（电力系统及其自动化专业论文）有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计.pdf

有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 a b s t r a c t w i t ht h ev o l t a g eg r a d ea n dt h ea u t o m a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o n r e q u ir e m e n ti m p r o v i n gc o n s t a n t l y，t h e t r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s d u c e r se x p o s e st h es h o r t c o m i n gt h a tc a n n o tb eo v e r c a m e ，t h en e w t y p e e l e c t r o n i cc u r r e n t v o l t a g et r a n s d u c e r sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fo p t i c sa n d e l e c t r o nb e c o m et h er e s e a r c hf o c u s i nt h eb e g i n n i n g ，t h e f a c i n gp r o b l e mo ft r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c t r a n s d u c e r sa n dt h ea d v a n t a g eo fe l e c t r o n i cc u r r e n t v 0 1 t a g et r a n s d u c e r sa r e i n t r o d u e di nt h i st h e s i s ，t h ep r e s e n ta c t u a l i t yo fe l e c t r o n i ct r a n s d u c e r si s s u m m a r i z e da n dt h e f a r r e a c h i n gi m p a c t e l e c t r o n i ct r a n s d u e r so n s u bs t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d t h e nt h et h e s i si n t r o d u c est h e s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fr o g o w s k ic o i la n dc a p a c i t i v ev o l t a g ed i v i d e r s e n s o r so fa c t i v ee l e c t r o n i ct r a n d u c e r s t h ed a t as a m p l i n gs y s t e mo fa c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e r s i sa tt h e h i g hp o t e n t i a ls i d e ，t h e r ei s ad e m a n df o rs p e c i a lc i r c u i td e s i g n i nt h et h i r d c h a p t e r ，t h e t h e s i sr e s e a r c h e sa n d d e s i g n se v e r y e l e m e n t i n c l u d i n g i n t e g r a t o r ，l o w p a s sf i l t e r ，a d c o n v e r s i o nu n i t ，o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n u n i t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i ta n ds oo ni nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h et h e s i s p r e s n t sa ls o s o m em e t h o d sf o re l e c t r o n i cc i r c u i ta n t i j a m m i n g t h ed a t a s a m p l i n gs y s t e mu s e sf p g aa sc o n t r o l l e r ，n o to n l yr