（通信与信息系统专业论文）数字变电站信息采集数字化的研究与实现.pdf

镬确镬， q叫m爿； 麓魄，瓣警驾，囊q0 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文数字变电站信息采集数字化的研 究与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： ，1 0 毒1 再 习曼 i i ， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着数字信息时代的到来，数字变电站已成为电力系统研究的热点。信息采集 是数字变电站技术中的核心环节。传统的电流采集装置由于存在高压绝缘复杂、测 量范围小等许多难以克服的问题，从而被新的光电流互感器取代。本文从硬件和软 件两方面研究了基于r o g o w s k i 线圈采集变电站中电流信息的方法。硬件方面主要 设计了高压侧采集系统和光纤传输单元的硬件电路，并完成了部分硬件的搭建、调 试；软件方面设计了控制a d 采样的流程图和低压端网络接口部分流程图，编程实 现了对刖d 采样的控制。通过对部分硬件的测试，得出了r o g o w s k i 线圈的线性度 和测量误差，为数字变电站高压电流的采集奠定了基础。 关键词：数字变电站，电流采集，r o g o w s k i 线圈，硬件和软件 a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go fd i g i t a li n f o r m a t i o na g e s ，t h ed i g i t a ls u b s t a t i o nh a sb e c o m eah o t r e s e a r c hi np o w e rs y s t e m t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ni st h ec o r el i n ki nd i g i t a ls u b s t a t i o n t h et r a d i t i o n a lc u r r e n tc o l l e c t i o nh a sm a n y p r o b l e m ss u c ha st h ed i f f i c u l to fh i g hv o l t a g e i n s u l a t i o n ，t h es m a l lo fm e a s u r i n gr a n g ea n ds oo n s oi tw i l lb er e p l a c e db yt h en e w o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r t h em e t h o db a s e do nr o g o w s k ic o i l t oc o l l e c tc u r r e n t i n f o r m a t i o ni ns u b s t a t i o ni ss t u d i e df r o mt w oa s p e c t so fh 砌w a r ea n ds o f t w a r e t h ea s p e c t o ft h eh a r d w a r em a i n l yd e s i g n e dh a r dc i r c u i to ft h ea c q u i s i t i o ns y s t e mo fh i g hv o l t a g e s i d ea n dt h ef i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n di th a sc o m p l e t e dt h eb u i l ta n dt e s t e do ft h e h a r d w a r ec i r c u i t t h ea s p e c to ft h es o f t w a r em a i n l yd e s i g n e dt h ef l o wc h a r to fc o n t r o l t h ea ds a m p l ea n dt h ef l o wc h a r to fn e t w o r ki n t e r f a c ei nl o wv o l t a g e ，a c h i e v e dt h ea d s a m p l e b yp r o g r a m m i n g b yt h et e s t i n go fs o m eh a r d w a r ec i r c u i t ，i tc a nb eo b t a i n e dt h e l i n e a ra n dt h em e