CN211856874U - 一种基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，包括交流信号获取单元及内置有模数转换器和高通滤波器的计量单元，所述交流信号获取单元包括连接于剩余电流互感器二次电流输出端的两个信号获取端，两个信号获取端连接于采样电路，所述采样电路连接有测量/检测功能切换电路，所述采样电路的输出端具有两个采样输出端，两个采样输出端分别连接于计量单元的差分计量通道，所述计量单元连接于MCU。本实用新型提供测量/检测功能切换电路，采用同一电路通过切换的方式实现正常测量与异常检测两种功能，具有电路简单，成本低等优点。

Description

一种基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路

技术领域

本实用新型涉及剩余电流测量技术领域，具体涉及一种基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路。

背景技术

在电力计量技术中，通常需要对剩余电流互感器进行测量和短路/开路异常检测，现有技术中，对电流互感器进行正常测量的电路包括交流信号获取单元、模拟电路、模数转换器和计算模块，交流信号获取单元获取交流信号，通过模拟电路进行模拟滤波和模拟放大，转换为直流信号再通过模数转换器进行模数转换，最后将转换后的数据传送至计算模块(通常计算模块内嵌在计量芯片中)进行计算处理以得到最终的电流测量值。前述用于正常测量的电路只能进行测量，无法进行短路/开路的异常检测，所以在进行短路/开路的异常检测时，需要另一单独的电路实现。也就是说现有技术需要采用两个电路对电流互感器分别进行正常测量和异常检测，存在电路复杂，成本高等缺点。

另外，现有技术的模拟电路和模数转换电路均采用单独的外部电路，这些外部复杂的模拟电路随着时间的推移，不稳定性也会逐渐增高，为长期性的准确测量埋下了隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，包括交流信号获取单元及内置有模数转换器和高通滤波器的计量单元，所述交流信号获取单元包括连接于剩余电流互感器二次电流输出端的两个信号获取端，两个信号获取端连接于采样电路，所述采样电路连接有测量/检测功能切换电路，所述采样电路的输出端具有两个采样输出端，两个采样输出端分别连接于计量单元的差分计量通道，所述计量单元连接于MCU。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述采样电路包括并联在两个采样输出端之间及两个信号获取端之间的负载电阻组，所述负载电阻组的一端连接于所述测量/检测功能切换电路。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述测量/检测功能切换电路包括限流电阻，所述限流电阻的一端连接于MCU的IO口，另一端连接于所述负载电阻组。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述负载电阻组包括相互串联的第一负载电阻和第二负载电阻，且一个信号获取端和一个采样输出端连接在第一负载电阻的一端，另一信号获取端和另一采样输出端连接在第二负载电阻远离第一负载电阻的一端，且第一负载电阻与第二负载电阻的公共端连接于地端。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述采样电路还包括保护二极管组，所述保护二极管组包括相互串联的第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极连接于限流电阻与第一负载电阻的公共端，所述第二二极管的负极连接于地端，且第一二极管与第二二极管的公共端连接于第二负载电阻远离第一负载电阻的一端。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述采样电路还包括并联在两个采样输出端和两个信号获取端之间的电容组。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述电容组包括相互串联的第一电容和第二电容，所述第一电容远离第二电容的一端连接于其中一个采样输出端，第二电容远离第一电容的一端连接于另一个采样输出端，且第一电容与第二电容的公共端连接于地端。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述第一负载电阻远离第二负载电阻的一端与第一电容远离第二电容的一端连接有第一保护电阻，第二负载电阻远离第一负载电阻的一端与第二电容远离第一电容的一端连接有第二保护电阻。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述的计量单元为ADE7758、ADE7759或ADE7169计量芯片，所述的MCU为STM系列或STC系列的MCU芯片。

在上述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路中，所述MCU包括SOC计量芯片，且所述计量单元集成于所述 SOC计量芯片中。

本实用新型的优点在于：

1、剩余电流采用差分电路采样，提供了更好的线性度和SNR 性能；

2、使用计量单元，保证了测量的高精度，同时数字高通滤波器的存在，使得低频干扰信号能够得到很好的滤除；

3、使用可控直流偏置信号，实现了正常测量与异常检测的高效切换，且2种状态互不干扰，确保测量的准确性；

4、本方案原理简单，仅需比较低频信号AD值即可方便地判断正常/开路/短路的状态，易于实现。

附图说明

图1为本实用新型基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路的电路结构图；

图2为本实用新型基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路的电路结构图；

图3为本实用新型剩余电流互感器接线正常的等效电路图；

图4为本实用新型剩余电流互感器开路等效电路图；

图5为本实用新型剩余电流互感器接线短路等效电路图。

图中：交流信号获取单元1；计量单元2；模数转换器21；高通滤波器22；采样电路3；测量/检测功能切换电路4；负载电阻组RL；第一负载电阻RL1；第二负载电阻RL2；地端GND；保护二极管组D1；第一电容C45；第二电容C51；第一保护电阻R2；第二保护电阻R3；限流电阻R1。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实施例基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，包括交流信号获取单元1和内置有模数转换器 21和高通滤波器22的计量单元2。

