一种带电插拔式电子式互感器数字化装置的制作方法

本发明涉及一种电子式互感器数字化装置，主要用在6kV以上、35kV以下的配电网自动化及测量系统中。

背景技术：

在6～35kV配电网中，配电自动化设备（如FTU、DTU、TTU等）和高压电能计量设备等二次设备均需通过高压电压互感器和高压电流互感器将高压信号变为低压信号才能被正常采集。并且，传统的电磁式互感器已逐渐被电子式互感器替代。

电子式互感器按其二次输出的形式分为两类：一类是数字量输出式，一类是模拟量输出式。

数字量输出式电子式互感器需要通过一次转换器生成数字信号，数字信号通过电气隔离传输系统传输到合并单元（MU），合并单元进行时钟同步及多通道组帧，形成符合IEC60870-5-1相应协议格式的串行数据，最后发送至各类自动化装置和保护装置。由于数字量输出式电子式互感器需要一次侧电源、一次侧转换器、隔离传输系统、合并单元等环节，故而存在成本高和维护复杂的缺陷，仅适用于110kV以上电压级别的电力系统。

模拟输出式电子式互感器直接输出10V以下的模拟信号，例如：电压互感器输出10/kV/3.25/V的模拟电压信号，电流互感器输出600A/1V的模拟电流信号。由于信号电压较低，易受现场强电干扰。尤其是基于电阻分压或电容分压原理的电子式电压互感器，由于输出阻抗高，更容易受到传输线路传导参数的影响，并且难以通过互感器等进行电气隔离。如果在高压侧一次设备处设置有源器件进行阻抗变换并实现电气隔离，则需要在一次设备处增加大量的复杂电子器件，并且复杂电子器件通常寿命较短，二者融合在一起会影响到一次设备的整体寿命。

另一方面，在基于一二次融合的柱上开关自动化方案中，电子式互感器通常安装在柱上开关处，与二次设备之间通过十几米长的电缆相连接，长线传输所造成的误差非常显著。并且，当电力线路遭受雷击时，电子式互感器安装处与二次设备安装处的地线电压差将显著升高，没有有效的电气隔离将导致电子式互感及二次设备损坏。

技术实现要素：

本发明提出了一种带电插拔式电子式互感器数字化装置，其目的是：（1）解决数字量输出式电子式互感器配合合并单元的方案中成本高和维护复杂的问题；（2）解决一二次融合方案中电子式互感器的二次模拟输出的长距离传输影响准确度的问题；（3）解决一二次融合方案中电子式互感器与二次设备之间的电气隔离问题；（4）解决复杂电子设备安装在一次设备本体内而难以进行后期维护的问题。

本发明技术方案如下：

一种带电插拔式电子式互感器数字化装置，包括外壳，所述外壳上设置有第一连接器，所述第一连接器上设有三相电流信号输入端、三相电压信号输入端和信号输出端；

所述外壳内设有转换编码模块，所述转换编码模块包括保护电流信号调理电路、测量电流信号调理电路、多通道模数转换器、传输报文编码器、曼彻斯特编码器、隔离发送器、阻抗变换器以及电压信号调理电路；

所述三相电流信号输入端与保护电流信号调理电路的输入端以及测量电流信号调理电路的输入端分别相连接；

所述三相电压信号输入端通过阻抗变换器与电压信号调理电路的输入端相连接；所述阻抗变换器将输入的三相高阻抗电压信号变换成三相低阻抗电压信号并送至电压信号调理电路；

所述保护电流信号调理电路的输出端、测量电流信号调理电路的输出端以及电压信号调理电路的输出端分通道与多通道模数转换器的输入端相连接以分别将调整后的信号发送至多通道模数转换器；

所述多通道模数转换器的输出端依次通过传输报文编码器、曼彻斯特编码器以及隔离发送器与信号输出端相连接。

作为本发明的进一步改进：所述传输报文编码器按照IEC60870-5-1规定的FT3帧格式和中国国家标准GB/T-20840.8规定的标准数据通道映射确定的顺序编码来自多通道模数转换器的数据。

作为本发明的进一步改进：所述转换编码模块还包括第一模拟加法器和第二模拟加法器；

所述三相电流信号输入端还通过第一模拟加法器与多通道模数转换器的输入端相连接；

所述三相电压信号输入端还通过第二模拟加法器与多通道模数转换器的输入端相连接。

作为本发明的进一步改进：所述第一连接器上还设有供电输入端，所述外壳内还设有用于为转换编码模块供电的供电模块，所述供电模块包括电源隔离电路和带电插拔缓冲电路，所述供电输入端通过带电插拔缓冲电路以及电源隔离电路与转换编码模块相连接。