a s u r e m e n te r r o ro ft h er o g o w s k ic o i l ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h e c u r r e n tc o l l e c t i o no ft h eh i g hv o l t a g ei nd i g i t a ls u b s t a t i o n l iz h a o f e n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f q iy u l i n k e yw o r d s ：d i g i t a ls u b s t a t i o n ，c u r r e n tc o l l e c t i o n ，r o g o w s l 【ic o i l ，h a r d w a r ea n d s o f t w a r e 1 0 j奎 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言l 1 1 研究课题的背景及意义1 1 2 国内外研究动态2 1 2 1 数字变电站的发展与研究现状2 1 2 2 光电式电流互感器的研究现状3 1 3 本文的研究内容4 1 4 本文的章节安排4 第二章信号采集方案的研究与确定6 2 1 光电式电流互感器6 2 1 1 光电式电流互感器的特点一7 2 1 2 光电式互感器的分类、存在问题及解决方法7 2 2 有源光电式电流互感器设计方案9 2 3 本章小结1 1 第三章r o g o w s ki 线圈的理论研究1 2 3 1r o g o w s k i 线圈的原理1 2 3 1 1 横截面为圆形的r o g o w s k i 线圈1 2 3 1 2 横截面为矩形的r o g o w s k i 线圈1 3 3 2r o g o w s k i 线圈的研究1 4 3 2 1 自积分工作状态1 4 3 2 2 微分工作状态15 3 2 3 微分状态下r o g o w s k i 线圈的频率特性16 3 3r o g o w s k i 线圈的实现1 7 3 3 1r o g o w s k i 线圈骨架材料的选择18 3 3 2r o g o w s k i 线圈绕线材料的选择18 3 3 3r o g o w s k i 线圈的制作工艺1 8 3 4 本章小结1 9 第四章高压端信号采集系统的设计2 0 t f f 毒 5 1 1 光纤简介4 5 5 1 2 光纤传输系统概述4 5 5 1 3 光纤传输单元的硬件设计4 6 5 2 低压端网络接口部分4 7 5 2 1 高低压单片机之间的数据传输4 8 5 2 2 网络接口部分简介4 9 5 3 本章小结5 1 第六章结论5 2 6 1 总结5 2 6 2 未来工作的展望5 2 参考文献5 4 致 射5 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 8 i i 】1分 亡-一 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究课题的背景及意义 数字化技术是当今科学发展的前沿技术，变电站数字化对进一步提升变电站综 合自动化的水平起到了很大的促进作用。所谓数字化变电站就是变电站中所有信息 的采集、传输、处理、输出过程由模拟信息全部转换为数字信息。数字化变电站系 统的特点包括：数字采集数字化，系统分层分布化，信息交互网络化，设备操作智 能化【l 】。它一出现就受到了极大的关注，目前成为我国研究的热点之一。随着科技 的不断进步，数字变电站必将成为变电站技术建设和发展的方向。数字变电站中信 息采集是监控的中心环节，本文则主要研究电流信息的采集。电流互感器( c t ) 是电 力系统中进行电能计量的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经 济运行密切相关。目前，电力系统中的电流互感器是电磁式的，由笨重的铁芯和一、 二次绕组组成。在它的铁芯上绕有一、二次绕组，它的一次绕组串联在电力线路中， 二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动控制装置。依靠一、二次绕组之 间的电磁耦合，将信息从一次侧传n - 次侧。在铁芯与绕组之间，以及一、二次绕 组之间有足够耐电强度的绝缘结构，以保证所有的低压设备与高电压相隔离。随着 电压等级的提高和传输容量的增大，传统的电磁感应式电流互感器出现了许多不可 克服的问题【2 】【3 】：高压绝缘技术要求复杂，易燃易爆；动态范围小，频带窄，误差 大；体积大，生产成本高；对二次侧要求严格；不能与数字电路直接连接，难于实 现产品智能化。另外，电磁式电流互感器还有易受电磁干扰、维护工作量大、漏油 污染环境等缺点。 