（电力系统及其自动化专业论文）ect低功耗数据采集系统的设计.pdf

e l 玎低功耗数据采集系统的设计 a b s t r a c t w i 也t h ei n c e s s a n ti m p r o v e m e n to ft r a n s m i s s i o nc a p a c i t a n c ea n dr a t e dv o l t a g ei np o w e r s y s t e m ，c o n v e n t i o n a lf e r r o m a g n e t i ct r a n s d u c e r sh a v es e v e r a ls h o r t c o m i n g sa n dh a v eb e e n a l r e a d yd i f f i c u l tt om e e tt h en e e dt h a tn e t w o r kd e v e l o pt o w a r d sa u t o m a t i o na n dd i g i t i z e d d i r e c t i o n i nt h i sc a s e ，c o n s i d e r a b l ei n t e r e s th a sb e e np a i dt ot h ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e r s ，b a s e d o nc o m p u t e ra n do p t i c a lt e c h n o l o g y t h i sp a p e rm a k e ss o m er e s e a r c ha n dd e s i g ni na l l u s i o n t ot h ee c td a t ac o l l e c t i n gs y s t e mw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，w h i c hi so n eo ft h ep r a c t i c a l t e c h n o l o g ya b o u te l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r i nt h eb e g i n n i n g ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r o b l e m sw h i c hc o n v e n t i o n a lf e r r o m a g n e t i c t r a n s d u c e r sa r ef a c e dw i t ha n dt h ee x c e l l e n c e st h en e wt y p ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sa r e p r o v i d e dw i 血a f t e rt h ea c h ie v e m e n t so fr e s e a r c ha r o u n dt h ew o r l daf e wy e a r sa r e s u m m a r i z e d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s a ls t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so fr u n n i n g , a n das a m p l e o fl o wp o w e rc o n s u m p t i o ne c td a t ac o l l e c t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h ep r i m a r yt a s ki n c l u d e s t h ed e s i g no fl o w p o w e rc o n s u m p t i o n d a t ac o l l e c t i n gs y s t e mi nh i g hv o l t a g ep a r t ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o no p t o e l e c t r o n i ct r a n s m i s s i o ns y s t e ma n ds e c o n d a r yc o n v e r t e ri nl o wv o l t a g ep a r t t h ed e s i g no fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e mi nh j g h v o l t a g ep a r ti n c l u d e st h el o wp o w e r c o n s u m p t i o no fp r i m a r ys e n s o ra n dp r i m a r yc o n v e r t e r t h e ni t i n t r o d u c e sa n