一种宽测量范围的电流互感器信号传输系统及传输方法与流程

一种宽测量范围的电流互感器信号传输系统及传输方法，属于电气工程测量领域。

背景技术：

在现有技术中，电流互感器在应用过程中主要起到测量和保护的作用，其中保护用电流互感器目前多使用空心线圈作为高压侧的传感器件，测量用电流互感器多使用低功率电流互感器（lowpowercurrenttransformer，简称为lpct）作为高压侧的传感器件，由于lpct具有十分宽广的线性度范围，如目前的lpct在稳态下、20倍额定电流范围内，其比值误差和相位误差均已能够达到0.2级要求，因此lpct完全可以担负起计量和保护的双重功能，鉴于该原因，并考虑到成本因素，目前市面上的电子式电流互感器产品在高压侧传感头的选择上，很多企业使用了单个lpct的方案。

而在高压侧的信号转换器方面，目前主要有光强调制式、（v/f）转换式和模数（a/d）转换式，其中压频转换和模数转换所能传输的频带均受限，而对于保护测量一体化来说，使用光强调制式作为高压侧信号转换方案，无需在高压侧进行a/d采样，可直接将代表母线电流的模拟电压信号驱动led发光，用连续的led发光强度表示母线电流信号，目前led的频带可以达到100mhz，因此这种方式可以轻松实现5mhz频带宽度的信号传送，这对行波保护是非常有利的。由此可见，利用一个lpct同时作为测量和保护器件，并利用光强调制方式实现信号的传输，使用这种方式进行电子式电流互感器的设计，在成本和传输频带上比目前市面产品具有明显优势。

然而，利用单个lpct并使用光强调制方式的存在以下不足：lpct利用取样电阻输出的反映母线电流的电压信号其范围是受到高压侧电路电源电压限制的，例如，若高压侧电路使用+5v电源，那么对5p20精度的测量保护一体化电流互感器来说，当额定电流为300a时，针对保护倍数为20而言，则意味着0~6000a范围的电流信号要对应于该0~5v范围的电压信号进行反映，若设计电路用5v峰峰值（vpp）的动态范围电压来表示6000a的电流，那么对于300a的额定电流来说需要使用250mv动态范围的电压来表示，而15a电流（5%的额定电流）就要使用12.5mv的动态范围来表示。

一般来说，电流互感器在运行时，由于故障发生的概率极小，因此其绝大部分时间处于测量的使用状态，而由上述可知，当利用如此小动态范围的信号对15a电流进行测量时，由于其信噪比较低，故对该信号的测量精度也较低，可见，对于使用一个lpct实现保护测量一体化的电流互感器来说，保证大的测量范围和在该范围内保证一个较高的精度尤其是小电流的测量精度，两者难以兼顾。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过设置区间信息判断模块，对电流互感器输出信号的区间信息进行判断，并通过区间信息改变待测信号传输时的波形幅值，提高了待测信号在幅值较小的情况下信噪比的宽测量范围的电流互感器信号传输系统及传输方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该宽测量范围的电流互感器信号传输系统，包括由光纤连接的高压侧和低压侧，电流互感器连接在高压侧，通过光纤将电流互感器输出的信号由高压侧传送至低压侧，其特征在于：还包括区间信息判断模块和信号调理模块，电流互感器的输出端同时连接整流滤波模块和信号调理模块的输入端，整流滤波模块的输出端连接区间信息判断模块的输入端，信号调理模块的输出端连接待测信号驱动模块的输入端，待测信号驱动模块根据信号调理模块输出的电压信号驱动其内的第二发光二极管发出不同功率的光信号，光信号通过第二光纤连接低压侧待测信号光电转换模块的输入端；

区间信息判断模块的输出端分别连接区间信息驱动模块和可变限流电阻模块的输入端，区间信息驱动模块根据区间信息判断模块输出的信号而驱动其内的第一发光二极管发出多段不同功率的光信号，光信号通过第一光纤连接低压侧区间信号光电转换模块的输入端；可变限流电阻模块根据区间信息判断模块输出的不同信号而改变向待测信号驱动模块输出的电阻值；