作为本发明的进一步改进：保护电流信号调理电路的调整幅度为：当输入电流信号的电压幅值超过额定值的10倍时，送到多通道模数转换器的幅值峰值不超过多通道模数转换器的量程值；

测量电流信号调理电路的调整幅度为：当输入电流信号的电压幅值超过额定值的1.2倍时，送到多通道模数转换器的幅值峰值不超过多通道模数转换器的量程值；

电压信号调理电路的调整幅度为：当输入电压幅值超过额定值的1.2倍时，送到多通道模数转换器的幅值的峰值不超过多通道模数转换器的量程值。

作为本发明的进一步改进：所述隔离发送器包括RS422驱动电路和与RS422驱动电路相连接的信号隔离变压器。

作为本发明的进一步改进：所述转换编码模块还包括控制器，所述控制器与多通道模数转换器、传输报文编码器以及曼彻斯特编码器分别相连接。

作为本发明的进一步改进：所述控制器还连接有指示灯，所述指示灯设置在外壳上。

作为本发明的进一步改进：外壳上设有弹簧腔、以及与弹簧腔相连通的通孔，所述通孔中放置有限位块，所述弹簧腔内设有与限位块内端相连接的顶簧，所述限位块外端伸出外壳；

所述外壳还设有与通孔垂直相通的锁孔；

所述限位块上还开设有与相对于锁孔偏心的偏心孔。

作为本发明的进一步改进：还包括用于安装外壳的壳体；所述壳体上设有用于与第一连接器相连接的第二连接器；所述壳体上设有用于与限位块相配合的限位孔；

还包括用于与锁孔相配合的钥匙，所述锁孔内设有内螺纹，所述钥匙上设有与该内螺纹相配合的外螺纹，所述钥匙内端为锥形、用于与偏心孔相配合。

相对于现有技术，本发明具有以下积极效果：本发明在一个装置内整合了模数转换、编码、电气隔离等功能，能够将原本电子式互感器输出的模拟信号就地数字化，并进行编码及电气隔离，以数字方式输出到二次设备：相对于现有的数字量输出式电子式互感器配合合并单元方案，省略了电子式互感器的独立的一次转换、数字量传输、二次侧多路数字量输入通道合并以及数据同步等环节，降低了电路复杂程度及成本，提高了可靠性；并且，本发明还解决了一二次融合方案中电子式互感器的二次模拟输出的长距离传输影响准确度的问题；同时还进一步解决了一二次融合方案中电子式互感器与二次设备之间的电气隔离问题。另一方面，本发明为一体化结构，通过顶簧和限位块机构且可进行远距离快速插拔，从而可快速插接在柱上型配电开关与电子式互感器融合设备的本体上、或靠近电子式互感器处的高压线杆上，降低了电子电路部分的维护难度，确保了维护的便利性和安全性。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明的外观结构示意图。

图3为本发明中带电插拔机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

实施例一

如图1所示，一种用于10kV配电网一二次融合柱上开关设备的带电插拔式电子式互感器数字化装置1，包括外壳3，所述外壳3上设置有第一连接器，所述第一连接器上设有三相电流信号输入端、三相电压信号输入端、信号输出端以及供电输入端；

所述外壳3内设有转换编码模块以及用于为转换编码模块供电的供电模块。

所述转换编码模块包括保护电流信号调理电路4、测量电流信号调理电路5、多通道模数转换器6、传输报文编码器8、曼彻斯特编码器9、隔离发送器10、阻抗变换器16以及电压信号调理电路17；

多通道模数转换器6由两片8通道同步采样模数转换器（AD7606）构成，设置为±5V满量程工作模式。

所述转换编码模块还包括第一模拟加法器13和第二模拟加法器14。

所述供电模块包括电源隔离电路11和带电插拔缓冲电路12，所述供电输入端通过带电插拔缓冲电路12以及电源隔离电路11与转换编码模块相连接。

所述第一连接器为插头式连接器2，其采用WF28-16TA型插头式防水连接器，具有金属外壳。所述的外壳3为铝制防水电路盒，插头式连接器2尾部与外壳3通过通孔连接。保护电流信号调理电路4、测量电流信号调理电路5、多通道模数转换器6、控制器7、传输报文编码器8、曼彻斯特编码器9、隔离发送器10、电源隔离电路11、带电插拔缓冲电路12、阻抗变换器16以及电压信号调理电路17均设置在外壳3内部的印刷电路板上。