而新型的光电电流互感器则具有相对的优势【4 1 ：无铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐 振现象，线性度好，绝缘简单，测量范围大、频带宽、精度高，体积小、重量轻、 成本低，减少了变电站的面积；利用光纤传输信号，抗电磁干扰性能好；数字化输 出，简化了互感器与二次设备的接口，避免了信号在传输、存储和处理中的附加误 差，适应了当今的数字化时代，成为当今数字变电站信息采集的主要使用对象。 实现数字化变电站对于我国变电站的自动化运行和管理将带来深远的影响和 变革，具有非常重大的技术和经济意义。在技术上，实现数字化变电站可以减少设 备的检修次数和检修时间，提高设备的使用效率；减少自动化设备数量，简化二次 接线，提高系统的可靠性；设备具有互操作性，方便了设备的维护和更新，减少投 运时间，提高工作效率。此外，还可以方便变电站的扩建及自动化系统的扩充。在 经济上，可以实现信息在运行系统和其它支持系统之间的共享，减少重复建设和投 资，减少占地面积，减少变电站寿命周期内的总体成本【5 】。 f 0 华北电力大学硕士学位论文 光电式电流互感器优良的绝缘性能和暂态性能，可靠性高以及通过光纤传输很 好的将高压侧与低压侧隔离，避免了人高压触电的危险。另外，光电式电流互感器 的输出是数字化的信息，适应了当今的数字时代，并且能方便的通过计算机来控制， 实现了信息采集的数字化等诸多优点。总之，数字变电站中光电流互感器的使用， 将给国内乃至国际变电站自动化的运行和管理带来巨大的影响，具有非常重要的现 实意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 数字变电站的发展与研究现状 数字化变电站是基于i e c 6 1 8 5 0 标准的。国外针对i e c 6 1 8 5 0 标准的研究和应用 开始较早，美国、德国、荷兰等国都有示范工程，以验证和完善标准。国外几个大 的电力设备公司如a b b 、西门子等，已开发了全套的数字化变电站一次设备和二次 设备，得到成功的应用。在i e c 6 1 8 5 0 标准的制定过程中，进行了各厂家设备间的 互操作试验并在示范变电站得到应用。国外厂商已经开发出符合i e c 6 1 8 5 0 要求的 智能电子设备。a b b 公司开发的智能化系统设备还融合了保护功能和测控功能，该 系统在国外已有一定范围的应用。从1 9 9 8 年到2 0 0 0 年，a b b ，a l s t o m 和s i e m e n s 的合作在德国进行，完成间隔层设备和主控站之间的互操作实验。2 0 0 2 年，在美国 进行了采样值传输互操作实验。2 0 0 2 2 0 0 4 年，这三家公司在德国柏林验证了互操 作和简化工程的可行性【6 】【7 1 。 我国在数字化变电站设备领域的研究取得了长足的发展。中国电力科学院和国 内的各大电力设备制造厂商从2 0 0 1 年开始关注i e c 6 1 8 5 0 ，并开始对它的标准进行翻 译【8 】【9 1 。具有国际先进水平的光电互感器已通过了国家级鉴定，最长有多达一年半 的连续稳定运行记录。2 0 0 4 年，河北省电力勘测设计院开始对“数字化变电站”项目 立项，主要从事数字化变电站的设计工作，主要包括电子式电流互感器的实施方案， 智能化一次设备实施方案，网络化二次设备实施方案及数字化变电站网络设计。第 一个采用国产设备的数字化变电站山东1 1 0 k v 阳谷冷轧薄板厂变电站于2 0 0 5 年1 月 2 9 日顺利投入运行，实现了变电站信息采集、输出和处理过程数字化。2 0 0 6 年1 月 1 5 日，云南电网在曲靖供电局翠峰变电站正式拉开了变电站自动化技术向全数字化 变电站技术迈进的第二次技术革命的帷幕。2 0 0 6 年1 2 月1 3 日，坐落于塞外草原四予 王旗的杜尔伯特变电站一次启动成功，它是全国首座新建2 2 0 k v 数字化变电站，是 我国变电站技术革新的里程碑。2 0 0 6 年1 2 月3 0 日上午，江苏首座数字化变电站无 锡1 1 0 k v 圆石变电站正式投入运行【5 】。 数字化变电站的投运，使我国变电站的建设和发展翻开了崭新的一页，吹响了 变电站向数字化方向发展的号角。更为重要的是一些产品都是我国自行研制的，使 2 缸i i j ， h i l 华北电力 我国真正意义上赶超国际先进水平。 1 2 2 光电式电流互感器的研究现状 数字变电站的数据采集主要是用电子式电流互感器来实现。用光技术测量电流 开始于二十世纪六十年代，由于当时光纤刚刚问世，技术不成熟，所以光信号靠空 间或玻璃棒传播。世界上第一台光电流互感器“t r a c e 通过玻璃波导传输光脉冲， 1 9 6 3 年安装在美国2 3 0 k v 电网上。随着光纤技术和光通讯技术的发展，光纤被用来 作为光电流互感器中连接一、二次设备的传光物质。美国光电流互感器“t r a c e r 的改进型装置采用低损耗光信号传输。随着对光纤的各种物理特性研究的不断深 入，研究者们开始谋求用传感元件。