e d u c e sc i r c u i tp o w e r ，b u t a l s oi m p r o v e ss y s t e me f f i c i e n c y i nt h ef o u r t h c h a p t e r ，t h e t h e s i si n t r o d u c e st h ei n t e r f a c em o d e lo f s u b s t a t i o na u t o m a t i o ms y s t e mf i r s t ，t h e ne x p l a i n st h em e t h o db a s e do n i e c 6 0 0 4 4 - 7 8a n di e c 6l8 5 0f o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne l e c t r o n i c t r a n s d u c e ra n db a yl e v e lo fs u b s t a t i o n b e c a u s ee t h e r n e ti sc h a r a c t e r i z e db y p o p u l a r i z a t i o n a n dm a t u r a t i o nt h a ta r ei nf a v o ro fm a s sr e a l - t i m e i n f o r m a t i o n e x c h a n g i n g a n dd a t a g a t h e r i n g a n dm a i n t e n a n c ei n s u b s t a t i o n ，t h e t h e s i s a d o p t s e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ae t h e r n e t i n t e r f a c ei sp r o v i d e da n di t st a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gd a t a p r o g r a m m e f l o wc h a r t sa r ep r e s e n t e di nt h ee n doft h ec h a p t e r i nt h ee n d ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h er e s e a c hc o n t e n t t h ep r o b l e m st h a t n e e dt ob ef u r t h e rr e s e a r c h e da n dr e s o l v e da r ep r o p o s e d 1 i 硕士学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s d u c e r ： c o i l ；c a p a c i t i v ev o l t a g ed i v i d e r ： a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e r ；r o g o w s k i d a t aa c q u i s i t i o n ；d a t ac o m m u n i c a t i o n l l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：丁今一f b日期：辞，月，) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：b ，年j - 月夕日 日期：泐6 年j 7 月f 7 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究课题的背景及意义 在电力系统中，传统的电磁感应式互感器被用来测量电流电压信号 已经有一百多年的历史了，它为电力系统的计量、继电保护、控制和监 视提供输入信号，具有非常重要韵意义。传统的电磁感应原理构成的电 流互感器( t a ) 和电压互感器( t v ) 是分别将电流和电压分别转换为0 5 a 的电流信号和0 1 0 0 v 的电压信号来实现的w 。其主要优点在于原理 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，并 且有长期的运行经验。但是随着电力系统的发展，继电保护、电气设备 自动化程度的提高，电力系统绝缘等级的提高，以及超高压输电网络的 建设，电磁式电流互感器( c t ) 电磁式电压互感器( p t ) 的呈现出许多 不可克服的缺点，主要表现在“1 ： 1 ) p t 和c t 因为带有电感线圈和铁磁材料，故频带不宽，线性范 围窄： 2 ) 系统发生短路故障时，短路电流将使c t 的铁心饱和，二次侧 的信号波形发生畸变； 3 ) p t 的二次侧直接与电压表连接，相当于运行在变压器的空载状 态，短路会引起很大的短路电流，使用中不允许短路：c t 的二 次侧直接与负载和电流表相连，相当于运行在变压器的短路状 态，二次侧开路会引起很高的电压，使用中不允许开路。 