一种基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统的制作方法

本发明涉及一种自供电无线电流监测系统，尤其是涉及一种基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统。

背景技术：

目前，在对电力系统大电流进行测量时，通常采用基于电磁感应原理的电流互感器来实现，电流互感器将其一次侧大电流转换成二次侧小电流，然后由二次仪表通过线缆采集电流互感器二次侧小电流。随着无线传感网络技术的发展，电力监测设备也逐步趋向无线化方向发展，无线电流监测系统应运而生。无线电流监测系统可以实现对电力系统电流的远程无线实时监测，得到了广泛的应用。

现有的无线电流监测系统主要包括采集元件和监测电路，其中采集元件为电流互感器，监测电路由微控制器和无线发射模块等有源器件构成。电流互感器是一种无源器件，其工作过程不需要依靠外部供电，但是构成监测电路的微控制器和无线发射模块等有源器件，其工作过程需要依靠外部供电。目前，无线电流监测系统中为监测电路提供电源的方案主要有两种：第一种方案是采用额外的干电池为微控制器和无线发射模块等有源器件供电，该方案中干电池续航时间受限，导致干电池更换频繁，并且，对于安装在偏远地区和嵌入式环境中的设备而言，干电池更换成本高昂甚至无法更换；第二种方案是基于电流互感器的电磁感应原理从电流互感器一次侧获取电能，但是电流互感器输出的是交流电，而微控制器和无线发射模块等有源器件需要稳定的直流电，因此需要设计相应的转换电路。

近年来，无线电流监测系统的电能供应问题得到了广泛研究。申请号为cn201480008160.9的中国专利中公开了一种在线路上以并联的方式分设有检测用电流互感器和发电用电流互感器的电流变换系统及通过无线通信网对其进行管理的集成系统。该方案通过无线电流监测系统的自供电来解决无线电流监测系统的电能供应问题。但是，由于该方案的电流监测电路与电能获取电路是相互独立的，导致方案的实施需要采用两个单绕组电流互感器，其中一个单绕组电流互感器用于电能获取，另一个单绕组电流互感器用于电流传感，由此不但增大了设备的体积，也增加了方案的应用成本。申请号为cn201811490262.5的中国专利中公开了一种基于双绕组电流互感器的无源无线电流传感器，该方案也通过无线电流监测系统的自供电来解决无线电流监测系统的电能供应问题。但是，由于该方案的电流监测电路与电能获取电路也是相互独立的，由此该方案的实施中采用一个双绕组电流互感器，其中双绕组电流互感器的一个绕组用于电能获取，另一个绕组用于电流传感。然而，双绕组电流互感器相比单绕组电流互感器价格更加昂贵，因此该方案将极大地增加应用成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统，该自供电无线电流监测系统采用一个常规的单绕组电流互感器同时进行电能获取与电流传感，成本较低，且体积较小。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统，包括采集元件和监测电路，所述的采集元件采用一个常规的单绕组电流互感器实现，所述的监测电路包括滤波整流及电流采样模块、充电控制及储能模块、信号调理模块、微控制器以及无线发射模块；所述的单绕组电流互感器用于感应待测电缆中的交流电流后在其二次侧线圈生成交流电流输出给所述的滤波整流及电流采样模块，所述的滤波整流及电流采样模块一方面对输入其内的交流电流先滤波、再整流后生成直流电压输出到所述的充电控制及储能模块中，另一方面对输入其内的交流电流的正半周与负半周分别进行采样得到两个采样信号，并将两个采样信号转换成两路模拟电压信号输出给所述的信号调理模块，所述的充电控制及储能模块为所述的信号调理模块、所述的微控制器和所述的无线发射模块供电，所述的信号调理模块对输入其内的两路模拟电压信号依次进行差分放大、直流偏置和阻抗变换后生成一路模拟电压信号输出给所述的微控制器，所述的微控制器一方面监测所述的充电控制及储能模块的电压，在所述的充电控制及储能模块充电未饱和时控制其进行充电，另一方面将输入其内的模拟电压信号进行模数转换得到数字信号，然后将该数字信号进行处理后传递给所述的无线发射模块进行无线发射。

