（通信与信息系统专业论文）光纤型电子式电流互感器的误差分析与精度提高.pdf

摘要 电流互感器是电力系统中较重要的高压设备之一，它被广泛地应用于继电保护、 电流测量和电力系统分析之中。随着电力传输容量的不断增大、电网电压等级的不断 提高，传统的电磁式电流互感器的绝缘强度低、容易磁饱和等缺点越来越明显。 光纤型电子式电流互感器也称为电子式电流互感器( e c t ) ，针对电磁式电流互 感器的缺点，采用了r o g o w s l 【i 线圈作为一次传感部分，其线性度好、无磁饱和且结 构简单。经过十几年的发展，电子式电流互感器已经形成了一套相关的理论，但是依 然存在有待发展和完善的问题。本文的主要研究对象为e c t 的采集器信号处理部分。 本文首先介绍了基于安培环路定理和电磁感应原理的r o g o w s k i 线圈的传感原 理，分析了r o g o w s l ( i 线圈的误差以及温度对其的影响。接着，针对r o g o w s k i 线圈的 微分原理，本文介绍了数据采集器电路的设计，提出了一套完整的信号处理方案。为 了达到o 2 级的精度要求，对e c t 进行误差分析是很有必要的。本文针对e c t 的信 号处理系统，从模拟及数字两个部分对高压侧信号处理部分的误差进行了较为详尽的 分析。随后，本文针对产生误差的主要环节，从硬件和软件两个方面出发，对积分单 元的设计从各个方面进行了综合考虑，提出了相应的减小误差的方案，同时对采集器 的数字部分提出了相应的改进方案。最后介绍了所研制e c t 样机在国家电力公司武 汉高压研究所进行的准确度实验以及测试结果。试验证明，我们研制的e c t 基本达 到设计要求，其性能已接近实用化水平。 关键词：电子式电流互感器；r o g o w s l ( i 线圈；误差分析；积分；组帧：解帧 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t c u r r e n tt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n th i g hv o l t a g ee q u i p m e n t i ti sw i d e l y d e p l o y e di nm e a s u r e m e n t ，c o n t r o la n dp r o t e c t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ec a p a b i l i t ya n dv o l t a g eo fe l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h ec o n v e n t i o n a l c u r r e n tt r a n s f o r m e r s ( c t s ) s h o ws e v e r a lu n c o n q u e r a b l ed r a w b a c k ss u c ha st h ec a t a s t r o p h i c f a i l u r eo ft h ei n s u l a t i o ns t r u c t u r ea n ds a t u r a t i o ne f f e c t ，e t c 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 ) i sa i m e da tt h ed r a w b a c k so fc o n v e n t i o n a l c u r r e n tt r a n s f o r m e ra n du s e dr o g o w s k ic o i la sas e n s o r , w i t hg o o dl i n e a r i t y , n os a t u r a t i o n e f f e c ta n ds i m p l es t r u c t u r e d u r i n gt h ec o u r s eo fr e s e a r c h i n ge c t s ，t h er e l a t e dt h e o r yh a s f o r m e d h o w e v e r , i ti sn o tp e r f e c ta n dn e e d st od e v e l o pi t t h i sp a p e r sm a i ns u b je c ti st h e s i g n a lp r o c e s s i n go fe c t c o l l e c t o r a tf i r s t ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ew o r kp r i n c i p l e so fr o g o w s k ic o i lb a s e do nt h e a m p e r e sc i r c u i t a ll a wa n dt h el a wo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n , a n da n a l y s e st h e t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fr o g o w s k ic o i l s e c o n d l y , i nt e r m so ft h er o g o w s k ic o i l s d i f f e r e n t i a lp r i n c i p l e ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no ft h ee c tc o l l e c t o ra n dt h es c h e m e o fi t ss i g n a lp r o c e s s i n g t oi n c r e a s et h ep r e c i s i o no fc u r r e n tm e a s u r e m e n t ，i t si m p o r t a n tt o a n a l y z et h ee r r o rr e s o u r c eo ft h ee c t sc o l l e c t o r t h ep a p e rs p e c i f i e st h ee r r o ro fa n a l o g p a r ta n dd i g i t a lp a r tr e s p e c t i v e l y , a n dt h e ng i v e sc o r r e s p o n d i n ga d v i c e st od e c r e a s ee r r o r f o rt h ei n t e g r a lu n i tt h a tb o t hf r o mt h ew a yo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a tt h es a m et i m e ，i t i sa l s op u tf o r w a r d ss o m ei m p r o v e m e n tp r o g r a mf o rt h ed i g i t a lp a r to ft h ec o l l e c t o r a tl a s t ， t h ea c c u r a c ye x p e r i m e n t sa n dt h es a m p l ee c t st e s t sr e s u l t sa r ep r e s e n t e d t h r o u g ht h e s e s t e s t s ，w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ee c ts a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to fd e s i g nb a s i c a l l y , a n di t sp e r f o r m a n c ei sc l o s et ot h ep r a c t i c a ll e v e l k e yw o r d s ： 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 ；r o g o w s k ic o i l ；e r r o ra n a l y s i s ；i n t e g r a l ； e n c o d i n g ；d e c o d i n g 武汉邮电科学研究院硕士论文 第1 章绪论 随着电力工业的发展，传统的电磁式电流互感器的弊端越来越明显，因此，人们 努力寻求新技术、新成果以代替传统的互感器。新型光纤型电子式电流互感器以其优 越的性能逐步受到人们的青睐。本章介绍了国内外电子式电流互感器的国内外发展概 况，在此基础上提出了本课题研究的意义及主要内容，最后给出了文章的整体结构和 章节安排。 1 1 开展光纤型电子式电流互感器研究的意义 电流互感器( c u r r e n tt r a m f o r m c r ) 是电力系统广泛采用的电流传感及变送设备， 它将系统中不同等级的额定电流变换成标准的电流信号，传送给二次设备进行测量、 控制和保护【l 】。目前，电力系统中使用的交流电流互感器主要是电磁式电流互感器， 它基于电磁感应原理，在很长时间内适应了电力系统发展的要求。随着现代电力向高 电压大容量方向的发展，传统电磁式互感器存在的磁饱和、绝缘结构复杂、造价高等 问题【2 1 ，越来越难以适应现代电力系统的发展要求。 近年来，光电技术的迅猛发展，以及微机的广泛应用使电力系统在高电压大电流 测量方面的变革成为可能。光纤型电子式电流互感器( e c t ) 是一种无铁芯、绝缘结 构简单可靠、体积小、重量轻、线性度好、无饱和现象且输出信号可直接与智能数字 设备接1 ：3 的新型电力互感器【3 训。相较于传统互感器而言，e c t 具有以下一些优点： ( 1 ) 没有磁饱和、铁磁谐振等问题。由于电磁式电流互感器采用铁芯式线圈作传 感头，不可避免地存在磁饱和、铁磁谐振和磁滞效应等问题，而e c t 传感头不含铁 芯，消除了上述这些不良影响【5 】。 ( 2 ) 绝缘结构简单、绝缘性能好且体积小、重量轻。在e c t 中，光纤作为连接高、 低电压之间的传输信息的介质。光纤本身是一种绝缘材料，在设计中只需在光纤外面 做一个外绝缘结构，即可解决在不同气候条件下e c t 的绝缘问题。由于光纤及光学 器件的存在，使e c t 的体积和重量都比电磁式小，运输和安装更为方便，还便于测 量电网中不同地点的电流。 ( 3 ) 动态测量范围大、测量精度高。e c t 有很宽的动态范围，测量额定电流的范 武汉邮电科学研究院硕士论文 围从几安培到几千安培【6 】过电流范围可达几万安培。一个e c t 可同时满足计量和 继电保护的需要，从而避免了多个电流互感器的冗余问题。 ( 4 ) 抗电磁干扰性能好、低压侧无开路电压危险。由于e c t 的高压侧与低压侧之 间只存在光纤的联系，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，因此低压侧没有因开路所产生高压的危险，而且避免了电磁干扰的影 响【7 l o ( 5 ) 频率响应范围宽。e c t 实际能测量的频率范围主要取决于电子线路部分，这 种电流互感器已被证明可以测出高压电力线路上的谐波，还可进行暂态电流、高频大 电流与直流电流的测量【8 】。 ( 6 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。e c t 采用光纤绝缘而不采用油绝缘， 在结构设计上就可以避免这类危险事故发生。 ( 7 ) 可以和计算机连接，实现多功能，智能化的要求。根据目前的数字化继电保 护的需要，电流互感器应该能提供数字化的电流信号【9 1 。e c t 更容易实现这些功能， 可以广泛地应用于电流测量、继电保护和高频分析等各个方面。 综上所述，作为传统电磁式电流互感器的代替品，e c t 具有优越的性能和明显 的经济效益及社会效益。研究新型实用的e c t ，对电力系统的安全运行，自动化水 平的提高，以及电力和国民经济的发展都有重要意义【1 m 1 2 1 。 1 2 国内外e c t 的研制发展概况 美国的五大电气公司各自在1 9 8 2 年左右成立了光纤电流互感器专题研究小组， 在1 9 8 6 - 一1 9 8 8 年实现了1 6 1 k v 独立式光纤电流互感器【l3 1 。在1 9 8 7 年1 6 1 k v 的以继 电保护为主的以及1 9 8 9 年5 月1 9 9 2 年的3 4 5 k v 、2 0 2 0 0 0 a 、o 3 级计量与保护的 光纤电流器也挂网运行成功。1 9 9 1 年6 月，a b b 电力t & d 有限公布了用于计量和 继电保护用的3 4 5 k v 电站的光纤电流测量系统，并在运行四个月之后，与标准c t 比 较，所展现出来的仅是0 4 的误差。目前，a b b 公司已研制出1 1 5 - 5 5 0 k v 有源电 子式电力互感器及无源光学电力互感器【1 4 1 。有源电子式电流互感器采用r o g o w s k i 线 圈感应被测电流，电压互感器采用电容分压器结构。无源光学电流互感器采用f a r a d a y 磁光效应感应被测电流，电压互感器采用p o c k e l s 效应感应被测电压。a b b 公司用于 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 g i s 中的互感器采用有源电子式组合电流电压互感器，电流测量精度达到i e c l 8 5 精 度等级o 2 ，电压测量精度达到i e c l 8 6 精度等级0 2 t 1 5 。17 1 。 此外，前苏联和日本也较早组织有关研究院和电力公司进行电子式电流互感器的 研究，前苏联研制出电压等级达7 5 0 k v 的频率脉冲调制式的电子式电流互感器【1 8 】。 日本也于1 9 8 1 年起组织了五大电气( 电力) 公司对光纤电流互感器理论、材料、性能 等进行了研究。日本的东京电力公司与东芝公司合作，1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月研 制的g i s 设备用的o c t ( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 与o p t ( o p t i c a lp o t e n t i a l t r a n s f o r m e r ) 长时间试验，一直能很好地运行，试验数据均符合i e c l 2 0 1 标准。1 9 9 8 年，日本f u r u k a w a e l e c t r i c c o l t d 研制出用于6 6 k v 传输线谐波分析的o c t 、 o p t t l 9 - 2 1 1 。 我国的一些厂商、科研院所和高等院校也在努力探讨研制e c t ，虽然取得一定 成果，但也还存在不少问题。沈阳变压器帮是我国最早开始研制e c t 的厂家之一， 其在2 0 世纪8 0 年代就把研制出1 1 0 k v 的e c t 挂网运行，但在当时由于运行不太理 想而后又被拆除【2 2 1 。在1 9 9 1 年，由清华大学和中国电力科学院共同研制的1 1 0 k v e c t 通过国家鉴定并挂网试运行。