Rogowski线圈基本原理图。

图3为本实用新型的信号调理电路图。

图4为本实用新型的系统框图。

图5为本实用新型的激光器驱动电路图。

图6为本实用新型的保护电路图。

图7为本实用新型的过温保护电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种在线自供能电子式电流互感器，包括一次侧传感单元、信号调理电路、A/D转换电路、传输单元、二次侧数据处理单元、二次侧输出合并单元。

一次侧传感单元连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换电路，A/D转换电路连接传输单元，传输单元连接二次侧数据处理单元，二次侧数据处理单元连接二次侧输出合并单元；

所述一次侧传感单元包括接于高压侧的Rogowski线圈；

所述传输单元包括光纤、RS-485通信接口、接口转换器；

所述二次侧数据处理单元包括单片机模块；

所述二次侧输出合并单元包括LD光源、波形发生器、光电池、DC-DC转换器、传输光纤，

LD光源连接波形发生器，波形发生器通过传输光纤连接光电池，光电池连接DC-DC转换器；

DC-DC转换器连接后备电源单元，后备电源单元连接MCU控制单元，MCU控制单元通过驱动及保护电路连接LD光源。

所述MCU控制单元连接温控保护电路，所述温控保护电路包括红外温度传感器，红外温度传感器用于对LD光源、外界环境温度进行采集，并反馈至MCU控制单元。

所述传输单元通过电光变换模块与高压侧的A/D转换电路连接；所述传输单元通过光电变换模块与二次侧数据处理单元连接。

所述MCU控制单元连接人机对话模块。

一次侧采用Rogowski线圈直接接于高压侧，它的输出信号是电流对时间的微分。与带铁芯的传统互感器相比，Rogowski线圈具有测量范围宽，精度高，稳定可靠，响应频带宽，同时具有测量和继电保护功能，体积小、重量轻、安全且符合环保要求。利用线圈采集高压侧信号，并利用稳压管对采集侧进行电压稳定，防止过电压，基本原理如图2所示。

所采集到的数据经过信号调理电路，由积分电路、放大电路、滤波电路、移相电路依次连接组成。运算放大器选用741系列的高增益运算放大器，A/D转换电路采用逐次逼近型ADS8325，单极性输入，串行原码输出，具有极低的功耗，可使用2.7V至5.5V的单电源供电。选择高性能的4.096V电压基准，其主要技术指标包括：低温漂，低噪声，低静态电流，未校准时输出精度为12位。其调理电路如图3所示。

所述传输单元包括光纤、RS-485通信接口、接口转换器。采用光纤进行通信，无线网络设备采用西门子SCALANCE W761的RJ-45 接口，借助接口转换器将数据转换为适宜于网络传输的数据。

二次侧数据处理单元主要对采集的数据进行处理，本实用新型二次侧CPU采用89S51型单片机模块，片内有振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围为ROM、RAM64K，2个16位的定时器/计数器，5个中断源，两个中断优先级，并且采用全双工串行口，双工UART串行通道使数据传输速度加快，采用布尔处理器，计算性能高。数模转换器DAC选用 MAX547，是一款八通道 13 位电压输出并行数据DAC。

二次侧输出合并单元采用激光取能和后备电源单元组合，共同对电子式电流互感器进行供电，主要有人机对话模块、MCU控制单元、驱动及保护电路、后备电源单元、温控保护电路、LD光源（激光器）、波形发生器、光电池、DC-DC转换器和传输光纤组成，其原理框图如图4。

由电流源单元输出电流，经过放大滤波反馈等环节后输出一持续稳定的LD光源工作电流，并对激光器输出光进行调制，因此选择大功率的半导体激光器，激光器其各项技术指标如下： 连续输出功率为500mW，中心波长为800-820nm，波长温度系数为0.28nm/C，波谱宽度<3nm 。光束发散角<0.15N.A，光纤芯径尺寸为50μm，光纤电流系数>0.75W/A。然后经光纤传送到光电池，由其转换为电流输送给DC-DC转换器，经DC-DC转换器变换后给高压侧信号采集单元供电。MCU控制单元通过温控保护电路，对LD光源和外界环境的温度进行采集，并反馈给MCU控制单元，MCU控制单元检测到温度信号不在激光器的高效率工作范围时，给驱动及保护电路一个脉冲信号，使其停止对激光器输出，其驱动及保护电路如图5所示，考虑半导体激光器本身易因为高频干扰而损坏，如图6中在半导体激光管并联一个小电容C1，可以滤掉流过LD电流中的高频干扰,避免LD由于高频干扰而受到损坏。同时并联一个反向二极管D1，以此来防止激光管两端受过大的反向电压（即反向浪涌）而损坏。与激光管并联几个前向导通的二极管（D2、D3和D4）可以大大提高激光管的寿命。D1选择为1N746A，此二极管为0.5W齐纳稳压器，输出电压误差为5%到10%，范围为2.4V到12V。D2、D3和D4选择为BA682。其导通电阻的差别很小，电容小，扭转阻抗大。在25ºC时最大的反向电压为35V，最大的前向电流为100mA。

外界温度探测采用SAJ75-ABT-60，采用红外线脉冲可调式，2光束同时遮断检知式电源电压 DC13.8V-24V AC11V-18V，工作环境温度范围广-25°C～+55°C，其温度保护电路如图7所示。

光电池采用硅光电池，光电变换器件PPC-6E，该器件可以将波长在780nm～850nm之间的光能转化为6V电压的电能，其工作温度范围在-60oC～+100oC之间，转换效率大约为40%，与之耦合的光纤为200μm的芯径。

