一种电流取能装置的制作方法

1.本发明属于无线微功耗传感系统技术领域，特别是涉及一种电流取能装置。


背景技术：

2.在轨道交通、供电系统等涉及电力监控的领域，电气信号的传感一般出现在列车电气故障诊断、列车电能计算与用能特诊分布以及电力网电能质量分析与故障判决；目前非接触时电气信号的传感测量、统计分析、无源无线传输比较困难，市场上主要传感系统大多是接触式、有源式或者体积相对较大的非接触式传感单元，这种传统接线有源接触式的测量方案存下如下局限性：
3.(1)传感系统本身需要大电压供电造成系统自身耗能较高，要求测试现场具备可更换式大容量电源或者外接线路以获得稳定电源的条件；
4.(2)有线有源式的电缆布线涉及电缆沟的施工，工程方面需要耗费大量的工程成本、设备成本、维护成本与人工成本；
5.(3)接触式传感单元对现场传感测量环境要求相对苛刻，而大多测场景下物理结构与线缆分布的错综复杂广，并不能满足接触式传感器的安装环境，并且有线传输式存在数据传输不及时，数据分析下载需要指定平台等各种时空限制问题，
6.因此，需设计一种电流取能装置来解决现有技术中的不足之处。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种电流取能装置，旨在解决目前市场上传统接触式有源大功耗的传感监测单元的安装麻烦、可靠性差、电源更换频繁、数据不及时、时空限制性以及工程与人工成本较大等问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种电流取能装置，包括：
9.电流取能模块，用于从待测线缆获取电能；
10.微功耗贴片电流传感单元，与所述电流取能模块连接，用于将所述待测线缆的磁场信号转换为模拟电信号；
11.微控制处理单元，分别与所述电流取能模块、微功耗贴片电流传感单元连接，用于对所述模拟电信号进行数字滤波的运算统计与分析，并将分析结果传输至无线传输模块；
12.无线传输模块，与所述微控制处理单元连接，用于对系统传感的电流数据进行无线微功耗传感系统终端与云端服务器的连通。
13.优选地，所述电流取能模块包括取电线圈回路、电能变换电路、稳压储能电路；
14.所述取电线圈回路环绕取能磁环，待测信号穿过所述取能磁环时，所述取电线圈回路感应生成电流传输至所述电能变换电路，通过所述电能变换电路整流成直流电能传输至所述稳压储能电路储存电能。
15.优选地，所述取电线圈回路包括电流互感器、取电电源整流电路；
16.所述电流互感器套接在所述待测线缆上，获得待测线缆的磁场信号作为输入信
号；
17.所述取电电源整流电路与所述电流互感器，用于对交流电信号进行整流处理。
18.优选地，所述无线微功耗传感系统还包括dc-dc变换器，所述dc-dc变换器的输入与取电电源整流电路的输出连接，所述dc-dc变换器的输出与负载连接，用于进行整流处理，还用于电能的斩波压降，获得符合线缆监测装置的输出电压。
19.优选地，所述微功耗贴片电流传感单元包括微功耗传感ic、供电电容器、稳压缓冲电容、解耦电路；
20.所述供电电容器由贴片电容连接所述微功耗传感ic的电源与对地引脚，所述稳压缓冲电容外接所述微功耗传感ic的标准零电位与数字零电位，所述微功耗传感ic的测试接口与温度补偿接口与所述解耦电路连接。
21.优选地，所述微控制处理单元包括微控制处理器mcu、晶振系统、ad变换电路、串口传输电路；
22.所述微控制处理器mcu分别与所述晶振系统、所述ad变换电路连接；
23.所述微控制处理器mcu通过所述串口传输电路与所述无线传输模块连接。
24.优选地，所述微控制处理单元还包括电源模块，所述电源模块包括主控芯片、采样调理电路、无线通讯模块、指示灯；
25.所述主控芯片包括处理芯片及其外围电路、铁电暂存电路；
26.所述采样调理电路包括电流采样调理电路、电压采样调理电路、开关；
27.所述电流采样调理电路、电压采样调理电路用于对信号采样调理区域实时监测的信号进行采样滤波调制处理；
28.所述开关用于实现电流信号、电压信号的采样调理切换；
29.所述指示灯用于指示电路电源状态、信号传输状态。
30.本发明公开了以下技术效果：
