CN103543319A - 电力***内宽范围电流的高精度快速测量电路及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电力***内宽范围电流的高精度快速测量电路及测量方法，包括：依次连接的电流互感器、信号调理电路、限幅器、A/D转换器和CPU，信号调理电路包括依次连接的前置放大器、主放大器、自适应放大器，前置放大器与电流互感器连接，自适应放大器与限幅器连接，主放大器与自适应放大器之间的节点连接三条支路，每条支路上均设有依次连接的平均值提取电路、电压比较器，平均值提取电路连接到自适应放大器的输入端，电压比较器通过第一电平转换器与多路转换开关连接。该电路具有多级电压比较器的自动电平判别和编码电路，能够为放大器自动选择合适的反馈电阻和放大倍数，在提高宽范围电流信号测量精度的同时有更快的测量速度。
Description
技术领域
本发明涉及用于电力***模拟量测量领域，尤其涉及电力***内宽范围电流的高精度快速测量电路及测量方法。
背景技术
电力***的电流是反映电力***运行状态的重要参数，电力***在正常运行时需要获得电流值来进行电力***的各种分析计算，故障时也要获得电流值来实现各种继电保护功能以保护***和设备的安全，所以电流测量设备是电力***必需设备之一。但是由于电流大小受用户设备工作状况影响，电流值在正常运行时的变化范围很大。普通测量设备只能保证在电流额定值附近有较高测量精度，而当电流值在宽范围内变化时测量精度会降低。研究对于对从零到额定值甚至更宽范围的电流都具有较高测量精度的设备，具有重要意义和实用价值。
为了实现在宽范围具有较高的电流测量精度，目前电力领域的解决方案是采用两套电路，一套电路负责提供监视和计量用电流值，其精度很高，但是适应电流范围小，通常是零到额定电流；另一套电路负责提供保护需要的电流值，其精度比前者稍差，但是适应电流范围大，可以是零到几十倍额定电流。
在工业测量仪表领域，目前可以采用自动量程技术来提高宽范围信号的测量精度。其主要原理是首先对信号进行初步测量，估计其大致数值，然后相应调整放大器的放大倍数，使之与A/D转换器的量程达到最佳匹配，从而提高测量精度。但是该方案需要软硬件配合对信号进行两次甚至多次测量，需要逐步尝试以达到最佳放大倍数，因此影响了测量速度。
总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：如何能够准确且快速地实现宽范围电流信号的测量。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供电力***内宽范围电流的高精度快速测量电路及测量方法。本发明的基本思想也是通过调整放大器的放大倍数来提高宽范围电流信号的测量精度，但是改进之处在于对电流信号数值范围判断不是通过A/D转换和软件估计，而是通过硬件电压比较器自动完成的，因此本发明能够完全依靠硬件电路自动调整到最佳放大倍数，只需要一次测量就得到电流的准确值。这样不但达到了对宽范围电流的精确测量要求，而且大大提高了测量速度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
电力***内宽范围电流的高精度快速测量电路，包括：电流互感器，所述电流互感器将电力电流变换成小电流信号后传输给信号调理电路，信号调理电路将电流信号进行调理后变成电压信号传输给限幅器，所述限幅器将信号传输给A/D转换器，所述A/D转换器对信号进行模数转换后将数据传输给CPU（中央处理器）；
所述信号调理电路包括：前置放大器，所述前置放大器将电流信号转换成电压信号并送入主放大器，主放大器将信号进一步放大后送入自适应放大器，自适应放大器的信号会传输给限幅器，同时主放大器进一步放大的信号还会经过三个平均值提取电路，通过三个平均值提取电路后得到的电压平均值分别传输给三个电压比较器，通过三个电压比较器比较后，三个电压比较器分别输出高/低电平，并均分别将高/低电平传输给两个电平转换器，其中第一电平转换器将转换后的信号传输给多路转换开关，所述多路转换开关还接收自适应放大器的输出。第二电平转换器将转换后的信号传输给CPU。
所述平均值提取电路包括三条并联的支路，第一条支路和第二条支路上均设有两个串联的二极管，第三条支路上设有电容C，所述第一条支路上的第一二极管D1的正极接输入端，所述第一二极管D1的正极还连接第三二极管的负极，所述第一二极管D1的负极连接输出端，所述第三二极管D3的正极接地，所述第二条支路上的第二二极管D2的正极接输入端，所述第二二极管D2的正极还连接第四二极管D4的负极，所述第二二极管D2的负极连接输出端，所述第四二极管D4的正极接地，所述电容C的两端分别接地和输出端。