所述的滤波整流及电流采样模块具有第一输入端、第二输入端、正采样输出端、负采样输出端和直流电压输出端，所述的充电控制及储能模块具有输入端、第一控制端、第二控制端、正电压输出端和负电压输出端，所述的微控制器具有输入端、第一控制端、第二控制端和输出端，所述的信号调理模块具有正输入端、负输入端和输出端，所述的滤波整流及电流采样模块的第一输入端和所述的单绕组电流互感器的二次侧线圈的一端连接，所述的滤波整流及电流采样模块的第二输入端和所述的单绕组电流互感器的二次侧线圈的另一端连接，所述的滤波整流及电流采样模块的直流电压输出端和所述的充电控制及储能模块的输入端连接，所述的滤波整流及电流采样模块的正采样输出端和所述的信号调理模块的正输入端连接，所述的滤波整流及电流采样模块的负采样输出端和所述的信号调理模块的负输入端连接，所述的信号调理模块的输出端和所述的微控制器的输入端连接，所述的微控制器的输出端和所述的无线发射模块连接，所述的微控制器的第一控制端和所述的充电控制及储能模块的第一控制端连接，所述的微控制器的第二控制端和所述的充电控制及储能模块的第二控制端连接，所述的充电控制及储能模块的正电压输出端和负电压输出端输出正负两路电源电压给所述的信号调理模块、所述的微控制器和所述的无线发射模块供电，当所述的充电控制及储能模块处于默认状态时，所述的充电控制及储能模块的第一控制端的电压被所述的微控制器下拉至参考地，所述的充电控制及储能模块的第二控制端的电压被所述的微控制器上拉至高电平，所述的充电控制及储能模块对其输入端接入的直流电压进行电压变换后进行充电，所述的微控制器对所述的充电控制及储能模块进行实时电压监测，当检测到所述的充电控制及储能模块充电饱和时，所述的微控制器的第一控制端输出高电平，使所述的充电控制及储能模块第一控制端的电压为高电平，所述的微控制器的第二控制端输出低电平，使所述的充电控制及储能模块第二控制端的电压为低电平，此时所述的充电控制及储能模块停止充电。

所述的滤波整流及电流采样模块包括第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管与第四二极管；所述的第一电容的一端、所述的第一电感的一端和所述的第一电阻的一端连接且其连接端为所述的滤波整流及电流采样模块的第一输入端，所述的第二电容的一端、所述的第二电感的一端和所述的第二电阻的一端连接且其连接端为所述的滤波整流及电流采样模块的第二输入端，所述的第一电感的另一端、所述的第一电阻的另一端、所述的第一二极管的正极和所述的第三二极管的负极连接，所述的第二电感的另一端、所述的第二电阻的另一端、所述的第二二极管的正极和所述的第四二极管的负极连接，所述的第一二极管的负极与所述的第二二极管的负极连接且其连接端为所述的滤波整流及电流采样模块的直流电压输出端，所述的第三二极管的正极与所述的第三电阻的一端连接且其连接端为所述的滤波整流及电流采样模块的正采样输出端，所述的第四二极管的正极与所述的第四电阻的一端连接且其连接端为所述的滤波整流及电流采样模块的负采样输出端，所述的第一电容的另一端、所述的第二电容的另一端、所述的第三电阻的另一端和所述的第四电阻的另一端连接且其连接端为所述的滤波整流及电流采样模块的接地端，所述的滤波整流及电流采样模块的接地端与参考地连接。该滤波整流及电流采样模块通过在全桥整流电路的输入通道中对称设置两组lc滤波电路(第一电感和第一电容构成的一组lc滤波电路以及第二电感和第二电容的一组lc滤波电路)，以及在全桥整流电路的两个桥臂中分别串接一个采样电阻(第三电阻和第四电阻)，从而实现滤波、整流和电流采样三种功能于一体，有利于减小电路体积。

