（光学工程专业论文）电子式电流互感器通讯模块的研究.pdf

摘要 摘要 电力系统逐渐向超高压、大容量和数字化的方向发展，电子式电流互 感器替代传统的电磁式电流互感器是必然的趋势，但是电子式互感器与传 统互感器的输出形式有很大的不同，如何选择和设计变电站过程层与间隔 层保护测量二次设备之间的接口就成为要解决的关键问题。本文按照国际 电工委员会制定的电子式电流互感器标准i e c 6 0 0 4 4 8 ，对电子式电流互感 器数字输出的实现方法进行了研究，主要内容包括过程层数字信号处理模 块、过程层编码模块与间隔层解码模块。 过程层数字信号处理模块的功能是完成对多路电子式互感器数据的接 收和抽取滤波，论文讨论了一种遵循i e c 6 0 0 4 4 8 标准的合并单元实现同步 的新方法，分析了实现抽取滤波的高效算法，使用v h d l 语言编程并应用于 f p g a ，f p g a 具有集成度高、编程灵活的特点，保证了系统的实时性和可 靠性。在过程层编码模块，按照1 e c 6 0 0 4 4 _ 8 标准的要求将抽耿后的数据加 上帧头，c r c 校验码完成组帧，然后将完整的数据帧进行曼彻斯特编码后 通过光纤传输到间隔层，论文对编码模块的电路进行了详细设计和分析比 较。在间隔层，基于全数字锁相环技术，利用曼彻斯特码本身具有丰富的 位定时信息的特性设计了解码模块的电路，实现了对高速数据流进行接收， 并从中提取出同步时钟信号对数据道行解码，最后进行拆帧校验。通过本 文的研究，实现了过程层与间隔层之间的数字通信，为电子式电流互感器 在变电站自动化系统中的应用积累了经验。 关键词电子式电流互感器；i e c 6 0 0 4 4 8 ；抽取；循环冗余校验：曼彻斯特 码 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mt o w a r d se x t r ah i g hv o l t a g e ，h i g h e r c a p a c i t ym a dd i g i t i z a t i o n ，e l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e rs u b s t i t u t i n gt h eo l d e l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ri su n a v o i d a b l e ，b e c a u s ei t i sv e r yd i f f e r e n t i n o u t p u t f o r mb e t w e e ne l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ra n dt r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r , h o w t os e l e c ta n dd e s i g nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e p r o c e s s i n gl e v e lm a dt h eb a yl e v e l i ns u b s t a t i o nb e c o m e st h ek e yp r o b l e mo f r e s e a r c h a c c o r d i n gt o i e c 6 0 0 4 4 8s t a n d a r d ，t h er e a l i z a t i o nm e t h o d so ft h e d i g i t a lo u t p u tf o re l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ri sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s ，a n d t h em a j o rt o p i cc o n c e r n st h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l eo f p r o c e s s i n gl e v e l t h ee n c o d i n gm o d u l eo f p r o c e s s i n gl e v e la n dt h ed e c o d i n gm o d u l eo f b a yl e v e l t h ef u n c t i o no ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l eo fp r o c e s s i n gl e v e li s t oc o m p l e t ec o l l e c t i n ga n dd e c i m a t i n gf i l t e r i n gt h em u l t i c h a n n e l sd a t af r o m e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r