4 ) 电磁式互感器都有定的额定容量，从电力网中消耗功率，成 为系统的负载。存在负荷分担问题，而p t 最为严重的问题是可 能出现铁磁谐振，这种谐振现象，某些元件的电压过高危及设 备的绝缘，同时可能在非线性电感元件中产生很大的过电流， 使电感线圈引起温度升高，击穿绝缘，以致烧损。 随着电力系统对其可靠性和自动化程度越来越高，现代配电、用电 系统都要求在计量、监测、控制以及保护等方面自动化和智能化。作为 电力系统中测量的基本设备，电力互感器在电力系统发展中面临着新的 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 要求w 。目前，在电力系统中广泛应用的以微处理器为基础的数字保护装 置、电网运行监视与控制系统以及发电机的励磁控制装置等，不再需要 用大的功率来带动，仅需5 v 的电压信号和ua 或m a 级的电流就可以了。 因此采用低功率、紧凑型的电压和电流测量代替常规的c t 和p t 将被测 电压、电流变换为数字装置所要求的电压和电流水平，是电力系统技术 创新所面临的重要任务。这对降低电力系统建设和运行成本，提高电力 系统的可靠性具有重要意义。 随着现代电力电子和光纤技术的发展，基于光学和电子学原理新型 电子式电流、电压互感器成为人们研究的热点，这种互感器由于其输出 信号是低功率的模拟信号，考虑到抗干扰因素，必须就地数字化m 。 与传统的电磁式互感器相比，电子式电流电压互感器具有的优点有： 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，提高了系统的可靠性；利用光纤传输信号，抗 电磁干扰性能好；无铁芯，不存在次饱和、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，而且体积小、重量轻、成本 低，减少了变电站的面积。 电子式互感器已经在国外的一些集成型智能开关设备中得到了应 用。例如a b b 公司的p a s s ( p l u ga n ds w i t c hs y s t e m ) 系统和三菱公司 的m i t s ( m i t s u b i s h ii n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ys w i t c h g e a r ) 系统就采用了 电子式电流互感器，而且将其集成到一次高压开关设备中，大大减少了 变电站设备的占地面积，增强了设备的可维护性，降低了变电站的运行 成本。这种集成了新型电子式互感器智能化开关设备已在许多国家变电 站投入试运行，取得较好的运行经验。国内的院校、科研单位也正在关 注这一技术，并已有单位准备引进这种新型的智能设备投入试运行。 1 2 电子式互感器的产生及基本原理 1 2 1 电子式互感器的产生 在电力系统输电网络的建设中，电压等级越来越高，电力系统的运 行电流也越来越大，传统的电磁式互感器很难满足电力系统进一步发展 的要求。新型的电压和电流钡量技术的研究成为电力系统中的一个热点。 根据1 e c 标准，这类依赖于电子技术、光学技术、现代信号处理技术的 电压、电流变送器被称为电子式电压互感器( e v t ) 和电子式电流互感器 ( e c t ) ，两者统称为电子互感器。 新型e v t 和e c t 的基本组成如图1 1 所示。基本思想是将一次侧高 2 硕士学位论文 电压、大电流转变成方便传输的信号，一般为数字信号或频率变换信号， 经传输系统送到二次侧，在二次侧做一定的处理后，再以模拟量或数字 量的形式输出，供测量和保护用。一次电流传感器可采用采用空心线圈 或负载固定连接的铁心线圈。一次电压传感器可采用精密电阻或电容分 压器。一次侧到二次侧的传输一般采用光纤，这是因为光纤可以实现高、 低压侧的电气隔离，又具有很强的抗电磁干扰能力。二次侧可以采用一 个合并单元汇集来自一次变换器的多达1 2 路采样数据，统一进行处理“1 。 e f ：设备故障 s 1 ：测量用信号 二次端子 m r ：设备需维护8 2 ：保护用信号 s 1 s 2 s 1 s 2 11e c t 。e v t 的通用原理框图 1 2 2 光电式互感器的基本原理 根据传感头的原理，光电式电流电压互感器可分为传感型( 又称全 光型) 和传光型( 又称混合式) 两种。传感型电子式电流电压互感器主 要利用f a r a d a y p o c k l e s 效应进行测量，由于光学材料本身难以克服发双 折射和温度稳定性的影响，其长期运行结果并不理想，实用化进程缓慢； 而利用传统传感器件构成传感头，仅以光纤来传输数据的传光型电流电 压互感器，则由予传感头运行稳定，可靠而作为一种过渡方案，取得比 较满意的测量结果，也是目前最接近实用化的一种测试方案mm 。传光型 电流电压互感器通常采用r o g o w s k i 线圈电容分压的方法来进行测量。 r o g o w s k i 线圈可解决传统电磁式电流互感器面临磁饱和动态范围小等问 题，而电容分压则具有绝缘结构简单，体积小及暂态响应好等优点。 光电式互感器从其传感头有无电源供电可分为无源型和有源型两 类。