一种等电位寄生电源电压、电流互感器组合装置及其工作方法与流程

1.本发明涉及一种等电位寄生电源电压、电流互感器(pt、ct)组合装置及其工作方法,属于电力传感器技术领域。


背景技术：

2.电力系统的运行离不开检测和计量，检测离不开传感器，监测的基本参数是电压、电流和相位，现代电网是全国甚至世界联网的特大系统，而且为应对气候变化和节能减排，大量的分布式不稳定清洁能源不断随机并入电网，传统电网的运行模式被彻底颠覆，电网的调度管理智能化成为现代电网的当务之需，所谓的智能电网就是把信息技术、通信技术、计算机技术和输配电设备进行有机集成,实现调度管理的自动化、信息化、智能化以保障新能源加入后的电网能高效、稳定、安全的运行，显然智能电网建设需要海量的数据支持，海量的数据采集需要海量的传感器，其中pt、ct是电力传感器的主体，然而到目前为止中高压电网采用的pt(电压互感器)、ct(电流互感器)仍以传统模式为主，而传统模式是以大地为参考零电位，它需要高压隔离，高压隔离技术工艺导致pt、ct设备体积庞大、重量过重、造价昂贵、安装使用困难，给智能电网的建设造成了难以逾越的经济障碍(投资巨大)、技术障碍(高压隔离技术已触碰到技术天花板)、精度提升障碍(需要二次互感)、应用障碍(安装工程量大、可靠性差、安全系数低，至今不敢完全去掉人工操作)。
3.我国以特高压为骨干的坚强智能电网建设,随处在世界先进行列，但中高压pt、ct现状尚无明显的改观，已成为智能电网建设的羁绊。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了等电位寄生直流稳压电源、锰铜板电阻电流传感与平行板电容电场传感器的一体化组合、传感信号的整理电路、单片机智能滤波和电压推算，为电网提供了一种价廉物美、传感精确、易于安装的新型中高压pt、ct组合装置。
5.本发明还提供了上述组合装置的工作方法。
6.本发明将一个低压交流互感器安装在高压线上，将感知的电流做电流源，通过专用电路给充电电池充电，电池的负极接高压线组成等电位寄生直流稳压电源；在它的支持下将pt、ct的参考零电位搬到高压线上，进行电流、电压的等电位传感，因无需高压隔离,所以可直接用低压电能表使用的锰铜电阻板做电流传感器，同时把锰铜板做平行板电容的一极，组成电容电场传感器，将电流、电压传感信号经运算放大器整理，送单片机的a/d口进行模数转换、并通过软件程序进行数字滤波，滤除干扰后，再根据u＝ed(u为电动势、e为电场强度、d为电容极间距离)算出电压值；单片机测算的电流、电压数据，由光纤隔离传输到地面设备；将锰铜板电流传感器做平行板电容器的高压线极，可实现电流、电场传感器的有机组合，若将所述电路全面芯片化，就可做成世界上最廉价(几百元)、最小巧(低压电流互感器大小)、最精确(无需二次传感)、最安全(只需光纤信号隔离)、宜安装(串接到高压线上)
的中高压电流、电压组合传感器，为智能电网建设清除了传统pt、ct造成的建设障碍。
7.本发明的发明目的是：将传统的中高压pt、ct的参考零电位搬到高压线上，在等电位寄生直流稳压电源的支持下，利用低压ct(电磁线圈式、锰铜板电阻式)、电容电场传感技术、单片机智能技术、光纤隔离传输技术进行有机集成，实现中高压电网pt、ct一体化设计的微型化、手珍化、智能化、精确化，以白菜价、零安装费为智能电网建设提供最佳的中高压pt、ct方式。
8.本发明的技术方案为：
9.一种等电位寄生电源智能中高压pt、ct组合装置，包括：5v等电位寄生直流稳压电源、电容式的电场传感器、低压的电流互感器、单片机、光纤耦合器、光纤；
10.用电流互感器做寄生电流源，将所感应的电流进行全波整流成100hz直流脉冲，经过限幅后，给充电电池充电，成为5v等电位寄生直流稳压电源，将5v等电位寄生直流稳压电源的负极连接高压线，做为电路与单片机使用的5v直流稳压电源；电场传感器、电流互感器的传感信号分别经运算放大器整理为0
‑
5v标准电压，发送至单片机的a/d1口、a/d2口进行模数转换；所述单片机将a/d1口、a/d2口的模数转换的数据通过软件程序，进行数字滤波，滤除相间干扰，并根据u＝ed计算出电压数据，从i/o口送至光纤耦合器，由光纤将数据隔离送到地面设备，u为相线电动势，e为电场强度，d为电容极间距离。
11.根据本发明优选的，由于规避了高压隔离，所述电流传感器采用低压电能表广泛使用的廉价锰铜板电阻型电流传感器或电磁线圈式电流传感器。