所述的充电控制及储能模块包括第一nmos管、第三电感、第五二极管、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一稳压管、dc-dc直流变换器、锂电池、正电压线性稳压器与负电压线性稳压器；所述的dc-dc直流变换器具有输入端、输出端、控制端和接地端，所述的第一nmos管的漏极和所述的第五二极管的正极连接且其连接端为所述的充电控制及储能模块的输入端，所述的第五二极管的负极、所述的第三电容的一端、所述的第一稳压管的负极和所述的dc-dc直流变换器的输入端连接，所述的dc-dc直流变换器的输出端、所述的锂电池的正极和所述的第三电感的一端连接，所述的第三电感的另一端、所述的第四电容的一端、所述的正电压线性稳压器的输入端和所述的负电压线性稳压器输入端连接，所述的正电压线性稳压器的输出端与所述的第五电容的一端连接且其连接端为所述的充电控制及储能模块的正电压输出端，所述的负电压线性稳压器的输出端与所述的第六电容的一端连接且其连接端为所述的充电控制及储能模块的负电压输出端，所述的第一nmos管的源极、所述的第三电容的另一端、所述的第一稳压管的正极、所述的dc-dc直流变换器的接地端、所述的锂电池的负极、所述的第四电容的另一端、所述的正电压线性稳压器的接地端、所述的负电压线性稳压器的接地端、所述的第五电容的另一端和所述的第六电容的另一端连接且其连接端为所述的充电控制及储能模块的接地端，所述的充电控制及储能模块的接地端与参考地连接，所述的第一nmos管的栅极为所述的充电控制及储能模块的第一控制端，所述的dc-dc直流变换器的控制端为所述的充电控制及储能模块的第二控制端。

所述的信号调理模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻与第七电容；所述的第一运算放大器、所述的第二运算放大器和所述的第三运算放大器分别具有正输入端、负输入端、输出端、正电源端和负电源端，所述的第五电阻的一端为所述的信号调理模块的正输入端，所述的第五电阻的另一端、所述的第一运算放大器的正输入端和所述的第六电阻的一端连接，所述的第七电阻的一端为所述的信号调理模块的负输入端，所述的第七电阻的另一端、所述的第一运算放大器的负输入端和所述的第八电阻的一端连接，所述的第八电阻的另一端、所述的第一运算放大器的输出端和所述的第十一电阻的一端连接，所述的第十一电阻的另一端、所述的第二运算放大器的负输入端和所述的第十二电阻的一端连接，所述的第十二电阻的另一端、所述的第二运算放大器的输出端和所述的第三运算放大器的正输入端连接，所述的第九电阻的一端、所述的第一运算放大器的正电源端、所述的第二运算放大器的正电源端和所述的第三运算放大器的正电源端连接且其连接端与所述的充电控制及储能模块的正电压输出端连接，所述的第一运算放大器的负电源端、所述的第二运算放大器的负电源端和所述的第三运算放大器的负电源端连接且其连接端与所述的充电控制及储能模块的负电压输出端连接，所述的第九电阻的另一端、所述的第二运算放大器的正输入端和所述的第十电阻的一端连接，所述的第十三电阻的一端与所述的第三运算放大器的负输入端连接，所述的第十三电阻的另一端、所述的第三运算放大器的输出端和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十四电阻的另一端与所述的第七电容的一端连接且其连接端为所述的信号调理模块的输出端，所述的第六电阻的另一端、所述的第十电阻的另一端和所述的第七电容的另一端均与参考地连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过滤波整流及电流采样模块、充电控制及储能模块、信号调理模块、微控制器以及无线发射模块来构成监测电路，采用一个常规的单绕组电流互感器同时实现电能获取和电流传感，此时单绕组电流互感器感应一次侧待测电缆中的交流电流后，根据法拉第感应定律，将在其闭合的二次侧线圈中感应出交流电流，从而生成交流电流输出给滤波整流及电流采样模块，滤波整流及电流采样模块一方面对输入其内的交流电流先滤波、再整流后生成直流电压输出到充电控制及储能模块中，另一方面对输入其内的交流电流的正半周与负半周分别进行采样得到两个采样信号，并将两个采样信号转换成两路模拟电压信号输出给信号调理模块，充电控制及储能模块为信号调理模块、微控制器和无线发射模块供电，信号调理模块对输入其内的两路模拟电压信号依次进行差分放大、直流偏置和阻抗变换后生成一路模拟电压信号输出给微控制器，微控制器一方面监测充电控制及储能模块的电压，在充电控制及储能模块充电未饱和时控制其进行充电，另一方面将输入其内的模拟电压信号进行模数转换得到数字信号，然后将该数字信号进行处理后传递给无线发射模块进行无线发射，由此本发明采用一个常规的单绕组电流互感器同时进行电能获取与电流传感，既不需要增加电流互感器的数量，也不需要采用具有多个二次侧线圈绕组的高价格电流互感器，电路结构简单，成本较低，且体积较小。

