电子式互感器数据采集系统的研究与实现.pdf

第 3 7卷增刊 1 2 0 1 4年 1 1 月 四 J I I电 力 技 术 S i e h u a n E l e c t r i c P o we r Te c h n o l o g y Vo 1 3 7， No ； S u p p l e me n t I No v 。 2 01 4 电子式互感器数据采集系统的研究与实现 黄嘉鹏 ， 江波 ( 国网四川省 电力公司计量中心 ， 四川 成都6 1 0 0 4 5 ) 摘要 ： 以基 于罗氏线圈原理 电子 式电流互感 器为研 究对 象 ， 分析 了罗氏线 圈的微 分工作特 性。针对 罗氏线 圈输 出 微分信号的特点， 设计了基于A D 7 6 0 6的数据采集系统， 给 出了设计方案。试验结果表明基于 A D 7 6 0 6数据采集系统 所测电流误差完全满足0 2 s级电子式电流互感器的要求。试验结果验证了数据采集系统的准确性和设计的有效性。 关键词： 数据采集系统； A D 7 6 0 6 ； 电子式互感器 Abs t r a c t： T he d i f f e r e n t i a l o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f Ro g o ws k i c o i l i s a na l y z e d f o r e l e c t r o n i c c u r r e n t t r a ns f o r me r s Ac c o r d i ng t o o u t p ut di f f e r e nt i a l s i g n a l f e a t u r e o f Ro g o ws k i c o i l，t h e d a t a a c q ui s i t i o n s y s t e m ba s e d o n AD7 6 06 o f e l e c t r o n i c t r an s f o rm e r i s d e s i g n e d a n d i t s d e s i g n s c h e me i s g i v e n T h e e x p e r i me n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e c u r r e n t e r r o r o b t a i n e d f r o m d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m a b s o l u t e l y me e t s t h e r e q u i r e me n t s o f 0 2 S l e v e l e l e c t r o n i c e u r r e n t t r a n s f o rm e r s T h e e x p e ri me n t r e s u l t s v e ri f y t h e a c c u r a c y o f da t a a c q u i s i t i o n s y s t e m a n d t he e f f e c t i v e n e s s o f t h e de s i g n Ke y wo r d s ： d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m ；AD 7 6 O 6；e l e c t r o n i c c u rr e n t t r a n s f o r me rs 中图分类号： T M 9 3 2 文献标志码： A文章编号： 1 0 0 3 6 9 5 4 ( 2 0 1 4) 增 1 0 0 2 8 0 3 0 引 言 与传统电磁式互感器相比， 电子式互感器具有 绝缘简单 、 无铁磁谐振、 无磁饱和、 暂态响应范围大 、 测量精度高等优点。电子式互感器的出现、 发展 和 应用顺应 了智能电网的发展要求。 