t i - a l i a sf i l t e r , s i g n a t u r em o d u l a t i n g c i r c u i ti nf r o n t ，c o m p i l e dd a t ac o l l e c t i n gc o d e w i t ht h ea d t r a n s f o r m e rc i r c u i t , t e m p e r a t u r ec o l l e c t i n gm o d u l ea n dt h ea d co f m i c r o p r o c e s s o ri np r i m a r y s e n s o r , w er e a l i z et h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i n ga n ds y s t e ms t a t es u p e r v i s i n g t h e n , t h e a n t i - j a m m i n gm e a s u y ei nt h eh i g hv o l t a g ep a r ti si n t r o d u c e d t h ed e s i g no fo p t o e l e c t r o n i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no fl o w c o n s u m p t i o nl e dd r i v e c i r c u i ta n da s c e n d i n gd e c o d e c i r c u i t ，a p p l i c a t i o n o fn r z a s y n c h r o n o u sb u n c hc o d i n gm o d e ，a n dt h ec a p a b i l i t yo fo p t o e l e c t r o n i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi s t e s t e da tl a s to ft h ec h a p t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i m a r yc o n v e r t e rw h i c h i n c l u d e st h ei m p r o v e dc i r c u i td r i v i n gf i b e rt r a n s m i t t e rc a l lw o r kr e l i a b l yc o n s u m i n ga v e r a g e l y n om o r et h a n4 0 r o wp o w e r ；d a t as i g n a lc a l lb et r a n s m i t t e da tb a u dr a t ea sf a s ta s2 0 0 k b s f r o mt h es e c o n dt ot h ep r i m a r yc o n v e r t e r ，a n d2 m b sa tt h eo p p o s i t ed i r e c t i o n t h ed e s i g no fs e c o n d a r yc o n v e r t e ri nl o wv o l t a g ep a r ti n c l u d e st h ef i g u r ep o r ta n dt h e s i m u l a t ep o r t t h ep a p e rs u m m a r i z e sa tl a s t , a n db r i n g so u tt h ep r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e di nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ；l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ；o p t o e l e c t r o n i ct r a n s m i s s i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：给整日期：三兰兰三乡 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名：红翌免撬导师签名：乏盈笙猃 堕年堑, g de j 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的研究背景 为了保证电力系统安全、可靠和经济的运行，需要对电力系统及其中各电力设备的 相关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。电力互感器是电力系统中 进行电能计量和继电保护的重要设备，其作用就是按一定的比例关系，将输电线路上的 高电压和大电流的数值降到可以用仪表直接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测 量。