插头式连接器2的各连接引脚通过导线分别连接到印刷电路板的各个单元电路上：

所述三相电流信号输入端与保护电流信号调理电路4的输入端以及测量电流信号调理电路5的输入端分别相连接；

保护电流信号调理电路4的调整幅度为：当输入电流信号的电压幅值超过额定值的10倍时，送到多通道模数转换器6的幅值峰值不超过多通道模数转换器6的量程值；

测量电流信号调理电路5的调整幅度为：当输入电流信号的电压幅值超过额定值的1.2倍时，送到多通道模数转换器6的幅值峰值不超过多通道模数转换器6的量程值。

所述保护电流信号调理电路4的输出端以及测量电流信号调理电路5的输出端分通道与多通道模数转换器6的输入端相连接以分别将调整后的信号发送至多通道模数转换器6。

所述三相电流信号输入端还通过第一模拟加法器13与多通道模数转换器6的输入端相连接。

插头式连接器2输入的反映一次侧三相电流的信号（UIa、UIb、UIc）额定值为1V。

保护电流信号调理电路4由三组电阻式分压器构成，分别将输入信号进行5/(25×)倍（此实施例为输入信号幅度达到额定值的25倍，多通道模数转换器6不溢出）的分压变换后送至多通道模数转换器6；

测量电流信号调理电路5由三组运算放大器构成，分别将输入信号进行5/(2×)倍（此实施例为输入信号幅度达到额定值的2倍，多通道模数转换器6不溢出）的放大后送至多通道模数转换器6；

第一模拟加法器13由运算放大器构成，三相电流信号相加后合成零序电流信号I0、送多通道模数转换器6，第一模拟加法器13还可设置不同增益，如此可调整小电流下零序电流的模数转换分辨率。

所述三相电压信号输入端通过阻抗变换器16与电压信号调理电路17的输入端相连接；所述阻抗变换器16将输入的三相高阻抗电压信号变换成三相低阻抗电压信号并送至电压信号调理电路17；

电压信号调理电路17的调整幅度为：当输入电压幅值超过额定值的1.2倍时，送到多通道模数转换器6的幅值的峰值不超过多通道模数转换器6的量程值。

所述电压信号调理电路17的输出端与多通道模数转换器6的输入端相连接以将调整后的信号发送至多通道模数转换器6。

所述三相电压信号输入端还通过第二模拟加法器14与多通道模数转换器6的输入端相连接。

插头式连接器2输入的三相电压信号（Ua、Ub、Uc）额定值为3.25/V，送至阻抗变换器16，经过阻抗转换后转换成低阻抗电压信号后分别送到电压信号调理电路17和第二模拟加法器14；

阻抗变换器16由3组分别按射极跟随器模式连接的运算放大器构成，其输入阻抗大于10MΩ，输出阻抗小于10Ω。

电压信号调理电路17由三组电阻式分压器构成，分别将阻抗变换器16输出的电压信号进行(5×)/(3.25×2×)倍（此实施例为输入信号幅度达到额定值的2倍，多通道模数转换器6不溢出）的分压后送到多通道模数转换器6。

第二模拟加法器14由运算放大器构成，输入的三相电压信号相加后合成零序电压信号U0送多通道模数转换器6。

所述多通道模数转换器6的输出端依次通过传输报文编码器8、曼彻斯特编码器9以及隔离发送器10与信号输出端相连接；

所述隔离发送器10包括RS422驱动电路和与RS422驱动电路相连接的信号隔离变压器，隔离变压器的两线输出信号分别送到插头式连接器2。

所述转换编码模块还包括控制器7，所述控制器7与多通道模数转换器6、传输报文编码器8以及曼彻斯特编码器9分别相连接，以实现对多通道模数转换器6、传输报文编码器8以及曼彻斯特编码器9的控制。

控制器7、传输报文编码器8、曼彻斯特编码器9的功能由一片大规模可编程逻辑器件的数字逻辑功能实现。

其中控制器7的逻辑功能模块输出控制信号到AD7606，控制其按4000点/秒的速率对各通道数据进行同步采样，并将转换数据结果输送到传输报文编码器8的逻辑功能模块。

传输报文编码器8的逻辑功能模块按照IEC60870-5-1规定的FT3帧格式和中国国家标准GB/T-20840.8规定的标准数据通道映射确定的顺序将来自多通道模数转换器6的数据组成串行通信报文，传送到曼彻斯特编码器9。