1 9 7 7 年，英国电力研究中心研制出全光纤型的 光学电流互感器，并于1 9 7 9 年在变电站试运行。德国也开展了全光纤电流互感器 的系列专题，这时的光学电流互感器精度低、稳定性差【1 0 。1 2 1 。二十世纪八十年代， 由于全光纤型的光电流互感器面临严重的双折射问题，磁光块状材料型的光电流互 感器受到重视，光学电流互感器也由理论研究阶段步入实用化研究阶段。美国、日 本等发达国家的许多光电流互感器挂网运行，获得了大量的运行经验和数据。二十 世纪九十年代，光学电流互感器的研究呈现全球化、多类型、多用途的发展趋势， 取得了显著的研究成果【1 3 1 。进入二十一世纪，关于光学电流互感器的研究更为全面， 不仅继续它本体的研究【1 4 】【”】，还延伸到其他方面的问题，并拓宽了应用领域。国际 标准化组织于2 0 0 2 年出台了电子式电流互感器标准( i e c 6 0 0 4 4 8 ) ，涵盖了光学电流 互感器，该标准为光学电流互感器的产品化起到了规范指导作用。光学电流互感器 本体的研究仍然集中在解决温度和振动引起的双折射问题上。 我国对光电流互感器的研究较晚，从二十世纪九十年代开始，清华大学、华中 科技大学、哈尔滨工业大学和西安交通大学等多家科研院所对光电流互感器的研究 也取得了可喜的进展。其中，华中科技大学研制的用作计量的光学电流互感器于 1 9 9 3 年在广东新会1 1 0 k v 电网试运行，标志着我国光电流互感器的研究已向实用 化迈进一步【l6 1 。另外，多功能组合型的光传感系统也受到了关注。华北电力大学开 发的光纤电功率传感器，利用一套光路同时完成电压、电流和电功率的测量【1 7 】。进 入二十一世纪后，哈尔滨工程大学的王政平等人提出了用神经网络的方法对线性双 折射影响进行补偿，对于v e r d e t 常数随温度的变化，采取稳定工作波长是解决v e r d e t 常数随环境因素波动问题的基本思路【l 引。此外，哈尔滨工业大学和华北电力大学提 出了一种混合式光学电流互感器的设计【l9 1 ，有效提高了整个混合式光学电流互感器 的稳态精度和暂态精度。由于难以解决光学电流互感器的双折射问题，许多研究者 将目光转移到有源光电流互感器即r o g o w s k i 线圈光电流互感器【2 0 2 2 1 。2 0 0 7 年张月 钧提出光电式电流互感器在数字变电站中的使用模型，并说明了存在准确性和稳定 度的问题，指出光电流互感器采用双层光路的块状光学传感头使光电流互感器的稳 3 华北电力大学硕士学位论文 定性降低，提出用温控法和双光路来抑制光电流互感器的这种变化【2 3 1 。2 0 0 8 年徐大 可等人阐述了电子式互感器在数字化变电站应用中的原则和方案【2 4 1 。 总之，经过多年的努力，人们对光电流互感器的优点和存在的问题已有了正确 的认识，进行了深入的研究，并尝试了许多方法来解决光电流互感器带来的不良影 响。到目前为止，有源和无源光电流互感器都得到了很大的发展，也存在着各自的 问题。随着科学技术的发展，全光纤式o c t 将成为光电流测量技术的最终发展趋势。 1 3 本文的研究内容 本文主要讨论的是数字变电站电流采集装置的研究与实现，主要工作包括以下 几点： ( 1 ) 对光电流互感器的传感头r o g o w s k i 线圈进行理论分析和研究，并给出制作 的方法。 ( 2 ) 设计光电流互感器高压端的信息采集系统。硬件设计方面主要包括信号调理 电路、低通滤波电路、a d 转换外围电路的设计。软件方面给出单片机控制a d 采 样的流程图和程序的代码。 ( 3 ) 研究和设计光纤传输单元的硬件电路，并对网络接口部分做简要分析。 此外，通过对部分硬件电路的搭建和调试，给出部分实验结果，为数字变电站 中电流的采集奠定了基础。 1 4 本文的章节安排 本文各章节的主要内容如下： 第一章为引言，主要介绍了数字变电站和电流采集装置( 光电流互感器) 的研究 背景和意义。 第二章通过分析比较光电流互感器的优缺点确定本课题研究的方案。 第三章对光电式电流互感器的传感头r o g o w s k i 线圈进行理论分析和研究。 第四章讨论基于r o g o w s k i 线圈的光电转换系统的总体设计，给出系统总体设 计框图，并重点设计高压端采集系统。高压端采集系统主要包括r o g o w s k i 线圈、 信号调理电路和a d 转换外围等硬件电路的设计。设计a v r 单片机控制a d 采样 的软件部分，给出软件流程图和部分程序的代码，完成硬件的搭建、调试，并给出 部分电路的实验结果。 第五章介绍光纤传输系统和低压端网络接口部分，设计了光纤传输单元，完成 了硬件电路的设计。低压端网络接口部分主要研究高压端单片机与低压端控制器 ( a v r ) 的数据传输，并介绍微控制器与网络接口芯片的连接，并给出网络接口芯片 4 j 氏 l 气 的驱动程序流程图 第六章对全文进 5 图2 - 1 光电式电流互感器结构框图 介绍光 过比较 设计研 流互感 中，传 电子技 装置 互感器 算机或 于起到 字变电 由图2 1 可以看出，光电式电流互感器主要包括高压侧一次传感器，一次变换 器，传输系统，低压侧的二次变换器，汇接单元和二次电源等组成。