所述电平转换器包括三条相同的电平转换电路，每条电平转换电路设有三极管，所述三极管的基极通过第一电阻与输入端连接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极通过第二电阻连接电源（其中，第一电平转换器连接电源VDD，第二电平转换器连接电源VCC），所述三极管的集电极与输出端连接。
所述的测量电路所采用的测量方法，主要分为如下步骤：
步骤一：电流互感器将电力***中的电流信号I1变换为小电流信号I2，送入信号调理电路；
步骤二：将电流信号I2转换为电压信号Vo1并送入主放大器，主放大器负责将Vo1进一步放大为电压信号Vo2并将其送入自适应放大器；同时，电压信号Vo2经过处理，得到电压信号Vo2对应的电压平均值|Vo2|后送入三个电压比较器，经过三个电压比较器比较之后生成三位数字编码；
步骤三：所述三位数字编码转换为适合多路转换开关的电平后，被送入多路转换开关的三个选通端；这样就能够根据三个电压比较器的输出结果自动为自适应放大器选择合适的反馈电阻，同时也就选择了合适的电压放大倍数，使自适应放大器输出电压信号Vo3；
步骤四：自适应放大器输出的电压信号Vo3经过限幅器送入A/D转换器，A/D转换器将模拟量转换为数字量，数字量送入CPU；同时，三个电压比较器输出的三位数字编码转换为适合CPU的电平后，送入CPU的三个数字量输入端，得到当前自适应放大器连接的反馈电阻和放大倍数，从而使CPU计算出准确的电流值。
所述步骤二中，电压比较器的具体工作步骤如下：这三个电压比较器分别具有不同的阈值电压Vd1，Vd2，和Vd3；
通过将电压平均值|Vo2|送入第一电压比较器与阈值电压Vd1进行比较，如果|Vo2|>Vd1，则第一电压比较器输出高电平；否则其输出低电平；
将|Vo2|分别送入第二电压比较器与阈值电压Vd2比较，如果|Vo2|>Vd2，则第二电压比较器输出高电平；否则其输出低电平；
将|Vo2|分别送入第三电压比较器与阈值电压Vd3比较，如果|Vo2|>Vd3，则第三电压比较器输出高电平；否则其输出低电平；
这样三个电压比较器输出的3个电平形成三位数字编码。
所述步骤一中的电流信号I1经过电流互感器变换为小电流信号I2。
所述步骤二中的信号调理电路中前置运算放大器将电流信号I2转换为电压信号Vo1。
所述步骤二中电压信号Vo2经过平均值提取电路处理，得到电压信号Vo2对应的电压平均值|Vo2|后送入三个电压比较器。
所述步骤三的三位数字编码经过第一电平转换器转换为适合多路转换开关的电平。
所述三个电压比较器输出的三位数字编码经过第二电平转换器，转换为适合CPU的电平。本发明的关键在于，为解决宽范围电流的高精度测量问题，借鉴仪表自动量程电路原理，设计了以多级电压比较器为特色的自动电平判别和编码电路，完全通过硬件为放大器自动选择合适的反馈电阻和放大倍数，能够快速输出合适的电压信号给A/D转换器。
本发明的有益效果是：
1、在解决宽范围电流测量问题时，为自适应放大器配置多个不同的反馈电阻，可以根据输入电压信号的电平大小自动选用合适的反馈电阻，调整放大器的放大倍数，从而提高测量精度。
2、通过设置多个电压比较器，不需要像传统方法那样先进行一次或多次A/D转换和软件估算后再调整放大倍数和进行最终A/D转换，而是利用全硬件的自动电平判别和编码电路一次性调整好放大倍数，从而在提高测量精度的同时具有更快的测量速度。
3、本发明介绍测量方法时为简洁易懂是以三个电压比较器为例，但实际也能够支持更多个电压比较器，从而进一步提高测量精度，因此具有良好的扩展性和推广应用价值。
附图说明
图1本发明的原理示意图；
图2本发明的实施例图；
图3平均值提取电路示意图；
图4第一电平转换器示意图；
图5第二电平转换器示意图；
其中，1、电流互感器，2、前置放大器，3、主放大器，4、自适应放大器，5、限幅器，6、A/D转换器，7、CPU，8、平均值提取电路，9、电压比较器，10、第一电平转换器，11、多路转换开关，12、第二电平转换器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，电力***内宽范围电流的高精度快速测量电路，包括：依次连接的电流互感器1、信号调理电路、限幅器5、A/D转换器6和CPU7，
所述信号调理电路包括依次连接的前置放大器2、主放大器3、自适应放大器4，所述前置放大器2与电流互感器1连接，所述自适应放大器4与限幅器5连接，