附图说明

图1为本发明的基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统的结构图；

图2为本发明的基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统的滤波整流及电流采样模块的电路图；

图3为本发明的基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统的充电控制及储能模块的电路图；

图4为本发明的基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统的信号调理模块的电路图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1所示，一种基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统，包括采集元件和监测电路，采集元件采用一个常规的单绕组电流互感器1实现，监测电路包括滤波整流及电流采样模块2、充电控制及储能模块3、信号调理模块4、微控制器5以及无线发射模块6；单绕组电流互感器1用于感应待测电缆中的交流电流后在其二次侧线圈生成交流电流输出给滤波整流及电流采样模块2，滤波整流及电流采样模块2一方面对输入其内的交流电流先滤波、再整流后生成直流电压输出到充电控制及储能模块3中，另一方面对输入其内的交流电流的正半周与负半周分别进行采样得到两个采样信号，并将两个采样信号转换成两路模拟电压信号输出给信号调理模块4，充电控制及储能模块3为信号调理模块4、微控制器5和无线发射模块6供电，信号调理模块4对输入其内的两路模拟电压信号依次进行差分放大、直流偏置和阻抗变换后生成一路模拟电压信号输出给微控制器5，微控制器5一方面监测充电控制及储能模块3的电压，在充电控制及储能模块3充电未饱和时控制其进行充电，另一方面将输入其内的模拟电压信号进行模数转换得到数字信号，然后将该数字信号进行处理后传递给无线发射模块6进行无线发射。

本实施例中，滤波整流及电流采样模块2具有第一输入端、第二输入端、正采样输出端、负采样输出端和直流电压输出端，充电控制及储能模块3具有输入端、第一控制端、第二控制端、正电压输出端和负电压输出端，微控制器5具有输入端、第一控制端、第二控制端和输出端，信号调理模块4具有正输入端、负输入端和输出端，滤波整流及电流采样模块2的第一输入端和单绕组电流互感器1的二次侧线圈的一端连接，滤波整流及电流采样模块2的第二输入端和单绕组电流互感器1的二次侧线圈的另一端连接，滤波整流及电流采样模块2的直流电压输出端和充电控制及储能模块3的输入端连接，滤波整流及电流采样模块2的正采样输出端和信号调理模块4的正输入端连接，滤波整流及电流采样模块2的负采样输出端和信号调理模块4的负输入端连接，信号调理模块4的输出端和微控制器5的输入端连接，微控制器5的输出端和无线发射模块6连接，微控制器5的第一控制端和充电控制及储能模块3的第一控制端连接，微控制器5的第二控制端和充电控制及储能模块3的第二控制端连接，充电控制及储能模块3的正电压输出端和负电压输出端输出正负两路电源电压给信号调理模块4、微控制器5和无线发射模块6供电，当充电控制及储能模块3处于默认状态时，充电控制及储能模块3的第一控制端的电压被微控制器5下拉至参考地，充电控制及储能模块3的第二控制端的电压被微控制器5上拉至高电平，充电控制及储能模块3对其输入端接入的直流电压进行电压变换后进行充电，微控制器5对充电控制及储能模块3进行实时电压监测，当检测到充电控制及储能模块3充电饱和时，微控制器5的第一控制端输出高电平，使充电控制及储能模块3第一控制端的电压为高电平，微控制器5的第二控制端输出低电平，使充电控制及储能模块3第二控制端的电压为低电平，此时充电控制及储能模块3停止充电。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，区别如下所述：

