一种智能低压故障传感器模拟前端调理电路的制作方法

本实用新型涉及配电自动化领域，尤其涉及一种智能低压故障传感器模拟前端调理电路。

背景技术：

智能低压故障传感器(下述简称：故障传感器)安装于低压出线、分支箱、架空线路、电表箱、配电箱等处的低压线路上，并在上述位置处建立监测点。通过监测三相电压、电流，以及有功/无功、剩余电流等参数，实现线路运行状态监测以及线路故障状态指示等基本功能。故障传感器的扩展功能，包括电能质量测量、与其他智能单元配合实现台区拓扑关系识别，以及在台区拓扑关系自动辨识的基础上，实现台区精益化线损管理和台区供电回路阻抗智能化分析。

目前故障传感器对电气量的采集和处理，即模拟前端电路设计，一般都通过计量芯片或者微处理器内置adc(模数转换器)模块来完成。计量芯片可以准确完成电压、电流、有功/无功、剩余电流、电能质量测量的处理，但无法实现有强实时性采样要求的台区拓扑关系识别、线损管理和供电回路阻抗分析等功能；与之相对的是，虽然微处理器内置adc模块的采样及模数转换实时性高，但在实现功率计算、电能质量测量等功能方面的效率较低。

因此，目前故障传感器模拟前端电路设计方案有待进一步完善。

技术实现要素：

为解决现有的技术问题，本实用新型提供了一种智能低压故障传感器模拟前端调理电路。

本实用新型具体内容如下：一种智能低压故障传感器模拟前端调理电路，包括连接到微控制器内部模数转换器的电平搬移及放大电路，以及连接到三相计量芯片的共模rc滤波电路。线路电流、电压经微型互感器传变后的电气信号分别进入电平搬移及放大电路、以及共模rc滤波电路。电平搬移及放大电路将电路信号控制在微控制器内部模数转换器的模拟通道输入范围，共模rc滤波电路将电路信号幅值控制在三相计量芯片模拟量输入通道允许的最大幅值之内。

进一步的，经微型互感器传变后的线路电流通过电流互感器接入电平搬移及放大电路以及共模rc滤波电路，所述共模rc滤波电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c1和电容c2，电流互感器两端输出的信号a_vin_p和a_vin_n分别与电阻r1和电阻r2组成的串联电路两端相连，电阻r1和电阻r2均接地，电流互感器两端还分别连接电阻r3和电容c1组成的串联电路以及电阻r4和电容c2组成的串联电路，电容c1和电容c2均接地。

进一步的，电阻r1和电阻r2的阻值相同，电阻r3和电阻r4阻值相同，电容c1和电容c2的电容量相同。

进一步的，所述电平搬移及放大电路包括运放器u3，运放器u3的正相输入端分别连接电阻r13和电阻r14，电阻r14另一端连接到参考电源，运放器u3的反相输入端分别连接电阻r11和电阻r12，电阻r12的另一端连接到运放器u3的输出端，运放器u3的输出端还依次连接电阻r5和电容c7，电流互感器两端输出的信号a_vin_p和a_vin_n分别输入到电阻r13和电阻r11，电阻r5与电容c7之间的输出信号v_adc进入微控制器内部模数转换器的模拟通道。

进一步的，电阻r12与电阻r11的阻值比与电阻r14与电阻r13的阻值比相同。

本实用新型的有益效果：将多个电气量分别接入两种信号调理电路：其一是完成电平搬移、放大后接入微控制器内部adc；其二是经共模rc低通滤波电路后接入到计量芯片。这种设计方案能够高效率地实现传感器的基本功能和扩展功能的需求，不仅能够准确地实现对多种电气量及电能质量的测量，而且还能满足有强实时性要求的扩展功能需求。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本实用新型的智能低压故障传感器模拟前端调理电路的组成图；

图2为本实用新型的共模rc滤波电路的示意图；

图3为图2的仿真波形图；

图4为本实用新型的电平搬移及放大电路的示意图；

图5为图4的仿真波形图。

具体实施方式

计量芯片和微控制器内部adc(模数转换器)模块均可实现对电气量的采集和处理，计量芯片主要完成三相电流、电压、剩余电流、功率、电能质量等的测量功能；而微控制器内部adc模块同样采集和转换三相电流、电压和剩余电流等电气量，通过对这些实时转换数据做fft变换，得到基波及多次谐波数据，用以完成故障检测和指示功能，以及台区拓扑关系辨识、精细化线损管理、台区供电回路阻抗分析等功能。故障传感器需要采集7个电气量，包括三相电流、三相电压和剩余电流。这些电气量的模拟前端电路基本相似，因此本实施例仅以a相电流的模拟前端调理电路为例来阐述。

如图1所示，本实施例公开了一种智能低压故障传感器模拟前端调理电路，包括电平搬移及放大电路和共模rc滤波电路，线路电流信号分别接入两种信号调理电路，其一是经过电平搬移及放大电路后接入微控制器内部adc，实现对线路电流的实时监控，完成故障电流的计算和判别，其二是经过共模rc滤波电路后接入到计量芯片，实现线路电流的测量。

线路电流信号通过某型穿刺式电流互感器进入电平搬移及放大电路和共模rc滤波电路，本实施例中为电路仿真方便，在图中使用电流源i1来模拟实际故障传感器中使用的该电流互感器，该电流互感器一次额定电流为400a，对应二次额定输出电流为50ma。

