一種互感線圈次級側信號調理裝置及方法
【專利摘要】一種互感線圈次級側信號調理裝置及方法，屬于電子式電流互感器信號處理領域。該裝置包括第一信號調理模塊、第二信號調理模塊、信號綜合調理模塊和供電模塊；該方法中第一信號調理模塊輸入端接收互感線圈次級側信號Ud輸出信號Ud1；第二信號調理模塊輸入端接收互感線圈次級側信號Ud輸出信號Ud2；信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號Ud1和第二信號調理模塊的輸入信號Ud2，綜合調理后輸出調理信號Ut；該裝置實現了電網互感信號的測量和保護用信號的不同精度要求，降低了互感線圈次級側后續電路在信號采樣精度和電路穩定性方面的設計難度；該方法實現了對電網互感信號的測量用信號進行合理放大、保護用信號進行壓縮且反相的處理要求。
【專利說明】
一種互感線圈次級側信號調理裝置及方法
技術領域
[0001]—種互感線圈次級側信號調理裝置及方法，屬于電子式電流互感器信號處理領域。
【背景技術】
[0002]電子式電流互感器分為以下兩類:測量用電子式電流互感器和保護用電子式電流互感器。測量用電子式電流互感器的測量動態范圍為額定一次電流的5%?120%，在額定一次電流附近精度要求最高;保護用電子式電流互感器的測量動態范圍為額定一次電流的I?20倍(或更高)，在額定一次電流附近精度要求最高。目前，傳統的測量和保護方案是用兩個互感線圈分別供測量和保護之用。但隨著材料技術、數字技術、電子技術的發展，以同一互感線圈取出同時滿足測量和保護精度要求的信號已經成為現實，但由于電網互感信號存在測量和保護用信號的不同精度要求，這就使電子式電流互感器互感線圈次級側的后續電路設計難度加大。
[0003]在實現本發明過程中，發明人發現現有技術中至少存在以下問題:
以現有的數字、電子技術而言，基于同一互感線圈使用直接線性調理方法的電子式電流互感器很難同時滿足電網互感信號對于測量和保護用信號的不同精度要求，因而增加了電子式電流互感器互感線圈次級側后續電路在采樣精度、電路穩定性方面的設計難度。
[0004]經分析發現，出現上述問題的原因是主要是:
由于現有技術中電子式電流互感器互感線圈初級側的電流長期處于電網正常運行的額定值附近，只在短路故障等較短時間內超出電網運行額定最大值;但現有技術對電網運行的寬動態范圍信號采用直接線性調理的處理方法均以電網的安全性為優先考慮的設計要素，在對電網運行電流信號進行線性放大或縮小使其動態范圍適應后續電路的要求也都必須以保護用信號作為優先設計要素;測量動態范圍為額定一次電流20倍的線性關系的電網信號，在其通過現有技術進行直接線性調理后，后續電路將長期工作在其最大動態范圍的1/20附近，而測量用信號的動態范圍為額定一次電流的5%?120%，兩者精度要求差距太大，顯然這就使得電子式電流互感器互感線圈次級側的后續電路在測量用信號的采樣精度設計和后續整個電路穩定性設計方面的難度加大。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種對電網互感信號的測量用信號進行合理放大、保護用信號進行壓縮且反相、滿足電網互感信號對于測量和保護用信號不同精度要求、降低互感線圈次級側后續電路采樣精度和電路穩定性設計難度的互感線圈次級側信號調理裝置及方法。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
一方面，提供了一種互感線圈次級側信號調理裝置，包括第一信號調理模塊、第二信號調理模塊、信號綜合調理模塊和供電模塊;第一信號調理模塊和第二信號調理模塊分別與信號綜合調理模塊相連，第一信號調理模塊和第二信號調理模塊同時接收互感線圈次級側信號，信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊和第二信號調理模塊的輸出信號，綜合調理后輸出滿足測量和保護用精度要求的信號，供電模塊給第一信號調理模塊、第二信號調理模塊和信號綜合調理模塊供電。