an e wm e t h o dt os y n c h r o n i z ed a t aa m o n gm e r g i n gu n i t f o l l o w e db yi e c 6 0 0 4 4 8i sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n dt h ee f f i c i e n ta l g o r i t h m f o rd e c i m a t i n gf i l t e r i n gi sa n a l y z e da n da p p l i e di nf p g a b yp r o g r a m m i n gw i m v h d l b e c a u s et h ef p g ah a sh i g hi n t e g r a t i o na n df l e x i b l ep r o g r a m m i n g ，t h e r e a l t i m ep r o p e r t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma r ee n s u r e d a tt h ee n c o d i n g m o d u l eo fp r o c e s s i n gl e v e l ，t h ef r a m eh e a da n dc r cc o d ea r ea p p e n d e dt ot h e d a t aw h i c hi sd e c i m a t e dt oc o m p l e t ef r a m i n g ，t h e nt h et o t a ld a t af r a m ei s e n c o d e do nm m a c h e s t e rc o d ea n di st r a n s m i t t e dt ob a yl e v e lu s i n gf i b e rb a s e do n t h es t a n d a r d 1 1 1 ec i r c u i to fe n c o d i n gm o d u l ei s d e s i g n e di n d e t a i l a n di s a n a l y s e dw i t hc o m p a r i n gi nt h i sp a p e r a tt h eb a yl e v e l ，b a s e do na l l d i g i t a l p h a s e l o c k e dl o o pt e c h n o l o g y , t h ec i r c u i to fd e c o d i n gm o d u l ei sd e s i g n e db y u s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tm a n c h e s t e rc o d eh a sr i c hb i tt i m i n gi n f o r m a t i o ni n i t s e l f , a n di ti su s e dt oc o l l e c tt h e s eh i 曲s p e e dd a t as t r e a ma n ds y n c h r o n i z et o i i a b s t r a c t i n c o m i n gs e r i a ld a t as t r e a mi no r d e rt od e c o d et h ed a t a , t h e nu n p a c kt h ed a t a f r a m ea n dc h e c k b yt h er e s e a r c hi nt h i st h e s i s ，t h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ep r o c e s s i n gl e v e la n dt h eb a yl e v e li sr e a l i z e d ，w h i c hc a r lp r o v i d e s o m ee x p e r i e n c ef o ra p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ri ns u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m k e y w o r d se l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ；i e c 6 0 0 4 4 8 ；d e c i m a t i o n ；c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ；m a n c h e s t e rc o d e 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电子式电流互感器通讯 模块的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字来当 日“年年月哕日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 电子式电流互感器通讯模块的研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导f 完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：来莒日期：。