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【l 捌。 电力互感器按测量参数类别通常可分为两大类：一类是电流互感器( c u r r e n t t r a m f o l i l e l ，c t ) 【3 】：另一类是电压互感器( v o l t a g et r a m f 0 1 t n c i ，) 【4 】。电流互感器 是将一次回路的大电流成比例的变换为二次回路小电流。电压互感器是将一次回路的高 电压成比例的变换为低电压。长期以来，传统的电磁式电流、电压互感器在继电保护和 电流、电压测量中一直占主导地位，其主要优点在于简单、可靠性高、输出容量大，同 时性能比较稳定，适合长期运行。但是，随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压 等级越来越高，传统的电磁式互感器在运行中暴露出了一系列严重的问题： ( 1 ) 绝缘结构复杂，体积笨重，造价高。特别是用于超高压系统，并且要满足大短 路容量的动稳定及热稳定要求。 ( 2 )电流互感器线性度低，在短路时容易饱和，静态和动态准确范围小。特别是用 于超高压系统，并考虑暂态工作循环的性能。 ( 3 )电压互感器可能出现铁磁谐振，损坏设备。 ( 4 )由电流、电压互感器引至二次保护控制设备的电缆是电磁干扰的重要耦合途 径。 ( 5 ) 采用油浸纸等绝缘材料，易燃易爆，不安全。 近年来，基于光学和电子学原理的电子式电流互感器( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a m f o l l t i c r ， e c t ) 和电子式电压互感器( e l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s f o l l l l e l ，e v t ) 的研究得到了国内外研究 人员的广泛重视，成为了电力互感器新的发展方向。电子式感器与传统的电磁式互感器 相比，具有如下优点【5 - 8 ： ( 1 ) 绝缘结构简单，体积小，重量轻，造价低 电磁式互感器高压侧与低压侧之间通过铁心磁耦合，它们之间的绝缘结构复杂，其 造价随电压等级升高呈指数关系上升。在电子式互感器中，高压侧信息可以通过由绝缘 材料做成的玻璃光纤传输到低电位侧，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级升高呈线 e c t 低功耗数据采集系统的设计 性关系增加。而且，一般电子式互感器的重量只有电磁式互感器的1 1 0 ，便于运输和安 装。由于传感和信号处理部分外形小和重量轻，可以装入成套电器或成套配电装置中， 适应电力设备向集成化方向发展的趋势。 ( 2 ) 不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题 电子式互感器一般不用铁心做磁耦合，消除了磁饱和，运行暂态响应好、稳定性好， 保证了系统运行的高可靠性。因而能在很大的电流与电压变化范围内，以高速动作、准 确、抗干扰的宽频带性能来测量电流、电压。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路和短路危险 电磁式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高电压危险；电磁式电压互 感器同样存在二次回路不能短路的问题。由于采用光纤或其它加强绝缘方式实现高电压 回路与二次低压回路在电气上的完全隔离，消除这些回路不希望有的相互影响，低压侧 没有因开路或短路而产生的危险，保证了二次设备和工作人员的安全。同时因没有磁耦 合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。 ( 4 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆等危险 电磁式互感器一般采用充油办法来解决绝缘间题，这样不可避免地存在易燃、易爆 等危险。而电子式互感器器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构设计上就可避免 这方面的危险。 ( 5 ) 暂态响应范围大，测量精度高 电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流越来越大。电磁式电 流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，不能在一个通道同时满足高精度计 量和继电保护的需要。电子式互感器具有很宽的动态范围，一个测量通道额定电流可覆 盖几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培。因此既可同时满足计量和继电保护 的需要，又可免除电磁式电流互感器多个测量通道的复杂结构。 ( 6 ) 频率响应范围宽，适应了继电保护和微机保护装置的发展 电子式互感器实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。其结构已经可以测 出高压电力线路上的谐波。而电磁式互感器是难以进行这诸多方面工作的。由于受传统 的互感器性能的限制，其保护原理基本上是基于工频量进行保护判断的。