一种保护与测量双用途高精度大动态范围的交流采样电路

技术领域

本申请涉及交流采样电路技术领域，特别是涉及一种保护与测量双用途高精度大动态范围的交流采样电路。

背景技术

在电力系统，各类继电保护装置、配电终端、智能电表等均安装有电流互感器，英文名称为Current transformer，符号为TA，是依据电磁感应原理，由闭合的铁心和初级次级绕组组成的一种可将一次大电流转换为二次小电流的仪器。一次绕组匝数较少，串在需要测量电流的电路中，而二次绕组匝数较多，串在测量仪表或保护回路中。

互感器分为保护专用电流互感器和计量(或测量)专用互感器，保护专用电流互感器不易饱和，动态范围大，但精度比较低，而测量专用互感器容易饱和，动态范围小。由于互感器的这一专才专用的特性，再加上交流采样电路本身内部运算放大器等A/D采样回路也存在饱和问题，一直以来继电保护装置只能设计安装保护专用电流互感器，其他需要准确计量的设备装置则必须设计安装测量专用互感器。

所以目前继电保护装置无法实现精确计量，而计量装置易饱和无法实现大动态范围测量，无法实现继电保护功能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请要解决的技术问题在于提供一种保护与测量双用途高精度大动态范围的交流采样电路，用于解决现有技术中至少一个问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种保护与测量双用途高精度大动态范围的交流采样电路，所述交流采样电路包括：A/D转换器；多个电流互感器；每个电流互感器的次级线圈分别占用A/D转换器的两路采样通道，以供依据不同工作状态令A/D转换器选择采用不同采样通道的采样值；其中，每个电流互感器的次级线圈与所述A/D转换器之间电性连接有多个采样电阻；所述采样电阻的数量与电阻值依据所选A/D转换器的变比特性、最高允许输入电压、以及行业标准要求的输入动态范围进行选取。

于本申请的一实施例中，所述采样电阻包括第一采样电阻和第二采样电阻；所述采样通道分别为第一采样通道和第二采样通道。

于本申请的一实施例中，所述第一采样电阻和第二采样电阻的电阻值之和不大于所选A/D转换器最高允许输入的电压值除以所选A/D转换器的变比特性的电流值所得到的第一参考电阻值。

于本申请的一实施例中，所述第二采样电阻的电阻值R2不大于第一参考电阻值除以所选A/D转换器行业标准要求的输入动态范围中最低倍数N所得到的第二参考电阻值；在市场可选的标准电阻中选取电阻值小于等于所述第二参考电阻值的标准电阻以作为第二采样电阻R2。

于本申请的一实施例中，所述第一采样电阻的电阻值R1为：R1＝R2*(N-1)-R2；其中，N-1表示预设的倍率，用于满足所述第一采样通道的输入电压放大到接近所选A/D转换器行业标准要求的输入动态范围中最低倍数，以提到采样精度。

于本申请的一实施例中，在工作采样时，所述A/D转换器对每个电流互感器对应的两个采样通道同时进行采样，以减少随时变化的交流输入信号带来的误差。

于本申请的一实施例中，当正常工作状态时，选取第一采样通道对应的采样值，丢弃第二采样通道对应的采样值。

于本申请的一实施例中，当线路发生故障时，若所述A/D转换器获取的电阻值为饱和，则丢弃第一采样通道对应的采样值，并用第二采样通道对应的采样值乘以所选A/D转换器行业标准要求的输入动态范围中最低倍数N以作为最终采样值。

于本申请的一实施例中，当所述A/D转换器获取的采样值恒定为最高电阻值，则确定第一采样通道为饱和。

于本申请的一实施例中，所述电流互感器的次级线圈的一端分别电性连接第一采样电阻的一端、第一电容的一端、及A/D转换器的第一采样通道端口的正极；所述第一采样电阻的另一端分别电性连接第二采样电阻的一端、第一电容的另一端、第二电容的一端、及A/D转换器的第二采样通道端口的正极；所述电流互感器的次级线圈的一端分别电性连接第二采样电阻的另一端、第二电容的另一端、A/D转换器的第一采样通道端口的负极、及A/D转换器的第二采样通道端口的负极。