a f 年手月嗲日 斯虢斗写。 同期：p ，年球月、伯 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重 的地位。近年来随着电力系统电压等级的不断升高，远距离、大容量输电 线路和互联电网的发展，使得高压和超高压变电站在规模和容量方面日益 增加，在电力系统中地位也越来越重要，采用传统的变电站一次及二次设 备越来越难以满足以下两个方面的要求l 】j ：降低变电站的造价，减少新建变 电站的投资；提高变电站的安全与经济运行水平，减少变电站的运行值班 人员并逐步对2 2 0k v 及以下电压等级变电站实现无人值班。为此研究和开 发以新型的高压设备、计算机技术和网络通信技术为基础的各种电压等级 的变电站自动化系统，取代、更新和改造传统变电站的二次系统成为8 0 年 代之后国内外各大电气公司纷纷努力的目标【2 3 j 。 在对变电站自动化水平提出了更高要求的同时，传统的电力互感器由 于其自身结构上的局限性，也越来越不能适应电力系统的要求，阻碍了变 电站自动化技术的发展。电子式互感器以其突出的优点将成为传统电力互 感器的理想替代品【4 1 5 j 。电子式互感器、数字计量和保护技术以及先进的光 纤通讯技术的应用将使变电站自动化技术产生深刻的变革。 1 2 变电站自动化 变电站是电力输配电系统中的重要环节。变电站自动化系统的结构形 式一般有集中式和分布式两种。不同的系统结构意味着不同的通信系统组 态，它们在速度、可靠性和可扩展性方面的指标有所不同1 6 1 。 变电站自动化的发展过程与自动化装置的数字化和网络化进程息息相 关。现在，变电站自动化系统的发展趋势是采用分层分布式设计。新型变 燕山大学上学硕士学位论文 电站的结构般包括三层，即过程层、间隔层和变电站层。其中变压器、 断路器及辅助节点、电流电压互感器属于过程层。变电站层包括全站性的 监控主机、远动及自动控制主机、人工智能应用主机以及实现软件扦发和 管理等功能的工程师主机。间隔层一一般具有测控装置和保护装置，测控装 置负责该单元线路或变压器的参数测量和监视、断路器的控制和联锁，保 护装置负责该单元线路或变压器的短路和异常状态保护。间隔层还可能有 故障记录和事件顺序记录装置，它可以由测控装置或保护装置实现，也可 以由独立的装置实现。一般对间隔层采用按间隔设计的原则，即按断路器 问隔划分。采用新型数字式互感器变电站自动化系统分布式设计示意图如 图1 1 所示hj 。 tt f 保护装置ff 测控装置 f ff， k i i i ” 过崔层 新型数亨式互感器p t c t 图1 - 1变电站分层分布式结构 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f l e v e ld i s t r i b u t i n gi ns u b s t a t i o n 图1 1 中，i 为远动主站与远方调度端的通讯网络，目前所依据的标准 是国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，m e ) 所制定的 标准i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ；i i 为间隔层各单元与变电层的通讯网络，目前依据的 标准为i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 ；那么随着采用电子式互感器的系统的出现，以及考 虑到将来必将大规模地投入使用，过程层与间隔层单元接口i 将如何选择 是本文要完成的任务n 网络技术和计算机技术的发展，为微机保护和变电站自动化的再发展 第1 蕈绪论 提供了有利的契机，尤其是网络技术的发展给变电站自动化带来了翻天覆 地的变化。另外由于一次设备改进，尤其是新型数字式光电电压电流互感 器的出现，必将促使微机继电保护技术和变电站自动化技术发生革命性的 变化一1 。 1 3 电流互感器的发展 随着电力传输容量的不断增长和电网电压的提高，对电力设备提出了 小型化、自动化、高可靠性的要求。 1 3 1传统电磁式电流互感器 传统电磁式结构的互感器已越来越不能适应电力系统的发展趋势，暴 露出许多缺点，其主要缺点如下【肛1 2 1 ： ( 1 ) 暂态特性差目前大量生产和使用的电流互感器的原理及参数基本 二还是按电磁式保护的要求而设计的，使用的传感头是铁芯式线圈，对高 频信号响应较差，采用模拟强电输出( 5a 或1a ，1 0 0v ) ，输出容量大，传输 距离短，暂态特性不好。 ( 2 1 功耗大通过特设的电压互感器和电流互感器将1 0 0v 5a 的强电信 号转换为数伏的小电压信号，增加了额外的功耗。 ( 3 ) 耗费电缆每相要单独的电缆芯一对一的传输电流信号，电缆用量 较大。 ( 4 ) 动态范围小传统的电磁式互感器中都有铁芯，在工作电流较大或 短路时，存在着磁饱和、磁滞、涡流及铁磁谐振等效应，不仅限制了其动 态范围、线性度及准确度等技术指标，而且通常使用时，需将测量用互感 器和保护用互感器分开处理。 f 5 ) 抗干扰性差使用模拟信号传输和测量，易受电磁干扰。在故障情 况下，本身又是一个干扰源。 f 6 1 危险性高为提高绝缘等级，高压互感器内部须充油，由于密封不 好，易发生漏油，且存在着突然失效、绝缘击穿的可能性，导致燃烧、爆 燕山人学j = 学硕士学位论文 炸等危险；次级一旦开路，输出端会感应出高电压，危及其它设备和操作 人员的生命安全。 1 3 2 新型电流互感器的发展 随着微机保护装置在电力系统中的全面应用，保护和测控设备不再需 要高功率输出的电流互感器。近一、二十年来，许多发达的工业国家都开 始进行新型电流互感器的研究 1 3 , 1 4 1 。在现代电力电子和光纤技术的发展推 动下，许多新型的电子式电流互感器逐渐涌现了出来，并已进入广泛的研 究阶段。 目前，利用光纤测量电流有了很大的进展，这种互感器也称为电子式 电流互感器，按其类型分为两大类1 1 5 , 1 6 】：有源型和无源型电流互感器。 1 3 2 1有源型有源型又可以称为混合型，有源型电子式电流互感器高压 侧电流信号通过传感头将电信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤 传递到低电压侧，进行光电转换变成电信号后输出，有源型电子式电流r 瓦 感器的方框图如图l 一2 所示。 风 高压屯力母线 瓜 螽守 l 屺儿型一高电压侧 光纤 童墨匝匹睡 图1 2 有源型电子式电流互感器框图 f i g 1 2t h ed i a g r a mo f a na c t i v ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r 4 第1 章绪论 有源型电子式电流互感器结构简单、稳定性好、精度高、易于实用化， 是目前国内研究的主流。 1 3 2 2 无源型无源型电子式电流互感器的传感头部分不需要供电电源， 传感头一般基于法拉第( f a r a d a y ) 效应原理。当一束线偏振光通过放置在磁 场中的法拉第旋光材料后，若磁场方向与光的传播方向平行，则出射线偏 振光的偏振平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号对偏振光波进行 调制。无源型电子式电流互感器系统如图1 3 所示。 磁场 = = = = = = = = = = = 当 图1 3 无源型电子式电流互感器框图 f i g 1 - 3t h ed i a g r a mo f ap a s s i v ee l e c t r o n i cc u r r e mt r a n s f o r m e r 无源型电流互感器以其体积小、无需电源器件、无磁饱和、无二次丌 路危险、抗电磁干扰能力强、安装运输方便等优点成为国际上竞相研制的 热点，直到目前虽有不少试验样机挂网运行，但进入实用化阶段的还很少 见。这是由于基于法拉第磁光效应的传感头制作要求很高，温度和振动以 及长期稳定性和电磁兼容性问题始终没能很好地解决的缘故。因此，采用 r o g o w s k i 线圈的组合式电子式电流互感器得到了广泛的应用1 5 。”。这种结 构的电流互感器既具有光纤传输的优点又克服了光学传感头存在的温度和 振动问题。 1 3 3 新型互感器对变电站的影响 新型互感器应用对变电站通信系统影响和改进主要体现在两个方面： ( 1 ) 通信能力强电子式互感器具有数字输出、接口方便、通信能力强 的天然特性，其应用将直接改变变电站通讯系统的通信方式，特别是一次 设备与间隔层二次设备问的通信方式【1 8 j 。传统互感器的输出信号都是以模 拟量的形式传到间隔层，同一个电流电压互感器可能会连接到多个不同的 燕山大学丁学硕士学位论文 设备，造成了二次接线复杂、互感器负荷较重等问题。电子式互感器输出 的数字信号，使用现场总线技术实现点对点多个点对点或过程总线通信方 式。将完全取代大量的二次电缆线，彻底解决二次接线复杂的现象，可实 现真正意义上的信息共享。并且电子式互感器的接口设计方便，利用模块 化和面向对象技术实现硬件、软件的标准化设计，满足不同传输介质和各 种通信协议和标准的需要，具有灵活的扩展性和自适应性。二者是传统互 感器所不可能具备的特性。 ( 2 ) 对通信系统结构的影响大由于通信方式的改变，加上数字断路器 控制和电子开关装置等智能电子设备的采用，使得功能不断下放，变电站 自动化系统由两层结构逐渐向三层结构转化| l 。 电子式互感器在各项指标上都优于传统互感器，但是它的应用将改变 二次信号的输出类型和输出形式，这将带来一系列需要解决的问题f 2 j ，“l ： f 1 ) 设计出适用于变电站二次设备特别适用于继电保护的数字化接u ： f 2 ) 如何选择二次回路的光电数字化的结构形式； ( 3 ) 如何保证一、二次设备间的数字化通讯系统的可靠性和实时性。 