上面的数字输 出一般是经过汇接单元把多个传感器的采集量一起输出，传输一般均采用光纤传输 系统。根据光电式电流传感原理的不同，有些单元可以不用。 6 i 、 q 华北电 2 1 1 光电式电流互感器的特点 随着光学和电子技术的发展，新型的光电式电流互感器逐渐取代了传统的电磁 式电流互感器，其优点主要体现在【2 7 】： 。( 1 ) 光电式电流互感器采用光纤和电子线路设计没有磁饱和、铁磁谐振等问题。 ( 2 ) 光电式电流互感器由于采用了光纤和比较轻便的绝缘子支柱，其绝缘结构比 较简单，绝缘性能也比较好。 ( 3 ) 光电式电流互感器动态测量范围大，精度高。 ( 4 ) 光电式电流互感器用光纤连接高低压侧，低压侧没有因开路而产生高压危 险，而且避免了电磁干扰的影响。 ( 5 ) 光电式电流互感器频率响应范围宽。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，而电磁式电流互感器则不能。 ( 6 ) 光电式电流互感器体积小、质量轻，给运输与安装带来了较大的方便。因其 质量轻，可以将其做成便携式的产品，用来测量电网中不同地点的电流。 ( 7 ) 光电式电流互感器没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。 ( 8 ) 光电式电流互感器适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮 流。 光电流互感器与传统电流互感器相比的有诸多优点，但光电流互感器并不是完 美的，也存在一定的缺点，主要表现在： ( 1 ) 光电流互感器运行温度变化范围较大，传感头对温度和振动比较敏感。为了 保证高精确度、稳定性和可靠性，电子信号处理部分的线路设计将比较复杂。 ( 2 ) 对于有源式光电流互感器而言，传感头主要由电子线路组成，必须对电子线 路提供可靠的供电电源。如果电源供应不稳定，将大大地影响到系统的精确度。此 外，供电电源所能提供的能量有限，所以电子电路的功耗不能太大。如何简化传感 头的电子线路成为一个棘手的问题。但是，这些缺点被认为是暂时的，随着光电子 技术和计算机技术的进步，这些缺点将是可以被克服的。 2 1 2 光电式互感器的分类、存在问题及解决方法 光电式电流互感器可以分为有源式和无源式两大系列。顾名思义，有源式光电 流互感器主要是指高压端需要电源供电，有源式主要以r o g o w s k i 线圈为主；无源 式光电流互感器主要是指高压端无需电源供电，是根据法拉第磁光效应为原理的电 流互感器。表2 1 直观的反映了光电流互感器的分类、存在的问题及解决方法【2 】【2 8 瑚】。 7 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 光电式电流互感器的分类、存在的问题及解决方法 简要说明存在问题解决方法 o c t 分类 主要以r o g o w s k i 1 传感头的抗干扰和 i 通过对线圈的工艺 为传感头，多采用有 电子线路的功耗问的改进来提高其精 源器件，故需要高压 题。 度。 有源式 侧供电电源供电，故 2 电光转化将导致有 2 优化高压侧电源和 称为有源式。 源方式，故需要高压 低功耗设计。 侧的供电电源的设 计。 主要以磁光玻璃为传 受温度和双折射影响 寻找受温度影响小的 感头，高压端无需采 严重，且不经济。 材料和温度补偿的措 无源式 用电源供电方式，故 施。 称为无源式。 有源式光电流互感器主要以r o g o w s k i 线圈为主，它的原理是法拉第电磁感应定 律即变化的电流产生感应电动势。它在高电位侧采用的是电子器件，因此，高电压 端需要有电源供电。另外，传感头采用的是r o g o w s k i 线圈，故线圈的精度问题直 接影响了电流采集的精度，因此有源式电路互感器目前存在的问题是r o g o w s k i 线圈 的精度问题和高压端电源的供电问题，这将在以后的章节中详细的探讨。 无源式光电流互感器主要是基于法拉第磁光效应原理，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，由于偏振光的偏转角不能直接测量，采用检偏器将其转 换为光强信号来间接测量。光学电流传感器系统框图如图2 2 所示【3 1 1 。 、 l j d、p i n q 枣艄卜器h 黼h 光纤r 土 t + 光源驱动电 信号处理 路 1 一 图2 2 无源光电流互感器结构框图 由于它采用的都是光学材料的元件，不需要高压端电源的供电，使高压端设计 得以简化。它与介质的特性、光源波长、外界温度等有关。目前存在的问题是，受 温度和双折射的影响严重，造成了测量误差的增加，解决的方法是寻找受温度影响 小的材料和采用温度补偿的措施。 