具体地，如图2所示，交流信号获取单元1包括连接于剩余电流互感器二次电流输出端的两个信号获取端JS1，即图2中JS1 处的1端和2端。交流信号获取单元1的两个信号获取端JS1连接于采样电路3，采样电路3连接有测量/检测功能切换电路4，采样电路3的输出端具有两个采样输出端V1P、V1N，两个采样输出端V1P、V1N分别连接于计量单元2的差分计量通道以使计量单元2能够获取两个采样输出端V1P、V1N输出的差分信号，这里的采样电路3采用差分采样电路，并以差分信号的形势提供给计量芯片，提供了更好的线性度和SNR性能。同时使用内置有模数转换器21和高通滤波器22的计量芯片，避免了外部复杂的模拟电路容易随着时间的推移不稳定性也逐渐增高的问题，从长远角度保证了电路的测量稳定性和准确性。最后计量单元2连接于MCU 以将检测功能下的采样电压经过模数转换后传输给MCU。此外，用于根据转换后数据计算剩余电流测量值的计算模块可以内置于 MCU中，也可以内置于计量单元2中，计算模块根据采样信号计算剩余电流值的方式采用现有技术的方法即可，在此不进行赘述。并且，这里的MCU与计量单元2可以集成在一起，也可以为分开结构。当两者分离的时候，计量单元2采用普通的计量芯片，例如ADE7758、ADE7759或ADE7169等计量芯片，MCU采用普通的MCU 芯片，例如STM系列或STC系列的MCU芯片等。当集成在一起的时候，可以采用同时具有MCU功能和计量功能的计量芯片，如SOC 计量芯片。具有实现方式多样化的优点。

具体地，如图2所示，采样电路3包括并联在两个采样输出端V1P、V1N之间及两个信号获取端JS1之间的负载电阻组RL，负载电阻组RL的一端连接于测量/检测功能切换电路4。进一步地，这里的测量/检测功能切换电路4包括限流电阻R1，限流电阻R1的一端连接于MCU的任意IO口MCU-IO，另一端连接于负载电阻组RL。

当需要测量剩余电流时，MCU-IO施加低电平信号(0V)，计量单元2通过采样输出端V1P、V1N采样负载电阻组RL两端的电压信号，通过内置的模数转换器转换为数字量，并经由数字高通滤波器滤除低频信号，最后通过嵌设在MCU或计量单元2中的计算模块进行计算获得剩余电流值，当MCU与计量单元2为一体时，直接在计量单元2中获得剩余电流值。

当需要进行剩余电流互感器开路/短路检测时，可以不启用数字高通滤波器，直接由MCU获取模数转换器转换后的直流信号，通过在MCU-IO施加高电平信号(通常为3.3V或5V，并确保具有一定的电流输出能力)提供一个直流偏置信号，此处暂标记为 VCC，其中剩余电流互感器由上千匝线圈构成，故将此处等效为电阻RC，剩余电流互感器接线正常等效电路、开路等效电路、短路等效电路分别如图3、图4和图5所示，各输出信号分别标记为AD1、AD2、AD3。本领域技术人员应当知道，AD2>AD1>AD3，故MCU 通过获取该AD值即可判断剩余电流互感器正常与开路/短路状态。

这里使用MCU控制的可控直流偏置信号实现了正常测量与异常检测的高效切换，且2种状态互不干扰，确保测量的准确性。本方案原理简单，通过同一电路简单的变换MCU-IO口的输出电平就能够实现正常测量和异常检测的切换，具有电路结构简单，投入成本低等优点。且进行异常检测时，仅需根据低频信号AD值即可方便地判断正常/开路/短路的状态，易于实现。

具体地，负载电阻组RL包括相互串联的第一负载电阻RL1 和第二负载电阻RL2，且一个信号获取端JS1和一个采样输出端 V1P、V1N连接在第一负载电阻RL1的一端，另一信号获取端JS1 和另一采样输出端V1P、V1N连接在第二负载电阻RL2远离第一负载电阻RL1的一端，且第一负载电阻RL1与第二负载电阻RL2的公共端连接于地端GND。