目前研究最具代表性主要是无源传感型光电互感器和有源混合式( 传 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 光型) 光电互感器。 1 2 2 1 传感型光电电流互感器 大部分无源传感型是利用f a r a d a y 磁光效应测量的，其工作原理是 l e d 发出的光经起偏器后为一线偏振光，线偏振光在磁光材料( 如重火 石玻璃) 中绕载流导体一周后其偏振面发生旋转，通过测量线偏振光偏 振面的旋转角度，就可以间接地测量出导体中的电流值。如图1 2 所示。 磁光材料 图12f arada y 效压光掌电流互露器原理围 如图所示，据法拉第磁光效应及安培环路定律可知，线偏振光的旋转 角度0 与载流导体中的电流f 有如下关系： 目= y 爿铘= 聍 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中r 为磁光材料的v e r d e t 常数，f 为磁光材料中的通光路径， i 为载流导体的电流m 。虽然传感型电流互感器已经达到实用化的程度， 但是要取代传统的c t 还存在一些问题。主要问题有：双折射效应的 影响。双折射效应对全光型电流互感器的影响主要是使入射到磁光材料 的线偏振光变成椭圆偏振光，从而使线检偏器输出的光强度变化不与被 测电流成正比，这大大影响了互感器的灵敏度和测量精度。环境温度 的影响。温度的变化会导致磁光玻璃的v e r d e t 常数发生变化；l e d 的发 光波长随温度的变化而变化，波长的变化又会导致v e r d e t 常数的变化。 光学系统的长期稳定性问题。光学部件准确定位的困难，组装时的应 力会导致双折射，利用双光路减弱双折射时，光路相当复杂。光学系 统的加工、装配工艺有待提高。光学材料的加工工艺、光路耦合工艺、 光路的装配工艺要求都很高n ，。 硕士学位论文 1 2 2 2 传感型电压互感器 无源传感型电压互感器，到现在国内外已经提出许多种基于不同光 学效应的测量原理，而当前应用最多是基于p o c k e l s 线性电光效应的光学 电压互感器。p o c k e l s 线性电光效应是指某些透明的光学介质在在外电场 的作用，其折射率线性地随外加电场而变。常用的p o c k e l s 晶体有铌酸钽 ( l i n b 0 3 ，简称l n ) 、硅酸铋( b i l 2 s i 0 3 ，简称b s o ) 和锗酸铋( b i 4 g e 3 0 l2 ， 简称b g o ) 。其中在电力系统高电压测量中用碍最多的是b g o 晶体，b g o 晶体是一种透过率高、无自然双折射性和自然旋光性、不存在热电效应 的晶体，在电压传感方面具有优良的性能n ，。 根据电光晶体中通光方向与外加电场方向的不同，基于p o c k e l s 效应 的光学电压互感器可分为横向调制光学电压互感器和纵向调制光学电压 互感器。 起稿嚣 检稿器 田1 3 光学电压互蒜器原理圈 两种类型的光学电压互感器的都是通过测量相位差占来实现的。横向 调制型外加电场方向与通光方向垂直，纵向调制型外加电场方向平与通 光方向平行。图i 3 是基于横向调制的光学电压互感器原理图。其原理 是l e d 发出的光经起偏7 器后为一线偏振光，在外加电压的作用下，线偏 振光经电光晶体( 如b g o 晶体) 后发生双折射，双折射的两束光束在晶 体出射面上产生的相位差艿与外加电压v 有如下关系： 拈手机争乏以= 赫 ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中，为b g o 的折射率， 为b g o 的电光系数，为b g o 中光路长度，d 为施加电压方向的b g o 的厚度，丑为入射光波长，屹为 晶体的半波电压( 半波电压是指使由p o c k e l s 效应引起的双折射两光束产 生石相位差所需的外加电压) 。相位差占与外加电压v 成正比，利用检偏器 将相位差占的变化转换为输出光强变化，经光电变换及相应的信号处理 5 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 便可求得被测电压m 。纵向调制型和横向调制型的不同之处是两者的半波 电压u ，不一样，纵向调制型u ，与晶体的尺寸无关。 1 2 2 3 有源混合式光电电流电压互感器 有源混合式光电互感器的高压部分采用有源电子线路，利用光纤作 为传输通道。随着开关器件智能化和小型化的发展，出现将电流、电压 互感器集于一身的组合式电流电压互感器，大致有两类：一是用于高电 压尤其是1 1 0 k v 以上电压等级的光电互感器，它利用电光效应和磁光效 应来测量高电压及大电流。这类组合式互感器属于无源光电式互感器。 另一种是基于电阻或电容分压器和r o g o w s k i 线圈进行电压、电流测量， 适用于小绝缘距离的高电压系统，电阻分压器和r o g o w s k i 线圈组合用于 1 0 3 5 k v 系统，电容分压器和r o g o w s k i 线圈组合用于1 1 0 k v 以下的高 压系统”。这类互感器属于有源光电式互感器。 在本文设计中，有源光电互感器利用r o g o w s k i 线圈采样电流，利 用电容分压器采样电压信号，通过光纤将采样信号传送到低压侧的数据 处理系统。 