如上所述，本申请提供的一种保护与测量双用途高精度大动态范围的交流采样电路，所述交流采样电路包括：A/D转换器；多个电流互感器；每个电流互感器的次级线圈分别占用A/D转换器的两路采样通道，以供依据不同工作状态令A/D转换器选择采用不同采样通道的采样值；其中，每个电流互感器的次级线圈与所述A/D转换器之间电性连接有多个采样电阻；所述采样电阻的数量与电阻值依据所选A/D转换器的变比特性、最高允许输入电压、以及行业标准要求的输入动态范围进行选取。

具有以下有益效果：

本申请能够在保护专用互感器上实现大动态范围高精度采样，实现了一种电路既可以大动态范围保护用交流采样，又可以高精度计量用交流采样。整个过程无需更换互感器，无需更换或切换采样电阻，也无需调整前置调理电路的运算放大器的放大倍数；可彻底解决保护装置不能精确计量，计量装置无法大动态范围精确测量的问题。

附图说明

图1显示为本申请于一实施例中传统继电保护装置的交流采样电路的电路示意图。

图2显示为本申请于一实施例中一种保护与测量双用途高精度大动态范围的交流采样电路的电路示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，虽然图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，但其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本申请范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

现有继电保护装置无法实现精确计量，而计量装置易饱和无法实现大动态范围测量，无法实现继电保护功能。为解决上述问题，本申请提出一种保护及测量双用途高精度大动态范围交流采样电路，能够在保护专用互感器上实现大动态范围高精度采样，同时实现了一种电路既可以大动态范围保护用交流采样，又可以高精度计量用交流采样。整个过程无需更换互感器，无需更换货切换采样电阻，也无需调整前置调理电路的运算放大器的放大倍数。彻底解决保护装置不能精确计量，计量装置无法大动态范围精确测量的问题。

如图1所示，展示为传统继电保护装置的交流采样电路的电路示意图。基于图1，将进一步解释现有电流互感器存在的问题。

如图1所示，四路电流互感器T分别都有一个欧姆的采样电阻R，将电流转换为电压后输入到A/D转换器对应的四个A/D转换通道AIN1-AIN4。为了防止A/D转换器饱和，四个采样电阻R都取值比较小，例如120欧姆。由于继电保护装置CPU通常是固定3.3V工作电源，为了使A/D转换器与CPU电平匹配，A/D转换器的工作电源也只能为3.3V，否则比如选5V就有可能烧毁CPU的I/O口，那么A/D转换器的输入电压最大只能到3V。

假设A/D转换器的对应的行业标准要求的输入动态范围按照10倍动态范围计算，就是比如当电力系统发生故障时，有超过大约10倍以上甚至更大的额定工作电流流过电流互感器T，如果选择5A/5mA的电流互感器T的话，只能达到5倍动态范围，超过5倍A/D转换器就饱和无法测量了，为了能测准10倍电流，通常不得不把采样电阻变的很小，以至于额定工作电流下A/D转换器的输入信号很小很小，从而导致A/D转换器转换误差很大，无法做精确测量。

基于上述传统继电保护装置的交流采样A/D转换回路的工作特点和不足，本申请基于如图1的电路结构改进现有的A/D采样电路，以解决上述问题。

如图2所示，展示为本申请于一实施例中一种保护及测量双用途高精度大动态范围交流采样电路的电路示意图。如图所示，所述交流采样电路包括：A/D转换器U；多个电流互感器T；每个电流互感器T的次级线圈分别占用A/D转换器U的两路采样通道AIN(包括AIN+和AIN-)；其中，每个电流互感器T的次级线圈与所述A/D转换器U之间电性连接有多个采样电阻R。