1 9 9 3 年底，由原华中理工大学研制成功的1 1 0 k v e c t 在广东省新会供电局挂网试运行【2 3 1 。 随着国际电工委员会关于e c t 标准的出台，以及我国e c t 国家标准的起草，不 仅标志着对e c t 的误差等级有了明确要求，表明e c t 产品化应用已初步具备了行业 规范，也为e c t 的市场化提供了基础平台。经过几年的电网改造，电网的综合自动 化水平已得到很大的提高，对现阶段e c t 的精度等级提出了更高的要求。因此，e c t 误差的大小及精度的提高已经成为目前e c t 是否能够实用化的关键问题，也是e c t 发展所必须解决的问题【2 牝5 1 。 1 3 课题来源及本文的主要创新点 为适应电力系统自动化、智能化发展的需要，促进我国电力事业，武汉光迅科技 股份有限公司与华中科技大学合作开展了用于中压等级电子式电流互感器的研制工 作。经过2 年的共同努力，我们已经完成2 2 0 k v 的电子式电流互感器样机，并在国 家电力公司武汉高压研究所通过一系列型式试验和例行实验。 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 本课题的主要研究对象为基于r o g o w s k i 线圈测量原理的2 2 0 k v 电子式电流互感 器。作者主要参与了电子式电流互感器的一次信号处理工作，对信号处理过程中的误 差进行了分析，并提出相应的改进方案。 主要完成的工作内容及创新点如下： 1 、对r o g o w s k i 线圈产生的误差进行分析； 2 、对高压侧采集器主要的误差来源，即积分单元的误差进行分析； 3 、从硬件和软件两个方面来设计减小采积分单元误差的方案； 4 、对高压侧采集器的数字部分进行了相应的改进。 5 、参与e c t 的准确度实验。 本文由六章组成，各章节的具体安排如下： 第一章，综述了开展e c t 研究的重要意义、国内外的研发状况，说明了本课题 的来源以及作者主要从事的工作； 第二章，介绍了r o g o w s l d 线圈的测量原理，对r o g o w s k i 线圈产生的误差以及温 度对其影响进行了分析； 第三章，介绍了e c t 采集器的基本原理，从模拟和数字两个部分对影响其准确 度的主要因素进行了分析，提出了差生误差的原因； 第四章，针对第三章中产生误差的原因，从硬件和软件两个方面提出了相应减小 误差的方案，给出了相应的电路设计和测试结果；同时，就采集器的数字部分提出了 改进方案。 第五章，围绕i e c 6 0 0 4 4 - 8 标准对电子式电流互感器的要求，对e c t 的准确度进 行了实验； 第六章，全文总结与展望。 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章r o g o w s k i 线圈的测量原理 作为传感头的r o g o w s k i 线圈是电子式电流互感器的主要部件之一。本章分析了 基于安培环路定理和电磁感应原理的矩形截面r o g o w s k i 线圈的基本工作原理和工 作状态。通过等效电路分析了r o g o w s k i 线圈存在的幅值误差和相位误。最后，分析 了温度对r o g o w s k i 线圈精度和性能的影响。 2 1r o g o w s k i 线圈基本原理 r o g o w s k i 线圈是将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成的一种空心 电感线圈，又称磁位计【2 6 】。后被推广到电流测量领域，进行脉冲大电流、直流大电流 的测量。r o g o w s k i 线圈是在非磁性材料上均匀绕制多匝小线圈，测量电流时将其环 绕在载流导体周围，首尾紧密吻合。 r o g o w s k i 线圈的传感能力主要源于安培环路定理和电磁感应原理。安培环路定 理是指在任意磁场中，磁场强度矢量沿着任意闭合曲线的线积分等于由这个闭合曲线 所包围的所有传导电流的代数和，其中电流的正负方向和线积分的方向是根据右手法 则确定的。可直观表示为： i b dz = i( 2 1 ) 一 l 安培环路定律最主要的应用是计算具有一定对称性的电流分布所产生的磁场强 度。 电磁感应是因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场 里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应【2 7 1 。 只要穿过回路的磁通量发生变化，电路中将产生感应电动势。感应电动势的大小 跟穿过这一电路的磁通量变化成正比。导体回路中感应电动势e 的大小，与穿过回路 的磁通量的变化率成正比。若闭合电路为一个r l 匝的线圈，则又可表示为：式中1 3 为线圈匝数，为磁通量变化量，单位w b ，a t 为发生变化所用时间，单位为s 。为 产生的感应电动势，单位为v 。 图2 1 所示为采用矩形截面的r o g o w s k i 线圈测量电流，图中a 为横截面的内半 径，b 为横截面的外半径，z 为横截面的宽，h 为横截面的高。 5 图2 1 矩形截面r o g o w s k i 线圈结构原理图 由安培环路定理可知： 面日讲= f ( 2 2 ) i 丢t d ；，磁场强度h = 瓦予 ( 2 3 ) 根据电磁场理论可知，对于载流的长直导体，导体外部环绕被测电流的磁感应强 度为： b = oh = 芬粤 ( 2 4 ) 从而可得通过任意单匝线圈的磁通量为： 矽= 可b 凼= r 盼专拓办= 譬l n ( 扣 ( 2 5 ) 其中心为真空磁导率。