低压侧 光 a 电 日 并 转 盥 换 一 兀 数字输出 图14 有源光电电流电压互感器原理结构图 图1 4 是有源光电电流电压互感器原理图。利用r o g o w s k i 线圈测 量电流原理为当被测电流从线圈中心穿过，随时间变化的电流f ( f ) 将产生 一个随时间变化的磁场环链，这个r o g o w s k 线圈中产生感应电势e ( r ) ，电 压e ( f ) 与电流的变化率d i ( o d t 成正比m ，。经过一积分器即可得到与附) 成正 比的电压信号。电压测量采用电容分压器，通过电容器串并联组合将电 网高电压进行分压m ，。 实现有源光电电流电压互感器存在如下一些难点：高压侧数据采 6 硕士学位论文 集系统的供电电源设计问题。高压侧的电子线路需要有电源供能才能运 行，由于高压侧和低压侧没有电磁联系，因此如何解决高压端供能问题 是该类互感器的难点电子线路的测量准确度问题。电子线路的抗干 扰问题。 1 3 电子式互感器国内外发展现状 1 3 1 无源电子式互感器国内外的发展现状 无源电子式电流互感器发展较早，从2 0 世纪七十年代起许多国家都 在进行无源式电流互感器的研制工作。美国的电力公司在1 9 8 2 年成立了 光学电流互感器研究组，对磁光式电流互感器的信号采集部分的结构、 温度问题、信号处理、计量、继电保护以及磁光式电流互感器的长期可 靠性问题都做了比较深入的研究，且研制出了1 6 l kv 光学电流互感器m 。 法国的a l s t o m 公司主要研究无源电子式互感器。目前该公司已研制 出1 2 3 k v 到7 5 6 k v 的光学电流互感器，光学电压互感器m 。光学电流互 感器的工作原理基于f a r a d a y 磁光效应，光学电压互感器的工作原理基于 横向调制的p o c k e l s 电光效应。 1 9 8 6 年，a b b 公司首次将单相高电压测量用电流互感器在 t e n i l e ss e ev a l l e ya u t h o r i t y 电网试运行。1 9 9 6 年，a b b 公司研制出 3 6 2 k v 光纤电压互感器，其中所采用的技术可以应用到6 9 k v 到7 6 5 k v 。 目前，a b b 公司研制的无源光电式互感器包括基于f a r a d a y 磁光效应的光 学电流互感器、基于p o c k e ls 电光效应的光学电压互感器，以及将两者 组合在一起的组合式光学测量单元n ，。 我国对光学互感器的研究始于8 0 年代，先后有清华大学、电子部2 6 所、北京电科院、上海互感器厂、沈阳变压器厂、哈尔滨工业大学、华 中科技大学等多家科研院所开展这项研究工作。目前已有多种光学电压 互感器的样机研制出来，但绝大多数处于实验阶段m 。清华大学和中国电 力科学研究院，利用国家自然基金共同研制的1 1 0 k v 光纤电流互感器， 于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网试运行。 1 3 2 有源电子式夏穰器国内外发展现状 随着电子技术和计算机技术的不断发展，低功耗、高精度、高速度 的a d 转换器、压控振荡器和信号处理芯片已经实用化，并在工业现场 得到广泛应用，近年来，各国都很重视有源电子式互感器的研制工作， 这种互感器与磁光互感器的主要区别在于信号采集部分完全由电子线路 组成。如意大利的p o l y t e c h n i co fm i l a n o 大学已经将有源电子式电流互 7 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 感器上网运行，其精度已经达到了0 1 级，美国的p o t o n i cp o w e rs y s t e m s 公司已经将这种电流互感器产品化，瑞士的a b b 公司，德国的r i t z 互 感器公司也有同样的产品。 19 7 9 年，意大利研制出了压频变换式光电电流互感器，在测量5 0 h z 工频电流时测量误差小于0 2 ；在测量直流电流时测量误差小于0 1 。 该电流互感器的高压侧供能方式是利用参数变压器从高压母线取得供能 电压。 1 9 9 2 年，a b b 公司研制出了有源电子式电流互感器。据有关资料报 道，由于比较先进的c m o sq - 艺的电子器件的发展，a b b 公司研制的a d 转换式有源光电电流互感器的信号采集电路的电能消耗已经降低到l5 0 ! - tw 以下，并且在1 1 0 k v 的变电站投入实际运行，这种电流互感器的精 度达到了0 5 级。这套系统采用的供电方式是激光供能的方式，系统的 工作稳定性和精确度比较高。在这种有源光电电流互感器中，信号采集 电路同时采样的信号通道为1 6 个，电流信号的采样率比较低，高低电位 侧的数据传送通过光纤采取串行通信的方式，数据传输消耗的时间比较 长，采集的电流信号的相角误差比较大( 达到6 0 度) ，这也是这种电流 互感器的缺点。同时，a b b 公司研制了用于g i s 中的复合电子式电压、电 流互感器，电流测量范围为5 a 2 0 0 0 a ，电压测量范围为6 9 5 0 0 k v ，准 确度都达到0 2 。 英国的l iv e p o o l 大学也进行了相关的研究工作。