一种电流分段采样系统的制作方法

1.本技术实施例涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电流分段采样系统。


背景技术：

2.在电力消弧产品中，中性点经消弧线圈接地，其对地电位在电力系统正常运行时为零或接近于零，中性点电流很小，约为5ma或10ma；当发生接地故障时，中性点电压升高到6kv，中性点电流升高到1a或5a左右，小于中性点直接接地电流。通过对中性点电流进行采样，可以根据采样结果对接地故障进行判断。为了能够准确判断是否发生接地故障，要求在中性点电流小于0.05a时(也称小信号电流)，对中性点电流幅值的采样误差能够小于0.1％。
3.现有技术中，有采用在电流互感器后端进行直接采样的方法，然而这种方法只能满足一般的精度要求，无法达到对小信号电流进行采样的精度要求；现有技术中，还有采用在电流互感器后端接入一个运放器进行采样的方法，虽然采样精度可以得到提高，然而这种方法无法同时兼顾对中性点电流的采样精度和宽采样范围。
4.因此，针对现有技术当中的不足，亟待提出一种既能满足对中性点电流的采样精度，又能满足对中性点电流进行宽范围采样的电流分段采样系统。


技术实现要素：

5.本技术提供一种电流分段采样系统，以实现对中性点电流的分段采样，在保证对中性点电流进行宽采样的同时，提高对中性点电流的采样精度。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种电流分段采样系统，该系统包括：电流互感器、第一运放器、第二运放器和模数转换器；
7.所述电流互感器用于获取中性点电流的互感电流；
8.所述第一运放器的输入端与所述电流互感器连接，所述第一运放器的输出端与模数转换器的第一通道连接，用于通过所述第一通道获取第一分段电流采样结果；
9.所述第二运放器的输入端与所述第一运放器连接，所述第二运放器的输出端与模数转换器的第二通道连接，用于通过所述第二通道获取第二分段电流采样结果；
10.其中，第一分段电流采样结果在第一分段内采样精度符合预设标准；第二分段电流采样结果在第二分段内采样精度符合预设标准；第一分段与第二分段的分界值为预先设定的。
11.本技术实施例所提供的技术方案，所述电流分段采样系统包括电流互感器、第一运放器、第二运放器和模数转换器；所述电流互感器用于获取中性点电流的互感电流；所述第一运放器的输入端与所述电流互感器连接，所述第一运放器的输出端与模数转换器的第一通道连接，用于通过所述第一通道获取第一分段电流采样结果；所述第二运放器的输入端与所述第一运放器连接，所述第二运放器的输出端与模数转换器的第二通道连接，用于通过所述第二通道获取第二分段电流采样结果；其中，第一分段电流采样结果在第一分段
内采样精度符合预设标准；第二分段电流采样结果在第二分段内采样精度符合预设标准；第一分段与第二分段的分界值为预先设定的；本技术所提供的技术方案，将采样后的较小信号经第二运放器进行二次放大后输入给模数转换器进行采样，实现了对中性点电流的分段采样，在保证对中性点电流进行宽采样的同时，提高了对中性点电流的采样精度。
附图说明
12.图1是本技术实施例一提供的一种电流分段采样系统的示意图；
13.图2是本技术实施例二提供的一种电流分段采样系统的示意图；
14.图3是本技术实施例三提供的一种电流分段采样系统的示意图；
15.图4是本技术实施例三提供的一种量程检测模块的示意图；
16.图5是本技术实施例三提供的一种温度检测模块的示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。
18.实施例一
19.图1为本技术实施例一提供的一种电流分段采样系统的结构示意图。本技术实施例可适用于对中性点电流进行采样的情况。
20.具体地，如图1所示，所述电流分段采样系统包括电流互感器110、第一运放器120、第二运放器130和模数转换器140；
21.所述电流互感器110用于获取中性点电流的互感电流；
22.所述第一运放器120的输入端与所述电流互感器连接，所述第一运放器的输出端与模数转换器140的第一通道连接，用于通过所述第一通道获取第一分段电流采样结果；