31.本发明中通过设计一种电流取能装置，利用电流环取电技术解决了传统接线有源式的供电难题，利用微功耗表贴式电流传感技术解决了接触式的测量设备功耗大、体积大、环境适应度差、安装繁琐、成本高、工程量大的问题；利用微功耗处理单元与无线传输技术解决了有源线缆式传感系统数据实时度低、数据汇总的时空限制等问题，通过采用本发明一体化无线无源取电、微功耗电流监测以及远程实时传输，实现无需额外铺设电源线和通信线就能实现远程数据实时采集测量，在各种电力监测领域，具有较高的使用价值与应用前景。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明实施例的系统结构示意图；
34.图2为本发明实施例的电流取能模块的原理示意图；
35.图3为本发明实施例的微功耗贴片电流传感单元原理示意图；
36.图4为本发明实施例的微控制处理单元原理框架示意图；
37.图5为本发明实施例的电流取能模块的结构示意图；
38.图6为本发明实施例的电流取能模块的设计框架图；
39.图7为本发明实施例的考虑ct磁芯非线性特征的ct取电电路图；
40.图8为本发明实施例的电流互感器参数测试电路图；
41.图9为本发明实施例的全有源整流电路图；
42.图10为本发明实施例的采用移相控制的全有源整流电路控制波形图；
43.图11为本发明实施例的dc-dc变换电路拓扑图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
46.如图1所示，本发明提供了一种电流取能装置，包括：电流取能模块、微功耗贴片电流传感单元、微控制处理单元和无线传输模块。
47.其中，电流取能模块，用以从待测信号电缆获取电能。
48.微功耗贴片电流传感单元，用以电磁转换待测线缆电流磁场为模拟电信号，实现测量信号的磁电转换。
49.微控制处理单元，用以ad采集贴片传感单元生成的模拟信号，进行数字滤波运算统计与分析，并将结果串口传输至无线传输模块。
50.无线传输模块，通过无线传输模块编写http传输协议，实现终端与云端的数据联通，其中，数据包括电力监控涉及的各类电流信号。
51.电流取能磁环套接待测线缆，输出与储能电容模块相连；微功耗贴片电流传感单元分别与微控制处理单元、储能电容模块相连；微控制处理单元与微功耗贴片电流传感单元、储能电容模块和无线传输模块相连。
52.如图2所示，电流取能模块，包括取电线圈回路、电能变换电路与稳压储能电路组成，取电线圈回路环绕取能磁环，待测信号穿过磁环时，取电线圈回路感应生成电流传输电能变换电路，由变换电路整流变成直流电能经稳压储能电路储存电能。
53.进一步地优化方案，其工作原理为：当通过电流磁环的输电线流通电流is(t)时，在电流磁环的副边通过电磁感应，同时会产生电流，以上原理就是最简单的取电原理关于电流互感器的基本性质。这时电压负载u0(t)是交流形式的，而在传感单元以及微功耗处理单元的用电为直流，所以要对u0(t)整流处理；整流的同时需要对电压进行降压，但是一般很难达到标准，这时需要dc-dc变换器进行再一次的斩波降压，使其输出电压符合线缆监测装置对电压的需求，实现将变换电路整流变成直流电能经稳压储能电路储存电能。
54.实际使用中，用电设备一般并联在ct的副边，通过在交流高压输电线缆外面安装上ct的环形磁芯，当通过ct的输电线流通电流is(t)时，在ct的副边通过电磁感应，同时会
产生电流通过负载。这时电压负载u0(t)是交流形式的，而在线检测装置的用电为直流，所以要对u0(t)整流处理；整流的同时需要对电压进行降压，但是一般很难达到标准，本实施例通过利用dc-dc变换器进行再一次的斩波降压，在整流电路后面连接dc-dc变换电路，使其输出电压符合线缆监测装置对电压的条件。
55.取电电源的整体由三部分组成，主要模块包含电流互感器、取电电源整流电路以及后级dc-dc变换器三部分组成，电流互感器套接在待测线缆上，输入信号为待测线缆的磁场信号，电流互感器的输出接到取电电源的整流电路的输入端，而整流电路的输出外接后级dc-dc变换器，最终供电给监测设备所需电能，如图5-6所示。
56.1、电流互感器：实现通过ct环从给定的原边电流获得的尽可能大的功率，以提高整个电流取能模块的取能能力。