如图2所示，本实施例中，滤波整流及电流采样模块2包括第一电容c1、第二电容c2、第一电感l1、第二电感l2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3与第四二极管d4；第一电容c1的一端、第一电感l1的一端和第一电阻r1的一端连接且其连接端为滤波整流及电流采样模块2的第一输入端，第二电容c2的一端、第二电感l2的一端和第二电阻r2的一端连接且其连接端为滤波整流及电流采样模块2的第二输入端，第一电感l1的另一端、第一电阻r1的另一端、第一二极管d1的正极和第三二极管d3的负极连接，第二电感l2的另一端、第二电阻r2的另一端、第二二极管d2的正极和第四二极管d4的负极连接，第一二极管d1的负极与第二二极管d2的负极连接且其连接端为滤波整流及电流采样模块2的直流电压输出端，第三二极管d3的正极与第三电阻r3的一端连接且其连接端为滤波整流及电流采样模块2的正采样输出端，第四二极管d4的正极与第四电阻r4的一端连接且其连接端为滤波整流及电流采样模块2的负采样输出端，第一电容c1的另一端、第二电容c2的另一端、第三电阻r3的另一端和第四电阻r4的另一端连接且其连接端为滤波整流及电流采样模块2的接地端，滤波整流及电流采样模块2的接地端与参考地连接。

如图3所示，本实施例中，充电控制及储能模块3包括第一nmos管m1、第三电感l3、第五二极管d5、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、第一稳压管zd1、dc-dc直流变换器、锂电池bat、正电压线性稳压器与负电压线性稳压器；dc-dc直流变换器具有输入端、输出端、控制端和接地端，第一nmos管m1的漏极和第五二极管d5的正极连接且其连接端为充电控制及储能模块3的输入端，第五二极管d5的负极、第三电容c3的一端、第一稳压管zd1的负极和dc-dc直流变换器的输入端连接，dc-dc直流变换器的输出端、锂电池bat的正极和第三电感l3的一端连接，第三电感l3的另一端、第四电容c4的一端、正电压线性稳压器的输入端和负电压线性稳压器输入端连接，正电压线性稳压器的输出端与第五电容c5的一端连接且其连接端为充电控制及储能模块3的正电压输出端，负电压线性稳压器的输出端与第六电容c6的一端连接且其连接端为充电控制及储能模块3的负电压输出端，第一nmos管m1的源极、第三电容c3的另一端、第一稳压管zd1的正极、dc-dc直流变换器的接地端、锂电池bat的负极、第四电容c4的另一端、正电压线性稳压器的接地端、负电压线性稳压器的接地端、第五电容c5的另一端和第六电容c6的另一端连接且其连接端为充电控制及储能模块3的接地端，充电控制及储能模块3的接地端与参考地连接，第一nmos管m1的栅极为充电控制及储能模块3的第一控制端，dc-dc直流变换器的控制端为充电控制及储能模块3的第二控制端。