[0007]優選的，所述信號綜合調理模塊為減法電路，其減數端連接第一信號調理模塊輸出端，其被減數端連接第二信號調理模塊輸出端。
[0008]優選的，所述第一信號調理模塊和第二信號調理模塊均為比例運算放大電路，第一信號調理模塊和第二信號調理模塊的輸入端同時接收互感線圈次級側信號。
[0009]優選的，所述供電模塊為穩壓芯片78L05、LM2930T-5.0、79L05、LM2990T-5.0、1111117-3.3、]\^。5207、父06206-33、7812、781^12、7912和7孔12中的任一種。
[0010]優選的，減法電路和比例運算放大電路均采用軌到軌輸入輸出型運算放大器AD8027、0P184、AD8601 和 AD8605 中的任一種。
[0011]另一方面，提供了一種互感線圈次級側信號調理裝置的信號調理方法，包括以下步驟:
第一信號調理模塊輸入端接收互感線圈次級側信號&，其輸出端輸出信號第二信號調理模塊輸入端接收互感線圈次級側信號&，其輸出端輸出信號化；
信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號化和第二信號調理模塊的輸入信號，綜合調理后輸出調理信號Ut。
[0012]優選的，所述輸出信號Udi=K1.Ud，輸出信號Ud2=K1.K2.Ud,調理信號Ut= H其中:Λ為供電模塊供電電壓幅值仏》與互感線圈次級側信號保護用信號臨界值i/▲的比值，即見尼為互感線圈次級側信號保護用信號臨界值?/?與互感線圈次級側信號&測量用信號臨界值I的比值，即K2=U-/ Ueao
[0013]與現有技術相比，上述技術方案的有益效果是:
1、當電網互感信號工作在其測量要求范圍內時，通過互感線圈次級側信號調理方法可以確保電網互感信號在其測量用范圍內的信號得到有效放大，使得互感線圈次級側后續電路采樣精度的設計難度降低；當電網互感信號工作在其保護要求范圍內時，通過互感線圈次級側信號調理方法可以將波動幅度較大的電網互感信號進行壓縮且反相，便于互感線圈次級側后續電路的穩定性設計;該信號調理方法穩定可靠，使得互感線圈次級側后續電路在電路采樣精度、穩定性方面的設計難度降低，能夠滿足電網互感信號對于測量和保護用信號的不同精度處理要求。
[0014]2、經互感線圈次級側信號調理裝置調理后的信號K包含原互感線圈次級側信號的全部波形信息，通過檢測信號變化率的正負突變即可區分測量用信號臨界值以內和以外的信號(保護用信號)，且該信號還易被還原為原始互感線圈次級側信號K/。
[0015]3、實現上述調理方法的互感線圈次級側信號調理裝置結構簡單，能夠同時滿足電網互感信號對于測量和保護用信號的不同精度要求;并使得互感線圈次級側后續電路在精度和電路穩定性方面的設計難度大幅度降低，后續電路系統也更加穩定。
【附圖說明】
[0016]圖1互感線圈次級側信號調理裝置結構框圖。
[0017]圖2信號調理方法流程框圖。
【具體實施方式】
[0018]圖1?2為本發明一種互感線圈次級側信號調理裝置及方法的最佳實施例，下面結合附圖1?2對本發明一種互感線圈次級側信號調理裝置及方法的具體實施例作進一步詳細說明。
[0019]參照圖1:
圖1是一種互感線圈次級側信號調理裝置結構框圖，包括第一信號調理模塊、第二信號調理模塊、信號綜合調理模塊和供電模塊;第一信號調理模塊和第二信號調理模塊分別與信號綜合調理模塊相連，第一信號調理模和第二信號調理模塊均采用基于運算放大器和精密電阻構成的反相比例運算放大電路，其輸入端都同時接收互感線圈次級側信號，信號綜合調理模塊采用基于運算放大器和精密電阻構成的減法電路，其減數端連接第一信號調理模塊輸出端，其被減數端連接第二信號調理模塊輸出端;信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊和第二信號調理模塊的輸出信號，綜合調理后輸出滿足測量和保護用的不同精度要求的信號，供電模塊給第一信號調理模塊、第二信號調理模塊和信號綜合調理模塊供電，供電模塊的供電方式是基于穩壓芯片結構電路的供電方式，具備單正電源和正負雙電源兩種供電模式，供電電壓有±5￥、±3.3￥、±12￥，常用的芯片有781^)5、1^29301'-5.0、7孔05、0129901'-5.0、011117-3.3、]\^。5207、父。6206-33、7812、781^12、7912和7孔12。