23.所述第二运放器130的输入端与所述第一运放器连接，所述第二运放器的输出端与模数转换器140的第二通道连接，用于通过所述第二通道获取第二分段电流采样结果；
24.其中，第一分段电流采样结果在第一分段内采样精度符合预设标准；第二分段电流采样结果在第二分段内采样精度符合预设标准；第一分段与第二分段的分界值为预先设定的。
25.本实施例中，中性点又称“零点”，是指三相或多相交流系统中星形接线的公共点。按运行需要，它有接地或不接地等工作方式。在中性点不接地系统中，当线路较长，线路对地电容较大，或电源电压较高，单相接地时流过接地点的电流可能较大，当电流超过规定值时(一般认为35～60kv超过10a；10kv超过20a；3～6kv超过30a)就会在接地点产生电弧，从而引起弧光过电压；若采用经消弧线圈接地，可以在发生单相接地时，由于中性点电感电流与接地电容电流相位相反，流过接地点的总电流为二者数值之差，适当选择消弧线圈的电感值就可以使流过接地点的电流小于规定值，从而使故障处不会出现电弧，避免了电弧引起的弧光过电压对电气设备和线路绝缘的威胁。
26.中性点电流是指从中性点引出的导线上的电流。通过对中性点电流进行采样，可以根据采样结果对接地故障进行判断。为了能够准确判断是否发生接地故障，要求在中性
点电流小于0.05a时(也称小信号电流)，对中性点电流幅值的采样误差能够小于0.1％。
27.电流互感器110是指依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器。通常，可以在中性点的导线上设置电流互感器，通过电流互感器，可以将大的中性点电流转化为小的互感电流，以便于对中性点电流进行采样，如模数转换器一般对输入信号有一定的范围要求，最大输入电压为
±
10v或
±
5v；并且电流互感器还可以对后面的电流采样电路起到隔离保护的作用。
28.可选地，为了保证从电流互感器中获取到的互感电流的准确性，如从电流互感器副边输出的电流信号满足0.1％的精度要求，可以选用高精度的电流互感器，如选用高精度电流互感器hct226hjz
‑
2，其相关的参数包括变比为5a：2.5ma，精度为0.1％，线性度为0.05％，具有较高的隔离耐压性。
29.第一运放器120是指通过第一运放器电路中的采样电阻，对输入到第一运放器的输入信号进行采样的运算放大器。本实施例中，通过电路中设置的采样电阻，可以实现将电流信号转换成电压信号。
30.第二运放器130是指用来对输入信号按比例进行放大的运算放大器，其放大的倍数与第二运放器电路中的电阻有关，可以根据需求调整电路中的相关电阻，从而对第二运放器的放大倍数进行调节，进而使得对输入到第二运放器的电压信号可以根据需求进行放大。
31.本实施例中，采用电压采样的方法对中性点电流进行采样。具体地，互感电流流经第一运放器，基于前端第一运放器处的等效电阻，将等效电阻与电流相乘，就可以将电流信号转化为相应的电压信号，也即在第一运放器的输出端可以得到与互感电流相关的电压值，之后再将第一运放器的输出端与模数转换器的第一通道连接，用于将输入的模拟电压转换为与电压成正比的数字量。
32.可以理解的是，第一运放器对信号的采样精度与自身的采样电阻相关。要想得到对信号采集的高精度结果，还需对采样电阻的精度进行限定，如保证采样电阻精度在1％以上。
33.可选地，第二运放器的型号与第一运放器可以相同，也可以不同，具体的各运放器的型号可根据实际需求进行选取。
34.典型地，第二运放器的型号与第一运放器的型号相同。
35.模数转换器140是一种将模拟信号转换成对应数字信号的设备，模数转换器可以提供隔离的测量，例如将输入的模拟电压或电流转换为与电压或电流幅度成正比的数字量。
36.本实施例中，各运放器可共用一个模数转换器，只是与模数转换器连接的通道不同。通常，模数转换器有多个通道，可以将多种模拟量转换为相应的数字量。例如，8通道的模数转换器，第一运放器的输出端可以选取其中的一个通道进行连接，如与模数转换器的第一通道连接。