易受过渡电阻 和系统振荡、磁饱和等的影响，其保护性能难以满足当今电力系统向着超高电压、大容 量、远距离方向发展的要求。利用故障时的暂态信号量作为保护判断，是微机保护的发 展方向，它对互感器的线性度、动态特性等都有较高的要求，电子式互感器的出现满足 了这一要求。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 有利于实现变电站数字化、光纤化和智能化 电子式互感器的信号和传输形式都可以采用光缆( 光纤) 实现，而光信号的突出优 点和光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更加可靠 和迅速。 总之，电子式互感器数字量的输出形式将最佳地适应日趋广泛采用的微机保护、电 力计量数字化及自动化发展的潮流。电子式互感器与光纤通讯技术和微机相结合组成光 纤局域网应用于电力系统是变电站自动化的一个重要的发展方向，开创了未来光纤化变 电站的美好前景。随着电子式互感器的不断发展，应用逐渐广泛，与其相关的研究也在 不断进行，许多关于电子式互感器的应用问题也成为了研究热点，低功耗设计也是其中 之一。在有源型电子式互感器的实际应用中，高压侧的供能一直是一个制约其应用的研 究难点，对电子式互感器进行低功耗设计是解决这一问题的途径之一。因而电子式互感 器的低功耗设计就具有了十分重要的现实意义。随着电子技术的不断发展，越来越多的 低功耗电力电子元器件被研制出来，这也使得电子式互感器的低功耗设计成为可能。本 文希望能通过对电子式互感器低功耗设计的研究，将低功耗设计应用在实际当中，以提 高工作效率和获得实际效益。 1 2 国内外电子式互感器的研究现状 对基于光学效应的电子式互感器，国内外许多单位曾进行了长期的大量的研究工 作。我国有许多高等学校、研究所和制造厂正在积极进行开发研制。这类电子式互感器 的电流测量原理包括f a r a d a y 效应、磁致伸缩效应、k e r r 效应和逆压磁效应等：电压测 量原理包括p o c k e l s 效应、k e r r 效应和逆压电效应等。其中利用f a r a d a y 效应测量电流 和p o c k e l s 效应测量电压的方法最直接，装置最简单、精度高，所以应用范围最广、研 究力度最大【9 - ”】。 1 2 1国外电子式互感器的研究现状 二十世纪六十年代，人们就开始了对光学电子式互感器的探索，由于当时光导纤维 尚未出现，光通路中的光强波动厉害，测量的稳定性很差。七十年代，随着光导纤维的 出现，光学、光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究出现热潮，但由于样机的精度 低、温度稳定性差，都未能挂网运行。八十年代后期以来，光电传感技术在电力系统中 的应用研究得到了突破性进展，美国、日本、法国等技术发达国家先后研制出多种光学 互感器样机，并在实际高压电站长时间运行【l 7 】。九十年代，国外知名公司陆续公布了 它们研制的试验样机及其运行数据，并打出了产品广告。如1 9 9 7 年1 月a b b 公司推出 了额定电流2 k a 的1 1 5 k v - - 5 5 0 k v 的光学电压电流互感器的产品介绍。其绝缘支柱采 e c t 低功耗数据采集系统的设计 用内充s f 6 气体的硅橡胶复合绝缘子，测量精度达到i e c l 8 6 精度等级0 2 级。整个互 感器重量比较轻，5 5 0 k v 电压等级的产品总重量仅为2 7 6 7 k g 。法国g e ca l s t h o m 公 司在美国b o r m e v i l l e 安装了5 2 5 k v 的光学电压电流互感器，其后，又陆续在荷兰、比 利时、加拿大和法国等国的变电站挂网试运行。1 9 9 7 年，又推出了1 2 3 k v - - 7 6 5 k v 光 学电压电流互感器的产品广告，互感器可同时输出计量和保护用信号，测量精度可达 0 2 。北美的n x t p h a s e 公司于2 0 0 0 年3 月在s u r r e y ，b r i t i s hc o l u m b i a 的b ch y d r o s l n g l e d o w 变电站，安装了2 3 0 k v 电压等级的光学电压互感器；2 0 0 1 年1 0 月又在m o n g e a l 岛的r o l l sr o y c eg a d t u r b i n 发电站安装了1 3 8 k v 电压等级的三相系统，并计划将电压等 级推广到7 6 5 k v 。 1 2 2 国内电子式互感器的研究现状 我国对光学互感器的研究起步较晚，沈阳变压器研究所从1 9 7 0 年开始研究，以后 在清华大学、四平电业局的积极协助下于1 9 7 9 年研制出第一台样机，并先后研制出三 台样机在四平电业局的2 2 0 k v 线路上试运行，后来于1 9 8 4 年退出运行。国家对光学互 感器的研究工作非常重视，将其列为“七五”、“八五”重点研究项目。先后有清华大 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相继从事过光学电 子式互感器方面的研究。其中华中科技大学研制的计量用光学电流互感器于1 9 9 3 年在 广东新会1 1 0 k v 电网试运行，标志着我国的光学电子式互感器研究已向实用化迈进 1 引。 1 3 本文的研究工作 本文主要针对电子式互感器低功耗数据采集系统进行研究，论文的具体章节安排如 下： 第一章：综述了课题的研究背景、研究电子式互感器低功耗设计的意义、国内外电 子式互感器的研究概况和本人所做的工作。 