电子式互感器 中传感头位于高压侧 ， 为 了避免 因电磁干扰影响测量结果 的准确性 ， 一般在高压侧 利用数据采集系统完成被测信号 的调理、 采集和转 换 ， 并将转换后 的数字信号经光纤 传输至低压侧。 因此采集系统的准确性和可靠性直接决定 了是 电子 式互感器的性能。 以基于 R o g o w s k i 线圈( 罗氏线 圈) 原理电子式 电流互感器为例 ， 分析了罗氏线圈微分工作特性 ， 并 从信 号的滤波和调理电路 、 A D 7 6 0 6的控制方法及 供能方法等方面介绍了一种基于 A D 7 6 0 6的数据采 集系统设计思路。 1 罗氏线圈微分工作特性分析 相对于传统的安培表、 电流互感器 、 分流器等电 流测量方法 ， 罗氏线圈具有测量频 带宽、 测量 范围 2 8 广、 隔离性好、 体积小等优点 J ， 因此广泛应用在 电 子式互感器作为传感元件。罗氏线圈导线均匀地缠 绕在非铁磁性材料上 ， 因其输出电压 2 , ( t ) 正 比于被 测电流 i ( ) 相对于时间 t 的变化率， 所以罗氏线圈 大多都工作在微分状态， 采集系统直接采集 的是微 分信号。罗氏线圈工作 在微分状态下时， 采样 电阻 较大 ， 使得等效测量回路接近纯 电阻网络 ， 线圈等效 原理图 如图 1 所示。 R + ( 一 图 1 罗 氏线圈的等效原理图 图 1中， 。 为罗 氏线圈的内阻， 、 分别为 罗 氏线圈的自感 和互感 系数 ， R 为采样 电阻 ， C为罗 氏线圈的匝间电容 ， e ( ) 为罗氏线圈的感应电势 ， 罗 氏线圈的感应电势满足式( 1 ) 。 )=一 ( 1 ) 由图 1 所示 的罗氏线圈的等效原理图可得 中间 变量之间的数学关系为 第 3 7卷增刊 1 2 0 1 4年 1 1月 四 川 I电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c Po we r Te c h n o l o g y Vo 1 3 7， No S u p p l e me n t l No v 。 2 01 4 。 = e ( ) = R oi： + 鲁 帆 ： d| 2 i l+ 3 i 2 Uo I=RL i 由上述数学关系取拉普拉斯变换并推导得 ( s ) l ： e ( 5 ) 一K S + 2 e t o s + ( 3 ) 式 中， 为比例系数 ， K： ； 为阻尼 系， 志 c + ； 为 自 然 震 荡 频 率 n |R 0 + R L LCR 。 式 ( 3 ) 给 出了输 出电压 和输入 电压 的传递 函 数。由式( 3 ) 可知， 罗氏线圈工作在微分状态下， 采 样 电阻 越大 ， 越小。当 小于 时， 测量系统 将包含一个振荡环节 ， 有可能导致测量 的电流信号 被错误放大 ， 引起保护误动 ， 增加 了系统运行的不稳 定性 。因此基于罗氏线圈原理电子式互感器对数据 采集系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求。 2 数据采集系统的设计 作为决定传感器成败的关键部件， 数据采集系 统应在保证 良好的工作性能和准确性以外 ， 还具备 电子 电路简单 、 高效率 、 功耗低的特点。本着上述原 则 ， 设计 了一套基于 A D 7 6 0 6的数据采集系统 。 电子式互感器数据采集系统 如图 2所示， 主要 由滤波和调理电路 、 A D采样控制和 D CD C变换电路 组成。其中A D转换芯片采用 A D I 公司的 A D 7 6 0 6 。 I I DC， DC 光纤 t 一 一 I 图 2 数据采集 系统框 图 A D 7 6 0 6可描述为 1 6位 、 8通道 同步采样 模数 数据采集系统。片上集成了模拟输入箝位保 护、 二 阶抗混叠滤波器 、 跟踪保持放大器 、 1 6位 电荷再分 配逐次逼近型 A D C内核 、 数字滤波器 、 2 5 V基准 电压源及缓 冲、 高速串行和并行接 口。因此 A D 7 6 0 6 能够满足智能变电站的性能要求。 