如图2所示，共模rc滤波电路包括电阻r1、r2、r3、r4，电容c1和电容c2，电流互感器a的两端与电阻r1和电阻r2组成的串联电路两端相连，电阻r1和电阻r2均接地，电流互感器a两端还分别连接电阻r3和电容c1组成的串联电路以及电阻r4和电容c2组成的串联电路，电容c1和电容c2均接地。本实施例中，选择电阻r1、r2规格均为2.5ω，0.1％，15ppm，1/4w，封装为0204柱状精密电阻；电阻r3为1.2kω，电阻r4为1.2kω，电容c1为33nf，电容c2为33nf。

本实施例中，电流互感器a和采样电阻r1、r2产生幅值为0.3535v的差分信号，计量芯片(钜泉光电，att7022eu芯片)模拟通道输入信号允许的最大幅值为0.7v，因此满足设计冗余要求。电阻r3、r4分别和电容c1、c2构成共模滤波器，为计量芯片提供抗混叠截止频率，以及滤波电路的噪声带宽。采用两通道示波器xsc1显示共模rc滤波电路的波形，其通道a连接显示电流互感器a和采样电阻r1、r2所产生的幅值为0.3535v的差分信号波形(输入信号分别为电流互感器a正负两端的输出信号a_vin_p和a_vin_n)；而通道b显示前述差分信号经rc共模滤波器之后、进入计量芯片模拟通道之前的信号波形(输入信号分别为电阻r3和电容c1之间的输出信号a_mea_p和电阻r4和电容c2之间的输出信号a_mea_n)。如图3所示为仿真波形，图3中时间轴t1和t2分别示意差分信号波形正、负半周幅值的最大处。从仿真波形上看，这两个波形高度一致且幅值小于0.7v。

如图4所示，接入微控制器(北京兆易创新，微控制器gd32f450zet6)内部adc的电平搬移及放大电路包括运放器u3，运放器u3的正相输入端分别连接电阻r13和电阻r14，电阻r14另一端连接到参考电源v_ref(1.5v)，运放器u3的反相输入端分别连接电阻r11和电阻r12，电阻r12的另一端连接到运放器u3的输出端，运放器u3的输出端还依次连接电阻r5和电容c7，电流互感器a两端输出的信号a_vin_p和a_vin_n分别输入到电阻r13和电阻r11。本实施例中，选择电阻r11为100kω，电阻r13为100kω，电阻r14为100kω，电阻r12为350kω，电阻r5为110kω，电容c7为33nf，运放器u3为仿真方便选择器件op07ah，在实际应用中可选用国产器件，如圣邦微公司的sgm8249-1等，运放器u3的电源引脚分别连接±5v的电源。在实际应用中电阻r12、r14封装在一起，是激光校准、精密匹配的一个电阻对，有着相似的温漂和时间漂移特性；同样地，电阻r11、r13构成类似的电阻对。电阻r5、电容c7构成rc低通滤波器，提供了抗混叠滤波的截止频率、运放回路的噪声带宽，而且电容c7与内部adc的采样电容形成良好的匹配关系。

电平搬移及放大电路将图2中由电流互感器和采样电阻r1、r2产生的幅值为0.3535v的差分信号放大了3.5倍(由于r12/r11＝r14/r13＝3.5),生成了幅值为1.23725v的单端信号。由于电阻r14接至1.5v的参考源，因此此单端信号的中心线由0v抬升到1.5v，最后生成了以1.5v为中心线、幅值为1.23725v的单端信号v_diff_out。信号v_diff_out经过由电阻r5和电容c7构成的低通滤波器后，生成幅值略有减小的单端信号v_adc。由于微控制器内部adc模块模拟通道的输入范围为0-3v，v_adc信号幅值满足设计冗余。采用两通道示波器xsc2显示差分信号和v_diff_out，其中通道a正负极接口分别连接共模rc滤波电路电流互感器a和采样电阻r1、r2产生的差分信号a_vin_p和a_vin_n，通道b正极接口连接信号v_diff_out，负极接口接地。如图5所示为两通道示波器xsc2的波形仿真示意图。时间t1、t2分别为两个信号的波形正、负半周幅值的最大处(其中下方波形为电流互感器a和采样电阻r1、r2产生的差分信号波形)，可以看出，信号v_diff_out的幅值0.2847-2.714v落入在微控制器内部adc模块模拟通道的输入范围为0-3v内，在经过由电阻r5和电容c7构成的低通滤波器后仍符合要求。

本实施例的智能低压故障传感器模拟前端调理电路，充分考虑了电流互感器输入/输出特性与计量芯片、微控制器的模拟向输入通道对输入信号的要求，将还原后的线路电流信号分别接入两种调理电路：其一是完成电平搬移、放大后接入微控制器内部adc，实现对线路电流的实时监控，主要完成故障电流的计算和判别；其二是把通过单端转差分电路转化为差分方式的线路电流信号接入到计量芯片，实现线路电流的测量功能。不仅能够高效率地实现传感器的基本功能和扩展功能的需求，不仅能够准确地实现对多种电气量及电能质量的测量，而且还能满足有强实时性要求的扩展功能需求。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。