DC-DC转换器采用MAX639转换芯片，高压侧一次转换系统采用低功耗微控制器，工作电压5V左右，模拟、调制电路也都采用低功耗元件，单电源5V供电。

电光变换模块采用铌酸锂电光调制器，采用HVA200高电压放大器来驱动标准电光调制器。它在100毫安的连续电流下有±200伏输出，1兆赫兹的带宽，低噪声。

后备电源单元采用大容量锂电池串联供电。 连通后备电源单元给高压侧采集单元供电。

工作原理：

本实用新型电子式互感器，包含对数据处理模块的改进，一次传感单元用于将一次侧的高电压、大电流等信号转换为适合采集单元采集的小电压、小电流信号， 一次数据采集和处理单元用于对传感单元的输出进行信号调理、滤波、转换等，传输单元是利用微处理控制器将转换后的数据，按照MCU中的固定的主等级和附属等级方式进行排列组合，通过光纤等传输介质发送给二次侧系统，二次数据处理是将高压侧传输过来的数据进行汇总分类，然后对多个采集单元的数据进行转换处理，经过反馈环节，最后由数字通道和模拟通道输出精确地数字量和模拟量，传输到上位机上显示。

当高压侧传感器采集到高压线路上的多个电流值及温度，由传感器将这些采集量送至信号处理单元，Rogowski线圈通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。其不含铁磁性材料，无磁滞效应，几乎为零的相位误差；无磁饱和象，因而测量范围广；结构简单，并且和被测电流之间没有直接的电路联系；响应频带宽0.1Hz-1MHz。经信号放大滤波后，利用A/D转换电路将通过微控制器将转换的数据按一定的格式进行组帧，通过光纤等传输介质发送给二次处理模块和二次转换器模拟输出，二次转换CPU将光信号转换为低电压信号，并利用A/D转换经电压信号转换为数字信号，将数字信号通过反馈单元，反馈单元通过就接收到的数字信号进行反馈式对比和分析，将反馈结果再反馈到二次侧转换CPU中，通过CPU判断调整直至满足输出的精度要求，形成反馈机制，保证信号的准确度和精度，提高电流互感器工作效率，选用89S51型单片机，其具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，最高工作频率为33MHz，从而具有了更快的计算速度。内部集成看门狗计时器，双数据指示器，电源关闭标识，向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品，并将数据传输给上位机输出。

然后由反馈模块将反复校验后的数字信号，输出到信号输出二次侧输出合并单元，由二次侧输出合并单元将数字信号将一定格式的数字信号发送给后续的计量设备、继保设备和交换机等；其次二次转换器模拟量电压输出电压，判断设备是否运行正常以及提出是否进行维修申请等。

供电系统工作原理：MCU控制单元控制驱动及保护电路向激光器电光源输送稳定的电压信号，激光器光源接收到上一级的电压信号，并通过激光二极管将电信号转换为相应的光信号输出到电光调制器，电光调制器对输入的光信号进行调制，并将调制后的光信号经光纤将输出到高压侧光电池，利用光电池将光信号还原成电信号,将电能量经DC-DC变换后向高压侧信号采集及处理部分提供稳定的电源输出。温控保护电路由MCU控制单元控制温控保护对激光器光源进行温度检测，激光器光源随时将温度反馈给MCU控制单元，检测光敏元件温度状况，当温度超过某一设定值，MCU控制单元分别向驱动及保护电路和后备电源单元发送一个脉冲信号，使驱动及保护电路停止对激光器电路输出电压，并且启动后备电源单元对高压侧信号采集与处理模块进行供电。当激光器光源的光学元件发生故障后，可通过人机对话模块强制向总控制单元发出指令，使得驱动及保护电路停止对激光器电路输出电压，并启动后备电源单元对高压侧信号采集与处理模块进行供电，从而对激光器光源进行检修。外界温度探测是通过记录电流互感器所处环境的温度，从而排除光学元件的温度过高使控制单元误判。

Claims (7)

1.一种在线自供能电子式电流互感器，包括一次侧传感单元、信号调理电路、A/D转换电路、传输单元、二次侧数据处理单元、二次侧输出合并单元，其特征在于：一次侧传感单元连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换电路，A/D转换电路连接传输单元，传输单元连接二次侧数据处理单元，二次侧数据处理单元连接二次侧输出合并单元；所述一次侧传感单元包括接于高压侧的Rogowski线圈；所述传输单元包括光纤、RS-485通信接口、接口转换器；所述二次侧数据处理单元包括单片机模块；所述二次侧输出合并单元包括LD光源、波形发生器、光电池、DC-DC转换器、传输光纤，LD光源连接波形发生器，波形发生器通过传输光纤连接光电池，光电池连接DC-DC转换器；DC-DC转换器连接后备电源单元，后备电源单元连接MCU控制单元，MCU控制单元通过驱动及保护电路连接LD光源。

2.根据权利要求1所述一种在线自供能电子式电流互感器，其特征在于：所述MCU控制单元连接温控保护电路，所述温控保护电路包括红外温度传感器，红外温度传感器用于对LD光源、外界环境温度进行采集，并反馈至MCU控制单元。

3.根据权利要求1所述一种在线自供能电子式电流互感器，其特征在于：所述信号调理电路由积分电路、放大电路、滤波电路、移相电路依次连接组成。

4.根据权利要求1所述一种在线自供能电子式电流互感器，其特征在于：所述传输单元通过电光变换模块与高压侧的A/D转换电路连接；所述传输单元通过光电变换模块与二次侧数据处理单元连接。

5.根据权利要求1所述一种在线自供能电子式电流互感器，其特征在于：所述MCU控制单元连接人机对话模块。

6.根据权利要求1所述一种在线自供能电子式电流互感器，其特征在于：所述光电池为硅光电池。

7.根据权利要求1所述一种在线自供能电子式电流互感器，其特征在于：所述DC-DC转换器为MAX639转换芯片。