如图4所示，本实施例中，信号调理模块4包括第一运算放大器op1、第二运算放大器op2、第三运算放大器op3、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14与第七电容c7；第一运算放大器op1、第二运算放大器op2和第三运算放大器op3分别具有正输入端、负输入端、输出端、正电源端和负电源端，第五电阻r5的一端为信号调理模块4的正输入端，第五电阻r5的另一端、第一运算放大器op1的正输入端和第六电阻r6的一端连接，第七电阻r7的一端为信号调理模块4的负输入端，第七电阻r7的另一端、第一运算放大器op1的负输入端和第八电阻r8的一端连接，第八电阻r8的另一端、第一运算放大器op1的输出端和第十一电阻r11的一端连接，第十一电阻r11的另一端、第二运算放大器op2的负输入端和第十二电阻r12的一端连接，第十二电阻r12的另一端、第二运算放大器op2的输出端和第三运算放大器op3的正输入端连接，第九电阻r9的一端、第一运算放大器op1的正电源端、第二运算放大器op2的正电源端和第三运算放大器op3的正电源端连接且其连接端与充电控制及储能模块3的正电压输出端连接，第一运算放大器op1的负电源端、第二运算放大器op2的负电源端和第三运算放大器op3的负电源端连接且其连接端与充电控制及储能模块3的负电压输出端连接，第九电阻r9的另一端、第二运算放大器op2的正输入端和第十电阻r10的一端连接，第十三电阻r13的一端与第三运算放大器op3的负输入端连接，第十三电阻r13的另一端、第三运算放大器op3的输出端和第十四电阻r14的一端连接，第十四电阻r14的另一端与第七电容c7的一端连接且其连接端为信号调理模块4的输出端，第六电阻r6的另一端、第十电阻r10的另一端和第七电容c7的另一端均与参考地连接。

进一步地，在电阻取值上，r3＝r4，r5＝r7，r6＝r8，r9＝r11＝2*r10＝2*r12，则信号调理模块4输出的电压信号为vadc＝r8/r7*r12/r11*r4*is+0.5*vcc，其中，r3表示第三电阻r3的阻值，r4表示第四电阻r4的阻值，r5表示第五电阻r5的阻值，r6表示第六电阻r6的阻值，r7表示第七电阻r7的阻值，r8表示第八电阻r8的阻值，r9表示第九电阻r9的阻值，r10表示第十电阻r10的阻值，r11表示第十一电阻r11的阻值，r12表示第十二电阻r12的阻值，vcc表示充电控制及储能模块3的正电压输出端输出的正电压，is表示单绕组电流互感器1的第一输出端输出的电流。

本实施例的基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统的具体工作过程为：输入到滤波整流及电流采样模块2中的交流电流is，首先由第一电感l1、第一电容c1、第二电感l2、第二电容c2构成的两组lc滤波器进行低通滤波提高信噪比；然后，一方面由第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4构成的全桥整流电路进行整流生成直流电压vr输出到充电控制及储能模块3中，另一方面由串接在全桥整流电路两个桥臂中的第三电阻r3、第四电阻r4分别对输入交流电流的正半周和负半周进行采样得到两路模拟电压信号v+和v－输出给信号调理模块4中；微控制器5对充电控制及储能模块3的锂电池bat电量进行监测，当锂电池bat电量不足时，微控制器5控制vsht为高电平和ven为高电平时，直流电压vr输入给dc-dc直流变换器u1进行电压变换并对锂电池bat充电；当锂电池bat电量饱和时，微控制器5控制vsht为低电平和ven为低电平时，直流电压vr被下拉到参考地，同时dc-dc直流变换器u1停止工作，锂电池bat停止充电；在信号调理模块4中，首先由第一运算放大器op1对输入的两路电流采样信号v+和v－进行差分放大后生成一路双极性模拟电压信号，然后由第二运算放大器op2对该双极性模拟电压信号进行直流偏置后生成一路单极性模拟电压信号，最后由第三运算放大器op3对该单极性模拟电压信号进行电压跟随后输出一路低阻抗的单极性模拟电压信号vadc给微控制器5，微控制器5对该输入模拟电压信号vadc进行模数转换得到数字信号，然后将该数字信号进行处理后传递给无线发射模块6进行无线发射。