一种智能低压分路监测单元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技术领域，尤其涉及一种智能低压分路监测单元模拟前端调理电路。

背景技术：

智能低压分路监测单元(下述简称：分路单元)按相别安装于开闭所、环网柜、低压配电网箱式变电站、小区配电室的低压出线电缆上，用来采集低压线路的运行电流、电压、电缆表皮温度等信息，计算线路有功、无功功率。分路单元可实时监测线路故障电流，实现低压400v分支线路运行状态的实时监测、线路故障状态的快速检测、指示功能，并及时上送告警信息。

目前分路单元通用的设计方法，测量电流、保护电流分别采用低功率线圈、罗氏线圈采集和传感，都有各自独立的模拟前端信号调理电路。这种方法造成电流传感部分重复设计、庞大贵重，导致分路单元整体成本上升。

因此，目前分路单元电流传感部分以及模拟前端电路设计方案有待进一步完善。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种智能低压分路监测单元模拟前端调理电路，在于仅使用罗氏线圈这样一种电流传感方式的情况下，同时实现线路电流的测量和保护功能，性能指标均满足技术规范的要求。

本实用新型具体内容如下：一种智能低压分路监测单元模拟前端调理电路，包括罗氏线圈和硬件积分器，分路单元通过罗氏线圈实现对线路电流的微分传感，从罗氏线圈传变后的电压信号vdiff连接到硬件积分器，硬件积分器后分别接入电平搬移放大电路和单端转差分信号电路，所述电平搬移放大电路将硬件积分器还原后的信号送入到微控制器内部的模拟数字转换器；所述单端转差分信号电路将硬件积分器还原后的信号送入单相计量芯片。

进一步的，所述硬件积分器包括运放器u7，所述运放器u7的同相输入端接地，反相输入端接电阻r30，输出端与反相输入端之间设置电容c8，在电容c8的两端还并联电阻r24和电阻r27组成的串联电路，在电路电阻r24和电阻r27之间连接电阻r29，电阻r29另一端通过电容c14接地，从罗氏线圈传变后的电压信号vdiff连接到电阻r30；运放器u7输出的vout_2连接到电平搬移放大电路和单端转差分信号电路的输入端。

进一步的，所述电平搬移放大电路包括运放器u6，所述运放器u6的反相输入端与输出端之间设有电阻r12，反相输入端还连接电阻r13，电阻r13的另一端接地；运放器u6的输出端连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端通过电容c1接地，电阻r2与电容c1之间输出信号vadc；运放器u7输出的vout_2通过电阻r17之后连接到运放器u6的同相输入端，运放器u6的同相输入端还分别连接电容c9和电阻r28，电容c9一端连接在电阻r17和运放器u6的同相输入端之间，另一端接地，电阻r28一端连接在电阻r17和运放器u6的同相输入端之间，另一端连接电源。

进一步的，电阻r17和电阻r28的阻值比为1:2；电阻r13和电阻r12的阻值比为1:2。

进一步的，所述单端转差分信号电路包括运放器u3a和运放器u3b，运放器u3a的同相输入端通过电阻r8连接到运放器u7输出的vout_2，通过电阻r18连接到运放器u3b的输出端；运放器u3a的反相输入端通过电阻r20连接到运放器u3b的输出端，通过电阻r19连接到运放器u3a的输出端；运放器u3a的输出端依次连接电阻r9和电容c2，电容c2的一端接地，电阻r9与电容c1之间输出vm_p，运放器u3a的输出端还通过电阻r21连接到运放器u3b的反相输入端；运放器u3b的反相输入端通过电阻r22连接到其输出端，运放器u3b的同相输入端通过电阻r1接地；运放器u3b的输出端依次连接电阻r10和电容c4，电容c4的一端接地，电阻r10和电容c4之间输出vm_n，vm_p和vm_n分别连接到单相计量芯片。

进一步的，电阻r24、电阻r27和电阻r29组成的t型电阻网络的等效电阻大于电阻r30阻值。

采用本实用新型的分路单元模拟前端调理电路的设计方案，在线路电流传感环节上，只采用罗氏线圈而节省低功率线圈的情况下，同时实现测量和保护功能，具有良好的工程应用价值。

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为本申请的智能低压分路监测单元模拟前端调理电路的示意图；