在低压侧，区间信号光电转换模块的输出端还连接待测信号光电转换模块的输入端。

优选的，所述的信号调理模块包括用于生成参考信号的参考电压生成模块，以及将参考信号与电流互感器输出的信号进行混合的信号混合模块。

优选的，在所述的信号调理模块与待测信号驱动模块之间还设置有用于将信号调理模块的输出信号进行延时的移相模块。

优选的，在所述的待测信号驱动模块中，设置有用于驱动所述第二发光二极管工作的线性发光驱动电路，线性发光驱动电路由信号调理模块的电压与所述可变限流电阻模块输出的电阻得到。

优选的，所述的区间信息判断模块包括的稳压数值依次递增的多支稳压管，稳压管分别串联相应的电阻后组成相应的稳压回路，多条稳压回路并联后稳压数值的输出端同时接入模拟加法器的输入端，模拟加法器的输出端连接所述区间信息驱动模块；稳压管的稳压输出端分别连接可变限流电阻模块的不同输入端。

优选的，所述的可变限流电阻模块为数字电位器，在稳压管的输出端与数字电位器的输入端之间还设置有分压电阻。

一种利用宽测量范围的电流互感器信号传输系统实现的传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，根据电流互感器的量程将电流互感器的输出信号划分为多个电流区间；

步骤b，电流互感器输出电压信号，并根据电流互感器输出的电压信号分别同时执行区间信息确定流程和待测信号调理流程，通过执行区间信息确定流程得到电流互感器输出信号的区间信息，通过执行待测信号调理流程，得到电流互感器输出的待传输信号；

步骤c，通过第一光纤和第二光纤分别将电流互感器输出信号的区间信息以及电流互感器输出的待传输信号发送至二次侧；

步骤d，区间信号光电转换模块通过光纤送入的光信号转换得到区间信息，并将区间信息传送至待测信号光电转换模块；

步骤e，待测信号光电转换模块通过光纤送入的光信号转换得到待测信号，然后根据区间信号光电转换模块送入的区间信息对转换得到的待测信号进行处理，还原送入待测信号驱动模块时的待测信号；

步骤f，待测信号光电转换模块对待测信号进行信号分离，最终还原电流互感器输出的待传输信号。

优选的，所述的区间信息确定流程包括如下步骤：

步骤b-1，将电流互感器输出的电压信号送入整流滤波模块进行整流滤波；

步骤b-2，区间信息判断模块确定电流互感器输出的电压信号所处区间并分别向区间信息驱动模块以及可变限流电阻模块输出相应信号；

步骤b-3，区间信息驱动模块根据区间信息判断模块的输出电压，并通过其内的限流电阻形成恒流源，驱动第一发光二极管工作，发出与区间信息相匹配功率的光信号；

可变限流电阻模块根据区间信息判断模块发出的输出信号，向待测信号驱动模块输出相应的电阻值，作为待测信号驱动模块中形成线性发光驱动电路的限流电阻。

优选的，所述的待测信号调理流程包括如下步骤：

步骤b’-1，电流互感器输出的电压信号送入信号调理模块，在信号调理模块中通过信号混合模块叠加参考电压，形成混合信号；

步骤b’-2，混合信号进入移相模块中进行移相；

步骤b’-3，移相模块输出的待测信号作为驱动电源送入待测信号驱动模块，与可变限流电阻模块输入端组织信号形成驱动第二发光二极管工作的线性发光驱动电路。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本宽测量范围的电流互感器信号传输系统及传输方法中，通过设置区间信息判断模块，对电流互感器输出信号的区间信息进行判断并控制可变限流电阻模块根据电流互感器信号的大小而输出不同的阻值，特别是当电流互感器输出的幅值较小的情况下，驱动第二发光二极管发光的驱动电流动态范围的数值变大，使得待测信号对应的光信号的动态范围变大，因此提高了待测信号在幅值较小的情况下的信噪比，使电流互感器的传输精度增大。

2、对单传感头同时实现测量和保护的电子式电流互感器，在保证大测量范围的前提下，提高了对小电流的测量精度，因此实现了对全量程电流范围的高精度测量。

3、在本申请中通过区间信息判断测模块对电流的检测、可变限流电阻模块对电阻的改变均未利用cpu完成，以上调整均利用电路的电气特性配合逻辑电路完成，实时性高，可靠性高，成本低。