19 9 3 年，l iv o p o o l 大学研制出了有源电子式电流互感器，采用参数变压器从电流母线采样 获得电源供应的方法，信号采集电路采用v f c 方式( 电压频率转换方式) 。 为了提高系统工作的可靠性，他们设计两套同样的信号采集系统安装在 高压母线侧，当一套采集系统出现故障时，另一采集系统会自动启动工 作，系统的有效性得到了可靠的保证，为了消除温度对系统影响，采集 电路也通过光学温度传感器将系统的温度信息传递给低电位的接收端， 通过温度补偿的方式消除温度对采集信号精确度的影响。 德国的r i t z 互感器公司早期与德国的大学合作所研究出了同样的样 品后，又推出了自己的电子式电流互感器。电流的测量范围可达到5 0 a 到3 0 0 0 a ，电磁干扰也可以通过各种抗干扰措施得到消除。 在世界范围内对电子式电流互感器的研究，在2 0 世纪6 0 年代兴起，。 8 0 年代取得突破性进展，多种样机挂网试运行，9 0 年代进入实用化研制 阶段1 。尤其是2 1 世纪以来，光电子技术、p c 微机、单片机及数字处理 器技术的发展和成熟，为研制新型的电子式互感器奠定了基础。 我国对于有源电子式互感器的研究还比较落后。清华大学、燕山大 硕士学位论文 学、大连理工大学研究有源式光电互感器清华大学研究研制的有源电子 式互感器在山东进行了1 0 k v 和1 l o k v 电压等级的挂网试运行”“。 1 4 电子式互感器对变电站自动化系统的影晌 简化了二次设备的结构。现代变电站内的设备大多是基于数字信 号的设备，传统电磁式互感器的模拟输出信号到这些数字信号设备需经 过a d 转换，电子式互感器输出的数字信号，可以直接应用于这些数字 信号设备，省去了a d 转换环节，简化了设备结构。 消除了测量过程中存在的系统误差。电磁式互感器的测量误差随着 二次侧负荷的变化而变化，因而不可预计。电子式互感器输出的数字信 号，测量准确度不受二次侧负荷影响，其误差主要来自于数据采集系统 的自身。 间隔层和设备层的连接方式更加开放和灵活。由于电磁式互感器， 传送的是模拟信号，当多个不同的装置需要同一个互感器信号时，需要 进行复杂的二次连线。而电子式互感器其输出的数字信号可以方便地进 行数据通信，可以根据实际要求将互感器与需要互感器输出信号的设备 构成一个网络，实现数据的交换和共享n ，。 1 5 论文的主要工作 本论文主要工作包括： 介绍了有源和无源光电式互感器的原理和特点，对目前国内外的无源 式和有源式电子互感器的发展现状进行概括，分析电子式互感器对变 电站自动化系统的影响 介绍了电流传感元件r o g o w s k i 线圈电压传感元件电容分压器的结构 和测量原理的结构和测量原理。从理论上分柝了r o g o w s k i 线圈的频率 特性，工作状态，稳态和暂态响应及抗干扰和制作方法等。 分析了高压端数据采集电子电路的构成部分的工作原理，设计了部分 电路。 简要地研究了电子式互感器与变电站间隔层之间盼通信，确定了以太 网的接口方案。 9 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 第2 章有源电子式互感器传感元件的结构与原理 2 1 用于有源电子式电流互感器的r o g o w s ki 线圈 2 0 0 0 年，i e c 根据基于光学和电子学原理的电流互感器( e c t ) 的发展趋 势，制定关于e c t 的i e c 6 0 0 4 4 8 标准，明确e c t 指采用传统电流互感器 ( c t ) 、霍尔传感器、r o g o w s k i 线圈或光学装置作为一次转换部分，利用光 纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统，并且装有电子器件作 测量信号的传输和放大，其输出可以是模拟量和数字量n ”。e c t 的研究是 从f a r a d a y 效应和传统电流互感器配光纤开始的。由于受传感元件的限 制，基于f a r a d a y 效应的e c t 进入实用化还需做大量的工作。相比较而 言，r o g o w s k i 线圈是一种较成熟的测量元件。r o g o w s k i 线圈又称空心 线圈，磁位计，它是由导线均匀地绕在一个非铁磁性骨架上而制成， r o g o w s k i 线圈用于电流测量时，具有许多优点，主要表现在m ： ( 1 ) 测量精度高：精度可设计到高于0 1 ，一般为0 5 1 ； ( 2 ) 测量范围宽：由于没有铁心饱和，同样的绕组可用来测量的电流范 围可从几安培到几千安培； ( 3 ) 频率范围宽：一般可设计到0 1 h z 到l m h z ，特殊的可设计到2 0 0 m h z 的带通； ( 4 ) 可测量其它技术不能使用的受限制领域的小电流； ( 5 ) 生产制造成本低。 2 1 1 r o g o w s ki 线圈的原理结构 r o g o w s k i 线圈可设计成圆形、矩形、钳形等各种形状。如图2 1 所 示，将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，就构成了 r o g o w s k i 线圈。英国伦敦的c o o p e r 在1 9 6 3 年从理论上对r o g o w s k i 线圈 的高频响应进行了分析，奠定了r o g o w s k i 线圈在大功率脉冲技术中应用 的理论基础n “。 