所述主放大器3与自适应放大器4之间的节点连接三条支路，每条支路上均设有依次连接的平均值提取电路8、电压比较器9，其中所述平均值提取电路8连接到自适应放大器4的输入端，电压比较器9通过第一电平转换器10与多路转换开关11连接，多路转换开关11与自适应放大器4的输出端连接；每个电压比较器9还通过第二电平转换器12与CPU7连接。
如图3所示，所述平均值提取电路8包括三条并联的支路，第一条支路和第二条支路上均设有两个串联的二极管，第三条支路上设有电容C，所述第一条支路上的第一二极管D1的正极接输入端，所述第一二极管D1的正极还连接第三二极管的负极，所述第一二极管D1的负极连接输出端，所述第三二极管D3的正极接地，所述第二条支路上的第二二极管D2的正极接输入端，所述第二二极管D2的正极还连接第四二极管D4的负极，所述第二二极管D2的负极连接输出端，所述第四二极管D4的正极接地，所述电容C的两端分别接地和输出端。
如图4和图5所示，所述电平转换器包括三条相同的电平转换电路，每条电平转换电路设有三极管，所述三极管的基极通过第一电阻与输入端连接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极通过第二电阻连接电源（其中，第一电平转换器连接电源VDD，第二电平转换器连接电源VCC），所述三极管的集电极与输出端连接。
电力***内宽范围电流的高精度快速测量电路所采用的测量方法，主要分为如下步骤：
步骤一：将电力***中的线路电流信号I1经过电流互感器1变换减小为小电流信号I2（mA级），送入信号调理电路；
步骤二：信号调理电路中主要包括三个运算放大器OP07（从前到后依次为前置放大器2、主放大器3和自适应放大器4）、三个电压比较器LM311和一个多路转换开关CD4051。其中前置运算放大器将电流信号I2转换为电压信号Vo1并送入主放大器3。主放大器3负责将Vo1进一步放大为电压信号Vo2并将其送入自适应放大器4。同时，电压信号Vo2经过平均值提取电路8（见图3）处理，得到交流信号Vo2对应的平均值|Vo2|后送入三个电压比较器9，这三个电压比较器9分别具有不同的阈值电压Vd1=5V,Vd2=2V,和Vd3=0.5V。将电压|Vo2|送入电压比较器9与阈值电压Vd1进行比较，如果|Vo2|>Vd1，则第一电压比较器U1输出高电平；否则其输出低电平。类似地，将|Vo2|分别送入第二电压比较器U2与Vd2比较，送入第三电压比较器U3与Vd3比较，U2和U3会根据比较结果对应输出高电平或低电平，这样三个电压比较器9输出的3个电平形成三位编码；
步骤三：三个电压比较器9输出的三位编码经过电平转换电路1（见图4，其中VDD=+12V），转换为适合多路转换开关11的电平后，被送入多路转换开关CD4051的三个选通端（A、B、C端）。多路转换开关11外部有八路输入和一路输出，内部有八个开关，可以根据三个选通端的编码不同而从八个开关中选择一个开关闭合，即从八路中选择一路接通。例如当三位编码为000时，接通电阻R0，而R0阻值为R11的10倍，即自适应放大器4的放大倍数=10；而当三位编码为111时，接通电阻R7，而R7与R11阻值相等，即放大倍数=1。这样就可以根据三个电压比较器9的输出结果自动为自适应放大器4选择合适的反馈电阻，同时也就选择了合适的电压放大倍数，使自适应放大器4输出电压信号Vo3。由于后续的A/D转换器6支持输入正负10V的电压信号，因此通过调整放大倍数的目的是使Vo3的峰值不超过正负10V但接近正负10V，以获得最佳测量精度；
步骤四：自适应放大器4输出的电压信号Vo3经过二极管构成的限幅器5被送入后面的A/D转换器6（AD1674）的模拟量输入端。AD1674通过14脚输入模拟量，并将其转换为对应数字量，数字量通过12位数据总线DB0～DB11送入CPU7，这里的CPU7是嵌入式控制器80C196。同时，三个电压比较器9输出的三位编码信号经过电平转换电路2（见图5，其中VCC=+5V），转换为适合CPU7的0到+5V电平后，送入CPU7的三个数字量输入端，告知CPU7当前可调放大器连接的反馈电阻和放大倍数，使CPU7可以根据得到的A/D转换数字量乘以放大倍数计算出准确的电流值。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.电力***内宽范围电流的高精度快速测量电路，其特征是，包括：电流互感器，所述电流互感器将电力电流变换成小电流信号后传输给信号调理电路，信号调理电路将电流信号调理转换为电压信号后传输给限幅器，所述限幅器将信号传输给A/D转换器，所述A/D转换器对电流进行模数转换后将数据传输给CPU；