4、移相模块的引入使得待测信号在真正驱动led发光之前，其适合其发光使用的限流电阻的大小调整已经提前完成，因此整个系统不存在由于调整限流电阻而会对待测信号引入误差的问题。

附图说明

图1为宽测量范围的电流互感器信号传输系统原理方框图。

图2为宽测量范围的电流互感器信号传输方法流程图。

具体实施方式

图1~2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~2对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种宽测量范围的电流互感器信号传输系统，包括高压侧和低压侧，高压侧与低压侧之间通过光纤连接，其中高压侧包括低功率电流互感器（lpct），整流滤波模块、信号调理模块、区间信息判断模块、移相模块、区间信息判断模块、可变限流电阻模块以及待测信号驱动模块，低压侧包括电流区间光电转换模块和待测信号光电转换模块。

在高压侧中，lpct的输出端分别连接整流滤波模块的输入端以及信号调理模块的输入端，整流滤波模块的输出端连接区间信息判断模块的输入端，区间信息判断模块的输出端同时连接区间信息驱动模块以及可变限流电阻模块的输入端，区间信息驱动模块的输出端驱动一只发光二极管发光，该发光二极管记为第一发光二极管，用于输出母线电流信号的区间信息。可变限流电阻模块的输出端以及移相模块的输出端分别连接待测信号驱动模块的输入端，待测信号驱动模块另一只发光二极管发光，该发光二极管记为第二发光二极管，用于输出反映母线电流信号的待测信号。

在低压侧中，设置有两支光电二极管：第一光电二极管以及第二光电二极管，其中第一光电二极管连接在电流区间光电转换模块的输入端，第二光电二极管连接在待测信号光电转换模块的输入端，电流区间光电转换模块的输出端还同时连接待测信号光电转换模块的输入端，待测信号光电转换模块的输出端连接二次设备。第一光电二极管与高压侧的第一发光二极管通过第一光纤连接，第二光电二极管与第二发光二极管之间通过第二光纤连接。

如图2所示，由上述宽测量范围的电流互感器信号传输系统实现的信号传输方法，包括如下步骤：

步骤1001，根据lpct的量程将lpct的输出信号划分为多个电压区间。

根据母线电流的量程，将总量程划分为多个电流区段，如i1~i2，i2~i3，……in-1~in，同时由于lpct输出的电压信号u1直接反映了母线电流的大小，对应得到多个lpct输出的电压区段，如u1-1~u1-2，u1-2~u1-3，……u1-（n-1）~u1-n。

例如，根据某型号lpct的测量量程将其分为以下多个电流测量区段3a~100a，100a~500a，500a以上，对应得到lpct输出的电压信号u1的对应电压区段：3v~10v，10v~20v以及20v以上。

步骤1002，lpct输出电压信号，并根据lpct输出的电压信号分别同时执行区间信息确定流程和待测信号调理流程。

区间信息确定流程包括如下步骤：

步骤1003-1，lpct输出的电压信号送入整流滤波模块。

lpct输出的电压信号u1进入整流滤波模块中进行整流滤波后得到直流的电压信号u2。在整流模块中采用整流二极管实现整流，由于整流二极管存在压降，因此当母线电流较小，即电压信号u1小于一定数值时，整流滤波模块存在无信号输出的情况，及此时电压信号u2为0。

步骤1003-2，区间信息判断模块确定所处区间并输出相应信号。

整流滤波模块输出的电压信号u2进入区间信息判断模块，由区间信息判断模块对电压信号u2的数值进行判断，并根据电压信号u2的数值输出不同的电压信号。

由上述可知，已对lpct输出的电压信号u1进行了分段，因此当电压信号u1经过整流滤波之后得到的电压信号u2同样会得到对应数量的电压区间u2-1~u2-2，u2-2~u2-3，……u2-（n-1）~u2-n。区间信息判断模块根据电压信号u2所处的电压区段可对应得到电压信号u2所处的电压区段，进一步可以得到母线电流所处的电流区段。区间信息判断模块然后根据电压信号u2所处的电压区段的不同输出数值不同的电压信号。