可见，只有解决了以上的问题，电子式互感器才能真正地应用到变电 站自动化系统中。为此国际电工委员会已经制定了电子式电压电流互感器 ( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r , e c t e l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s f o r m e le v t ) 的 标准i e c 6 0 0 4 4 7 8 1 2 2j ，标准的制定也使电子式互感器逐步向产业化迈进。目 前，国内外研究工作者都积极投身于标准的研究工作中，努力地填补此项 空白。我国的华中科技大学、华北电力大学、燕山大学等国内各大高校已 经积极投入到此项研究的行列中。 1 4i e c 6 0 0 4 4 8 规约简介 i e c 6 0 0 4 4 - 8 是国际电工委员会为电子式电流互感器专门制定的一个标 准。i e c 6 0 0 4 4 8 适用于以下光电电流互感器：带电子线路处理的光学电流 互感器、空心线圈( 带或不带积分电路) 、带积分电路的铁心线圈和霍尔元件， 标准中通称为电子式电流互感器，又称为光电电力互感器，又有有源和无 第1 章绪论 源之分。标准规定的电子式电流互感器通用结构图如图1 - 4 所示。 高压电流传感头h 高k 侧变换h传输系统 l 童垦型皇堡 e f ： 设备故障 s 1 ：测量用信号 m r ：设备需维护 s 2 ：呆护用信号 低肌佃i 电源 竺竺竺! r + m r0e f 低雎模拟输出i 鼬 。_ 1s l 图1 4 单相电子式电流互感器结构框图 f i g i - 4g e n e r a lb l o c kd i a g r a mo f as i n g l e p h a s ee l e c t r o n i cc , t l r r e i l tt r m l s f o r m e r 该标准不但对电子式电流互感器的各个部分，包括其传感头( 基于 r o g o w s k i 空心线圈的电流互感器) 、过程层与间隔层之l 日j 的通讯等都作了详 细的规定，而且对电子式电流互感器的测试作了规定。 电子式互感器的数字信号输出是其主要形式，所传送的数字量可以是 电的数字量也可以是光的数字量。实际上，并不是为每一相电流或电压单 独配数字处理单元，而是将一个间隔内的所有电压和电流量经模拟信号处 理后送往同一个装置作统一的信号处理，在标准中称为合并单元( m e r g i n g u n i t ，u u ) ，如图1 5 所示。 图1 5 合并单元定义 f i gi 一5d e f i n i t i o n o f m e r g i n g u n i t 7 燕山人学工学硕+ 学位论文 i e c 6 0 0 4 4 8 规约的制定为电子式电流互感器的产业化、标准化提供了 有利的条件。本课题就是按照1 e c 6 0 0 4 4 8 标准中对数字输出的规定，对电 子式互感器的过程层编码模块与间隔层中的解码模块进行电路设计的。 1 5 本论文的主要内容及结构安排 本文的主要内容如下： f 1 ) 本课题的设计都是基于i e c 6 0 0 4 4 8 标准进行的，首先对i e c 6 0 0 4 4 培 标准进行了研究，对标准中所规定数字输出物理层、链路层、应用层以及 采样同步等问题进行了详细分析。 f 2 1 对过程层的数字信号处理模块进行了设计，分析比较了实现抽取滤 波的两种算法，找到了适合本系统的高效实现方法，基于现场可编程门阵 歹l j ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y , f p g a ) j j i i 以实现并给出了仿真结果，然后 对结果通过m a t l a b 进行了验证。 f 3 1 按照标准对过程层的数据组帧编码模块进行了设计，分析了实现循 环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 码的算法，实现t c r c 校验码的 编码电路，完成了数据组帧。然后设计了曼彻斯特编码电路，数据经编码 后通过光纤传输至间隔层，完成了过程层与间隔层之间的数据通讯。 基于数字锁相环技术，对间隔层解码模块的电路进行了设计，将接 收到的数据进行解码，解码后的数据经拆帧校验后如无误，将其传输给二 次设备。 本文的结构安排如下： 整个论文的编排主要依据电子式电流互感器数字输出信号传递的流程 展开，第一章为绪论，介绍了电流互感器的发展及其对变电站的影响，第 二章介绍了有源型电子式电流互感器，第三章论述了过程层数字信号处理 模块的实现方法，第四章了论述了过程层编码模块的实现方法，第五章论 述了问隔层解码模块的实现方法。最后对论文进行了总结。 一篁! 耋童堡型皇王茎皇鎏三竺量 第2 章有源型电子式电流互感器 本论文是建立在课题组之前设计的有源型电子式电流互感器的基础之 上的，所设计的通讯模块也是基于有源型电子式互感器的，因此，首先对 有源型电子式电流互感器做一下介绍。 2 1 有源型电子式电流互感器的优点 有源型电子式电流互感器即混台式光纤电流互感器，与传统电磁感应 式电流瓦感器相比，这种电流互感器具有如下一系列优点f 2 m 5 】： ( i ) 优良的绝缘性能 电磁感应式电流互感器的高压母线与二次线圈之 间通过铁芯福合，它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关 系上升。