37.可选地，模数转换器的型号可以是ad7606。
38.值得注意的是，本技术最终输出的是对中性点电流进行采样的第一分段电流采样结果，也即在模数转换器的输出端，还需将转换后的数字量进行进一步处理，以计算得到对中性点电流进行采样的电流幅值。
39.可选地，将模数转换器输出的数字信号传输给计算机，由计算机再反算出采样的电流值。
40.本实施例中，第一分段电流采样结果是指相较于对中性点电流进行全分段采样的结果而言，根据第一运放器对中性点电流进行全分段采样的结果，选取出部分第一运放器对中性点电流进行采样的结果，并将其作为对中性点电流进行采样的最终结果。
41.例如，对中性点电流的全分段采样范围是0.05a～5a，根据第一运放器在全分段采样范围中对中性点电流的采样结果，可以根据实际需求，选取出一部分第一运放器的采样结果作为对中性点电流进行采样的最终结果。
42.如下表中的表1所示，表1为第一运放器在全分段采样范围中对中性点电流的采样结果的一个示例。
43.表1：
[0044][0045]
其中，表1中的输入电流是指未经采样的，中性点导线上的中性点电流；幅值相对误差是指根据输入电流和对中性点电流进行采样得到的采样电流，计算得到的电流幅值相对误差。其中，采样电流是指第一运放器将输出的电压信息通过模数转换器转换后，并经过处理(指通过数字量反算出电流值)得到的采样电流。
[0046]
在一些实施例中，根据对中性点电流的采样精度要求(如要求采样误差小于0.1％)。参见表1，表1中的输入电流在0.5a～5a之间，第一运放器对中性点电流幅值的采样误差小于0.1％，因此，可以将输入电流0.5a～5a作为第一分段电流，当输入电流在0.5a～5a之间时，就可以将第一运放器输出的第一分段电流采样结果作为对中性点电流进行采样的最终结果。
[0047]
需要注意的是，表1中的第一运放器采样结果不构成本实施例的限定，具体的第一运放器采样结果与采样电路中的元器件相关，可根据实际需求设置元器件的参数。
[0048]
本实施例中，第二分段电流采样结果是指相较于对中性点电流进行全分段采样的结果而言，根据第二运放器对中性点电流进行全分段采样的结果，选取出部分第二运放器对中性点电流进行采样的结果，并将其作为对中性点电流进行采样的最终结果。
[0049]
具体地，第一运放器输出的电压信号经过同相第二运放器(使用同相放大电路保证前后级输出的相位同相)，可以进一步将电压信号进行放大，之后经模数转换器的第二通道输入，将模拟电压信号转化为对应的数字量，并进行相应处理后得到对中性点电流进行采样的电流值。
[0050]
可以理解的是，当中性点电流很小时，如5～500ma，交流互感器二次侧的互感电流就更加微小，如只有0.01～1.0ma，当这个互感电流经过第一运放器输出时，电压信号也非常小，如只有2.4～240mv，普通的模数转换器对电压信号的处理将不能满足对信号采集的
精度需求。若要想将2.4mv的电压信号测到只有0.1％的误差，那么需至少选择24位或更高位数的模数转换器，成本将增加数十倍。本实施例中，第一运放器输出的电压信号经过同相第二运放器，将电压信号放大(如放大倍数为10)之后从模数转换器输出，可以将2.4～240mv的电压信号转变为24mv～2.4v，此时使用普通的模数转换器就可以满足采样误差小于0.1％的精度要求。
[0051]
可选地，在不降低中性点电流的采样精度的情况下，为了减少对中性点电流进行采样的成本，可选地，所述模数转换器可以采用16位的模数转换器。
[0052]
本实施例中，第一分段电流采样结果在第一分段内采样精度符合预设标准是指通过第一运放器获取的第一分段电流采样结果，对中性点电流的采样精度不超过预设标准，如预设标准为对中性点电流幅值的采样误差不超过0.1％。相应的，第二分段电流采样结果在第二分段内采样精度符合预设标准是指通过第二运放器获取的第二分段电流采样结果，对中性点电流的采样精度不超过预设标准，如预设标准为对中性点电流值的采样误差不超过0.1％。
[0053]
需要说明的是，第一分段和第二分段构成对中性点电流进行采样的全部采样范围，而该全部采样范围可以根据实际需求进行选取。其中，第一分段与第二分段的分界值为预先设定的。
