用于电力系统的一种安全可靠的可调电流输出方法

张楠桢，吴胜华，许天骄

（南京国电南自维美德自动化有限公司，南京 210000）

在工业应用中，变送器测量的各种非电物理量，如温度、压力、流量、湿度等都需要远距离传输到中控室。电流信号在传输线路上抗干扰能力强，也不会在传输线路上产生电压降，因此电流信号成为工业现场主流的信号传输方式。在控制系统中，输出信号不仅需要有较高的精度，更重要的是稳定性和可靠性。

本文提出了一种获得可流源[1]输出的方法，不仅能够输出高精度的电流信号，而且能够快速检测电流信号的回路状态，在遇到特殊情况时可以控制输出的通断，满足稳定可靠的要求。

1 可调恒流源输出设计

1.1 电流转换电路设计

可调恒流源的产生通过一个DAC提供可变的电压，通过电压跟随的原理利用运放的特性将电压信号转换成电流信号[2]。

在图1的电路中，R1和R2是串联的关系，流经两者的电流值相等，所以只要使两者的阻值也相等，根据运放的特性，那么Ro两端的电势差就等于Vout。因此，负载上的输出电流：

图1 电流转换设计电路Fig.1 Current conversion design circuit

对于确定的Ro，输出的电流值和Vout成线性的关系，与负载的阻值无关，由此可以实现电流信号的恒流输出。

在电压转换电流的过程中，由于负载本身有一定的输入电阻，与绕线电阻的阻值并联后总阻值会发生变化。而负载电阻本身变化较大，会使电路带负载能力下降，所以采用电压跟随器可以有效地消除负载效应，增强电路的适应范围。上述电路采用了两级电压跟随器，主要是为了使负载接地，避免两端浮空。在工业应用上，电流输出与输入的接地点不同时，会导致两侧对地电压不同，产生一定的电势差，从而使输出的电流与输入的电流有较大的差别，所以使负载接地是十分必要的。考虑到大多数常用的运算放大器输出电流并不大，所以在设计电路时，用三极管可以进行扩流输出[3,4]。这样流过负载的电流不再由运放直接提供，而是由三极管将运放输出放大后的电流来提供，可以提高整个电路的带负载能力，扩大电路的适用范围。

1.2 恒流输出的精度分析

上述设计电路在理想状态下可以实现恒流输出，而实际的电路会受到元器件精度的影响。为了提高输出电流的精度和稳定性，根据上述设计电路可知：负载电流IL的精度主要受Vout以及Ro精度的影响。Vout输出电压通过DAC的基准电压Vref来校准，可以实现较高的精度，Ro则需要选择精度较高的电阻。此外，根据电压跟随的原理，R1 = R2时，Ro两端的电势差就等于Vout，所以R1与R2最好也选用高精度的电阻，使两者的阻值尽量一致，以保证两者分压相同。

根据上述设计电路的分析，选择合适的基准电压和高精度采样电阻可以实现可调的高精度电流输出信号[5]。在工业应用上，4mA～20mA电流信号的使用范围比较普遍，而在电路设计中，5V基准电压也比较容易获得，所以根据IL= Vout / Ro可知，当基准电压为5V，选择250Ω高精度电阻输出时，使输出的Vout为5V，此时负载上的电流为20mA；使输出的Vout为1V，此时负载上的电流为4mA。输出电压与负载电流为成线性的关系，可以实现4mA～20mA高精度电流信号的输出。

根据上述设计的电路进行测试，得到了图2的数据。从图中可以看出，实际测量的输出电压和负载电流的线性关系很好，实际的绝对误差也非常小，精度全部在千分之一以上，表明了此设计能够实现高精度的要求。

图2 输出电压Vout和负载电流IL的变化关系Fig.2 The relationship between the output voltage Vout and the load current IL

1.3 恒流输出的瞬态响应分析

上述设计将输出电压通过运算放大器、三极管等多个元器件转换成电流输出，电流输出信号在电力系统的实际使用中，通常涉及到很多调节环节，所以在这个过程中，电流对电压的动态响应速度也非常重要，决定着动态调节的质量。

从图3中可以看出，当电压信号输出时，电流信号响应的非常快，与电压信号几乎同时响应，没有响应延迟的情况出现。当电压信号消失时，电流信号响应有一点滞后于电压信号，约10ms后，电流处于稳定状态。可见电流信号在下降沿的动态响应不如上升沿响应得快。

图3 负载电流IL对输出电压Vout的动态响应Fig.3 Dynamic response of load current IL to output voltage Vout