12.根据本发明优选的,所述等电位寄生直流稳压电源包括带中间抽头的低压的电流互感器ct1、整流二极管d1、整流二极管d2、5.5v稳压二极管dw、三极管q1、充电二极管d3、5v充电电池dc、滤波电容c1、滤波电容c2，所述电流互感器ct1中间抽头接高压线，另外两端分别接整流二极管d1、整流二极管d2的一端，整流二极管d1的另一端与整流二极管d2的另一端、5.5v稳压二极管dw的一端、三极管q1的集电极、充电二极管d3的一端连接，d3的另一端连接5v充电电池dc的正极、滤波电容c1的一端、滤波电容c2的一端，5.5v稳压二极管dw的另一端与三极管q1的基极相连，滤波电容c1的另一端、滤波电容c2的另一端、5v充电电池dc的负极、三极管q1的发射极连接到一起接到高压线上。
13.根据本发明优选的，所述电流互感器包括设有0接点、1接点、2接点三个接点的锰铜板电阻型电流传感器、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、运算放大器u1、运算放大器u2、运算放大器u3；电阻r1的一端连接所述锰铜板电阻型电流传感器的0接点，电阻r1的另一端连接运算放大器u1、运算放大器u2、运算放大器u3的一个输入端，电阻r2的一端连接所述锰铜板电阻型电流传感器的1接点(大电流)，电阻r2的另一端接电阻r3的一端以及运算放大器u1、运算放大器u2、运算放大器u3的另一输入端，电阻r3的另一端连接运算放大器u1的输出端、单片机的a/d1口；电阻r4的一端连接所述锰铜板电阻型电流传感器的2接点(小电流)，电阻r4的另一端连接电阻r5的一端、运算放大器u2的一输入端，电阻r5的另一端连接运算放大器u2的输出端、单片机的a/d2口。
14.根据本发明优选的，所述电场传感器包括与锰铜板电阻型电流传感器一体的平行板电容、电阻r6、电阻r7；平行板电容的另一极接点3连接电阻r6的一端，电阻r6的另一端连接电阻r7的一端、运算放大器u3的一个输入端，电阻r7的另一端接运算放大器u3的输出端和单片机的a/d3口。
15.根据本发明优选的，所述光纤耦合器包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器，所述光纤包括第一光纤、第二光纤；所述单片机通过软件程序将a/d模数转换的数据进行数字滤波，滤除相间干扰、电流量程处理，根据u＝ed(d为穿心电容两极的间距、e为电场强度、u为电动势)计算出电压数据，并将电流数据由i/o1口送至第一光纤耦合器，通过第一光纤隔离传送到地面设备，同样，将电压数据通过i/o2口送至第二光纤耦合器，通过第二光纤隔离传输到地面设备。
16.上述等电位寄生电源中高压电压、电流传感器组合装置的工作方法，包括步骤如下：
17.(1)将电流互感器ct1从高压线上感应的电流经整流二极管d1、整流二极管d2整流，由5.5v稳压二极管dw、三极管qi限幅给5v充电电池dc充电，成为5v直流稳压电源，将5v充电电池dc的负极接高压线成为以高压线为参考零电位的5v等电位寄生直流稳压电源；
18.(2)锰铜板电阻型电流传感器分0接点、1接点、2接点，0接点是参考点，电流通过锰铜板电阻型电流传感器时在1接点(大电流)和2接点(小电流)各自生成电压信号，两个电压信号分别由运算放大器u1和运算放大器u2整理为0—5v后，送单片机a/d1口、a/d2口进行模数变换(转换分辨率由a/d位数决定)，单片机通过程序判断量程并将判定选择的数据由i/o1口发送至第一光纤耦合器，由第一光纤隔离传送送到地面设备，完成电流变送功能；
19.(3)在等电位寄生直流稳压电源的支持下,以锰铜板电阻型电流传感器为一极的平行板电容的另一极感应的电荷，经运算放大器u3整理成0—5v的电场信号，发送至单片机a/d3口进行模数转换，单片机通过软件程序实行数字滤波，滤除相间干扰后再根据u＝ed算出电压值v，由i/o2口发送至第二光纤耦合器，由第二光纤隔离传送到地面设备。
20.本发明的有益效果为：
21.1、本发明利用低压电流传感器和充电电池的组合构成了等电位寄生直流稳压电源，将传统的电流、电场传感器的参考零电位搬到高压线上，成功的规避了高压隔离难题，在它的支持下，低压电网成熟的传感技术毫无顾忌的应用到高压电网上，配以电子电路、单片机智能、光纤信号隔离传输技术，将高压pt、ct的造价白菜化、体积手珍化、安装简单化，成为智能电网建设的最佳配置。