1 0 硕士学位论文 忍。园! d l ! d 2 ( a ) 矩形截面( b ) 圆形截面 豳21r o g o w s k j 线i i 原理结构囝 图2 1 中，用r o g o w s k i 线圈线圈进行电流测量时，被测电流从线圈 的中心穿过，由电磁感应原理可知：任何一个随时间变化的电流i ( t ) 总是 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势 p ( r ) ，电势p ( r ) 与电流的变化率d f f t ) d t 成正比。根据安培环路电流定律 4 日d l = 坝磁场强h = - 圭 ( 2 1 ) 。 z ，刁” 所以磁感应强度b = u 。h = 学，再由电磁感应定律： 口( r ) ：一辈 ( 2 2 ) 对于图2 1 ( a ) 中矩形截面r o g o w s k i 线圈： 磁妒= 庐葫= 穆= e 争= 譬，n 鲁 c2 则总磁链为：甲= 删 以感应电鼽( ，) 一警一警l 嗉等一m 罢 ( 2 。) 式中：f 一导体中流过的瞬时电流，a r 一线圈的骨架的任意半径 胁一真空磁导率，4 万1 0 。7 h r n 一线圈的匝数 而一骨架高度 r ，一骨架外径 r 一骨架内径 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 m 一线圈绕组的互感 对于图2 1 ( b ) 中的圆形截面的线圈，同样有式( 2 4 ) 成立，此 时线圈的互感m ： m ：- t o n f 害b ( 2 5 ) 2 慨+ 矸一 式中d 一线圈的平均大直径；d 2 一线圈截面的直径”。 由上述的推导可知，r o g o w s k i 线圈的输出电压与穿过r o g o w s k i 线圈 载流体中流过电流的导数成正比，即r o g o w s k i 线圈的输出电压与被测电 流成微分关系，需要一个积分器来进行相位校正还原电流信号。 2 1 2r o g o w s k i 线圈的频率特性分析 测取电流信号时，在r o g o w s k i 线圈的两个出线端接一个取信号的小 电阻，其等效电路如图2 2 所示， ，( f ) o 设i p 为一次回路电流，巳：m 旦攀尘线圈回路感生电势，岛为线圈的等 效电感，r s 为线圈内阻，g 为等效分布电容，r 。为端接负载电阻，可得 r o g o w s k i 线圈的传递函数为： 耶，2 器刊蠢 s ， 其中忙彘衅糌肝挚 令c 。= o ，则疋= 0 ，五= l s ( 墨+ 墨) ，令墨= 1 6 0 则 一器= e 等纛2 r 等鬲s ， 幅炳和相炳特件的表沃式为n “： 厂州一半蔫愕南。， i p h a s e ( c o ) ：9 0 。一黜t a n 旦：a r c t a n - - z l 2 1 3r o g o w s k i 线圈的两种工作状态 由r o g o w s k i 线圈的工作原理可知，利用r o g o w s k i 线圈测量电流时， 在线圈两端产生电压和电流的关系为如式( 2 4 ) ，因此r o g o w s k i 线圈实 际上是一个微分环节，为了得到原来的电流信号，必须加一积分环节。 依取样电阻r 。取值选择的不同，r o g o w s k i 线圈有两种可能的工作状态， 即自积分工作状态和微分工作状态n ，。 2 1 3 1 自积分的工作状态 如图2 3 所示，图中r o g o w s k i 线圈的测量线圈与取样电阻r 。构成的 测量回路，本身就是一个r l 的积分电路。在这种情况下，测量回路电压 方程为 m 罢= 三百d i l + ( 也+ ，) ( 2 9 ) 式中，上，r 分别表示r o g o w s k i 线圈的自感和内阻。当满足条件 去堕 ( 2 1o ) 见+ rd t 回路电压方程可近似写成： m d i l a i , ( 2 1 1 ) d td t 因此，= z 1j ( 朋面d i ) 出= t m f ( 2 12 ) 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 g o ：。：掣列 ( 2 13 ) 即测量回路的电路和取样电阻心上的电压“。与被测电流成正比，为 满足式( 2 9 ) 中的条件，取样电阻b 应选择较小的数值，一般为零点几 欧或几欧，且拿要足够大，自积分工作状态适合于测量快速变化、持续 时间较短( 微妙级) 大电流，如应用在高压冲击电流的测量。 2 1 3 2 微分工作状态 若将测量回路本身作为纯电阻网络，为了反映被测电流的大小，必须 另外增加一个积分电路。在这种工作状态下，就测量回路电压方程式的 要求，要求 j l 堕 ( 2 1 4 )_ 上 c o ( q + c 2 ) ( 为被测电压u 的角频率) 则 吣r g d ( 2 3 4 ) 可见u 2 与d 哆磊i e 比，利用电子电路对u ：就可求得u 第3 章高压端数据采集和信号处理系统的研究与 设计 数据采集电路是有源电子式瓦感器接口的一个组成部分。主要完成 对传感元件输出的电流电压信号的同步高速采样以及对采样值进行信道 编码并转换成光信号传输等。信号的采集流程图如图31 所示，在达到地 面低压侧数据处理单元之前。