[0020]第一信號調理模塊、第二信號調理模塊、信號綜合調理模塊均為基于運算放大器的電路，均采用軌到軌輸入輸出型運算放大器AD8027、0P184、AD8601和AD8605中的任一種；第一信號調理模塊、第二信號調理模塊、信號綜合調理模塊均包括精密電阻，一般采用精度為0.05%以內的高精度電阻。
[0021]參照圖2:
圖2是一種信號調理方法流程框圖，包括以下步驟:
步驟S201，第一信號調理模塊輸入端接收互感線圈次級側信號步驟S202，第一信號調理模塊輸出端輸出信號Ka=J1.Ud'
步驟S203，第二信號調理模塊輸入端接收互感線圈次級側信號步驟S204，第二信號調理模塊輸出端輸出信號ttfi= K1-K2- Ud'
步驟S205，信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號和第二信號調理模塊的輸入信號Udz，綜合調理后輸出調理信號K=Kf1-Κλ。
[0022]其中，及為供電模塊供電電壓幅值￡^與互感線圈次級側信號保護用信號臨界值的比值，即尼為互感線圈次級側信號保護用信號臨界值與互感線圈次級側信號測量用信號臨界值I的比值，即沿=Udm/ Uem。
[0023]實施例1:供電模塊供電電壓幅值為±5V，基于正負雙電源供電的雙極性信號調理:
此實施例互感線圈次級側信號保護用信號臨界值為±5V，供電模塊供電電壓幅值為±5V，互感線圈次級側信號測量用信號臨界值為±0.5V，輸出信號為雙極性信號。
[0024]對于正極性信號來說，測量用信號臨界值為0.5V，保護用信號范圍臨界值為5V，供電模塊供電電壓幅值&?=5￥，其調理過程為: 互感線圈次級側信號保護用信號臨界值tt/?=5V，互感線圈次級側信號測量用信號臨界值 i/e?=0.5V,Ji=￡4ffl/ttfeF5V/5V=l ,Kz=UdJ UeJ/Q.5V=10；
A、當待處理正極性信號在其測量用信號臨界值范圍以內工作時:
經第一信號調理模塊調理后的輸出信號仏=見.UcFUd;
經第二信號調理模塊調理后的輸出信號Kfi=見.K2.Ud=IQUd,
信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號化和第二信號調理模塊的輸入信號輸出調理信號Ut= Ud1-Udi =1 Kr Kf9 Udx
B、當待處理正極性信號在其測量用信號臨界值以外、其保護用信號臨界值范圍以內工作時:
經第一信號調理模塊調理后的輸出信號仏=見.UcFUd;
經第二信號調理模塊調理后的輸出飽和信號ttfi= Uga=M;
信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號i/Λ和第二信號調理模塊的輸入信號《δ，綜合調理后輸出調理信號Ut= UdZ-Udi乇V- Udo
[0025]上述即待處理正極性信號的調理過程(S卩O?0.5V和0.5V~5V的信號調理)，同樣的情況適用于負極性信號的調理(即-0.5V~0和-0.5V~-5V的信號調理)，只是極性相反。
[0026]該實施例對-0.5V~0.5V以內的測量用信號增益放大9倍，對-0.5V~0.5V以外的保護用信號則增益為-1; 一種情況是測量用長期工作信號為0.2V~0.5V且精度要求1%，則經調理后長期工作信號變為1.8V~4.5V而精度要求不變，降低了后續電路對采樣精度的設計難度；同時，其將0.5V~5V和-5V~-0.5V內的保護用信號進行壓縮且反相，有利于后續電路的穩定性設計。
[0027]實施:2:—種基于單正電源的輸出單極性信號的調理:
此實施例互感線圈次級側信號保護用信號臨界值為±5V，供電模塊供電電壓幅值為3.3V，互感線圈次級側信號測量用信號臨界值為±0.25V，輸出信號為單極性信號。
[0028]雙極性信號經過單正電源全波整流電路變為正極性信號;此時，供電模塊供電電壓幅值?/_=3.3V，互感線圈次級側信號?α呆護用信號臨界值&fe=5V，互感線圈次級側信號測量用信號臨界值"《f0.2bN,Ki=Ugm/UdnF^.3V/5V=0.66，J2=Kife/i^=5V/0.25V=20 ；
A、當待處理正極性信號在其測量用信號臨界值范圍以內工作時:
經第一信號調理模塊調理后的輸出信號化=見.Kf0.66?/;
經第二信號調理模塊調理后的輸出信號Kfi=見.K2.Ud=l3.2Ud.,
信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號化和第二信號調理模塊的輸入信號輸出調理信號 K= ?δ- =13.2 Kr0.66 2.54 Ud。
[0029]B、當待處理正極性信號在其測量用信號臨界值以外、其保護用信號臨界值范圍以內工作時:
經第一信號調理模塊調理后的輸出信號化=見.Kf0.66?/;
經第二信號調理模塊調理后的輸出飽和信號ttfi= ￡4ffl=3.3V;
信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號化和第二信號調理模塊的輸入信號輸出調理信號K=Kf1-Ka =3.3V-0.66?/,即待處理正極性信號的0.66倍反相加在3.3V上;上述即互感線圈次級側信號-0.25V-0.25V、0.25V~5V、-5V~-0.25V的信號調理為單極性信號的過程。
[0030]該實施例對-0.25V~0.25V范圍內的測量用信號增益放大12.54倍，對-0.25V~
0.25V以外的信號則增益為-0.66; 一種情況是測量用長期工作信號為0.1V-0.3V且精度要求1%以內的工況，則經調理后長期工作信號變為1.034V~3.102V而精度要求不變，顯然后續電路的采樣芯片選型對于精度的要求難度降低;而將0.25V~5V、-5V~-0.25V的保護用信號進行壓縮且反相更有利于后續電路的穩健性設計。
[0031]實施:3:供電模塊供電電壓幅值為±12V，基于正負雙電源的雙極性信號調理:
此實施例互感線圈次級側信號保護用信號臨界值為±5V，供電模塊供電電壓幅值為±12V，互感線圈次級側信號測量用信號臨界值為±0.25V，輸出信號為雙極性信號。
[0032]對于負極性信號來說，測量用信號臨界值為-0.25V，保護用信號范圍臨界值為-5 V，供電模塊供電電壓幅值Ugm 二-12 V，其調理過程為:
互感線圈次級側信號保護用信號臨界值&fe=-5V，互感線圈次級側信號測量用信號臨界值"《F-0.25V,2V/-5V=2.A7K2=Uda/Ue^~5Y/-0.25V=20 ；
A、當待處理負極性信號在其測量用信號臨界值范圍以內工作時:
經第一信號調理模塊調理后的輸出信號仏=見.UcFtZAOH
經第二信號調理模塊調理后的輸出信號Kfi=見.K2.UcFAWd,
信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號化和第二信號調理模塊的輸入信號輸出調理信號 Ut= ?δ- ￡/λ =48 Kr 2.4 ttF45.6 ?/；
B、當待處理負極性信號在其測量用信號臨界值以外、其保護用信號臨界值范圍以內工作時:
經第一信號調理模塊調理后的輸出信號仏=見.UcFtZAOH 經第二信號調理模塊調理后的輸出飽和信號ttfi= Ugm=-UN;
信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號化和第二信號調理模塊的輸入信號《δ，綜合調理后輸出調理信號Ui= Udz-Udi =_ 12V-2.4 Ud。
[0033]上述即待處理負極性信號的調理過程(即-0.5V~0和-0.5V—5V的信號調理)，同樣的情況適用于正極性信號的調理(即O?0.5V和0.5V~5V的信號調理)，只是極性相反。