8 他 y p 华北电力大学硕士学位论文 通过两种互感器的比较可知，这两种互感器目前都存在着问题，有源式互感器 主要是传感头的精度和高压端电源的供电问题，无源式互感器主要是受温度和双折 射的影响严重。鉴于无源式光电流互感器的光学材料制作有难度，并且需要复杂的 光路系统，且成本较高，并且互感器长期受振动、温度影响都较大，目前还没有找 到满足条件的材料。因此，本文对数字变电站中电流信息的采集选择有源式电流互 感器来实现。但是，随着现代科技的不断发展，无源式o c t 必将成为未来发展的趋 势。 2 2 有源光电式电流互感器设计方案 由2 1 2 节可知，无源光电式电流互感器在实际的应用中受到诸多的限制，目 前用于数字变电站中实现采样还存在困难。因此，本文采样选用了有源光电式电流 互感器。它主要考虑电流采样、传感信号的处理方式以及高压端的供电电源三方面 的设计。表2 2 主要对电流采样和传感信号的处理方式两方面进行了比较，对于高 压端的电源供电将在以后章节中进行探讨。 表2 - 2 设计方案的比较 电流采样传感信号的处理方式 1 带铁芯的传感头1 光强调制式 2 脉冲调制式 2 r o g o w s k i 线圈3 频率调制式 4 数字调制式 ( 1 ) 电流信号的采样 高压端的大电流人是无法直接测量的，只能经过变换元件变换成低电压信号才 能进行电子线路的处理。电流的采样有两种方法，即带铁芯的传感头和r o g o w s k i 线圈传感头。由于带铁芯的c t 测量灵敏度高，对于小电流的测量比较适合。 r o g o w s k i 线圈是绕制在非磁性材料上的空心线圈，具有测量范围大、线性度好，无 剩磁、制造成本低等优点，但是由于r o g o w s k i 线圈的原理是电磁感应，因此，输 出的电压是电流的微分，故需通过积分环节校正，而且当一次电流较小时，感应出 的电压也非常的微弱，给测量带来了困难。鉴于本课题研究数字变电站中的交流电 流信息的采集，故采用r o g o w s k i 线圈为传感头较为合适。 ( 2 ) 传感信号的处理方式 电流采样输出的模拟电压信号需要经过变换处理后才能驱动发光二极管发光， 发出的光信号经过光纤传输到低压侧进行处理。在高压端，传感信号的处理方式主 要是指对取样信号进行模拟或数字的调制，可分为光强调制式、脉冲调制式、频率 o 华北电力大学硕士学位论文 调制式、数字调制式四种【3 2 1 。 光强调制式 所谓光强调制就是待测电流经过电流采样和整流电路后来驱动发光二极管，因 发光二极管工作在线性状态，其输出的光强与待测电流成正比，通过光的强度来间 接测量电流。从上述可知光强调制传输的是模拟信号，易受外界因素的影响，因而 测量精度较差。 脉冲调制式 脉冲调制就是将电流互感器输出的二次交流信号经过整流、滤波电路变为直流 信号，再由脉冲宽度调制电路将被测信号调制为脉宽信息，然后通过脉冲位置调制 电路获得对应于脉宽的脉位信号去驱动发光二极管。它的缺点是只能测量有效值。 频率调制式 频率调制式就是待测电流经电流电压变换后，由压频变换电路转化成与逻辑电 路兼容的脉冲串或者方波，其输出频率与输入模拟量呈精确的线性比例关系。输出 频率连续跟踪输入信号，直接响应输入信号的变化而无须外部同步时钟。低压侧的 解调部分可以采用频压变换，也可以由微处理器采用计数方法在给定的计数周期内 测量输入脉冲串或者方波的个数，就可以得到在这一计数周期内输入模拟量的平均 值。频率调制式是数字信号传输，但由于采用窄脉冲串驱动l e d ，因此功耗大。 数字调制式 数字调制式一般采用逐次逼近型的a d 调制。由于a d 转换速度快、精度高、 实用经济，并且随着a d 集成工艺的发展，将成为未来的发展趋势。这种a d 采样 转换值是即时值，只要满足抽样定理，就可完全恢复原始信号，原始信号的幅度和 相位一般不会出现失真。经a d 转换的数字信号，来驱动二极管发光，经光纤传到 低压侧，再经光电转换器件变成电信号进行处理【3 3 1 。其原理如图2 3 所示。 图2 - 3a d 调制式结构框图 由上述几种调制方式可知，光强调制式测量精度较差，脉冲调制式只能测量有 效值，频率调制式功耗较大，而采用a d 转换的数字调制式具有相对优势。因此， 本课题采用a d 调制的方式。 另外，由于高压端安装了许多的有源器件，高压端电源的波动是测量误差的主 1 0 华北电力大学 要来源。因此，要考虑高压端的供电和稳 探讨。 2 3 本章小结 本章主要介绍了电流采集装置光电流互 总结出了各种光电流互感器存在的问题以及 光电流互感器的设计方案。通过几种信号传感方式的比较，得出了a d 调制式更优的结 论。 总之，通过本章的讨论确定了数字变电站中电流采集系统的设计方案基于 r o g o w s k i 线圈的有源光电流互感器，并采用a d 数字调制式的信号传感方式。 华北电力大学硕士学位论文 第三章r o g o w s k i 线圈的理论研究 由确定的设计方案可知，本论文研究基于r o g o w s k i 线圈的有源式光电流互感 器，r o g o w s k i 线圈是电流传感器的传感元件，它的精度对整个系统的测试有着至 关重要的作用。