57.电流互感器，主要由取电互感器的取能能力决定，而取能能力主要取决于其铁芯材料，此外，线缆的电能的供应段(线缆的输电电流is)由输电线缆的用电量情况决定，大小变化不定，稳定程度差，如用电量较低时，线缆电流很小，而发生短路故障时在电网中电流会上升到ka左右。因此，本实施例设计的取电互感器在各种原边电流下都可以稳定工作，通风建立一定的取电互感器的最大功率计算模型设计合理的ct励磁参数来解决当电缆电流过大时防止互感器铁芯的磁通过度饱和问题与电缆小电流时一次侧获得足够的功率问题，将取电互感器的设计问题转化成考虑ct磁芯非线性特征的ct取电电路，如图7所示。
58.结合可知该回路设计下：
[0059][0060]
导纳对应的模长为已知数值，为了得到数值最小的凡，导纳对应的实部应达到最大，因此其虚部必须为零。如此可知在副边电压一定的情况下应并联的电容容值是：
[0061][0062]
它依然是和lm(uo)彼此匹配的；此外，ct副边在此时应该并联的电阻阻值是
[0063][0064]
那么取电电路获得的实际功率为
[0065][0066]
如假如可以利用实验获得各个副边电压对应的电流互感器lm和rm值，那么可获知原边电流is不发生改变的情况下各个副边电压u0能够得到的最大功率和相应的阻抗。另外，由于u0超过一定数值会让rm的数值变小，运算的功率一定会在u0达到某一数值后显著下滑，因此必然存在一个最为理想的u0值，该u0值为-1/ωc
p
(uo)。
[0067]
在u0变化的情况下测出lm和rm随之发生变化的规律，由此调压器在u0数值变化情况下的副边所接阻抗值，即[z
2σ
+zm(uo)]就可以通过计算得出。取电使用的ct磁芯都较大，这是为了在副边并联电容数量较少的情况下还能让获得功率最大化，当磁路开启气隙时，
lm.数值约为几百毫亨，当气隙关闭时其可达数亨，lm的感抗一般远不及rm的阻值。由此可以得知副边漏阻在这样的情况下可以不予计算，因为这种漏阻与ct的励磁电阻相比微乎其微，zm(uo)可以直接由上述这种计算中得出的阻抗来表示，并且lm(uo)和rm(uo)的数值也可以进一步得出，如图8所示。
[0068]
2、取电电源整流电路：
[0069]
为了能够在电源的输出端得到所需的直流电，就必须对副边侧的交流电展开整流。电路为能够进行调控的整流电路，需采用全有源整流电路，把全有源整流电路对应的电压调控为特定的方波，就能够对励磁电感进行有效的补充；而假如可以对方波输入电压和ct原边电流对应的相位差展开有效的调控，就能够在各个原边电流下使整流输出电压保持在一个固定值。所以，在这种情况下就无需在ct副边并联多个其他的无极性电容，不但有效的缩减了硬件调试的总时长，同时也有效的避免电源运行过久导致出现失配的问题，必须对原边电流进行有效的隔离采样，如图9所示。
[0070]
全有源电路运行情况详见图10，在一个周期内，电路的运行过程可从整体上讲可以划分为两个时期，
[0071]
时期1(0≤ωt≤π)：这个时期q1和q3互通，uo(t)＝u
odc
，ct励磁电流i
lm
(t)呈现为线性上升的态势；
[0072]
整流桥输入电流：
[0073][0074]
整流桥输出电流：
[0075][0076]
时期2(π≤ωt≤2π)：这个时期q1和q3导通二分之一个周期之后，将q2和q4调整为互通，uo(t)＝-u
odc
，i
lm
(t)在此时表现为线性下滑。
[0077]
整流桥输入电流：
[0078][0079]
整流桥输出电流：
[0080][0081]
输出电压伴随控制量角发生改变所对应的表达式:
[0082]
[0083]
求出输出功率的具体表达式为:
[0084][0085]
3、后级dc-dc变换器设计：
[0086]
后级dc-dc变换器的设计主要是变换电路与电路控制原理的设计，稳定将整流电路的电压变换到负载所需电压等级上，变换器输入与整流电路的输出相接，输出与负载相接，实现控制取电电源、负载和电池实现良好的能量传输，为用电设备提供稳定的电能供应。
[0087]
(1)变换电路
[0088]
后级dc-dc变换电路选择的是buck-boost拓扑对应的flyback，详情见图11。
[0089]
qf占空比在在这个时候为d1，相应的周期为ts，则在这个周期中qf导通的子区间，输入电流i
fin
(t)对应的表达式是
[0090][0091]