若线圈总匝数为1 1 ，则磁链为： = n 矽 ( 2 6 ) 再根据法拉第电磁感应定律可知，线圈感应电压为： p ( f ) = 一弓 = 一兰譬争旦l n ( 寺) 鲁 ( 2 7 ) 可得矩形横截面r o g o w s k i 线圈与一次侧导体之间的互感m 为： m = 等粤三1n ( 了b ) ( 2 8 ) 对于结构一定的r o g o w s k i 线圈，m 为常量。由此可知r o g o w s k i 线圈所交链的 磁链与穿过其限定面的电流成正比。当制作r o g o w s k i 线圈满足线圈沿环形骨架绕制 均匀，e d 、线匝所包含的面积非常细小并均匀时，它具有如下特性2 8 1 ： 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 ( 1 ) r o g o w s k i 线圈只与它限定面所穿过的载流导体存在互感，对于未穿过线圈限 定面的载流导体不存在互感。 ( 2 ) r o g o w s k i 线圈与穿过其限定面的载流导体之间的互感为一常量，与该载流导 体穿过r o g o w s k i 线圈限定面的位置无关。 利用r o g o w s k i 线圈的以上特性，在外界杂散磁场非常复杂的情况下可以准确的 测量电流。 2 2r o g o w s k i 线圈的误差分析 图2 2 所示为r o g o w s k i 线圈等效电路图。其中审( 力为一次电流，“t ) 为线圈的电 势，厶为二次绕组的漏电感，厶为引线的电感，l 为线圈的总电感，r 。为二次绕组和 引线的总电阻，凰为功率因数为1 时的负荷阻抗，c 。为电缆的等效电容，阢( t ) 为输 出电压，p 1 、p 2 为一次端子，s 1 、s 2 为二次端子。 图2 2r o g o w s k i 线圈等效电路图 由等效电路可知： p ( f ) = 三掣+ ( r ，+ r b ) f 2 ( f ) ( 2 9 ) “。( f ) = i 2 ( t ) r b 但1 0 ) 其中，i 2 ( t ) 为感应电流。所以，当( r r + r b ) 口l 国时， g ( f ) = ( r + r ) 之( f ) = ( r + r ) 百u s ( t ) = 一m 乞竽( 2 1 1 ) 可得： ，p ( f ) = 一错北( 于) 巩 ( 2 1 2 ) 对矩形横截面线圈而言，二次绕组和引线的总电阻r t 为： 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 r ，= 孚= 竺学 其中，p 为导线的电阻率，d 为导线直径。根据傅立叶变换可得： e ( 缈) = 面g ( f ) p 一倒衍= 一d i p ( t ) , e _ j c o t d t = j c o m i p ( c o ) ( 2 1 4 ) p ( f ) = ( r + 见+ j c o l ) 百u s ( t ) ( 2 1 5 ) 在被测电流频率较低的情况下，忽略线圈杂散电容c 。对输出的影响，可得： 删= 一矗缸。m 掣 变成相量表示则为： 蚝( 国) = 面扰5 0 ) e - j m t 衍= 赤国m ( 国) ( 2 1 7 ) 可得： 等m + 鲁r 等m + 等r 。等m = 弘p ( 国) 亿嘲 彩 。 缈 。 缈 _ ，“ ， ，o 、 从而可得r o g o w s k i 线圈的相量关系。图2 3 为r o g o w s k i 线圈的相量图，由图可 以看出，当僻。+ r b ) l r c 时， 堡盟：!彭j 二 ( s ) 1 + r c sr c s 兰盟j 二 e ( s ) r c s ( f ) = 去哪v r ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) v o 和v i 为近似的积分关系，且w o 1 时，形成近似的积分关系： u 2 ( s ) 一! u l ( s )r i c s ( 3 7 ) ( 3 8 ) 幅值关系为： i 生l - j 一 ( 3 9 ) 由反馈电阻r 2 带来的幅值误差和相位误差分别为： 1r 1 -。-=：= 弘一。1。两1r c r c 圭( 方b 埘 缈1、f i ”疗) ， ，。、 妒= a r c t g ( 2 j r f x 足。一9 0 。( 3 1 1 ) 3 2 3 温度对积分器的影响 由于电阻和电容的参数也与温度有关，因此温度变化会影响模拟积分传输特性 3 9 1 。首先，电阻、电容的精度和阻值偏差应在允许的范围内，如果长期在户外运行， 还需考虑温度稳定性。 电容、电阻温度系数定义为温度每变化1 。c 时电容量或电阻的相对变化率m 1 。 温度系数越大，则容量及阻值随温度漂移越大。目前，较好的电阻器其温度系数一般 为1 0 5 。c - 1 ，较好的电容其温度系数一般为3 x1 0 小c 。以图3 4 为例，假设运 算放大器为理想器件，则其输出信号的幅值为： 川= i _ 盘i - 赤阶足川 ( 3 1 2 ) 公式( 3 1 3 ) 中k 为与电阻电容有关的系数。