进一步地，为了保护输入信号的幅值，采样电路3还包括保护二极管组D1，且保护二极管组D1包括相互串联的第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极连接于限流电阻R1与第一负载电阻RL1的公共端，所述第二二极管的负极连接于地端GND，且第一二极管与第二二极管的公共端连接于第二负载电阻RL2远离第一负载电阻RL1的一端。

进一步地，为了提高采样信号的准确性，剔除干扰，本采样电路3还包括并联在两个采样输出端V1P、V1N和两个信号获取端 JS1之间的电容组。且电容组包括相互串联的第一电容C45和第二电容C51，所述第一电容C45远离第二电容C51的一端连接于其中一个采样输出端V1P、V1N，第二电容C51远离第一电容C45 的一端连接于另一个采样输出端V1P、V1N，且第一电容C45与第二电容C51的公共端连接于地端GND。

进一步地，第一负载电阻RL1远离第二负载电阻RL2的一端与第一电容C45远离第二电容C51的一端连接有第一保护电阻 R2，第二负载电阻RL2远离第一负载电阻RL1的一端与第二电容 C51远离第一电容C45的一端连接有第二保护电阻R3。

本方案电力计量单元3实现剩余电流的准确测量，并创新性地使用可控的直流偏置信号进行剩余电流互感器异常工作状态的判别，高效可靠，实现简单，具有很大的应用优势。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，包括交流信号获取单元(1)，其特征在于，还包括内置有模数转换器(21)和高通滤波器(22)的计量单元(2)，所述交流信号获取单元(1)包括连接于剩余电流互感器二次电流输出端的两个信号获取端，两个信号获取端连接于采样电路(3)，所述采样电路(3)连接有测量/检测功能切换电路(4)，所述采样电路(3)的输出端具有两个采样输出端，两个采样输出端分别连接于计量单元(2)的差分计量通道，所述计量单元(2)连接于MCU。

2.根据权利要求1所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述采样电路(3)包括并联在两个采样输出端之间及两个信号获取端之间的负载电阻组(RL)，所述负载电阻组(RL)的一端连接于所述测量/检测功能切换电路(4)。

3.根据权利要求2所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述测量/检测功能切换电路(4)包括限流电阻(R1)，所述限流电阻(R1)的一端连接于MCU的IO口，另一端连接于所述负载电阻组(RL)。

4.根据权利要求3所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述负载电阻组(RL)包括相互串联的第一负载电阻(RL1)和第二负载电阻(RL2)，且一个信号获取端和一个采样输出端连接在第一负载电阻(RL1)的一端，另一信号获取端和另一采样输出端连接在第二负载电阻(RL2)远离第一负载电阻(RL1)的一端，且第一负载电阻(RL1)与第二负载电阻(RL2)的公共端连接于地端(GND)。

5.根据权利要求4所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述采样电路(3)还包括保护二极管组(D1)，所述保护二极管组(D1)包括相互串联的第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极连接于限流电阻(R1)与第一负载电阻(RL1)的公共端，所述第二二极管的负极连接于地端(GND)，且第一二极管与第二二极管的公共端连接于第二负载电阻(RL2)远离第一负载电阻(RL1)的一端。

6.根据权利要求5所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述采样电路(3)还包括并联在两个采样输出端和两个信号获取端之间的电容组。

7.根据权利要求6所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述电容组包括相互串联的第一电容(C45)和第二电容(C51)，所述第一电容(C45)远离第二电容(C51)的一端连接于其中一个采样输出端，第二电容(C51)远离第一电容(C45)的一端连接于另一个采样输出端，且第一电容(C45)与第二电容(C51)的公共端连接于地端(GND)。

8.根据权利要求7所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述第一负载电阻(RL1)远离第二负载电阻(RL2)的一端与第一电容(C45)远离第二电容(C51)的一端连接有第一保护电阻(R2)，第二负载电阻(RL2)远离第一负载电阻(RL1)的一端与第二电容(C51)远离第一电容(C45)的一端连接有第二保护电阻(R3)。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述的计量单元(2)为ADE7758、ADE7759或ADE7169计量芯片，所述的MCU为STM系列或STC系列的MCU芯片。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路，其特征在于，所述MCU包括SOC计量芯片，且所述计量单元(2)集成于所述SOC计量芯片中。

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