因此，对r o g o w s k i 线圈的研究是必不可少的。本章首先介绍 r o g o w s k i 线圈的原理，接着对r o g o w s k i 线圈进行深入的分析，最后阐述r o g o w s k i 线圈的制作方法。 3 1r o g o w s k i 线圈的原理【4 】【2 7 】【3 4 】 罗氏线圈( r o g o w s k i 线圈) 称磁位计又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一 种成熟的电流采样元件。它是一种用特殊结构的空心线圈，它根据被测电流的变化 产生的感应电动势来间接测量电流信号的器件。其特点是反应速度快，测量范围宽， 受外界磁场和导线位置的影响小等。因此，r o g o w s k i 线圈是大电流测量较为敏感的 理想器件。 罗氏线圈可以设计成圆形、方框形等多种形状。如图3 1 所示，将测量导线均 匀缠绕在非磁性的骨架上就构成了罗氏线圈。 图3 - 1r o g o w s k i 线圈结构图( 圆形) 图3 1 中，用罗氏线圈进行电流测量时，被测电流从线圈中心穿过，由电磁感 应定律可知：任何一个随时间变化的电流i ( t ) 都伴随着一个随时间变化的磁场环链。 这个磁场将在线圈中产生感应电动势e ( t ) ，当m 已知时，感应电动势e ( t ) 为： 印) = - 警= 埘篆( 3 - 1 )d td t 罗氏线圈横截面形状的不同，得出的互感系数m 的值也不同。下面就这两种 结构的互感系数进行分析。 3 1 1 横截面为圆形的r o g o w s k i 线圈 横截面为圆形的罗氏线圈即导线绕在截面为圆形的非磁性骨架上。设线圈中心 到骨架中心的半径为r ，线圈截面的半径为r ，i 为被测导体中的电流，n 为线圈的 同理可知，横截面为矩形的r o g o w s k i 线圈就是漆包线绕在截面为矩形的非磁 性骨架上。设r 为骨架内的任意半径，心为骨架外径，心为骨架内径，h 为骨架高 度。 得 有全电流定律： 而 缈= 似= 学= i z o h ih 惫 ：n q , ：n j u o h _ _ _ _ l 1 n 墨 2 万 r b 所以，由电磁感应定律可知： 荆一警= 警- 嗉豢 因此，可知互感系数： m ：盟l i l 堡 2 万 r b 绕组的自感： 1 3 ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) l 迅 o ，一厨一2 hf 丝獗 ， = = h 讲 删 叫 弘肛 当电流的变化率很大或( ，+ 琏) 很小时，则上式变为： 一m 亟：r d i , 一 md t 从而得出： 1 4 ( 3 - 1 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 如：一竽( 负号代表相位相反) 。( 3 - 1 6 ) 经l = n m 代入上式可得： 如一- - 嘉。l ( 3 - 1 7 ) 从而得到的输出电压为： “= f 2 吃= 一r li t(3-18) 通过电路分析可知，所测的电压与被测电流成正比，它们之间没有积分关系， 这种电路就是自积分的工作状态，要满足的条件是电阻尺，比较小，一般为几欧，或 者电流的变化率很快，这种电路使用于测量电流变化快的脉冲大电流，如高压冲击 电流。 3 2 2 微分工作状态 由r o g o w s k i 线圈的工作原理可知，输出的电压与被测电流成微分关系，如果 在输出端加一积分环节，则输出电压与被测电流就会同向且成比例关系。因此，微 分工作状态时需要外加积分电路。积分电路选用积分电阻和电容组成，等效电路如 图3 - 3 所示( 通常有些情况下可以忽略杂散电容c o 的影响) 。 丝 i 万到，那么两式将近似相等。所以，为了使尺，的影响 不至于太大，通常应将r ，的值选的很大。这样在积分电容两端并联大电阻，既避免 了输出饱和又减少了误差。为了克服工作过程中的问题，应选择失调电压小、温漂 小的高性能运放。本课题采用o p 0 7 运算放大器，另外还要选择电容、电阻各元件的 华北电力大学硕士学位论文 参数值，使其达到较好的积分效果。 经过积分环节后，测得的电压信号与被测电流成正比，且相位相同，但是存在 着噪声和高次谐波的干扰，因此，需要通过低通滤波器消除噪声和干扰的影响。顾 名思义滤波器是选择所需要的某一或某些频带的信号内容而抑制不需要的其它频 带的信号内容。目前最常用滤波器的设计方法主要有巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) 滤波器、 切比雪夫( c h e b y s h e v ) 滤波器。巴特沃斯滤波器在通带中有最大平坦的幅度特性，而 切比雪夫滤波器在通带内是等波纹波动的。虽然在截止频率和阻带内巴特沃斯较差 一些，但是巴特沃斯具有好的相位特性，考虑到具体光电流互感器的要求，本文选 择巴特沃斯二阶有源低通滤波器。