第二章：介绍了电子式互感器的总体结构和工作原理，提出了一种低功耗数据采集 系统的设计方案，并对其各个主要部分进行了简要的说明。 第三章：对高压侧数据采集系统的组成部分进行了研究与设计，主要包括一次电流 传感器和一次转换器的低功耗设计，另外还介绍了抗混叠滤波器、前端信号调理电路的 设计。编写了数据采集程序，通过一次转换器中的a d 转换电路、温度采集模块和芯片 自带a d c 实现了数据采集和系统状态检测的功能。并在最后介绍了高压侧电路的抗干 扰措施。 大连理工大学硕士学位论文 第四章：对光电传输系统的低功耗设计进行了研究，主要包括低功耗l e d 驱动电 路、上行光纤解码电路、异步串行编码方式等，并在最后对光电传输系统的性能进行了 测试。 第五章：对二次转换器进行了设计，介绍了二次转换器的数字接口和模拟接口。 论文最后对全文工作进行总结，提出进一步需要解决的问题。 e c t 低功耗数据采集系统的设计 2电子式互感器的基本工作原理及结构设计 2 1引言 关于电子式互感器，国际电工委员会已经制定了的相应的国际标准：i e c6 0 0 4 4 7 ： 1 9 9 9 互感器第七部分：电子式电压互感器于1 9 9 9 年颁布；i e c 6 0 0 4 4 - 8 ：2 0 0 2 互 感器第八部分：电子式电流互感器于2 0 0 2 年颁布【1 9 脚 。互感器标准中提到：电子式 互感器是指一种由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成， 用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和机电保护或控制装置。图2 1 为 i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感器标准给出的单相电子式互感器通用结构框图。 i v 输出无效 e f设备失效 职维修申请围 图2 1 单相电子式电流互感器通用框图 f i g 2 1 g e n e r a lb l o c kd i a g r a mo fas i n g l e - p h a s 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 ( 1 ) 一次传感器( p r i m a r ys e n s o r ) 是一种电气、电子、光学或其他的装置，分为一 次电压传感器( p r i m a r yv o l t a g es e n s o r ) 和一次电流传感器( p r i m a r yc u r r e n ts e n s o r ) ， 产生与一次电压或电流相对应的信号直接或经过一次转换器传送给二次转换器或二次 设备。 ( 2 ) 一次转换器( p r i m a r yc o n v e r t e r ) 的功能是将来自一个或多个一次传感器的信号 转换成适合于传输系统的信号。 ( 3 ) 二次转换器( s e c o n d a r yc o n v e r t e r ) 将来自传输系统的信号转换成正比于一次 端子电流或电压的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于模拟量输出型 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 的电子式互感器，二次转换器直接供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于数 字量输出型的电子式互感器，二次转换器通常接至合并单元后再接二次设备。 ( 4 ) 传输系统( t r a n s m i t t i n gs y s t e m ) 是一次部件和二次部件之间传输信号的短距 或长距耦合装置，也可以传送功率。 ( 5 ) 合并单元( m e r g i n gu n i t ，m u ) 用以对来自二次转换器的电流和或电压数据 进行时间相关组合的物理单元。为了有效利用电子式电流和电压互感器的优点，信号必 须用统一的方式处理。以时间不确定性小于几微秒的同样状态取得的电流和电压瞬时 值，必须传输到测量和继电保护装置。对此，推荐的方法是组合来自一个设备间隔的各 电流和电压，即三相的电流和电压按一个协议规则进行传输。 ( 6 ) 数字量输出( d i g i t a lo u t p u t ) 是由合并单元上的光学或电气输出接口生成，它 以电流和或电压数据的数字编码时间相关数组，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制 装置。 图2 2 数字接口框图 f i g 2 2 b l o c kd i a g r a mo fd i g i t a li n t e r f a c e e c t 低功耗数据采集系统的设计 图2 2 为数字输出型电子式互感器的通用框图。采用一台合并单元汇集多达1 2 个二 次转换器数据通道。一个数据通道承载一台电子式电流互感器或电压互感器采样测量值 的单一数据流。在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个实体接口从二次转换 器传输到合并单元。合并单元对二次设备提供一组时间相干的电流和电压样本。二次转 换器也可以从常规电压或电流互感器获取信号，并可汇集到合并单元。