22.2、由于规避了高压隔离，无需二次互感，检测精度、安全性、可靠性、可用性等显著提高。
23.3、作为最基础的功能模块很容易与其他功能模块集成，组成如变电站母线终端、高压电网线路监控系统等多种功能的电力设备。
附图说明
24.图1为本发明等电位寄生电源中高压电压、电流传感器组合装置的结构框图；
25.图2为本发明等电位寄生电源中高压电压、电流传感器组合装置的详细的电路连接图；
26.图3为本发明锰铜板电阻型电流传感器 平行板电容电场传感器组合结构的示意图。
具体实施方式
27.下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
28.实施例1
29.一种等电位寄生电源智能中高压pt、ct组合装置，如图1所示，包括：5v等电位寄生直流稳压电源、电容式的电场传感器、低压的电流互感器、单片机、光纤耦合器、光纤；
30.等电位寄生直流稳压电源有电流互感器型、电池型、太阳能型，电流互感型的稳定性、电池型的更换、阳能型的电池的安装条件都受到一定的限制，本发明将电流互感和电池集成为一体，用电流互感器做寄生电流源，将所感应的电流进行全波整流成100hz直流脉冲，经过限幅后，给充电电池充电，成为5v等电位寄生直流稳压电源，用做智能检测电路的电源；将5v等电位寄生直流稳压电源的负极连接高压线，做为电路与单片机使用的5v直流稳压电源；电场传感器、电流互感器的传感信号分别经运算放大器整理为0
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5v标准电压，发送至单片机的a/d1口、a/d2口进行模数转换；单片机将a/d1口、a/d2口的模数转换的数据通过软件程序，进行数字滤波，滤除相间干扰，并根据u＝ed计算出电压数据，从i/o口送至光纤耦合器，由光纤将数据隔离送到地面设备，u为相线电动势，e为电场强度，d为电容极间距离。
31.实施例2
32.根据实施例1所述的一种等电位寄生电源智能中高压pt、ct组合装置，其区别在于：
33.如图2、图3所示，由于规避了高压隔离，电流传感器采用低压电能表广泛使用的廉价锰铜板电阻型电流传感器或电磁线圈式电流传感器。由于它是串在高压线上的，因此可以以锰铜板为接高压线极做一个平行板电容做为电场传感器(采用电磁线圈式时，采用瓷片电容)，成为电流、电场传感器的组合。
34.等电位寄生直流稳压电源包括带中间抽头的低压的电流互感器ct1、整流二极管d1、整流二极管d2、5.5v稳压二极管dw、三极管q1、充电二极管d3、5v充电电池dc、滤波电容c1、滤波电容c2，电流互感器ct1中间抽头接高压线，另外两端分别接整流二极管d1、整流二极管d2的一端，整流二极管d1的另一端与整流二极管d2的另一端、5.5v稳压二极管dw的一端、三极管q1的集电极、充电二极管d3的一端连接，d3的另一端连接5v充电电池dc的正极、滤波电容c1的一端、滤波电容c2的一端，5.5v稳压二极管dw的另一端与三极管q1的基极相连，滤波电容c1的另一端、滤波电容c2的另一端、5v充电电池dc的负极、三极管q1的发射极连接到一起接到高压线上。
35.电流互感器包括设有0接点、1接点、2接点三个接点的锰铜板电阻型电流传感器、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、运算放大器u1、运算放大器u2、运算放大器u3；电阻r1的一端连接锰铜板电阻型电流传感器的0接点，电阻r1的另一端连接运算放大器u1、运算放大器u2、运算放大器u3的一个输入端，电阻r2的一端连接锰铜板电阻型电流传感器的1接点(大电流)，电阻r2的另一端接电阻r3的一端以及运算放大器u1、运算放大器u2、运算放大器u3的另一输入端，电阻r3的另一端连接运算放大器u1的输出端、单片机的a/d1口；电阻r4的一端连接锰铜板电阻型电流传感器的2接点(小电流)，电阻r4的另一端连接电阻r5的一端、运算放大器u2的一输入端，电阻r5的另一端连接运算放大器u2的输出端、单片机的a/d2口。
36.电场传感器包括与锰铜板电阻型电流传感器一体的平行板电容、电阻r6、电阻r7；平行板电容的另一极接点3连接电阻r6的一端，电阻r6的另一端连接电阻r7的一端、运算放大器u3的一个输入端，电阻r7的另一端接运算放大器u3的输出端和单片机的a/d3口。