k 的温度系数为： 堕- - - - 0 ) r 。正r c ) - i = - ( 器+ 旦) ( 3 1 3 k d t d tr d tc d t ) 1 、 ， i1j 公式( 3 1 3 ) 表明，k 的温度系数是电阻冠和电容c 的温度系数之和。若电阻的温 度系数是1 0 。5 。c 一，电容的温度系数是3 1 0 山c - 1 ，且温度变化1 0 0 0 c ，则 1 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 ( d 豳k ) = = 0 4 ，就会使积分器的传输特性受到较大影响，不能满足准确度o 2 级的要 求。 国外一些公司在产品中采用具体测出线圈部分和电路部分的温度误差，由软件进 行补偿，取得了比较好的效果，例如，a b b 公司用于g i s 的r o g o w s k i 线圈电流互感 器补偿后的温度误差仅为0 0 1 1 f 4 l 】。由于这种方案复杂且成本较高，在准确度低于 0 1 级的互感器中不推荐使用。我们通过反复实验，选择温度系数小、温漂特性好的 电阻和电容等元件，使具有正、负温度系数元器件的误差相互抵消，既将误差控制在 允许范围内，又有效的控制了成本。 3 3 采集器的数字部分 3 3 1 同步和功耗 采集器的数字部分的设计主要有两个方面的问题。一个方面是采样的时间同步， 另一个则是采集器电路功耗的降低。 时间同步是指来自不同设备间隔的电流、电压信息的数据是在同一个时间点上采 得，以避免相位和幅值产生误差。在电力系统中，精确时间同步是十分重要的，它广 泛应用于继电保护、故障测距、故障分析、自动控制以及电度采集等诸多方面。同步 采样被分为不同间隔的合并单元之间的同步，同一间隔内各互感器的同步以及同步时 钟的获得三个问题。 如图3 5 所示，合并单元接收变电站内的g p s 同步时钟以达到合并单元与合并单 元之间的同步采样。通过g p s 的同步，每个合并单元对同一间隔内各互感器进行同 步。 电流测量 同步指令 数据采集模块 电流保护 同步指令同步g p s 数据采集模块 合并单元 电压数据 同步指令 采集模块 图3 5 同步指令结构 1 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 时钟脉冲不是每个测量传送一次，而是每秒一次。用它使合并单元的内部时钟与 某一母钟同步。由于时钟脉冲是良好的周期性信号，反应时间可以为0 。这样，可以 确保两个时间脉冲之间的各次测量皆不超过互感器规定的相位误差，只要求不在各时 间脉冲出现的同一时刻进行测量。 此外，由于电子式电流互感器的高、低压之间没有电的联系，高压端电源只能采 用激光供能、c t 供能等方案。这些方案提供的能量都非常有限，尤其是激光供能， 输出的功率约为1 0 0 - - 3 0 0 m w 左右，且激光器价格昂贵，大功率激光器更是不能长 期工作于大功率状态，因此，为了保证电子式电流互感器能够不问断、稳定地工作， 必须对高压端电路进行微功耗设计【4 2 1 。 3 3 2 a d 转换 与传送模拟光信号方案、压频变换方法传送方案相比，基于a d 转换的数字光信 号传输方案具有以下优点【4 3 】： ( 1 ) 在高压侧完成模拟信号的数字化。只要选用准确度足够高的a d 即可达到 目的，且数字化的准确性容易保证。 ( 2 ) 使用光纤传输数字信号，克服了光纤传送模拟信号时l e d 驱动电流与输出 光强非线性的缺点，增加了系统的噪声容限，传输过程中不产生附加误差。 ( 3 ) 传输速度快，系统延时小。 为了保证三相间同步采样，有低压侧合并单元给出采样启动信号，高压侧采集器 的c p u 接收到低压侧发送的启动指令后，为a d 转换器提供转换起始信号和同步时 钟信号，在6 个时钟脉冲后，a d 的转换结果出现在数据输出线上，数据输出线在无 数据时呈高阻态( 可用上拉电阻将其拉至高电平) 。模拟保护通道信号和测量通道信 号转变为数字量后，以一个“0 表示起始位开始，后面紧跟a d 的转换结果，最后 以高电平表示停止位，结束传输，以此规则1 7 位串行数据将通过l e d 转换为光信号 向低压侧合并单元发送。 采集器c p u 选用t i 公司生产的超低功耗微控制器m s p 4 3 0 系列，它具有1 6 位 r i s c 结构，1 6 位c p u 寄存器和常数寄存器，4 k br o m 、2 5 6 bf l a s h 和2 5 6 br a m ， 可串行在线编程，指令周期为1 2 5 n s 。超低工作电压( 1 8 v - 3 6 v ) ，超低功率消耗 1 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 ( 1 3 u a 1 6 0 u a ) ，具有5 种省电模式【4 4 1 。 a d 转换器件的精度对测量结果有直接影响，是整个设计的关键，必须仔细选择。 在设计中我们采用了1 i 公司的逐次逼近型a d 转换器a d s 系列和m a x 系列公司的 基准源m a x 系列。