依据所采用的技 术确定电子式互感器所需的部件，即图2 1 和图2 2 中列出的所有部件并不都是必需的。 2 2 电子式互感器的工作原理 根据传感方式的不同，电子式互感器可分为无源型和有源型两种基本类型。前者基 于光学传感技术，其特点是在高压侧没有电子电路；后者基于电磁感应原理，但利用现 代电子技术进行信号处理，其特点是在高压侧有电子电路。 2 2 1 无源型电子式互感器 无源型e c t 以光学元件作为电流传感头，多采用磁致伸缩效应、f a r a d y 磁光效应、 电热效应等原理来实现电流的测量。基于磁致伸缩效应原理的电流互感器在一段时间内 曾受到相当的重视，此种互感器一般是将磁致伸缩材料粘贴或镀在单模光纤上，磁致伸 缩材料在磁场作用下其轴向尺寸发生变化，使光纤长度产生相应的变化，从而光纤中的 光程发生变化，引起光相位的变化，利用干涉法检测相位变化即可得知被测磁场( 即电 流) 。但是由于该方法受光学元件本身长期性能稳定性和可靠性以及外界干扰等因素的 制约比较严重，工业化应用的进展缓慢。当前，利用f a r a d y 效应测量电流的方法最直 接，且装置最简单、精度高，所以应用范围最广，研究力度也最大，是最有发展潜力的 无源光电电流互感器。到现在为止，国内外关于无源型e v t 已经提出了许多种基于不 同光学效应的测量原理，而当前应用最多的是基于p o c k e l s 线性电光效应和基于逆压电 效应的电压互感器【2 。 所谓p o c k e l s 效应是指在外加电场作用下透过某些物质( 如电光晶体) 的光会发生 双折射，沿感生主轴方向分解的两束光由于折射率不同导致在晶体内的传播速度不一 样，从而形成了相位差。在目前的技术条件下，要对这个相位差进行精确的直接测量， 需要引入精密的光学仪器，不便集成为实用方便的测量设备，而光强的测量技术非常成 熟，所以一般都是考虑采用干涉的方法将通过晶体的相位调制光变成振幅调制光，通过 光强的检测来间接达到相位检测的目的。 基于逆压电效应的电压互感器的工作原理是当压电晶体受到外加电场作用时，晶体 除了产生极化现象外，同时形状也将产生微小变化，即产生应变，这种现象称为逆压电 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 效应。若将逆压电效应引起的晶体形变转化为光信号的调制并检测光信号，则可实现电 压的测量。 不论是采用电光晶体还是压电晶体作电压传感头，它们的原理都是根据晶体在外加 电场的作用下产生的电极化效应来实现电压的测量，而环境温度及应力等外界作用也将 引起晶体的附加极化并形成对电场极化的干扰，从而成为影响这类电子式电压互感器工 作稳定性的不利因素。虽然可以采取一些措施，消除或降低温度或外界应力对光纤电压 互感器的影响，但却使传感头光路、电路变得非常复杂，对传感头的加工与固化工艺也 提出更高要求。 2 2 2 有源型电子式互感器 有源型e 是被测高电压经电容环分压器、电阻分压器或电容电阻串联电路得到 一个小电压信号，数字化后通过光纤输出。对于电容分压器或电阻分压器得到的小电压 和被测高电压呈比例关系、小电压直接数字化输出即可；对于电容电阻串联电路在电阻 上得到的小电压是被测电压的微分，要想得到被测电压值必须对小信号进行积分。 有源型e c t 在一次侧需要电源供电，它是通过一次侧的采样传感器对电流信号取 样，利用有源器件调制技术，以光纤作为信号通道，把一次侧转换的光信号传送n - 次 侧进行信号处理，还原得到被测信号。有源型电子式电流互感器的特点是：利用光纤系 统提供的高绝缘性、抗电磁干扰强的优点，显著地降低了互感器的制造成本，减少了体 积和重量，充分发挥了常规测量装置的优势，同时还避免了光学传感头光路的复杂性及 对温度、外界振动敏感等技术难点。 2 3 电子式电流互感器的结构设计 本文设计的电子式电流互感器系统基本结构如图2 3 ，由一次电流传感器、一次转 换器、二次转换器和光电传输系统等几个基本部分组成。 e c t 低功耗数据采集系统的设计 高压侧； 低压侧 图2 3电子式电流互感器结构图 f i g 2 3 s t r u c t u r eo ft h ee c t 2 3 1一次电流传感器 电子式互感器传感头部分的设计直接关系到互感器采样数据的精度及可靠性，是整 个系统的核心部件之一。一次电流传感器采用了双l p c t 的形式，两个l p c t 用作电流 传感器产生相对应的电压信号，相同电流下，两个传感器输出电压相差1 6 倍，选取1 6 倍的目的是便于低压侧数据处理时进行数字量的移位运算，将信号缩小1 6 倍，从而得 以实现信号的还原。这种结构实现了量程的无缝切换，可以扩大测量电流的范围、提高 精度；同时双传感器的硬件冗余设计提高了互感器工作的可靠性。 2 3 2 一次转换器 一次转换器的主要功能是对从一次传感器传来的信号进行处理并传送到低压侧。因 为受到高压侧电源输出功率的限制，所以微处理器选用t i 公司推出的功能强大的超低 功耗1 6 位微处理器m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 ，它的的工作电压为1 8 3 6 v ，内含8 k b f l a s h 存储 空间。片上资源十分丰富，片内集成了1 0 位a d c ，减少了设计的复杂度，完全可以满足 需要。同时i o 端口功能更强，可实现双向的输入、输出，利于实现与外设的接口。