简单来说，即每一路电流互感器T的输入信号将占用两路采样通道AIN，每一路电流互感器T的输入信号的电流、电压互感器次级线圈设计有两个串联采样电阻R。

需要说明的是，本申请中每个电流互感器T的次级线圈与所述A/D转换器U之间电性连接有多个采样电阻R，具体所述采样电阻R的数量与电阻值依据所选A/D转换器U的变比特性、最高允许输入电压、以及行业标准要求的输入动态范围进行选取，而图2中为便于理解设定每个电流互感器T的次级线圈与所述A/D转换器U之间电性连接的采样电阻的数量为2个，即所述采样电阻R包括第一采样电阻R1和第二采样电阻R2。须知的是，当所选A/D转换器U的变比特性、最高允许输入电压、以及行业标准要求的输入动态范围有变化时，本领域技术人员容易在如图2所示的两个采样电阻R的电路连接的基础上来灵活调整采样电阻的数量、连接方式、及电阻值。

而本申请中如何依据所选A/D转换器U的变比特性、最高允许输入电压、以及行业标准要求的输入动态范围来选取采样电阻R的数量与电阻值的方案在下文详细说明。

于本申请实施例中，所述交流采样电路具体可参考图1为：

所述电流互感器T的次级线圈的一端分别电性连接第一采样电阻R1的一端、第一电容C1的一端、及A/D转换器U的第一采样通道AIN1端口的正极；所述第一采样电阻R1的另一端分别电性连接第二采样电阻R2的一端、第一电容C1的另一端、第二电容C2的一端、及A/D转换器U的第二采样通道AIN2口的正极；所述电流互感器T的次级线圈的一端分别电性连接第二采样电阻R2的另一端、第二电容C2的另一端、A/D转换器U的第一采样通道AIN1端口的负极、及A/D转换器U的第二采样通道AIN2端口的负极。

优选地，所述第一电容C1与第二电容C2的电容值为0.1μF。

于本申请中，每个电流互感器T的次级线圈分别占用A/D转换器U的两路采样通道AIN，如图2中AIN1+和AIN1-为一路采样通道，以此类推。以供依据不同工作状态令A/D转换器U选择采用不同采样通道AIN的采样值；其中，每个电流互感器T的次级线圈与所述A/D转换器U之间电性连接有多个采样电阻R；所述采样电阻R的数量与电阻值依据所选A/D转换器U的变比特性、最高允许输入电压、以及行业标准要求的输入动态范围进行选取。

其中，A/D转换器U行业标准要求的输入动态范围，是指当电力系统发生故障时，会有超过大约N倍以上甚至更大的额定工作电流流过电流互感器T。

优选地，本申请采用所述采样电阻R包括第一采样电阻RR1和第二采样电阻R，当然本申请也并不局限于所述采样电阻R的数量为2个，可依据所选A/D转换器U的变比特性、最高允许输入电压、以及行业标准要求的输入动态范围进行调整。

具体来说，当采样电阻R为2个时，所述第一采样电阻R1和第二采样电阻R2的电阻值之和不大于所选A/D转换器U最高允许输入的电压值除以所选A/D转换器U的变比特性的电流值所得到的第一参考电阻值R

举例来说，假设电流互感器T变比是5A/2mA，A/D转换器U的最高允许输入电压是3V，那么，3V/2mA＝1500欧姆，这样首先保证第一采样电阻R1和第二采样电阻R2的电阻值之和小于1500。

于本申请一实施例中，所述第二采样电阻R2的电阻值不大于第一参考电阻值R

再举例来说，由于根据有关行业标准要求A/D转换器U输入动态范围大于8倍，那么3V/(2mA*8)＝187.5欧姆，所以第二采样电阻R2的理论取值最大不能超过187.5欧姆，由于187.5是非标电阻，买不到，不易采购生产，因此降一档，选取容易买到的标准120欧姆，故选择标准120欧姆的电阻为第二采样电阻R2。

于本申请一实施例中，所述第一采样电阻R1的电阻值为：R1＝R2*(N-1)-R2；其中，N-1表示预设的倍率，用于满足所述第一采样通道AIN1的输入电压放大到接近所选A/D转换器U行业标准要求的输入动态范围中最低倍数N，以提到采样精度。