曼彻斯特编码器9的逻辑功能模块在控制器7的控制下按2.5Mbit/s的速率对传输报文编码器8送来的数据进行曼彻斯特编码后送至隔离发送器10。

供电模块方面，插头式连接器2输入的供电电源送至带电插拔缓冲电路12，经缓冲后送至电源隔离电路11；

带电插拔缓冲电路12由一个串联接入电源电路中的电感器或5Ω电阻器、与一个并联接入电源隔离电路11输入端的10uF电容器构成；

电源隔离电路11是一个具有3000Vdc隔离电压的24V转±5V隔离电源模块，输出的±5V电源向设置在外壳3内印刷电路板上的各个电路供电。

所述控制器7还连接有位于外壳3上的指示灯15，正常工作状态下工作指示灯15以1秒周期闪烁，故障状态下不闪烁。

本实施例中转换编码模块应用于10kV柱上开关一二次融合方案时的外围配套设备包括：

还设有用于与第一连接器相连接的第二连接器，所述第二连接器为插座式连接器20，型号为WF28-16Z；

三只基于低功耗电流互感器（LPCT）原理及二次侧以电压方式输出的电子式电流互感器21、22、23，规格为600A/1V，测量0.2S级，保护5P10级，其模拟量输出信号连接到插座式连接器20的相应连接脚上；

三只基于电阻分压器原理的电子式电压互感器24、25、26，规格为10/kV/3.25/V,0.2级，其模拟量输出信号连接到插座式连接器20的相应连接脚上；

一台配电终端27（FTU），配电终端27的24V直流电源输出以及数字量输入信号线通过电缆连接到插座式连接器20的相应连接脚上。

其中，电子式电流互感器21、22、23，电子式电压互感器24、25、26以及插座式连接器20均设置在配电柱上的开关本体40上，FTU设置在线杆中部。所述的转换编码模块1插接在插座式连接器20上。插座式连接器20上连接电子式互感器的电缆与连接FTU的电缆相互电气隔离。

本实施例带电插拔式转换编码模块的外观结构如图2所示。

实施例二

本实施例中，控制器7和传输报文编码器8的功能由DSP实现，其它部分同实施例一。其优势在于：可以通过DSP软件对多通道模数转换器6送来的数据进行软件校正，使得转换编码模块的整体准确度不再依赖于信号调理电路，降低了生产过程中的校准难度，提高了装置整体准确度。

实施例三

如图3，本实施例基于实施例一或二：还包括用于安装外壳3的金属壳体30，插座式连接器20改为设置在所述壳体30上，并且插头式连接器2及插座式连接器20改为金手指式连接器。

壳体30具有向下的开口，插座式连接器20设置在壳体30顶板的底部，同时壳体30设置在配网柱上开关本体的侧面或底部。插座式连接器20的连接电缆穿过壳体30、与电子式互感器及FTU的电缆相连接；插头式连接器2设置在外壳3的上方；转换编码模块可从壳体30开口处插入并使插头式连接器2与插座式连接器20连接，壳体30顶板底部与外壳3顶部相配合处设置有防水密封机构。

所述外壳3还通过锁紧机构安装在壳体30上：

所述锁紧机构包括设置在外壳3上的弹簧腔、以及与弹簧腔相连通的水平通孔，所述锁紧机构还包括设置在壳体30侧面的与通孔相通的限位孔35以及设置于通孔中并用于与限位孔35相配合的限位块32；所述限位块32外端伸出外壳3；

所述弹簧腔内设有与限位块32内端相连接的顶簧33；

所述锁紧机构还包括设置在外壳3底部、与通孔垂直相通的锁孔31以及与锁孔31相配合的钥匙36，所述锁孔31内设有内螺纹，所述钥匙36上设有与内螺纹相配合的外螺纹，所述钥匙36内端为锥形；

所述限位块32上还开设有用于与钥匙36内端锥部相配合的偏心孔34，所述偏心是指相对于锁孔31偏心。

顶簧33推动限位块32突出到外壳3表面外，当转换编码模块插接到位时，限位块32与限位孔35对齐，限位块32伸出到限位孔35中，使转换编码模块处于不可插拔状态。

当钥匙36旋入锁孔31时，其顶部锥形尖端穿入偏心孔34内，将限位块32从限位孔35中退出，此时转换编码模块处于可插拔状态。

内外螺纹、锥形尖端、限位块32及限位孔35相互间的配合，避免了插拔操作过程中转换编码模块从操作钥匙36上脱落，提高了装置使用的安全性。

本实施例可使维护人员在地面远离高压线路的位置通过高压操作杆快速更换转换编码模块部分，确保了维护的便利性和安全性。

壳体30还可以设置高压线杆上，而不是设置在在配网柱上开关本体40侧面或下面，这在无柱上开关、或者配电自动化存量改造工程中有着重要应用价值。