[發明專利]電力系統內寬范圍電流的高精度快速測量電路及測量方法

有效

• 申請號: 201310403590.8
• 申請日: 2013-09-06
• 公開（公告）號: CN103543319A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 黃振華;張大海;田質廣;魏恒勝;鄭玉實;張剛;趙秉聰
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;國網山東省電力公司臨沂供電公司;山東大學;臨沂大學
• 主分類號: G01R19/25
• 分類號: G01R19/25
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及用于電力系統模擬量測量領域，尤其涉及電力系統內寬范圍電流的高精度快速測量電路及測量方法。

背景技術

電力系統的電流是反映電力系統運行狀態的重要參數，電力系統在正常運行時需要獲得電流值來進行電力系統的各種分析計算，故障時也要獲得電流值來實現各種繼電保護功能以保護系統和設備的安全，所以電流測量設備是電力系統必需設備之一。但是由于電流大小受用戶設備工作狀況影響，電流值在正常運行時的變化范圍很大。普通測量設備只能保證在電流額定值附近有較高測量精度，而當電流值在寬范圍內變化時測量精度會降低。研究對于對從零到額定值甚至更寬范圍的電流都具有較高測量精度的設備，具有重要意義和實用價值。

為了實現在寬范圍具有較高的電流測量精度，目前電力領域的解決方案是采用兩套電路，一套電路負責提供監視和計量用電流值，其精度很高，但是適應電流范圍小，通常是零到額定電流；另一套電路負責提供保護需要的電流值，其精度比前者稍差，但是適應電流范圍大，可以是零到幾十倍額定電流。

在工業測量儀表領域，目前可以采用自動量程技術來提高寬范圍信號的測量精度。其主要原理是首先對信號進行初步測量，估計其大致數值，然后相應調整放大器的放大倍數，使之與A/D轉換器的量程達到最佳匹配，從而提高測量精度。但是該方案需要軟硬件配合對信號進行兩次甚至多次測量，需要逐步嘗試以達到最佳放大倍數，因此影響了測量速度。

總而言之，目前需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題是：如何能夠準確且快速地實現寬范圍電流信號的測量。

發明內容

本發明的目的就是為了解決上述問題，提供電力系統內寬范圍電流的高精度快速測量電路及測量方法。本發明的基本思想也是通過調整放大器的放大倍數來提高寬范圍電流信號的測量精度，但是改進之處在于對電流信號數值范圍判斷不是通過A/D轉換和軟件估計，而是通過硬件電壓比較器自動完成的，因此本發明能夠完全依靠硬件電路自動調整到最佳放大倍數，只需要一次測量就得到電流的準確值。這樣不但達到了對寬范圍電流的精確測量要求，而且大大提高了測量速度。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

電力系統內寬范圍電流的高精度快速測量電路，包括：電流互感器，所述電流互感器將電力電流變換成小電流信號后傳輸給信號調理電路，信號調理電路將電流信號進行調理后變成電壓信號傳輸給限幅器，所述限幅器將信號傳輸給A/D轉換器，所述A/D轉換器對信號進行模數轉換后將數據傳輸給CPU（中央處理器）；

所述信號調理電路包括：前置放大器，所述前置放大器將電流信號轉換成電壓信號并送入主放大器，主放大器將信號進一步放大后送入自適應放大器，自適應放大器的信號會傳輸給限幅器，同時主放大器進一步放大的信號還會經過三個平均值提取電路，通過三個平均值提取電路后得到的電壓平均值分別傳輸給三個電壓比較器，通過三個電壓比較器比較后，三個電壓比較器分別輸出高/低電平，并均分別將高/低電平傳輸給兩個電平轉換器，其中第一電平轉換器將轉換后的信號傳輸給多路轉換開關，所述多路轉換開關還接收自適應放大器的輸出。第二電平轉換器將轉換后的信號傳輸給CPU。

所述平均值提取電路包括三條并聯的支路，第一條支路和第二條支路上均設有兩個串聯的二極管，第三條支路上設有電容C，所述第一條支路上的第一二極管D1的正極接輸入端，所述第一二極管D1的正極還連接第三二極管的負極，所述第一二極管D1的負極連接輸出端，所述第三二極管D3的正極接地，所述第二條支路上的第二二極管D2的正極接輸入端，所述第二二極管D2的正極還連接第四二極管D4的負極，所述第二二極管D2的負極連接輸出端，所述第四二極管D4的正極接地，所述電容C的兩端分別接地和輸出端。

所述電平轉換器包括三條相同的電平轉換電路，每條電平轉換電路設有三極管，所述三極管的基極通過第一電阻與輸入端連接，所述三極管的發射極接地，所述三極管的集電極通過第二電阻連接電源（其中，第一電平轉換器連接電源VDD，第二電平轉換器連接電源VCC），所述三極管的集電極與輸出端連接。

所述的測量電路所采用的測量方法，主要分為如下步驟：

步驟一：電流互感器將電力系統中的電流信號I1變換為小電流信號I2，送入信號調理電路；

步驟二：將電流信號I2轉換為電壓信號Vo1并送入主放大器，主放大器負責將Vo1進一步放大為電壓信號Vo2并將其送入自適應放大器；同時，電壓信號Vo2經過處理，得到電壓信號Vo2對應的電壓平均值|Vo2|后送入三個電壓比較器，經過三個電壓比較器比較之后生成三位數字編碼；