有源型电子式电流互感器使用玻璃、光纤等绝缘材料来传输信息， 所以绝缘结构简单，其造价一般随电压等级升高略有增加。 ( 2 ) 消除了磁饱和和铁磁谐振等问题 电磁感应式电流互感器由于使用 了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式 电流互感器不含铁芯，则不存在这方面的问题。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好 电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低 压侧存在开路危险。电子式互感器的高压侧与低压侧之间只通过光纤联系， 而光纤具有良好的绝缘性能，可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔 离，低压侧开路无高压危险，免除电磁干扰。 ( 4 ) 动态范围大、测量精度高 电网正常运行时，互感器流过的电流并 不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路电流越来越 大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同 时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范 围，额定电流可测到几千安培，过电流范围可达几万安培；一个电子式电 流互感器呵同时满足计量和继电保护的需要，免除多个互感器的冗余需求。 燕山大学丁学硕士学位论文 ( 5 ) 频率响应范围宽传感头部分的频率响应取决于光在传感头上的渡 越时问，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。电子式电流互 感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行电网电流暂态、高 频大电流与直流的测量。而电磁感应式电流可感器难以进行这方面工作。 ( 6 ) 没有因充油而产生的易燃易爆危险 电磁感应式电流互感器一般采 用充油的办法来解决绝缘问题，这样存在易燃、易爆炸等危险；而电子式 电流互感器绝缘结构简单，在结构上可避免这方面的危险。 ( 7 ) 体积小、重量轻、节约空间电子式电流互感器的传感头本身的重 量一般小于1 蚝，例如美国西屋公司公布的3 4 5k v 的磁光式电流互感器 r m a g n e t o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r , m o c t ) ，高度为2 7m 、重1 0 9k g ( 同电 压等级的油浸式电流互感器高为5 3 m ，重量23 0 0 k g ) ，这给运输和安装带来 了很大的方便。 f 8 1 适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化发展的潮流随着 计算机和数字技术的发展，电力计量与继电保护已只益实现自动化、微机 化。电磁感应式电流互感器的5a 或1a 输出规范必须采用模数转换技术r 能 实现与计算机接v i ，而电子式电流互感器本身就是利用光电技术的数字化 设备，可直接输出给计算机，避免中间环节【j j 。 2 2 有源型电子式电流互感器的分类 有源型电子式电流互感器与无源型电子式电流互感器相比主要的不同 之处在于高压端的传感部分采用的是电子器件，而不是采用磁光晶体或光 纤。因此，高压端必须有相应的供电电源f 26 1 。有源型电子式电流互感器可 以分为以下两种：压频转换式和a d ( a n a l o g t od i g i t a l ) 转换式。 2 2 1 压频转换式电流互感器 压频转换式电流互感器的结构如图2 1 所示。采样线圈将流过母线的电 流转化为电压信号，通过压频转换器( v 0 1 t a g et of r e q u e n c yc o n v e r t e r ，v f c ) 进行v f 转换( v 0 1 t a g et of r e q u e n c yt r a n s f o r m )，电压的变化将转换成为脉 1 0 第2 章有源型电于式电流互感器 冲频率的变化，然后电脉冲信号经过e o 变换( e l e c t r i c o p t i ct r a n s f o r m ) 器件 后，转变为光信号，通过光纤传送到低压端。低压端的o e 转换( o p t i c e l e c t r i c t r a n s f o r m ) 器件将光信号还原成电信号，再经过频压转换电路，进行f 厂v 转 换( f r e q u e n c yt ov o l t a g et r a n s f o r m ) ，然后通过信号处理单元处理，最后进行 显示【2 7 , 2 8 。 采样线圈 图2 1压频转换式电流互感器的框图 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo f v f c c t l l t e n tt r a n s f o r m e r 压频转换式电流互感器结构简单，精确度、抗干扰性能比较高，比较 适合信号远距离传输。 