区间信息判断模块可通过以下方式实现：取多支稳压管，稳压管的数量与lpct输出的电压信号u1划分的电压区段的数量一致，且稳压管的稳压数值依次递增。如上述将lpct输出的电压信号u1划分为三个电压区段：3v~10v，10v~20v以及20v以上，因此设置三支稳压管vd1~vd3，稳压管vd1~vd3的稳压数值分别为3v、7v以及10v。

三支稳压管vd1~vd3分别串联相应的电阻后组成三条稳压回路，三条稳压回路并联后稳压数值的输出端同时接入模拟加法器的输入端，模拟加法器的输出端作为区间信息判断模块的输出端。由上述可知，当电压信号u1低于3v时，三支稳压管vd1~vd3均处于截止状态，区间信息判断模块无输出信号。当电压信号u1的电压值为3v~10v时，稳压管vd1反向击穿导通并输出3v电压，区间信息判断模块输出的电压为3v。同理，当电压信号u1的电压值为10v~20v时，区间信息判断模块输出的电压为3v+7v=10v，当电压信号u1的电压值为20v以上时，区间信息判断模块输出的电压为3v+7v+10v=20v。

步骤1003-3，区间信息判断模块分别向区间信息驱动模块以及可变限流电阻模块发出输出信号。

区间信息判断模块向区间信息驱动模块输出驱动信号时，将模拟加法器输出的电压信号直接送至区间信息驱动模块中，该电压值作为驱动电源，通过区间信息驱动模块驱动相应的发光二极管（第一发光二极管）发光。在区间信息驱动模块设置限流电阻，通过模拟加法器输出的电压信号以及限流电阻得到恒流源，通过该恒流源而驱动第一发光二极管发光。

由上述可知，由于模拟加法器输出的电压信号的数值分别为0v，3v（稳压管vd1工作），10v（稳压管vd1~vd2工作），20v（稳压管vd1~vd3工作），因此模拟加法器输出的电压信号具有明显的阶梯特性，因此驱动第一发光二极管工作的恒流源同样呈现出相同比例的阶梯特性，从而可以使第一发光二极管的光强存在明显差异。

可变限流电阻模块采用数字电位器实现，稳压管的稳压输出端分别接入数字电位器不同的控制信号输入端中，当稳压管截止或反向击穿时，数字电位器相应的控制端得到状态不同的电平信号（代表数字信号1或0）。同时在实际需要时需要根据数字电位器技术资料的具体要求，将稳压管输出的电压通过分压电路进行分压，使得最终输出到数字电位器的电压信号处于数字电位器本身可识别的电压范围。

具体而言：当三支稳压管同时截止时，数字电位器接收到的状态信号为（0，0，0），同理，当三支稳压管同时反向击穿而输出电压时，数字电位器接收到的状态信号为（1，1，1），因此数字电位器可以根据其接收到状态信号的不同而输出不同的电阻。在本信号传输方法中，数字电位器输出的电阻的阻值根据电压信号u2的数值（电压区段）而依次增大。并可将其中一个阻值作为标准值，其余阻值用该标准值的倍数（大于1或小于1）来表示。

待测信号调理流程包括如下步骤：

步骤1004-1，lpct输出的电压信号送入信号调理模块。

信号调理模块包括参考电压生成模块以及信号混合模块，参考电压生成模块输出的参考电压udc与lpct输出的电压信号u1一起接入信号混合模块的输入端，信号混合模块将两个信号进行混合后输出混合信号u3。参考信号生成模块可通过基准电压芯片实现；信号混合模块可通过集成运算放大器实现。

步骤1004-2，混合信号送入移相模块。

混合信号u3进入移相模块中进行移相，移相模块不改变混合信号u3的大小，仅对其进行一个短暂延时（微秒级），并得到移相后的混合信号u4。

步骤1004-3，移相模块输出的待测信号送入待测信号驱动模块。

移相模块输出的混合信号u4送入待测信号驱动模块，并将混合信号u4作为驱动电源，通过待测信号驱动模块驱动相应的发光二极管（第二发光二极管）发光。在待测信号驱动模块中同样需要使用限流电阻而到驱动第二发光二极管发光的线性发光驱动电路，而该限流电阻的阻值为上述可变限流电阻模块的阻值，因此驱动第二发光二极管发光的线性发光驱动电路的电阻为变量。高压侧的待测信号驱动模块内驱动第二发光二极管发光的驱动电路采用恒流型线性发光驱动电路。