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 3 光电传输系统 电子式互感器的传输系统是在高、低压侧之间用来传输信号的短距或长距的耦合装 置，也用来传送功率。要把在高压侧采样的数字信号传送到低压侧，可用的方法很多， 以前有研究者使用无线电波和超声波的方法，但这些方法容易受到干扰。目前普遍采用 光纤技术来传送信号。采用光纤传送信号具有如下优点： ( 1 ) 抗电磁干扰及抗共模干扰能力强； ( 2 ) 高低压侧隔离性能好，低压侧负载对高压侧无影响； ( 3 ) 响应时间短、精度高； ( 4 ) 传输损耗低。 2 3 4 二次转换器 二次转换器( 包括合并单元) 是电子式互感器重要组成部分，它是连接高压侧数据 采集系统和二次设备的桥梁。高压侧数据采集系统将转换完成的电流、电压信息通过光 纤传送到低压侧的二次转换器，然后由二次转换器按照标准规定的格式发送给二次保 护，测控设备。 2 3 5电源 在电子式电流互感器的设计中，高、低压侧之间没有电的直接联系，高压侧电源采 用取电c t 电源和激光电源相结合的组合电源系统。 激光供电方式的特点是电源能量由低压侧供给，供能装置主要由大功率激光光源、 激光二极管( l d ) 、光纤、光电转换器及d c d c 变换器构成。在低压侧的的大功率激 光光源推动l d 发光，然后利用光纤将激光能量传递到高压侧，经过光电转换将光能变为 电能，后级的d c d c 将输出的电压转换成满足电子式电流互感器传感头部分所需的电 源。由于l d 的工作原理可以确保光功率在一定的温度条件下稳定，所以通过光电转换 后的电源也相对比较稳定，不易受到外界其他因素的干扰，并可以从低压侧控制电源的 供给。不过激光供电也存在一些不足，如造价较高，能量利用效率较低等。 2 4 ，j 、结 本章介绍了相关国际标准对电子式互感器的定义，电子式互感器的分类和工作原 理，并在此基础上提出了一种有源型电子式电流互感器的实现方案。然后对其主要组成 部分分别进行了描述。 e c t 低功耗数据采集系统的设计 3高压侧数据采集系统的低功耗设计 3 1引言 在电子式互感器的应用中，电流传感器位于高压侧，如果将其输出的原始信号通过 电缆输送到低压侧处理，电磁干扰将会直接影响测量结果的准确性。因此，应在高压侧 利用数据采集系统将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，然后经由光纤传输到低压 侧。这样既保障了高压侧与低压侧的电气隔离，也有效地减小了电磁干扰对测量结果的 影响。 根据电子式互感器输出信号的特点及相关标准对信号传输的要求，可以将高压侧数 据采集系统分为信号调理、采样及a d 转换电路、控制处理电路和e o 转换几个部分， 其主要的功能是：控制处理电路在正确接收到低压侧合并单元发送的同步采样命令后， 启动信号采样及调整模块对l p c t 线圈输出的二次电压信号进行高速采样，并将采样值 组帧编码，通过电光转换( e o ) 变成光信号向低压侧的合并单元传输。其结构如图3 1 。 模拟信 图3 1 数据采集流程图 f i 9 3 1 d a t ac o l l e c t i n gp r o c e s s 号 3 2高压侧数据采集系统的低功耗设计思路 因为取电c t 电源存在供电死区必须采用激光电源补充，所以高压侧电源采用了取 电c t 电源和激光电源相结合的组合电源系统，而激光电源的最大输出功率仅在3 0 0 r o w 左右。为保证互感器能够不间断、稳定地工作，系统工作的功耗应该被限制工作在死区 下的激光电源所能够提供的最大输出功率之下。因而，对高压侧一次转换器电路进行低 功耗处理是设计的关键【2 2 2 4 】，采取的降低电路功耗的具体措施包括以下几个方面： ( 1 ) 选用微功耗的器件。电路中的微处理器、运放、模数转换芯片、温度传感器等 器件均选用静态电流很低的微功耗芯片。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 采用单电源供电。模拟部分采用单电源供电，避免了负压d c d c 变换而产生 的能量损耗，提高了电源的利用效率，简化了电源拓扑结构。 ( 3 ) 采用3 3 v 以下的低电压供电。电子器件的功耗分为静态功耗和动态功耗，其 中静态功耗同电源电压成正比，动态功耗与电源电压的平方成正比，降低供电电压可以 同时降低器件的这两种功耗。 ( 4 ) 充分利用器件的“节电”方式，降低系统平均功率。采用高速采集、高速传输数 据的方法，缩短模数转换器和时序电路的工作时间，延长它们的掉电时间。将光电、电 光器件不传输数据时的状态设为高电平，降低空闲时的功耗。 3 3 一次电流传感器l p c t 及前端信号调理 3 3 1铁心线圈式低功率电流传感器l p c t 铁心线圈式低功率电流传感器l p c t 2 孓2 7 】是一种装配有取样电阻器用作电流电压 转换的铁心线圈，是传统电磁式互感器的一种发展，其低功率的特点扩展了测量的动态 范围。由于现代电子设备的低输入功率要求，l p c t按照高负载阻抗r 。进行设计。l p c t 结构上包含一次绕组、小铁心和损耗极小的二次绕组，后者并联了电阻r 曲，如图3 2 所示。电阻r 曲是l p c t 的积分元件，对互感器的功能和稳定性极为重要。因此，原理 上l p c t 仅提供电压输出。假设变比为l 耳= 瓦1 。瓦i v , ( 3 1 ) 则其传变关系为： j ，= k ，u ，( 3 2 ) 玑哦鲁 ( 3 3 ) e c t 低功耗数据采集系统的设计 p 1 ， i s 1 一t ； 扣 。 ，i 己5 ! 。 t l 一弋i 支到电压的转换器， r a h 是l p c t 的积分元件 图3 2l p c t 结构 f i g 3 2 s 仇l c t l l r eo f l p c t 注1 ) i v 为一次电流：n p 为一次匝数：p 1 、p 2 为一次端子；n s 为二次匝数；s 1 、s 2 为二次端子； r s h 为并联电阻；r b 为负荷电阻；u s 为二次e g e , 。 并联电阻r 曲设计为使互感器的功率消耗接近于零。二次电流，在并联电阻r 曲上产 生电压降u 。，其幅值正比于一次电流，p 且同相位。而且，互感器的内部功耗和负荷要 求的二次功率越小，其测量范围和准确度越理想。l p c t 等效电路图见图3 3 。 p 2 图3 3 电压输出的l p c t 的等效电路 f i g 3 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f t h el p c tw i t hv o l t a g eo u t p u t 注1 ) i p 为一次电流；r f e 为铁损等效电阻；l m 为励磁等效电抗：r t 为二次绕组和引线的总 电阻；r s h 为并联电阻：c c 为电缆等效电容；u s 为二次电压；p 1 、p 2 为一次端子；s 1 、 s 2 为二次端子；r b 为负荷电阻。 大连理工大学硕士学位论文 l p c t 本身以当今成熟的电磁式互感器为技术基础。内部电阻虽然是新的部件，但 其相关应用的技术也已经得到充分的发展。l p c t 的输出依靠长期稳定的内部电阻变换 得到可重复的精确结果，所以电阻性质必须在很宽的温度范围和很长的时间内保持稳 定。本文选择低电抗、低温度系数、高精度的四端子电阻，同时电阻应具有较大的散热 功率，能够承载数安培的电流。选用高导磁系数的微晶合金材料制造铁心。l p c t 使传 统电磁式互感器在非常高( 偏移) 一次电流下出现饱和问题得到了极大的改善，并因此 显著扩大了电流的测量范围。除了量程比较宽，l p c t 可以设计得尺寸比传统电磁式电 流互感器小很多。 3 3 2 抗混叠滤波器的设计 为了抑制信号混叠现象对数据采集的影响，需要利用抗混叠滤波器 2 8 】将无用信号进 行衰减和滤除。电子式互感器数字量输出不是时间t 的函数，而是一序列数值，因而是 计数值拧( 整数) 的函数。一次电流或电压的第以次数据采集采样完毕的时间称为乙。 由于采用等间隔采样，样本之间的时间间隔为t 。卅- t n = c ，t 是恒定值，并等于数据速 率厶( 数据集的每秒传输量) 的倒数。 对于包含数字数据传输的电子式互感器，应考虑它能够测量和正确传输的最高频率 ，即所谓的频率带宽。正通常是所用输出数据速率的一半。互感器的频带宽度由采 样速率为f 和数据速率为厶决定。当f 厶时，兀= 厶2 ；当工 厶，六= l 2 。 如果传输路径中采用了多种数据速率，其中的最低频率决定了互感器带宽。i e c 标准规 定，为保证电子式互感器的准确度，抗混叠滤波器( a n t i a l i a s i n gf i l t e r ，a a f ) 的设计 应满足：当厂e l 一，时，衰减4 0 d b 。除了上述提到的衰减要求外，在传感器数据 采集过程中，不可避免地会有高频干扰信号混杂在输出信号当中，为了最大程度地抑制 或消除混叠现象对数据采集的影响，就需要利用抗混叠滤波器将无用信号进行衰减和滤 除。 这里采用i e c 标准中所推荐的4 阶贝塞耳( b e s s e l ) 模拟滤波器，其截止频率取 无= 厶3 。传递函数为( 拉普拉斯表示法) ： 6 娜p 7 4 q ) 2 耳丽面丽丽研1 07 7 4 2 03 8 8 9 而3 画3 9 6 磊0 4 8 8 研9 p ( 3 4 ) 。7 1 1 + p + p 21 1 + 1 p +。j 其中：p = 歹f 厶。 贝塞耳滤波器具有如下优点： ( 1 ) 极好的暂态特性，无过冲、还原时间短。 e c t 低功耗数据采集系统的设计 ( 2 ) 高于数据速率的各频率衰减合理： ( 3 ) 在通带内，它还是一个线性相位的滤波器，即对于通带内不同频率的信号 ( f ) ，它引入的相位移是频率的线性函数，即群延时恒定。 滤波器对相位移的影响与传输系统总的纯延时相同。因而，只要它的等效延迟时间 包含在互感器的额定延迟时间之内，则对相位移的影响可以忽略。贝塞耳滤波器的等效 延迟时间等于1 0 1 丘。 贝塞耳滤波器有两种拓扑结构：m f b ( m u l t i p l e f e e d b a c k ，无限增益多路反馈电路) 和s k ( s a l l e n k e y ) 。滤波器采用双电源供电的s k 拓扑结构，电路如图3 4 所示。s k 结构滤波器为单位增益，由于滤波器增益与元器件参数无关，所以与m f b 结构相比能 够提供最高的增益精度。 一次转换器提供的两路1 6 位a d 采样率超过1 5 k h z ，相当于7 5 k h z 的频带宽度( 工 频5 0 h z 下1 5 0 次谐波) 。所以，滤波器的截止频率后设定为5 k h z ( 1 5 k h z 3 ) 。 图3 4 抗混叠滤波器电路图 f i g 3 4a n t i a l i a s i n gf i l t e rc i r c u i t 3 3 3 模拟信号前端调理电路 l p c