采用压频变换的方法可以减少互感器低压端和高压端之间连接光纤的 数量，目前的集成w f 和f p v 变换电路，比? 如a n a l o g d e v i c e 公司的a d v f c 3 2 芯片，能够通过引脚连接方式不同实现v f 变换或者用于f 变换。精度也 不错( 在1 0k h z 的条件下，最大误差为0 川) ，但是该芯片正常工作功耗比 较大( 2 5i n k , 左右) ，这将需要更大的功率来支持高压侧电子线路的工作，势 必带来高压侧电源设计的复杂性，同时使整个系统的起始工作的最小电力 母线电流变大，减小了系统的测量范围。 2 2 2a d 转换式电流互感器 a d 转换式电流互感器与压频式电流互感器不同的是高压端的a d 变 换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e n e r , a d c ) 代替了v f 变换器，而低压端的 燕山大学工学硕士学位论文 d a ( d i 西词t oa n a l o g ) 变换器代替了f v 变换器，其结构如图2 2 所示。其基 本原理是采样线圈将流过母线的电流转化为电信号，经过a i d 转换，再经过 电光转换器将数字电信号转换为数字光信号，光信号通过光纤传输到低压 端，经过光电转换器将光信号转换为电信号，再经过d a 转换，把数字信号 还原成模拟信号| 2 9 j 。 日前，随着集成电路工业的迅速发展，低功耗、高速度、高精度的a d 、 d a 转换器件的品种越来越多，这样使得a d 转换式电子式电流互感器的研 制成功成为可能。由于a d 、d a 转换必须要保持时钟同步，因此在高压侧 须加上时序控制电路。 采样线圈 图2 2a d 变换式电流互感器的框图 f i g 2 - 2b l o c kd i a g r a mo f a d cc u f f e n tt r a n s f o r m e r a d 转换式电流互感器的主要优点是： f 1 ) 目前的a d 、d a 转换器的转换精度很高，可以通过选用合适的a d 变换器来满足系统对精度的要求； ( 2 ) 高压部分的功耗比较小； ( 3 ) 低压端具有模拟信号和数字信号两种输出，与光通信系统兼容，给 未来的电力通信带来了良机。 1 2 至! 至互塑型皇王茎皇亟皇壁量 有源型电子式电流_ 7 工感器这种结构其优点是稳定性好，在现代电子器 件可靠性高、性能稳定的条件f ，易于实现精度高、输出大的实用型产品。 2 3a d 转换式电流互感器简介 本课题组之前设计的有源型电子式电流互感器属于a d 转换式电流互 感器，己设计完成并组装出样机。本课题设计的数据采集及传输系统将要 用在a i d 转换式电子式电流互感器的低压侧，将互感器低压侧输出的数字信 号按, , 昭, , i e c 6 0 0 4 4 8 所规定的帧格式进行打包编码，然后输出到间隔层保护 测量二次设备上。本论文中的有源型电子式电流互感器，其原理方框图如 图2 3 所示。下面对互感器各部分的电路结构以及低压侧的工作电路进行一 下简单介绍。 r o g o w s k i 线圈 c t 厂、厂、高压母线 积分电路 电源部分 高压端 l 兰 e o 转换 j 匕l 俐t 端 o e n 4 换：l 堕堡垄竺卜叫竺：全茎垫卜叫篁兰竺竺l 上数字输出上模拟输出 图2 - 3 有源型电子式电流互感器框图 f i g 2 - 3b l o c kd i a g r a mo f a r ta c t i v ee l e c t r o n i cc t l l t e l l tt r a n s f o r m e r 整个系统分为高压子系统和低压子系统两个部分。两个系统用光纤连 芏警芏攀 燕山大学工学硕士学位论文 接起来。高压子系统包括r o g o w s 虹线圈3 0 , 3 1 、积分电路、高压端供电电源、 a d 转换器、时序协调电路和e o 、o e 转换器。低压子系统包括o e 、e o 转换器、d a 转换器、时序发生电路和信号处理电路。 在高压子系统中采用r o g o w s k i 线圈取得电压信号，送入电子转换电路 中。在电子转换电路中将这一正弦电压信号调制为数字脉冲信号，再驱动 发光元件转换为光信号，通过光纤把光信号传送到地面监控室中。在低压 子系统中将接收到的光信号反变换为电信号，经放大、处理以后送入仪器 仪表。 2 3 1 r o g o w s k i 线圈与积分电路 r o g o w s k i 线圈作为电子式电流互感器的敏感元件，其性能的优劣对整 个系统的准确度和稳定性起着至关重要的作用，所以应适当的选取骨架和 绕线材料口”。r o g o w s k i 线圈的输出是微分形式，后面需用一积分电路来还 原，f l q r o g o w s k i 线圈和有源积分器组成的测量原理电路如图2 4 所示。图中 r 1 是积分电阻也是取样电阻。 