线性发光驱动电路的具体实施方式记载在本申请人在2016年8月17日申请的，申请号为201610678235.5，专利名称为一种光信号线性传输系统及有源电子式电流互感器的专利文件中，线性发光驱动电路的具体实施方式与该文件中记载的“光信号线性传输系统”相同，在此不再赘述。

移相模块可采用全通滤波器实现，该滤波器不改变混合信号u3的大小，仅对混合信号u3做一个时间为t的时间延时。设置移相模块，其目的在于与区间信息确定流程实现时间匹配，即当移相后的混合信号u4在进入待测信号驱动模块时，可变限流电阻模块已经输出与混合信号u4而匹配的阻值。

混合信号u3以及电压信号u2均直接反映于电压信号u1，而混合信号u4仅仅通过混合信号u3移相得到，所以混合信号u4和电压信号u2均直接反映于电压信号u1，而关系到混合信号u4以及驱动第二发光二极管发光的线性发光驱动电路大小的限流电阻由电压信号u2的大小决定，并且根据上述对于限流电阻的取值规则可知，当电压信号u1较小时，可变限流电阻模块的输出的阻值变小，因此驱动第二发光二极管发光的电流信号（混合信号u4/限流电阻）的动态范围变大，使得待测信号的功率（幅值）变大，增大了混合信号u4的对应的光信号的动态范围，提高了待测信号在幅值较小的情况下的信噪比，使混合信号u4的传输精度增大，同理当电压信号u1较大时，通过对可变限流电阻模块的控制使可变限流电阻模块的输出的阻值变大，因此驱动第二发光二极管发光的电流信号的动态范围相应变小。

步骤1005，通过光纤传输区间信息以及待测信号。

由区间信息驱动模块输出的区间信息以及由待测信号驱动模块输出的待测信号分别通过各自的光纤（第一光纤以及第二光纤）传输到低压侧，并分别被区间信号光电转换模块以及待测信号光电转换模块所接收。

步骤1006，由区间信号光电转换模块得到区间信息。

在区间信号光电转换模块中设置有第一光电二极管，第一光电二极管接收到第一光纤的信号后转换为电压信号，区间信号光电转换模块由此可获得电压信号u1的区间信息，因此得到了可变限流电阻模块实际输出的阻值，并进一步可以获知此时传输至低压侧的待测信号的幅值与待测信号实际幅值增大（或缩小）的倍数，区间信号光电转换模块将该倍数值传送至待测信号光电转换模块。

步骤1007，待测信号光电转换模块还原实际的待测信号。

在待测信号光电转换模块中设置有第二光电二极管，第二光电二极管接收到第二光纤送至的光信号，并转换为代表待测信号的电信号，并根据区间信号光电转换模块送入的倍数值，对接收并转换得到的待测信号进行二次转换，将当前待测信号进行倍数值的倒数倍的变换，从而得到实际的待测信号。

步骤1008，根据实际侧待测信号得到待测信号的原始信号。

由于待测信号在经过光纤传输过程中，因为各种原因会发生衰减，因此由步骤1007最终得到的待测信号实际为混合信号u4在衰减后的信号，即为混合信号u4’，因此在待测信号光电转换模块的输出端连接有信号分离模块，通过信号分离模块将混合信号u4’分离为udc’和电压信号u1’，电压信号udc’和电压信号u1’分别为经过传输后参考电压信号udc和电压信号u1的衰减信号，由于参考电压信号udc为已知信号，所以通过测量参考电压信号udc和电压信号udc’的衰减程度即可对应得到待传输电气信号u1在传输过程中的衰减程度，因此可以计算得到待传输电气信号uac，进而计算得到母线电流的大小。信号分离模块可通过现有技术实现，如通过微处理器对电压信号进行采样，然后利用fft算法对各种频率分量的信号进行计算得到。最终得到的待测信号的原始信号送入二次设备。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。