[0054]
可选地，所述第一分段与第二分段的分界值的确定过程可以是通过板卡调试情况来预先选取。
[0055]
或者可选地，为了更加准确地确定第一分段与第二分段的分界值，所述分界值还可以基于第一运放器对中性点电流进行全分段采样的第一结果，以及第二运放器对中性点电流进行全分段采样的第二结果，由所述第一结果和第二结果中采样精度相等时对应的中性点电流确定。
[0056]
其中，第一结果是指第一运放器对所有的中性点电流进行采集输出的采样结果，第一结果可以是以表格或曲线的形式进行表示，其中，第一结果包括输入电流(也即中性点电流)和相应的采样精度大小；相应的，第二结果是指第二运放器对所有的中性点电流进行采集输出的采样结果，第二结果也可以是以表格或曲线的形式进行表示，第二结果包括输入电流和相应的采样精度大小。
[0057]
可选地，以曲线的形式对第一结果和第二结果进行展示，其中，曲线所在坐标系的横坐标为输入电流，纵坐标为采样误差，将第一结果曲线和第二曲线存在交集的输入电流作为第一分段和第二分段的分界值。
[0058]
本实施例中，若所述第一通道输出的电流值大于所述分界值，则将所述电流值作为对中性点电流进行采样的第一分段电流采样结果；若所述第二通道输出的电流值小于所述分界值，则将所述电流值作为对中性点电流进行采样的第二分段电流采样结果。
[0059]
可选地，若所述模数转换器的第一通道输出的电流值小于所述分界值，则不对所述输出的电流值进行处理；相应地，若所述模数转换器的第二通道输出的电流值大于所述分界值，则不对所述输出的电流值进行处理。
[0060]
可以理解的是，根据分界值，可以有依据地选取第一运放器和第二运放器的输出结果，确定是否将上述输出结果作为对中性点电流进行采样的最终结果，在保证对中性点电流进行宽采样的同时，提高对中性点电流的采样精度。例如，对中性点电流的全分段采样
范围为5ma～6.5a，分界值为500ma，当输入电流信号为500ma～6.5a时，在第一运放器的模数转换器输出的第一分段电流采样结果，对中性点电流的采样误差满足不高于0.1％的采样精度；当输入电流信号为5～500ma时，在第二运放器的模数转换器的输出端输出的第二分段电流采样结果，对中性点电流的采样误差同样满足不高于0.1％的采样精度。
[0061]
需要说明的是，上述全分段采样范围5ma～6.5a，是指在达到高精度要求的前提下计算出的测量范围，而所述高精度要求可以是对中性点电流的采样误差满足不高于0.1％的采样精度，或者还可以是其他的采样精度指标。
[0062]
在一些实施例中，为了保护后端运放器不会因输入值过大而损坏，可选地，所述电流分段采样系统还包括瞬态二极管，所述瞬态二极管设置于第一运放器和在第二运放器之间。
[0063]
本技术实施例所提供的技术方案，所述电流分段采样系统包括电流互感器、第一运放器、第二运放器和模数转换器；所述电流互感器用于获取中性点电流的互感电流；所述第一运放器的输入端与所述电流互感器连接，所述第一运放器的输出端与模数转换器的第一通道连接，用于通过所述第一通道获取第一分段电流采样结果；所述第二运放器的输入端与所述第一运放器连接，所述第二运放器的输出端与模数转换器的第二通道连接，用于通过所述第二通道获取第二分段电流采样结果；其中，第一分段电流采样结果在第一分段内采样精度符合预设标准；第二分段电流采样结果在第二分段内采样精度符合预设标准；第一分段与第二分段的分界值为预先设定的；本技术所提供的技术方案，将采样后的较小信号经第二运放器进行二次放大后输入给模数转换器进行采样，实现了对中性点电流的分段采样，在保证对中性点电流进行宽采样的同时，提高了对中性点电流的采样精度。
[0064]
实施例二
[0065]
图2为本技术实施例二提供的一种电流分段采样系统的结构示意图，本实施例是在上述实施例的技术方案的基础上，引入至少一个第三运放器，以实现对中性点电流的宽范围采集。
[0066]
具体地，如图2所示，所述电流分段采样系统还包括至少一个第三运放器210；
[0067]