a d s 系列是一种单极性输入，串行原码输出的a d 转换芯片， 其静态参数为：分辨率1 6 位，d n l 为1 l s b ，i n l 为+ 4 l s b ( - 4 - 0 0 0 6 1 ) ，失调误差 为士1 6 l s b ( + 0 0 2 4 4 ) ，增益误差为：t ：1 2 l s b ( + 0 0 1 8 3 ) ，几项误差相加得到总的静态 误差为+ 3 2 l s b ( + 0 0 4 8 8 ) t 4 5 1 。通过校正失调误差和增益误差，可使静态误差下降为 士4 l s b ( + 0 0 0 6 1 ) 。而它的e n o b 在2 k h z 时仍为1 4 7 b i t ，具有较好的动态性能。 理论上，a d s 系列有着良好的线性度1 5 l s b ，即1 5 2 6 = 2 2 9 2 巧，其转 换的误差可以保证在万分之几以内。在实际应用中，其特有的低功耗模式可以使芯片 功率降到更低，在1 0 k h z 的转换速率时，功耗小于l m w 。 本设计中选择了高性能的4 0 9 6 v 电压基准m a x 系列，其主要技术指标包括： 低温漂为3 p p m o c ，1 6 9 v p p 低噪声特性( 0 1 h z 至1 0 h z ) ，4 0 9 a 低静态电流，士0 0 4 ( 最大值) 初始精度，1 5 m a 输出电流能力 4 6 1 。3 p p m o c 的温漂在本设计要求的温度范 围( 4 0 0 c 至7 0 0 c ，以2 5 0 c 为基准点) 内误差为1 9 5p p m ( _ + 3 p p r r g o c 6 5 0 c ) ，未校 准时可达到1 2 位的精度，能够满足o 2 级系统设计要求。 3 3 3 电，光变换 由3 1 节可知，一次侧采集器和二次侧合并单元之间使用光纤连接传输数据。光 纤不仅有很强的绝缘能力，使高压侧和低压侧之间实现了完全的电隔离，同时光纤还 有极强的抗干扰能力，使得数据的传输不会受到任何电磁干扰。 我们选用了某公司的高速垂直腔发射( v c s e l ) l e d 作为电光转换电路的光源。 其谱线宽度窄，通常为2 5 r i m ，可以认为是单色光，光发中心波长值为8 5 0 n m t 4 7 1 。运 行电流密度小，寿命长，噪声小，有利于提高信噪比。 在采集器选用低功耗运放和低功耗a d 转换器、c p u 后，这部分电路的功耗通 过实测和理论估算，小于8 0 m w 。但光传输系统所需的电光转换器件l e d 所需的驱 动电流较大，即使选用v c s e l 的l e d ，其驱动电流也需要8 1 0 m a ( 考虑到较宽的 温度范围) 【4 引。无疑l e d 是采集器电路中功耗最大的器件，合理设计光传输系统， 1 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 减少l e d 的数目，将大大降低e c t 采集器电路的功耗，这对于光传输系统来说，也 是一个设计关键。改进方案将在第四章中另文介绍。 光数据的接收在低压侧合并单元完成，需要对a d 转换值的光电转换、串并转 换，并解调出同步时钟脉冲以及提供给二次侧c p u 读取转换值的接口。 光电转换模块的基础是光电探测器，在光通信系统中，对光电探测器件的要求一 般为：响应时间短、带宽足够宽、附加噪声小、光谱峰值与光源波长接近、性能稳定 等。在高速应用中，一般使用p i n 光电二极管。针对数字光电转换器大量的需要，市 场上现已出现了集成后级放大及处理电路的一体化p i n 光电转换器，它可直接输出数 字逻辑电平。 我们在设计中采用了安捷伦公司型号为h f 系列的光电转换器。其中心波长为 8 2 0 n m ，最高数据速率可达5 m b d ，符合i e e e 8 0 2 3 以太网和8 0 2 5 令牌环网标准【4 9 1 ， 可以很好的满足设计要求。 3 4 本章小结 r o g o w s k i 线圈输出的模拟信号直接送入到e c t 采集器，本章介绍了采集器的结 构以及信号处理流程。采集器对r o g o w s k i 线圈输出的信号处理分模拟和数字两个部 分，模拟部分的主要功能是信号调理、积分和一些信号处理的优化配置电路，如前置 驱动、基准电压等；数字部分的主要功能是a d 转换和电光变换。 积分电路的性能一直是影响r o g o w s k i 线圈电流传感器的精度和稳定性的重要因 素之一。模拟积分器可以分为无源积分和有源积分两种。本章介绍了常用的模拟积分 电路及其特性，以传递函数为基础分析了有源积分的误差。同时，从电阻和电容的参 数与温度的关系，分析了温度变化对误差产生的影响，为模拟积分的设计和元件的选 择提供了理论依据。 e c t 采集器数字部分的设计需要考虑同步采样和低功耗这两个方面的问题，本 章介绍了e c t 的同步指令结构。此外，由于a d 转换器件的选择是整个e c t 数字部 分设计的关键，直接关系到测量结果的精度，本章介绍了基于精度和功耗两方面考虑 所选择的a d 器件的性能参数、m c u 芯片的性能参数、m c u 对a d 的时序控制以 及电光转换单元的特性。 2 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 第4 章减小采集器误差的设计方案 本章针对第三章分析的e c t 存在的主要误差来源，提出了几种减小误差的设计 方案。在积分单元，首先针对模拟积分方法提出了相位补偿方案；其次，介绍了数字 积分的基本原理并提出了一套基于集成的芯片数字积分器的设计方法，其中包括了设 计的原理、程序的流程、测试的结果以及改进方案等。