所述信号调理电路包括：前置放大器，所述前置放大器将电流信号转换成电压信号并送入主放大器，主放大器将信号进一步放大后送入自适应放大器，自适应放大器的信号会传输给限幅器，同时主放大器进一步放大的信号还会经过三个平均值提取电路，通过三个平均值提取电路后得到的电压平均值分别传输给三个电压比较器，通过三个电压比较器比较后，三个电压比较器分别输出高/低电平，并均分别将高/低电平传输给两个电平转换器，其中第一电平转换器将转换后的信号传输给多路转换开关，所述多路转换开关还接收自适应放大器的输出，为自适应放大器自动调整放大倍数，第二电平转换器将转换后的信号传输给CPU。
2.如权利要求1所述的测量电路，其特征是，所述平均值提取电路包括三条并联的支路，第一条支路和第二条支路上均设有两个串联的二极管，第三条支路上设有电容C，所述第一条支路上的第一二极管D1的正极接输入端，所述第一二极管D1的正极还连接第三二极管的负极，所述第一二极管D1的负极连接输出端，所述第三二极管D3的正极接地，所述第二条支路上的第二二极管D2的正极接输入端，所述第二二极管D2的正极还连接第四二极管D4的负极，所述第二二极管D2的负极连接输出端，所述第四二极管D4的正极接地，所述电容C的两端分别接地和输出端。
3.如权利要求1所述的测量电路，其特征是，所述电平转换器包括三条相同的电平转换电路，每条电平转换电路设有三极管，所述三极管的基极通过第一电阻与输入端连接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极通过第二电阻连接电源，所述三极管的集电极与输出端连接。
4.如上述任一权利要求所述的测量电路所采用的测量方法，其特征是，主要分为如下步骤：
步骤一：将电力***中的电流信号I1变换为小电流信号I2，送入信号调理电路；
步骤二：将电流信号I2转换为电压信号Vo1并送入主放大器，主放大器负责将Vo1进一步放大为电压信号Vo2并将其送入自适应放大器；同时，电压信号Vo2经过处理，得到电压信号Vo2对应的电压平均值|Vo2|后送入三个电压比较器，经过三个电压比较器的比较之后生成三位数字编码；
步骤三：所述三位数字编码转换为适合多路转换开关的电平后，被送入多路转换开关的三个选通端；这样就能够根据三个电压比较器的输出结果自动为自适应放大器选择合适的反馈电阻，同时也就选择了合适的电压放大倍数，使自适应放大器输出电压信号Vo3；
步骤四：自适应放大器输出的电压信号Vo3经过限幅器送入A/D转换器，A/D转换器将模拟量转换为数字量，数字量送入CPU；同时，三个电压比较器输出的三位数字编码转换为适合CPU的电平后，送入CPU的三个数字量输入端，得到CPU当前自适应放大器连接的反馈电阻和放大倍数，从而CPU计算出准确的电流值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤（2）中，电压比较器的具体工作步骤如下：这三个电压比较器分别具有不同的阈值电压Vd1，Vd2，和Vd3；
通过将电压平均值|Vo2|送入第一电压比较器与阈值电压Vd1进行比较，如果|Vo2|>Vd1，则第一电压比较器输出高电平；否则其输出低电平；
将|Vo2|分别送入第二电压比较器与阈值电压Vd2比较，如果|Vo2|>Vd2，则第二电压比较器输出高电平；否则其输出低电平；
将|Vo2|分别送入第三电压比较器与阈值电压Vd3比较，如果|Vo2|>Vd3，则第三电压比较器输出高电平；否则其输出低电平；
这样三个电压比较器输出的3个电平形成三位数字编码。
6.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤一中的电流信号I1经过电流互感器变换为小电流信号I2。
7.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤二中的信号调理电路中前置运算放大器将电流信号I2转换为电压信号Vo1。
8.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤二中电压信号Vo2经过平均值提取电路处理，得到电压信号Vo2对应的电压平均值|Vo2|后送入三个电压比较器。
9.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤三的三位数字编码经过第一电平转换器转换为适合多路转换开关的电平。
10.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述三个电压比较器输出的三位数字编码经过第二电平转换器，转换为适合CPU的电平。
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