电力系统中要求达到1 3 次谐波，工频信号为 5 0 h z ，要满足电力系统的要求，信号的截止频率至少为1 3 5 0 = 6 5 0 h z ，本文设计 的截止频率为1 0 0 0 h z 。 利用f i l t e r l a b 软件设计二阶巴特沃斯低通滤波器，其电路如图4 5 所示。 图4 5 巴特沃斯二阶低通滤波器 巴特沃斯二阶低通滤波器指标如下： 阶数：2 阶； 通带衰减( p a s s b a n da t t e n u a t i o n ) ： 3 d b ： 通带截止频率：1 0 0 0 h z 幅频特性如图4 6 所示，它直观的反映了幅度与频率的关系，由图4 - 6 可知截 止频率为1 0 0 0 h z ，通带衰减3 d b ，符合设计的要求。 华北电力大学硕士学位论文 、 、 、 。、 、i i、 、二、 l 啪 r - _ 哪嘲 图4 6 巴特沃斯低通滤波器幅频和相频曲线图 通过以上的分析和计算可知，信号调理电路部分的电路如图4 7 所示。 图4 7 信号调理电路 由图4 7 可以看出，信号调理电路可分为两部分。虚线之前为积分电路部分，虚 线右为低通滤波器部分，采用二阶巴特沃斯低通滤波器，设计参数如图4 7 所示。其 中运算放大器选用了失调电压小、温漂小的高性能运算放大器o p 0 7 。 善一ij5辱一 被测电流有9 0 。相位差，因此要经过积分电路，还要经过低通滤波器电路，这与前 面的分析是一样的。由于在积分环节前有放大环节，此时的运放噪声和漂移经惯性 环节时被积分放大( 惯性环节主要放大直流信号) ，因此输出的交流信号叠加了个 直流信号，引起了系统的误差。所以要经过一个“隔直 的环节去除直流分量。隔 直电路选用温漂小的电容和几百kq 的电阻。为了保证测量的精度，低通滤波器和 调理电路采用了高性能运放o p 0 7 。这种信号调理电路可以测量较小的电流，解决了 r o g o w s k i 线圈测量小电流的难点。 2 6 4 2 3 实验研究 根据前面章节的分析和研究，r o g o w s k i 线圈采用陶瓷材料，漆包线选用铜线。 自制的r o g o w s k i 线圈，内径9 0 m m ，外径1 1 0 r a m ，高2 0 m m ，漆包线直径0 3 3 m m ， 均匀缠绕匝数2 5 0 0 匝。首先将2 2 0 v 电压接到调压器上调压，然后在调压的输出端 接1 0 q 1 0 0 0 w 大功率电阻，电路接线图如图4 - 9 所示。 图4 9 实验电路接线图 通过调节调压器可产生为1 0 a 的最大电流f 此时调压器最大值为1 0 0 v ) 。积分电 路的设计中取r - - 1 0 k q ，r r = 2 0 m q ，c = 0 1 ll if 。放大器选用温漂小、失调电压小 的放大交流的运算放大器o p 0 7 。由于最大电流为1 0 a ，因此，采用r o g o w s k i 线 圈外绕校验线圈的方法，若校验线圈为n 匝，流过线圈电流为i 。由全电流定律可 知，相当于线圈中有n i 的电流流过，这种方法称为“等安匝 法。用这种方法可 以用较小的电流来模拟大电流。本实验还对r o g o w s k i 线圈做了一些特殊设计：线 圈缠绕尽量均匀；线圈绕成偶数层，绕制一圈与线匝循行方向相反的回线，形成“返 回匝 以减小外界电磁场的影响，另外线圈外还要加一层铜箔屏蔽，抑制外界杂散 磁场的影响，但要注意屏蔽不可形成回路，否则将沿屏蔽层形成环流，对被测电流 产生的磁场起抵消作用。实验内容主要包括r o g o w s k i 线圈的精度测试和电流、电 压的线性测试。精度测试见表4 1 所示。 表4 1r o g o w s k i 线圈精度测试 i a u 0 ( n 量值) m vu 0 ( 计算值) m v误差( ) 58 8 59 1 22 9 2 81 5 0 01 4 5 92 8 1 1 01 7 8 5 1 8 2 4 2 1 3 1 62 8 7 02 9 1 81 6 4 2 03 6 0 03 6 4 81 3 2 4 0 7 2 5 07 2 9 6o 6 3 1 0 01 8 1 9 01 8 2 40 2 8 1 5 02 7 3 o o2 7 3 60 2 2 上时， 稳定， 制做的 制方式 字调制 式。由设计方案可知前三种调制方式都存在缺点，所以本课题采用数字调制方式即 a d 转换方式。a d 转换是将时间和幅值都连续的模拟量转换为时间、幅值都离散 的数字量，一般要经过抽样、量化和编码的过程【4 0 1 。a d 转换的技术指标主要有转 换精度、转换速度等。其中转换精度主要由分辨率决定，a d 转换器的分辨率用输 出二进制数的位数表示，它说明a d 转换器对输入信号的分辨能力。转换速度由转 换时间决定。转换时间是指a d 转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳 定的数字信号所经过的时间。选择a