2 1 信号的滤波和调理 对于传统 的逐 次逼近 ( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o n r e g i s t e r ，S A R) 型 A D C， 由于其采 样滤 波 电容 的存 在 ， 模拟输入前端一般采用运放来驱动 内部采样滤 波电容 ， 如 图 3所示 。正因为该 电容 C的存在 ， 其 等效输入阻抗值并不固定。频率的变化将会导致输 入阻抗匹配度下降， 因此获得 的信号并不理想。 图 3传 统 S AR型 设 计 原 理 图 A D 7 6 0 6集成了高输入阻抗的调理 电路 ， 其等效 输入阻抗为 1 M lq 。该输入阻抗值固定， 与采样频率 无关。片内还集成 了具有 4 0 d B模拟抗混叠抑制性 二阶滤波器 ， 不再需要 外部驱动和滤波 电路。此外 A D 7 6 0 6采用 5 V单电源供电， 并真正支持 1 0 V或 5 V的双极性信号输入 ， 无需额外 的调理 电路 ， 大 大简化了电路设计 。因此互感器二次输出可以直接 与 A D 7 6 0 6的输入相连 ， 如图 4所示 。同时输入端 箝位保 护 电路可 以承受 1 6 5 V的 电压 ， 保证 了 A D 7 6 0 6的安全。 图 4 A D 7 6 0 6设计原理 图 2 2 A D 7 6 0 6的控 制 在对 A D 7 6 0 6进行读取数据操作之前 ， 必须先 对其初始 化。通 过对 控制 寄存器 的写操 作 ， 完成 A D 7 6 0 6采样模式 、 通信方式和采样率的设置。 A D 7 6 0 6的 8个模数转换通道由两个 C O N V S T 信号来控制， 其中 C O N V S T A控制 V l V 4通道， C O N V S T B控制 V 5V 8通道。通常可 以将 C O N - V S T A和 C O N V S T B两个引脚短接 ， 共用一个 转换 启动信号， 此时 A D 7 6 0 6 工作在连续同步采样模式。 当 C O N V S T上升沿到来时， A D C同步采样触发 ， 8个 通道均能以最高 2 0 0 k S P S的速率进行采样 。同时 采样保持器进入保持 阶段 ， 其模数转换过程开始， 之 29 第 3 7卷增刊 1 2 0 1 4年 1 1 月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c Po we r Te c h n o l o g y Vo 1 3 7。 No Su p p l e me n t l No v 2 01 4 后 B U S Y引脚一直为高。当 B U S Y引脚下降沿到来 时， 表明转换结束 ， 同时也意味着可以从数字输出口 D B 1 5 ： 0 读取数据。 A D 7 6 0 6支持并行和串行两种通信方式 ， 因串行 方式控制简单、 不易受干扰， 所 以采用 串行方式将采 样的波形数据传输至 F P G A中。A D 7 6 0 6串行 口由4 个信号引脚组成： C S 、 R D S C L K 、 D B 8 ： 7 、 D I N 。其 中 c s 为片选信号， 低电平有效； R D S C L K用来输人 数据传输的串行时钟； D B 8 ： 7 用来输 出采样 的波形 数据 ， 当工作在串行通信方式下时 ， 数字输出接 口D B 1 5 ： 9 和 D B 6 ： 0 必须接地； D I N则是用来输入 F P G A的操作命令， 设置 A D 7 6 0 6初始状态。 2 3 供能方法 目前常用的供能方法有利用小 T A或电容分压 器从母线上直接取能 、 激光供能 、 太 阳能供电及蓄电 池供能等 J ， 这些方法都有其优缺点 ， 这里采用 一 种小 T A供能 和激光供能组合 的方式 ， 供 电系统结 构框 图如 图 5所示。工作机理是 ： 小 T A供 能和激 光供能互为热备用 ， 当一次电流很小 的时候 ， 激光供 能工作 ， 而当一次 电流满足最小 工作 电流 ( 一般设 计为一次额定 电流的 1 0 ) 时， 采集系统 由小 T A供 能。通过检测反馈一次 电流， 可 以完成供 电系统工 作模式的切换 。 