图2为硬件积分器的示意图；

图3为电平搬移放大电路的示意图；

图4为单端转差分信号电路的示意图；

图5为硬件积分器与电平搬移放大电路结合的仿真波形；

图6位硬件积分器与单端转差分信号电路结合的仿真波形。

具体实施方式

结合图1，本实用新型公开了一种智能低压分路监测单元模拟前端调理电路，包括罗氏线圈和硬件积分器，分路单元通过罗氏线圈实现对线路电流的微分传感，从罗氏线圈传变后的电压信号vdiff连接到硬件积分器，硬件积分器后分别接入电平搬移放大电路和单端转差分信号电路，电平搬移放大电路连接微控制器内部模拟数字转换器，单端转差分信号电路连接单相计量芯片。分路单元通过罗氏线圈实现对线路电流的微分传感，硬件积分器电路对罗氏线圈输出的微分信号进行积分还原，获得反映线路电流的原始信号。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信号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。

如图2所示为硬件积分器，硬件积分器包括运放器u7，所述运放器u7的同相输入端接地，反相输入端接电阻r30，输出端与反相输入端之间设置电容c8，在电容c8的两端还并联电阻r24和电阻r27组成的串联电路，在电路电阻r24和电阻r27之间连接电阻r29，电阻r29另一端通过电容c14接地，从罗氏线圈传变后的电压信号vdiff连接到电阻r30；运放器u7输出的vout_2连接到电平搬移放大电路和单端转差分信号电路的输入端。

硬件积分器中采用t型电阻网络，在t型电阻网络反馈反相比例放大器的基础上改造而成的反相有损硬件积分器。t型电阻网络是采用较小阻值的电阻可生成较大阻值的等效电阻的电路结构，假设图2中t型电阻网络的等效电阻为r。硬件积分器的输入电阻等效为反相输入端上的串联输入电阻，该电阻取值一般比较高。当等效电阻r远大于积分器输入电阻时，有损硬件积分器就等效于理想积分器。电阻r29、电容c14构成低通滤波器，可有效抑制输入信号vdiff的高频分量。等效电阻r和反馈臂电容c8并联，使积分器的低频(直流)增益得到一定的抑制，防止出现饱和问题。

本实施例中，选择电阻r30为32kω，电阻r24为32kω，电阻r27为32kω，电阻r29为100ω，电容c14为10uf，运放器u7选择器件op1177ar，在实际应用中可选用国产器件，如圣邦微公司的sgm8249-1等。当电阻r24、r27和r29构成t型电阻网络的等效电阻r远大于输入电阻r30时，积分器的积分时间常数为r30×c8。t型电阻网络和反馈臂电容c8并联结构的有损积分器，将低频增益限制到-r/r30，保证了直流稳定性。等效电阻r和反馈臂电容的乘积r×c8是积分器的衰减时间常数，适当增大该时间常数，可提高积分器的暂态传变特性。硬件积分器的拐点频率为1/(2π×r×c8)，只有当输入信号频率大于该数值，积分器才开始积分，否则等效于一个简单的反相放大器。由于等效电阻r远大于r30，因此硬件积分器增益的幅值可近似为1/(ω×r30×c8)(ω为输入信号角频率)，当输入信号为工频时，图2所示的硬件积分器增益的幅值可近似为0.98。

如图3所示，电平搬移放大电路包括运放器u6，运放器u6的反相输入端与输出端之间设有电阻r12，反相输入端还连接电阻r13，电阻r13的另一端接地；运放器u6的输出端连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端通过电容c1接地，电阻r2与电容c1之间输出信号vadc；运放器u7输出的vout_2通过电阻r17之后连接到运放器u6的同相输入端，运放器u6的同相输入端还分别连接电容c9和电阻r28，电容c9一端连接在电阻r17和运放器u6的同相输入端之间，另一端接地，电阻r28一端连接在电阻r17和运放器u6的同相输入端之间，另一端连接电源ref_1.5v。

本实施例的是电平搬移放大电路，根据微控制器(微控制器型号stm32f103rct6)内部adc模拟通道对所输入信号的要求，以及分路单元对额定保护电流有10倍量程范围的要求，设计如图3所示的带有电平搬移、信号放大、低通滤波器、匹配微控制器内部adc采样保持电路的同相比例放大电路。图3中运算放大器u6和电阻r13、r12构成同相比例放大电路。为了仿真方便，图3中u6选用器件op1177ar，在实际应用中可选用国产器件，如圣邦微公司的sgm8249-1等。在选型上，要求电阻r17、r28的阻值适当，并且有着相似的温漂和时间漂移特性；同样地，电阻r12、r13构成类似的电阻对。电阻r2、电容c1构成rc低通滤波器，提供了抗混叠滤波的截止频率、运放电路的噪声带宽，而且c1要与内部adc的采样电容形成良好的匹配关系。