所述第三运放器210的输入端与前一个运放器的输出端连接，所述第三运放器的输出端与模数转换器的其他剩余通道连接；
[0068]
所述第三运放器用于在通过第二通道获取第二分段电流采样结果之后，通过所述其他剩余通道获取第三分段电流采样结果；
[0069]
其中，第三分段电流采样结果在第三分段内采样精度符合预设标准；第二分段与第三分段的分界值为预先设定的。
[0070]
其中，第三分段电流采样结果在第三分段内采样精度符合预设标准是指通过第三运放器获取的第三分段电流采样结果，对中性点电流的采样精度不超过预设标准，如预设标准为对中性点电流值的采样误差不超过0.1％。
[0071]
可选地，所述第二分段与第三分段的分界值的确定过程可以是通过板卡调试情况来预先选取。
[0072]
或者可选地，为了更加准确地确定第二分段与第三分段的分界值，所述第二分段与第三分段的分界值还可以基于第二运放器对中性点电流进行全分段采样的第二结果，以及第三运放器对中性点电流进行全分段采样的第三结果，由所述第二结果和第三结果中采
样精度相等时对应的中性点电流确定。
[0073]
可以理解的是，第三运放器相比于第二运放器，可以对更小的中性点电流进行采集。
[0074]
在一些实施例中，第二运放器后面可以存在多个第三运放器，根据这些运放器在采样电路中的位置，越是后面的放大器，越是可以对更小信号的中性点电流进行采集，从而依据多个运算放大器对中性点电流的分段采样结果，可以实现对中性点电流进行更宽范围的，以及高精度的采样。
[0075]
可选地，所述电流分段采样系统还包括：电压校准模块，所述电压校准模块用于在对中性点电流进行采样之前，采用预设的预设补偿方法对各运放器的失调电压进行校准。
[0076]
其中，失调电压也称输入失调电压，是指运算放大器在没有任何外部输入时存在于两个端口间的差分输入电压。
[0077]
可以理解的是，由于失调电压的存在，输入失调电压乘以运算放大器的增益会并加到输出电压中，实质上是向输出增加误差因子。显然，失调电压在测量小差分电压时变得至关重要，随着测量信号的减小，由输入失调电压引起的误差将增大。因此，可以选择在对中性点电流进行采样时，可以采用预设的预设补偿方法对各运放器的失调电压进行校准。
[0078]
可选地，预设补偿方法可以是在输入级加一调零电位器，或者在输入端加一补偿电压，以减小失调电压的影响。其中，补偿电压可以是在未将运算放大器接入采样电路的情况下，对运算放大器输出的多个采样值算平均，得出的零偏值。
[0079]
本技术实施例在第二运放器之后增加至少一个第三运放器，从而通过第三运放器获取第三分段电流采样结果；其中，第三运放器的输入端与前一个运放器的输出端连接，且第三运放器的输出端与模数转换器的其他剩余通道连接；其中，第三分段电流采样结果在第三分段内采样精度符合预设标准；第二分段与第三分段的分界值为预先设定的；本技术所提供的技术方案，实现了在第二运放器进行一级放大后，再经第三运放器进行二级放大，实现了分段放大，以及分段采样，从而实现了对中性点电流进行更宽范围的采样；同时，通过采用预设的预设补偿方法对各运放器的失调电压进行校准，进一步提高了对中性点电流的采样精度。
[0080]
实施例三
[0081]
图3为本技术实施例三提供的一种电流分段采样系统的结构示意图，本实施例是在上述实施例的技术方案的基础上，引入量程检测模块、温度检测模块和结果校准模块，以实现对第一分段电流采样结果和第二分段电流采样结果的校准。
[0082]
具体地，如图3所示，所述电流分段采样系统还包括量程检测模块310、温度检测模块320和结果校准模块330；
[0083]
所述量程检测模块310，用于获取所述采样开关的采样量程；所述采样开关与模数转换器的第三通道连接；
[0084]
所述温度检测模块320，用于获取采样点的采样温度；所述采样点设置于电流互感器侧；
[0085]
所述结果校准模块330，与所述温度检测模块和所述量程检测模块连接，用于根据所述采样温度和所述采样量程，对所述第一分段电流采样结果和所述第二分段电流采样结果进行校准。
[0086]