[0034]該實施例對-0.25V-0.25V以內的測量用信號增益放大45.6倍，對-0.25V-0.25V以外的保護用信號則增益為-2.4; 一種情況是測量用長期工作信號為0.05V~0.25V且精度要求1%，則經調理后長期工作信號變為2.28V~11.4V而精度要求不變，而0.25V~5V、-5V~-
0.25V內的保護用信號則進行了壓縮且反相，有利于降低互感線圈次級側后續電路在采樣精度和電路穩定性方面的設計難度。
[0035]上述各實施例中的信號調理方式，其優點是:
經綜合調理模塊調理后的信號K包含原互感線圈次級側信號的全部波形信息，通過檢測信號仏變化率的正負突變即可區分測量用信號臨界值以內和以外的信號(保護用信號)，且該信號還易被還原為原始互感線圈次級側信號&，使得互感線圈次級側后續電路在精度和電路穩定性方面的設計難度大幅度降低，后續電路系統也更加穩定。
[0036]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.一種互感線圈次級側信號調理裝置，其特征在于:包括第一信號調理模塊、第二信號調理模塊、信號綜合調理模塊和供電模塊;第一信號調理模塊和第二信號調理模塊分別與信號綜合調理模塊相連，第一信號調理模塊和第二信號調理模塊同時接收互感線圈次級側信號，信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊和第二信號調理模塊的輸出信號，綜合調理后輸出滿足測量和保護用精度要求的信號，供電模塊給第一信號調理模塊、第二信號調理模塊和信號綜合調理模塊供電。2.根據權利要求1所述的互感線圈次級側信號調理裝置，其特征在于:所述信號綜合調理模塊為減法電路，其減數端連接第一信號調理模塊輸出端，其被減數端連接第二信號調理1?塊輸出立而。3.根據權利要求1所述的互感線圈次級側信號調理裝置，其特征在于:所述第一信號調理模塊和第二信號調理模塊均為比例運算放大電路，第一信號調理模塊和第二信號調理模塊的輸入端同時接收互感線圈次級側信號。4.根據權利要求1所述的互感線圈次級側信號調理裝置，其特征在于:所述供電模塊為穩壓芯片 78L05、LM2930T-5.0、79L05、LM2990T-5.0、LM1117-3.3、Mic5207、XC6206-33、7812、78L12、7912 和 79L12 中的任一種。5.根據權利要求2或3所述的互感線圈次級側信號調理裝置，其特征在于:減法電路和比例運算放大電路均采用軌到軌輸入輸出型運算放大器AD8027、0P184、AD8601和AD8605中的任一種。6.—種權利要求1?4任一項所述互感線圈次級側信號調理裝置的信號調理方法，其特征在于:包括以下步驟: 第一信號調理模塊輸入端接收互感線圈次級側信號&，其輸出端輸出信號仏； 第二信號調理模塊輸入端接收互感線圈次級側信號&，其輸出端輸出信號 信號綜合調理模塊接收第一信號調理模塊的輸入信號化和第二信號調理模塊的輸入信號，綜合調理后輸出調理信號Ut。7.根據權利要求6述的信號調理方法，其特征在于:所述輸出信號.K/，輸出信號UcfZ=Ki.K2.&，調理信號其中:Ji為供電模塊供電電壓幅值&?與互感線圈次級側信號保護用信號臨界值i/▲的比值，即辦為互感線圈次級側信號保護用信號臨界值U-與互感線圈次級側信號測量用信號臨界值I的比值，即K2=Uda/ Uem。
【文檔編號】G01R19/00GK106093510SQ201610678422
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610678422.3, CN 106093510 A, CN 106093510A, CN 201610678422, CN-A-106093510, CN106093510 A, CN106093510A, CN201610678422, CN201610678422.3
【發明人】梁棟, 徐丙垠, 王瑋
【申請人】山東理工大學