本实施例中设置电阻r17为10kω，电阻r13为2.2kω，电阻r28为20kω，电阻r12为4.4kω，电阻r2为1kω，电容c9位0.1uf，电容c1为33nf。运放u6和电阻r12、r13共同构建同相比例放大电路。信号ref_1.5v为稳定的1.5v参考源，比例放大电路针对该信号的传变函数为由计算、仿真结果可知，比例放大电路将输入信号vout_2的中心线抬升至1.5v。针对输入信号vout_2的传变函数为即幅值放大2倍。当线路电流10倍于额定保护电流时，图3输出信号幅值仍然在微控制器内部adc输入通道电平要求的范围内。电容c9和电阻r17、r28构成低通滤波器，同时可使参考源信号保持稳定。电阻r2和电容c1构成抗混叠低通滤波器。由于运放u6输出电阻较小，故只需着重考虑通过电阻r2和电容c1的恰当选型便可匹配微控制器内部adc模拟通道要求，以减小测量误差。从上述分析可知，图3电路可满足微控制器内部adc对前端调理电路的要求，实现了电路设计指标.

如图4所示，单端转差分信号电路包括运放器u3a和运放器u3b，运放器u3a的同相输入端通过电阻r8连接到运放器u7输出的vout_2，通过电阻r18连接到运放器u3b的输出端；运放器u3a的反相输入端通过电阻r20连接到运放器u3b的输出端，通过电阻r19连接到运放器u3a的输出端；运放器u3b的反相输入端通过电阻r22连接到其输出端，运放器u3b的同相输入端通过电阻r1接地；运放器u3a的输出端依次连接电阻r9和电容c2，电容c2的一端接地，电阻r9与电容c1之间输出vm_p；运放器u3a的输出端还通过电阻r21连接到运放器u3b的反相输入端；运放器u3b的输出端依次连接电阻r10和电容c4，电容c4的一端接地，电阻r10和电容c4之间输出vm_n，vm_p和vm_n分别连接到单相计量芯片。

本实施例的单端转差分信号电路，是根据计量芯片(钜泉光电，ht7017芯片)的模拟通道对所输入差分信号的要求，以及分路单元对线路电流测量功能的要求，设计如图4所示的单端转差分及rc共模滤波电路。在图4中，两通道运放u3(adi公司，op2177ar)可以选用国产型号(圣邦微，sgm8249-2)。u3a、u3b和电阻r8、r1、r18～r22构成交叉反馈型单端转差分信号电路，两路输出信号um_p和um_n围绕零电平轴发生相反方向的信号改变。电阻r9、r10分别与电容c2、c4构成共模rc滤波电路。因此上述单端转差分及共模rc滤波电路组合构成了计量芯片的调理电路。

本实施例中选择电阻r8为kω，电阻r18为2kω，电阻r19、电阻r20、电阻r21和电阻r22均为1kω，电阻r1为3.1kω，电阻r9和电阻r10为1.2kω，电容c2和电容c4为33nf。运放u3和电阻r8、r1、r18～r22共同构成交叉反馈型单端转差分信号电路，增益为r18/r8。两个运放的输出互相作为对方的输入，两路输出信号um_p和um_n围绕零电平轴发生相反方向的信号改变。与输入信号vout_2比较，本单端转差分信号电路幅值增大4倍。在本设计中，当线路电流2倍于额定测量电流时，图4输出信号幅值仍然在计量芯片输入通道电平要求的范围内。电阻r9、r10分别与电容c2、c4构成共模滤波电路，并匹配计量芯片内部采样保持电路要求。从上述分析可知，图4电路可满足计量芯片对前端调理电路的要求，实现了电路设计指标。

如图5所示为硬件积分器与电平搬移放大电路结合的仿真波形，由multisim软件仿真生成的。在multisim上搭建微分信号电路，仿真图1中包括罗氏线圈、硬件积分器、电平搬移及放大等部分电路，将该部分电路命名为信号路径1。如图5所示，两通道示波器的a通道显示线路电流，b通道显示进入到微控制器内部adc输入通道前的波形。b通道波形显示信号路径1对a通道信号的积分还原、电平搬移、放大等作用，以适应微控制内部adc模拟输入通道要求，实现了电路设计功能和指标。

图6为硬件积分器与单端转差分信号电阻结合的仿真波形，由multisim软件仿真生成。在multisim上搭建微分信号电路，仿真图1中包括罗氏线圈、硬件积分器、单端转差分信号等部分电路，将该部分电路命名为信号路径2。如图6所示，两通道示波器的a通道显示线路电流，b通道显示进入到计量芯片模拟通道前的波形。b通道波形显示信号路径2对a通道信号的积分还原、单端转差分、放大、低通滤波等作用，以适应计量芯片输入通道要求，实现了电路设计功能和指标。

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。