电路设计中电容起到了滤波的作用，可以有效增强电路的抗干扰能力，但是与此同时，电容也有充放电的作用。当电压信号输出时，电路中的电压主要利用运算放大器的原理，使采样电阻两端得到了5V的电压，电容在这个过程中充电，但是没有影响到采样电阻两端的电势差，所以电流响应的速度非常快。当电压输出信号消失时，电流应该迅速消失，但是由于电容充放电的作用，电容会在极短的时间给电路供电，电流信号出现几毫秒内逐渐消失的现象。

2 可靠性设计

电流输出信号在工业领域上运用非常广泛，而且极其重要，尤其是在电力系统行业，电流输出信号经常用于传输机组负荷、调门开度、电机频率等重要信号，这些信号一旦出现较大偏差或者丢失，对于发电机组来说会造成非停等事故，所以保证信号的可靠稳定非常重要。

2.1 断线检测设计

在电力系统中，机组负荷、调门开度等模拟信号几乎时刻保持着输出的状态，一旦信号丢失，会导致调门快速关闭，协调控制错误响应等现象的发生，极大地影响机组的运行。如果运行人员没有及时发现问题的来源，持续一段时间会导致机组非停等事故。所以电流信号的中断需要及时反馈给上位，以减少对机组安全运行的影响。为了增强电流输出电路的可靠性[6]，如图4所示，在负载和地之间接入断线检测电路，以检测电流回路是否通畅。

图4 可靠性设计示意图Fig.4 Schematic diagram of reliability design

断线检测电路采取了过零比较的方式检测电流是否存在。比较器的一端连接在负载和地之间，负载到地之间的线阻等效为一个较小的电阻，使得比较器这一端（负载-地端）对地存在着一个比较小的非零电势。比较器的另一端接在两个串联电阻之间，在这一端（电阻端）通常电阻R1>>R2，使得电阻端的对地电势差略大于负载-地端。当电流输出回路处于正常的导通状态时，比较器电阻端的电压略高于负载-地端的电压，比较器输出一个高电平信号；当电流输出回路处于断路状态时，回路中没有电流，比较器电阻端的电压势必会低于负载-地端的电压，比较器输出的电平信号由高变为低。上位可以通过电平信号的变位来判断电流输出回路的通断，由此实现断线检测的功能，及时反映出电流信号的状态。

2.2 控制开关设计

在电力系统中，电流输出信号控制着调门开度、机组负荷等重要的调节信号，信号的准确性非常重要，偏差过大会导致超调、过调等现象的出现，影响机组的稳定性和经济性，严重时还会导致机组非停。所以，当电流输出信号出现异常时，先断开电流回路以避免错误的指令输出，比较安全。

在电流转换输出电路和外界的负载之间加入一个控制开关，开关可以采用光耦去控制，光耦发射器的一端拉高至5V，另一端与控制器（DPU）的控制端相连。正常状态下，控制端处于低电平，使光耦导通，电流输出回路处于通路状态；当处于某些异常状态时，控制端的电压被拉高，光耦不再导通，从而使控制开关断开，电流输出回路也处于断路状态。

电流输出的异常状态存在着多种情况，在不同状态下，电流是否要继续保持输出要视具体情况而定。在出现断电后恢复或者人为拔插的时候，在重现上电之后，如果控制器未检测到电流输出电路的异常，那么断开电流输出信号是没有必要的行为，不仅会增加系统恢复的时间和步骤，降低时效性和快速响应能力，也会产生输出从无到有的一个扰动，所以这种情况下不需要断开控制开关。

当电路与控制器发生通讯中断时，上位下达的模拟量指令无法再传递给电流输出电路，此时如果切断电流信号的输出，可能会对协调控制系统产生比较大的扰动，不利于机组稳定运行，所以采用保持当前电流输出的方式更为合理。上位则可以通过通讯报警来发现当前的问题，保持对电流输出这个小系统的相对无扰。

在通讯故障问题被发现后，对电流输出以及其相对应的通讯模件进行检查或者更换时，势必会出现断电重启的操作，断电后电路中的电流信号也会消失。这一系列操作都是在满足更换条件下进行的，不会对机组产生干扰。在更换了新的模件，重新上电之后，如果电路没有恢复到正常的状态，此时电路中产生的电流很有可能并不是上位指令产生的，所以不适合将此时的电流信号输出出去。这时控制开关将中断电流的输出信号，提示上位问题尚未解决。

3 结语

一种安全可靠的可调电流输出在控制和测量领域极其重要。依据本文的这种方法，通过改变采样电阻的阻值使得输出电流不局限于4mA～20mA，而且利用断线检测和控制开关实现了对电流输出安全可靠的控制，及时提示线路断线，阻止异常状态下电流的输出，对于恒流源的发展具有相当现实的意义。