采样信号需经过信号调理电路，a d 转换 电路，微处理器，及e o 转换电路等 凰3 1高压端采样信号流程田田 号 电力输电线由a 、b 、c 三相组成，每相的采样输入信号需经过调理 电路，调理电路由低通滤波器、有源积分器电路组成。其中积分器是一 个重要的环节，积分信号精确后才能保证后面的信号数字变换的准确发 整个测量系统的精度。也可以通过数字方法来实现积分器，既先经过a i d 转换，再进行数字积分。本文对这两种分别进行了介绍和比较。 3 1 积分器的原理及设计 3 11 用模拟电路实现积分器 模拟积分器传统上用高性能的运算放大器构建，图3 2 为在控制和测 量领域常用的理想积分器电路图。 量领域常用的理想积分器电路图。 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 p c 图32 理想积分器 积分器的时域表达式为： ( ，) = 一去p 。出 ( 3 1 ) 频域变换为： h(，卯)=鱼垡掣=一=1e ；( 3 2 ) s ( j c o ) j m l c 可求得幅频特性和相频特性分别为： 厂a ( c o ) = 一2 0 1 9 ( r c ) - 2 0 1 9 0 j 1 妒( ) ：z ( 士) ：一9 0 。 3 川 l j 脚 可见积分作用可以认为是2 0 d b 1 0 倍频的幅值衰减和9 0 。的相移。 理想积分器是建立在下列的假设前提之下的： 开环增益无限大； 输入阻抗无限大： 输出阻抗为零： 输入失调电压和输入失调电流为零； 共模抑制比无限大； 带宽无限大。 实际上由于运算放大器存在着失调电流、失调电压、偏置电流以 及温度漂移等问题，当输入为零时，输出不为零，即“积分漂移”现 象。经积分电容的不断累计积分，使输出电压偏向正或负电源饱和， 不能实现积分变换。需采用改进积分电路，其原理如图3 3 所示 硕士学位论文 r 2 e o 固3 3 改进积分器 一般改进积分电路采用直流互反馈稳定其工作点，也就是在积分电 容上并联一个放电电阻r 2 ，反馈电阻r 2 的存在为缓慢变化的积分漂移电 压构成了反馈通路，能够有效地抑制积分漂移。为了使其带来的影响不 致太大，r 2 通常要取得很大，改进积分电路的传递函数为： 生：一旦! 。一土一1 ( 3 4 ) p ，蜀1 + r 2 0蜀。 该传递函数的幅频特性的特点是幅值的变化近似反比于频率的变 化，积分电路对低频信号的放大倍数有可能是工频信号的很多倍，因此 低频信号的干扰极有可能影响积分电路的正常工作”。 为了更加有效地抑制低频噪声，一方面选择优质元件，优化p c b 线 路减小低频耦合：另一方面提高电路本身的性能，可采用如图3 4 所示 的修正积分器电路。 一e ( s l 【，( s ) 图34 修正积分器 若取c i = c 2 ，则由r o g o w s k i 线圈与积分器组合测量系统的传递函数为 塑。m p k s ( c i r ：+ 2 ) ( 3 5 ) l ( s )置( r 2c l s + 1 ) 有源电子式互感器数据采集及通信系统的研究与设计 幅频特性和相频特性的表达式为： m a g ( o ) = 棚怫一c 一云篆争一c t a n c 者器， ( 3 6 ) 求解咖昭哆乞= 0 ，得在= r j r 2 c i 处有最大值卅口g ( ) = 2 3 杉幺 ，当 眉g 2 出2 1 时，相角差可表示为 一丽志丽= 等c r a d ) 修正积分器的理想参数模型具有十分优良的幅频特性和相频特性， 比值差，相角差都可以得到控制，而且具有良好的抑制低频噪声的能力， 稳定性能好等特点。在实际中，要得到较好的积分效果，必须选择失调 电压低、偏置电流小、开环增益大、频带宽的高速运放，同时选择漏电 流小的积分电容，。 修正积分电路的幅频特性的特点是在低频段存在一个峰值频率，若 峰值频率附近有干扰信号串入的话，也将影响积分电路的正常工作，所 以说修正积分电路并没有完全消除整个低频段可能对积分造成的不良影 响。由于后续信号处理过程中也可能引入新的相移，所以积分后还要考 虑相移。在设计具体电路时，希望积分电路在整个低频段的增益都很小， 同时也希望积分电路能起到相位补偿的作用。为满足上述要求，可采用 如图3 5 新型的积分电路。 图35 新型积分器 rl，。、il i 硕士学位论文 积分电路的传递函数：丝：k 1 ! l ( 3 8 ) u ls + t t l o ) o s + ； 舯小半；_ j i 杀一= 型等铲； 通过调整。的大小( 改变尺。r 2 c c l ) ，积分电路就可方便地改变工频输 入，输出信号问的夹角，即完成积分再移相的功能。另外，调节电路元 件参数的同时，既要考虑其对纨的影响，也要考虑其对口的影响。在国= c o o 处，口处的取值影响了相频特性的尖锐程度，但口值过大，积分电路的幅 频特性会变得很差。因此，设计时应根据具体情况灵活选取电路元件参 数，获得最佳效果呤“。 3 1 2 用数字方法实现积分器 3 1 2 1 常用的积分算法介绍 1 ) 牛顿一柯特斯求积公式 数值求积的一般形式为： f f ( x ) a b c “n ，( 玉) 式中t ( i = o ，1 ，2 n ) 是求积结点，并且有 a x 0s 而。矗b 丑( i = o ，1 ，2 n ) 是求积系数，且与被积函数f