参见图4，图4为本技术实施例提供的一种量程检测模块的示意图，本实施例中，量程检测模块310可以与模数转换器的第三通道(其他的可用通道也可以)连接。在图4中，当跳帽s1插上时，a点电压为0，判断为小量程；当跳帽s1拔掉时，a点电压不为0，判断为大量程。因此，可以通过读取a点电压来判断该电流采样电路量程为小量程还是大量程，如0～1a还是0～5a。其中，在对中性点电流进行采样时，可以预先通过跳帽s1触发采样电路所属的量程范围，从而在上述预先确定的量程范围内进行电流采样。
[0087]
可以理解的是，通过量程检测模块对采样量程进行检测，可以确定采样电路是小量程还是大量程，从而可以据此对第一分段电流采样结果和第二分段电流采样结果进行自适应校准。通常，在小量程的情况下，应该对采样结果进行微调，如采用更小的校准系数。
[0088]
参见图5，图5为本技术实施例提供的一种温度检测模块的示意图，本实施例中，温度检测模块320可以与模数转换器的其他剩余通道连接。所述温度检测模块主要包括热敏电阻r11，热敏电阻r11的阻值随着采样点温度的升高而减小，b点的电压也随之减小。因此，可以通过对b点电压的采集，来确定采样点的采样温度。通常，热敏电阻精度越高，则获取的采样温度越精确。
[0089]
可以理解的是，在对中性点电流进行采样时，采样结果会不同程度上受到温度的影响，如板卡的温度以及周围环境的温度。因此，有必要针对采样点的温度进行检测，通过温度检测模块获取的采样温度，可以对第一分段电流采样结果和第二分段电流采样结果进行自适应校准，以补偿温度对采样结果造成的影响。
[0090]
可选地，所述电流分段采样系统还包括：数据存储模块，所述数据存储模块中存储有所述采样温度与校准系数的关系对应表，所述采样量程与校准系数的关系对应表，以及所述采样温度、采样量程与校准系数的关系对应表。
[0091]
其中，关系对应表可以是表格或函数的形式。
[0092]
可选地，所述结果校准模块具体用于：根据所述采样温度和/或采样量程，从所述数据存储模块中读取校准系数；根据所述校准系数，对所述第一分段电流采样结果和第二分段电流采样结果进行校准。
[0093]
其中，校准系数是一个在数值1上下浮动的小数。例如，当校准系数比1小时，说明采样所得的，未经校准过的第一分段电流采样结果和第二分段电流采样结果偏大，需要与校准系数相乘，来调整第一分段电流采样结果和第二分段电流采样结果。
[0094]
本实施例中，所述结果校准模块可以是具备一定数据处理功能的微处理器。
[0095]
具体地，结果校准模块既可以根据采样温度，从数据存储模块中读取与采样温度有关的校准系数，也可以根据采样量程，从数据存储模块中读取与采样量程有关的校准系数，还可以根据采样温度和采样量程，共同确定一个校准系数；从而进一步根据确定出的校准系数，来对第一分段电流采样结果和第二分段电流采样结果进行自适应校准。
[0096]
本技术实施例在上述提供的技术方案的基础上，所述电流采样系统还包括量程检测模块、温度检测模块和结果校准模块；所述量程检测模块用于获取所述采样开关的采样量程，所述采样开关与模数转换器的第三通道连接；所述温度检测模块用于获取采样点的采样温度，所述采样点设置于电流互感器侧；所述结果校准模块与所述温度检测模块和所述量程检测模块连接，用于根据所述采样温度和所述采样量程，对所述第一分段电流采样结果和所述第二分段电流采样结果进行校准；本技术所提供的技术方案，通过结果校准模
块，进一步提高了对中性点电流的采样精度。
[0097]
注意，上述仅为本技术的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本技术不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本技术的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本技术进行了较为详细的说明，但是本技术不仅仅限于以上实施例，在不脱离本技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本技术的范围由所附的权利要求范围决定。