最后，对于采集器电路的数字 部分做了相应的低功耗改进。 4 1 积分单元的相位补偿 经过积分单元处理后，在相位上仍然会存在一定的误差使得电子式电流互感器不 能满足i e c 6 0 0 4 4 8 标准上的精度要求，此时需要通过相位调节来补偿积分后存在的 相位误差。 如图4 1 所示，相位补偿电路是针对固定频率的移相，由一个运算放大器和简单 的r c 网络构成，使输出信号相位滞后于输入信号，可调节在0 1 8 0 。之间移相。 r 图4 1 移相电路 电路的传递函数为： 。2 ( t 一赤) ， 相移范围： 伊= 一a r c t a n 研2 c o r o c o = - 2 a r c t a n ( 2 xf c o r o ) ( 4 2 ) 伊一f 瓣 ) j 可以看到，当o r o c o - 0 时，9 一o ；当o r o c o o 。时，q 一1 8 0 。，改变凡、c o 可以调节移相角度的大小。设电路中髓的阻值变化范围为5 k , q - 1 5 k i 2 ，c o = 0 0 1l i 2 1 武汉邮电科学研究院硕士论文 当i b = 5 k q ，伊= 一2 a r c t a n ( 2 n x 5 0 x 0 0 1 x 1 0 - 6 x 5 x 1 0 3 ) = 一1 7 9 9 8 。 当r o = 1 5 妯，矽= - 2 a r c t a n ( 2 n x 5 0 x 0 0 1 x 1 0 。6 1 5 x 1 0 3 ) = 一5 3 9 6 。 即可补偿一1 7 9 9 8 。一5 3 9 6 。范围内的相位误差。 移相电路是针对固定频率( 如5 0 h z 的基波) 进行相位调节，对于信号中含有的 其他频率成分，如传感器输出的信号经滤波后含有的二次谐波，经过移相电路后移相 角度不同，会带来相位失真。但考虑到信号中其它高次谐波幅值比基波小很多，因此 可以忽略。 4 2 数字积分的基本原理 模拟积分器虽然具有结构简单、响应速度快、输入动态范围大等优点，但它同时 具有明显缺点。首先，在实际情况中，由于器件不是理想器件，运放的偏移以及其他 模拟器件的时漂和温漂等因素都会对积分结果产生影响，造成误差。其次，模拟积分 器的反馈和补偿的设计不够灵活，由此可能引入新的误差【5 0 1 。对于电子式电流互感器 来说，要求积分器长时间稳定的工作，要完全克服模拟积分造成的误差是时分困难的。 与模拟积分器比较，数字积分器中的模数转换和运放驱动电路结构简单稳定，受 温度漂移、时间漂移影响小。此外，数字积分器设计灵活，实现积分算法不受环境和 温度因素影响，可靠性和可重复性高，避免了传统模拟积分器的问题【5 。 在数学上，积分是求取某一曲线下面积的过程。如矩形法【5 2 】就是把取边梯形分成 若干个窄边梯形，从而求得定积分的近似值。 如图4 2 所示，用x o ，施，毛将区间分成1 1 个长度相等的小区间，每个小区 间的长度为a x ，并设函数) = 歌) 对应于各分点的函数值为肋，肋，o l o 9y m 。 轴 图4 2 矩形法求积分 武汉邮电科学研究院硕士论文 此时有： e m ) a x = y o a x + y t a x + + y , a x = 荤斗 ( 4 3 ) 根据数值积分的原理，设采样频率为f ，时间间隔为a t = l f , 则通过对r o g o w s k i 线圈输出电压的积分可以还原被测信号，可将上的数字积分可将式( 4 3 ) 转化为： h g ) 一古善以小f ( 4 4 ) 式中m 为感应出的电压与被测电流间的比例系数，i 为被测电流，e 为输出电压。 在实际应用中，为提高数字积分的精度，通常采用复化的梯形求积公式。 研究数字积分的基本原理是为了更好的理解数字积分器，使设计有理论依据。数 字积分器实现的一种较为常见方式是先采用a d 转换，将r o g o w s k i 线圈输出的模拟 信号转换成数字信号，然后将此数字信号输入至d s p 或单片机进行算法处理，来实 现数字积分。随着芯片技术的发展，目前已经有了集成芯片完成数字积分器的功能。 由于采用集成芯片实现的数字积分器，结构简单，芯片内电流通道有一个专为d i d t 型传感头设计的数字积分器，可直接与r o g o w s k i 线圈的输出相连，因此更适合于光 纤电子式电流互感器【5 3 1 。 4 3 基于a d e 7 7 系列实现的数字积分 4 3 1 基于a d e 7 7 系列数字积分的设计原理 a d e 7 7 系列是a n a l o gd e v i c e s 公司生产的一种带串行接口和脉冲输出的高精度 电能计量芯片。其电流通道内置有一个数字积分器，特别为d i d t 型传感头设计，可 直接与r o g o w s k i 线圈的输出相连。通过设置，可选择经过积分后不进行电能计算， 而直接输出积分后的波形值。 a d e 7 7 系列内含有两个二阶y a a d c 、一个数字积分器、内置基准电压、温度传 感器以及有功功率和电能计量所需的信号处理器。其工作温度范围为- 4 0 + 8 5 ，仅 需+ 5 v 单电源供电，其典型功耗值为2 5 m w 。在1 0 0 0 ：1 电流动态范围内精度为o 1 ， 温度系数典型值为2 0 p p m 。c ：其最高采样率可达2 7 9 k s