37.光纤耦合器包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器，光纤包括第一光纤、第二光纤；单片机通过软件程序将a/d模数转换的数据进行数字滤波，滤除相间干扰、电流量程处理，根据u＝ed(d为穿心电容两极的间距、e为电场强度、u为电动势)计算出电压数据，并将电流数据由i/o1口送至第一光纤耦合器，通过第一光纤隔离传送到地面设备，同样，将电压数据通过i/o2口送至第二光纤耦合器，通过第二光纤隔离传输到地面设备。
38.实施例3
39.根据实施例2所述的一种等电位寄生电源智能中高压pt、ct组合装置，其区别在于：
40.电流传感器采用电磁线圈式电流传感，平行板电容改为普通瓷片电容，并将两个电磁线圈式电流传感器做成钳形，可组成类似钳形电表似的不停电、零安装费、免维护、白菜价的高压pt、ct。
41.实施例4
42.根据实施例2所述的一种等电位寄生电源智能中高压pt、ct组合装置，其区别在于：
43.将图2中的单片机换成am芯片，将另一相的pt、ct组合的两路光纤接入本相的am，可以组成一个综合监测计量终端，开发赋予am相应的程序，可以实现电压、电流、相位、有功功率、无功功率、功率因数、三次谐波功率、七次谐波功率、有功电量、无功电量的检测与计量，将检测计量的结果通过光纤隔离传到地面设备，成为一种白菜价的首诊监测计量终端。
44.实施例5
45.根据实施例2所述的一种等电位寄生电源智能中高压pt、ct组合装置，其区别在于：
46.去掉光纤传输，并与监控摄像头嫁接，配以单片机程序可成为高压电网巡线远程监控终端，进而构成高压巡线系统，将它挂在高压线杆上，不但能通过电参数的变化判断线路的状态、故障和报警，而且能通过监控摄像头实现视频现场监控。
47.实施例6
48.实施例2所述的等电位寄生电源中高压电压、电流传感器组合装置的工作方法，包括步骤如下：
49.(1)将电流互感器ct1从高压线上感应的电流经整流二极管d1、整流二极管d2整流，由于电流值不定、脉冲幅度不定，所以通过dw、q1的组合进行限幅后，由5.5v稳压二极管dw、三极管qi限幅给5v充电电池dc充电，成为5v直流稳压电源，将5v充电电池dc的负极接高压线成为以高压线为参考零电位的5v等电位寄生直流稳压电源；将电池的负极接高压线构成持续稳定的等电位电源，这种电流互感型和电池型有机集成，弥补单一电池型、太阳能型、电流互感型的不足，为将传统的pt。ct的参考零电位搬到高压线上，摆脱高压隔离，提供了稳定、简单、不受安装限制的廉价5v等电位寄生直流稳压电源；
50.(2)在5v等电位寄生直流稳压电源的支持下，实现等电位传感彻底规避了高压隔离难题，因此本发明采用低压电能表常用的最廉价的锰铜板电阻电流传感器实现高压电流
传感(当然也可采用传统的电磁线圈式)，锰铜板电阻型电流传感器分0接点、1接点、2接点，0接点是参考点，电流通过锰铜板电阻型电流传感器时在1接点(大电流)和2接点(小电流)各自生成电压信号，两个电压信号分别由运算放大器u1和运算放大器u2整理为0—5v(v＝ir)后，送单片机a/d1口、a/d2口进行模数变换(转换分辨率由a/d位数决定)，单片机通过程序判断量程并将判定选择的数据由i/o1口发送至第一光纤耦合器，由第一光纤隔离传送送到地面设备，完成电流变送功能；在等电位寄生直流稳压电源的支持下，高压pt、ct才能将参考零电位搬到高压线上，在高压线上实现无需高压隔离的电流、电场传感，因此才能用低压电能表使用的，最廉价的锰铜板电阻电流传感器与平行板电容组合一体的电流、电场传感器取代价格昂贵、体积庞大、安装困难的传统pt、ct。
51.(3)在等电位寄生直流稳压电源的支持下,以锰铜板电阻型电流传感器为一极的平行板电容的另一极感应的电荷，经运算放大器u3整理成0—5v的电场信号(若采用罗斯微分电流互感器需采用积分器)，发送至单片机a/d3口进行模数转换，单片机通过软件程序实行数字滤波，滤除相间干扰后再根据u＝ed(u是电动势、e是电场强度、d是电容两极板的距离)算出电压值v，由i/o2口发送至第二光纤耦合器，由第二光纤隔离传送到地面设备。
52.同样在等电位寄生直流电源的支持下，传感信号的放大的整理电路和单片机才能在线上工作，特别是单片机能用程序对电场数据信号进行a/d模数转换、数字滤波，滤除相间干扰后，再根据公式u＝ed(u为电动势、e为电场强度、d为电容极间距离)算出电压值v。
53.由于在线上已形成了数字信号所以可通过光纤进行隔离传输，彻底解决了高压隔离难题。