qf关断的实际长度是(1-d1)ts，电路对应的电流i
fin
(t)一直保持为0。所以，该电路对应的电流平均值是
[0092][0093]
电路的等效输入电阻
[0094][0095]
设计这一级flyback变换器时，为了使变压器tf更容易绕制，同时降低tf续流时qf承受的电压，flyback变压器的匝比nf取得小了一些；相应地，取电电源在ct原边电流小时取得最大功率所需的qf导通占空比d1也取了个较小的值0.15。考虑到低原边电流情况下flyback变换器的输出功率小，为减小此时变换器的开关损耗，开关频率有意选取为较低的20khz，对应的开关周期ts＝50μs。将flyback电路的这些参数以及取得最大功率所需的flyback等效输入电阻阻值r
ldc
＝6kω进行代入，可求得变压器tf的原边电感。
[0096]
如图3所示，微功耗贴片电流传感单元包括微功耗传感ic(mlx系列)、供电电容器、稳压缓冲电容与解耦电路；供电电容由贴片电容连接ic电源与对地引脚，稳压缓冲电容外接ic的标准零电位与数字零电位，微功耗传感ic的测试接口与温度补偿接口连接解耦电路。其工作原理为，微功耗传感ic所用供电电源为单5v电源，相对于
±
15v供电霍尔传感器功耗降低六倍实现微功耗；而当待测电流线缆通过对平行该ic表面时，ic产生的输出信号与水平施加的磁通密度成正比，外加其具有小尺寸应用设计和简单的结构，适用于从几安培到几千安培的各种电流范围实现测试电流的微功耗贴片传感。
[0097]
如图4所示，微控制处理单元包括微控制处理器mcu、晶振系统、ad变换电路以及串口传输电路组成；mcu与晶振系统直接相连，ad变换电路转换信号连接mcu，mcu处理运算通过串口与无线传输模块相连。微控制处理单元主要通过微功耗贴片电流传感单元实时采集电气数据，并且使用多分辨率多传感器数据融合技术对采集的数据进行滤波和去噪，然后
对数据进行本地的存储以及通过gprs无线传输到远程的上位机进行实时的传输。
[0098]
进一步地，的信号采样调理区域对实时监测的信号进行采样滤波调制处理，支持电流信号的采样。
[0099]
进一步地，的供电区域可采用stm32为主控芯片、采样调理电路、无线通讯模块等提供3.3v、
±
15v工作电压，支持适配器、usb和后备式供电方式。
[0100]
进一步地，的stm32主控芯片区域包括stm32处理芯片及其外围电路、铁电暂存电路。
[0101]
进一步地，的jtag烧写和sd卡读写区域，支持系统二次开发与程序sd的引启动。
[0102]
进一步地，的串口无线通讯接口为gprs无线传输模块进行通信的接口。
[0103]
进一步地，的指示灯区域指示电路电源状态、信号传输状态等。
[0104]
串口单元与无线传输模块基于http传输协议组成传感系统终端与后台服务器传输网络链路。线程池中只是使用线程对数据的转发。而终端服务器作为终端存储，线程池中使用线程实现数据的数据库存储。此外终端服务器同样需要一个http协议线程用于实现命令的下发功能，用于对各节点设备的控制，实现链路联通。
[0105]
系统传感的电流数据，包括电力监控涉及的各类电流信号，传感系统终端采集数据无线传输模块内置http通信传输协议、与无线云端数据后台无线匹配，服务器端基于线程池技术实现并发性能；服务器端预先创建子线程，在服务器端接收到请求时，使用预先创建的子线程来响应请求，服务器端对子线程进行维护。
[0106]
本发明公开的无源表贴式电流测量的无线微功耗传感系统，利用电流环对待测线缆内高频谐波部分通过高频谐波取电技术与整流稳压电路给储能电容充电，为系统供电；同时利用微功耗贴片电流传感单元对待测线缆的电磁场强度的检测并转换为电模拟信号进行a/d转换成数字量后，经过微功耗mcu将获得的电压转换成电缆电流值；最后采用无线传输的方式发送到云端服务数据库。本发明一体化无线无源取电、微功耗电流监测以及远程实时传输，解决了目前同类系统存在的安装麻烦、可靠性差、电池维护与安全等问题，本系统可实现无需额外铺设电源线和通信线就能实现远程数据实时采集测量，在各种电力监测领域，具有较高的使用价值与应用前景。
[0107]
以上实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。