图2 1 4r o g o w s k i 线圈与有源积分器组成的测量电路 f i g 2 - 4m e a s u r i n gc i r c u i tc o m p o s e do f r o g o w s k ic o i la n da na c t i v ei n t e g r a t o r 如图2 5 所示，电路实现对r o g o w s k i 线圈输出的积分。图中第一级放大 器实现对r o g o w s k i 线圈输出信号的积分，理想的积分其实是没有电阻r 3 的， 这里r 3 的作用是防止较长工作时间中由于运算放大器的零漂而带来的积分 第2 章有源型电子式电流互感器 器阻塞。在使用时为了减少对理论上的积分关系造成的影响，通常r 3 要选 的很大。第二级放大器实现对积分器输出的信号反向，以保证相位关系的 正确性3 2 1 。 图2 5 积分及倒相电路 f i g 2 - 5t h ec i r c u i to f i n t e g r a t o ra n dv o l t a g ec o n v e r t e r 2 3 2a d 转换及时序电路 有源型电子式电流互感器高压端的待测信号是e 比于高压输电线路中 5 0h z 电流的模拟电压信号。由于系统的高压端和低压端是通过光纤进行连 接的，因此应将模拟量转化为数字量才更适合用光纤来传输33 1 。必然要用 到a d 转换器，以及驱动它工作的时序电路。 a d 转换电路是整个传感部分的核心，由于有源型电子式电流互感器传 感头的特殊要求，a d 转换芯片应该具有以下基本特征： ( 1 ) 功耗小； ( 2 ) 采样频率足够高； ( 3 ) 串行a d 芯片： ( 4 ) 电压输入范围应尽量为双极性； ( 5 ) 为了保证系统的分辨力，应采用高位数的a d 转换芯片。 为了尽量减少高压端电子器件的使用数量来降低功耗和简化电路的复 杂程度，采用a d 7 8 9 4 来对积分器的输出进行d 转换。这就要求时钟发生 燕山大学丁学硕十学位论文 器( 实际上为了实现上下的同步，高压侧的时钟信号要从低压侧传送上来) 发生连续的方波且时钟周期为0 5u s ，采用了图2 6 的电路，可以实现a d 7 8 9 4 的工作时序要求。 图2 6a d 7 8 9 4 工作时序发生电路 f i g 2 - 6t h ec i r c u i tf o rg e n e r a t i n gd r i v i n gs i g n a lo f a d 7 8 9 4 图2 6 中u i 为c d 4 0 4 6 ，它可以对连续时钟信号c l k 进 t 3 2 分频，从u ， 的5 脚输出周期为3 2 倍于c l k 的方波信号，该方波信号反向后同时钟信号 c l k 相与，作为a d c 的读数据时钟信号。u 1 的5 脚输出经过电阻电容电路产 生短时脉冲信号，驱动施密特触发器u 2 ，u 2 的输出经反向后可以作为a d c 的转换开始信号c o n v e r s t 。 2 3 3 光纤及光纤连接器 高压端经过a d 转换后的串行数字信号需要通过某种方式传送到低压 端。以光纤作为传输介质，该信号由高压端传送到低压端，经信号处理部 分作还原处理，从而完成了一次侧电流从高压端到低压端传送过程。这里 就必须选用合适的电光和光电转换器。 根据系统的要求这里用h f b r - 1 5 2 8 年l i h f b r 2 5 2 8 分别作为电光和光电 转换器 3 3 ”1 。在光学特性上它们能够很好地匹配，特别是h f b r - 2 5 2 8 的输 出能满足t t l 和c m o s 电平的要求，可以方便地实现与数字逻辑电路的接 第2 章有源型电子式电流互感器 口，不需要复杂的驱动和接口电路，可以使得整个电路的设计简单化。并 且配合h f b r 一1 5 2 8 芹n h f b r 2 5 2 8 专用的卡头和引导槽，只要对光纤端面进 行简单的切割和打磨，就可以比较可靠地对光纤进行连接，实现数据的可 靠传输。 图2 7 是使用h f b r x 5 2 8 的数据发射和接收的实用电路。 信 图2 7 使用h f b r x 5 2 8 的数据发射和接收的实用电路 f i g 2 - 7as a m p l ec i r c u i tf o rt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g w i t hh f b r - x 5 2 8 2 3 4 低压侧电路系统简介 高压端r o g o w s k i 线圈的输出信号经过积分器、a d 转换器、光电一电光 连接通路后，把数字信号送到低压端，由于目前的测量和保护装置大多都 是针对传统的互感器而设计的，仍需要模拟信号作为输入，因此课题组设 计的有源型电子式电流互感器仍需有模拟量输出，需要把数字量变成模拟 量，并且力求恢复原来电力母线上的电流波形，所以需要使用d a 转换器来 实现这一功能。前面提到了a d c 的输出是串行1 4 位二进制补码方式，为了 能够很好的配合工作，d a 转换器也需要是串行二进制补码方式的，因此在 低压侧还得用的d a 转换器将其转化回模拟量。经过认真筛选，在这里选用 a n a l o gd e v i c e 公司的a d 7 8 4 0 作为年1 1 a d 7 8 9 4 配对使用的d a 转换器。 为了方便有效地驱动a d 7 8 4 0 q - 作，需要对芯片的工作时序进行认真研 究