再举例来说，当第二采样电阻R2选为120欧姆后，为了提高采样精度，需要在额定工况下将第一采样通道AIN1的输入电压尽量放大到接近动态范围中最低倍数8倍，那么本申请选取倍率N-1为7，120*7＝840欧姆，840-120＝720，所以第一采样电阻R2＝720欧姆。

需要说明的是，上述举例是在确定了电流互感器T变比是5A/2mA，A/D转换器U的最高允许输入电压是3V进行的举例。如果在多个实时例中，更换了不同厂家的互电流感器T，改变了变比特性，比如改为5A/5mA的电流互感器T，这些参数就得重新计算随之更改，再比如有的A/D转换器U的输入电压范围是+5V，不是3.0V，再或者，还有些情况要求A/D转换器U的输入动态范围大于20倍，那么这些参数就得根据20倍重新计算选取。因此，采样电阻R的电阻值需要具体的A/D转换器U的变比特性、最高允许输入电压、以及行业标准要求的输入动态范围或饱和极限要求重新计算更改。

于本申请一实施例中，在工作采样时，所述A/D转换器U对每个电流互感器T对应的两个采样通道AIN同时进行采样，以减少随时变化的交流输入信号带来的误差。

举例来说，以电流互感器T对应的输入信号IA为例，在工作采样时，采样通道AIN1和AIN2同时采样，这里特别强调“同时”，也就是对AIN1和AIN2的采样必须是同时采样，由于输入信号一般是50Hz的交流信号，是随时都在变化的信号，如果不能同时采样，将带来很大误差。

于本申请一实施例中，当正常额定电流工作状态时，选取第一采样通道AIN1对应的采样值，丢弃第二采样通道AIN2对应的采样值；当线路发生故障时，若所述A/D转换器U获取的电阻值为饱和，则丢弃第一采样通道AIN1对应的采样值，并用第二采样通道AIN2对应的采样值乘以所选A/D转换器U行业标准要求的输入动态范围中最低倍数N以作为最终采样值。其中，当所述A/D转换器U获取的采样值恒定为最高电阻值，则确定第一采样通道AIN1为饱和。

举例来说，在正常额定电流工作状态，假设R1+R2＝840欧姆，第一采样通道AIN1采样没饱和并且输入信号幅值相对较大，采样精度较高，CPU总是采用第一采样通道AIN1的采样值进行各种后续应用使用，第二采样通道AIN2的采样值将被丢弃。

当线路发生故障，IA将会变得很大，从而导致第一采样通道AIN1饱和，但此时第二采样通道AIN2并未饱和，因为16位A/D转换器发生饱和后其采样值将恒定为最大值65535，依此特征，CPU只要获取65535采样值即可判为饱和，将其遗弃，转而采用第二采样通道AIN2的采样值乘以7，作为输入电流IA的采样值参与后续应用使用。

需要说明的是，由于将电流转换为电压的取样电阻倍率必须小于A/D转换器U行业标准要求的输入动态范围，如8倍，因此本申请可选取7。当然，能确保A/D转换器U输入动态范围大于8倍，取7.5，7.9等等也是可以的。而由于840欧电阻也是标准电阻，也容易买到，因此本申请选取了7。否则取略大点比如7.5或者再略小点6.8也是可以的，只要能选取到不超过8倍的最大标准电阻就可以。

以此类推，其余电流互感器T2-T4等分别对应的IB、IC、ID等电流输入通道也按上述方案进行采样使用，从而达到所有输入信号抗饱和、高精度、高速采样的目的。

综上所述，本申请所述的保护与测量双用途高精度大动态范围的交流采样电路，能够在保护专用互感器上实现大动态范围高精度采样，实现了一种电路既可以大动态范围保护用交流采样，又可以高精度计量用交流采样。整个过程无需更换互感器，无需更换或切换采样电阻，也无需调整前置调理电路的运算放大器的放大倍数；可彻底解决保护装置不能精确计量，计量装置无法大动态范围精确测量的问题。

本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。