图 5小 r A和 激 光 供 能 结 构 框 图 需要强调的是 ， 为了降低最小工作电流 ， 宜选用 饱和磁感应强度较低 、 磁导率较高的合金材料制成 磁心。通过对 T A铁心材料的改进和控制方案 的优 化 ， 小 T A供能最小工作 电流可以低至 3 A ， 并且 能够确保一次电流在较大范围内变化时， 依然可以 获得稳定 的电压输出。 激光供能采用激光或其他光源通过光纤将能量 从低电位传送至高电位， 接着利用光电池将光能转 换成电能， 再通过 D C D C变换后获得稳定的输出。 无论是小 T A供能还是激光供能 ， 采集系统所需的 5 V、 1 2 V电源均 由后级 的 D CD C变换 电路提供。 为 了满足宽输入 电压范围、 多路 电压输 出的特 点 ， 采用隔离式反激电路作为 D CD C变换主 电路 3 0 拓扑 ， 如图 6所示 ， 控制芯片则采用最高工作频率可 达 5 0 0 k H z的 U C 3 8 4 2 。 图 6 基于 U C 3 8 4 2的反激变换 电路 该 D C D C变换电路可以获得三路独立的输 出 电压 ， 输入输出相互隔离 ， 保证 了采集系统芯片的安 全 ， 转换效率可达到 9 0 以上 。基 于 U C 3 8 4 2的隔 离反激电路具有多路 电压输出、 输出电压纹波小 ， 负 载效应小的优点 ， 非常适合用作 电子式互感器采 集系统供 电电路 。 2 4 试验结果 为了验证基于 A D 7 6 0 6数据采集系统 的准确性 和可靠性 ， 对电子式电流互感器进行 了准确度试验。 额定电流百分比( ) 图 7比差 曲线 额定 电流 百分 比( ) 图 8 角差 曲线 试验结果如图7 、 图8所示 ， 分别为电子式电流互 感器比差和角差曲线。从图 7 、 图 8可以看 出， 基于 A D 7 6 0 6数据采集系统所测电流误差软件平台采用标 ( 下转第4 3页) 第 3 7卷增刊 1 2 0 1 4年 1 1月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t ric P o we r Te c h n o l o g y o 1 3 7。 No S u p p l e me n t l No v ， 2 01 4 软件平 台采用准化设计 、 模块化架构 ， 具有 良好 的开放性 、 可管理 性和可维护性 以及信 息安 全性。 能够接收省级计量 中心生产调度平 台下达任务 ， 执 行检定检测， 实现各功能单元要求 ； 与仓储物流系统 配合 ， 交互物流信息 ， 完成全过程 的 自动化运行 ； 试 验完成后 ， 检定系统主动 向生产调度平台上传数据 信息 ； 实现检定数据本地备份， 检定系统能够调整运 行方式 ， 可人工下达检定任务 ， 设定某个特定单元的 处理过程 ， 可实现单 台装置控制操作 ； 检定系统运行 过程中 ， 实时监控各个作业环节及设备运行状况 ， 提 供故障报警信号。软件运行界面如图 7所示。 5 结论 所述 的一体式低压 电流互感器 自动检定系统 已 在国网重庆市电力公 司电力科学研究 院推广应用。 该系统采用一体化的设计思路 ， 减少 了互感器流转 环节 ， 控制系统功能完善 ， 运行平稳可靠 ， 场地适应 能力强， 自动化的检定方式能够降低人为因素影响， 单工位年检定量可达 5万只 ， 极大提高了互感器检 定工作效率。 参考 文献 1 Q G D W 5 7 3 2 0 1 0 ， 计量用低 压电流互 感器技 自动化 检定系统技术规范 s 2 Q G D W 5 7 2 2 0 1 0 ， 计量用低压电流互感器技术规范 s 3 徐占河， 章鹿华， 张蓬鹤， 等 基于互感器 自动检定线 的拆码垛机的研制 J 自动化与仪器仪表， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 2 71 2 9 作者简介 ： 侯兴哲( 1 9 6 5 ) ， 高级工程师， 主要从事电测与计量相关 政策规 划和科技 管理 ； 冯凌( 1 9 8 1 ) ， 高级工程师， 从事 自动化与高压电能计 量相 关技 术的研 究和推 广 ； 魏东( 1 9 6 8 ) ， 工程师， 从事互感器测试技