（电力系统及其自动化专业论文）有源电子式互感器的研究与设计.pdf

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑 日期：迪巴壁旦! ! 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝望 导师签名：困妻二e l 目录i c c 岍娜 摘要 a 船t l 认c t 第一章绪论1 1 1 本课题研究意义1 1 2 对变电站自动化系统的影响2 1 3 国内外研究现状4 1 3 1 国外研究情况4 1 3 2 国内研究情况4 1 4 本课题主要工作5 第二章电子式互感器概述6 2 1 电子式互感器定义6 2 2 电子式互感器分类7 2 3 无源电子式互感器原理8 2 3 1 无源电子式电流互感器原理8 2 3 2 无源电子式电压互感器原理9 2 4 有源电子式互感器原理1 0 2 4 1 有源电子式电流互感器原理1 0 2 4 2 有源电子式电压互感器原理1 1 2 5 有源电子式互感器组成1 l 2 6 本章小结1 5 第三章数据采集系统1 6 3 1 信号的采集1 6 3 1 1a d 转换器1 6 3 1 2 低通滤波器1 8 3 1 3 积分器2 0 3 2 逻辑控制2 1 3 3a d e 7 5 6 9 2 l 3 4 本章小结2 2 第四章光纤传输系统与供电系统2 3 4 1 光纤传输系统2 3 4 1 1 光纤传输系统的特点2 3 4 1 2 光纤传输系统组成2 4 4 2 供电系统2 7 4 2 1 常用供电方式2 7 4 2 2 激光供电系统3 0 4 3 本章小结3 8 第五章有源电子式互感器总体设计3 9 5 i 数据采集系统设计3 9 5 1 1a d e 7 5 6 9 结构3 9 5 1 2 数据采样4 0 5 1 3 电源管理4 3 5 1 48 0 5 2 内核4 5 5 1 5 数据输出4 5 5 2 光纤传输系统设计4 6 5 3 供电系统设计4 7 5 3 1 激光光源部分设计4 7 5 3 2 光电池的选择5 2 5 3 3d c d c 转换器设计5 3 5 3 4 激光供电系统总体设计5 6 5 4 有源电子式互感器总体设计5 7 5 5 本章小结5 9 第六章结论与展望6 0 6 1 结论6 0 i i 6 2 展望6 1 参考文献6 2 致谢6 6 学位论文评阅及答辩情况表6 7 i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) c o n t e n t s ( i ne n g lis h ) n t e n t s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1 s i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h 1 1 2 i m p a c to ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m 2 1 3d o m e s t i ca n df o r e i g nr e a s e a r c hs t a t u s 4 1 3 1 f o r e i g nr e a s e a r c hs t a t u s 4 1 3 2d o m e s t i cr e a s e a r c hs t a t u s 4 1 4m a i nt a s ko ft h ep a p e r 5 c h a p t e r2 o v e r v i e wo ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 6 2 1 d e f i n i t i o no ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 6 2 2c l a s s i f i c a t i o no ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 7 2 3 p r i n c i p l eo ft h ep a s s i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 8 2 3 1 p r i n c i p l eo ft h ep a s s i v ee c t 8 2 3 2 p r i n c i p l eo ft h ep a s s i v ee v t 9 2 4 p r i n i c i p l eo ft h ea c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r l o 2 4 1 p r i n i c i p l eo ft h ea c t i v ee c t 1 0 2 4 2p r i n i c i p l eo ft h ea c t i v ee v t 1 1 2 5 c o m p o n e n t so ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 1 1 2 6 s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 1 5 c h a p t e r3 d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 1 6 3 1s i g n a ls a m p l i n g 1 6 3 1 1a dc o n v e r t e r 1 6 3 1 2 l o wp a s sf i l t e r 1 8 3 1 3 i n t e g e r a t o r 2 0 3 2 l o g i cc o n t r o l l i n g 2 1 3 3 a d e 7 5 6 9 2 l 3 4 s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 2 2 c h a p t e r4o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dp o w e rs u p p l ys y s t e m 2 3 4 1t h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 3 4 1 1 f e a t u r e so ft h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 3 4 1 2 c o m p o n e n t so ft h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 4 4 2t h ep o w e rs u p p l ys y s t e m 2 7 4 2 1c o m m o nw a y so ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m 2 7 4 2 2t h el a s e rp o w e rs u p p l ys y s t e m 3 0 4 3 s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 3 8 c h a p t e r5 o v e r a l ld e s i g no ft h e a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 3 9 5 1d e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 3 9 5 1 1f r a m eo fa d e 7 5 6 9 3 9 5 1 2d a t es a m p l i n g 4 0 5 1 3 p o w e rm a n a g e m e n t 4 3 5 1 4 8 0 5 2 m c u 4 5 5 1 5d a t ao u t p u t 4 5 5 2 d e s i g no ft h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 4 6 5 3 d e s i g no ft h el a s e rp o w e rs u p p l ys y s t e m 4 7 5 3 1 d e s i g no ft h el a s e rs o u r c ep a r t 4 7 5 3 2c h o i c eo ft h ep h o t o c e l l 5 2 5 3 3 d e s i g no ft h ed c d cc o n v e r t e rc i r c u i t 5 3 5 3 4o v e r a l ld e s i g no ft h el a s e rp o w e rs u p p l ys y s t e m 5 6 5 4o v e r a l ld e s i g no ft h ea c t i v ee l e c t r o n i ct r a s f o r m e r 5 7 5 5 s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 5 9 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n do u t l o o k 6 0 v 6 1c o n c l u s i o n 6 0 6 2o u t l o o k 6 1 r e f e r e n c e 6 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 6 r e v i e wa n dr e p l yd i s s e r t a t i o nt a b l e 6 7 v i 摘要 随着电力系统容量的日益扩大和电压运行等级的不断提高，传统的电磁式互 感器暴露出越来越多的缺点，难以满足电网向自动化、数字化方向发展的需要。 具有高绝缘、无饱和、测量范围大等优良性能的电子式互感器成为互感器新的发 展方向。本文主要研究的是有源电子式互感器：基于r o g o w s k i 线圈的电子式电 流互感器( e c t ) 和基于电容分压原理的电子式电压互感器( e v t ) 。 本文首先对传统电磁式互感器所面临的问题以及电子式互感器所具有的优 点进行了介绍，概括了电子式互感器对变电站自动化系统的影响以及电子式互感 器国内外的发展状况。然后介绍了电子式互感器的定义。根据传感头部分是否需 要电源，电子式互感器分为有源电子式互感器和无源电子式互感器。有源电子式 互感器包括五部分：传感头、高压侧数据采集系统、光纤传输系统、供电系统和 合并单元。本文对高压侧数据采集系统、光纤传输系统和供电系统做了重点研究， 如下： l 、高压侧数据采集系统是本文研究的重点内容。论文的第三章对数据采集 系统的组成部分进行了研究，主要包括a d 转换器、低通滤波器、积分器等。 因为数据采集系统都是由电子部件组成的，需要电源对其供电，所以选择低功耗 的数据采集系统很重要。本文选择了a d i 公司的a d e 7 5 6 9 电能计量芯片，它只需 供电端提供3 3 v 的电源，正常工作时总体功耗电流不超过5 m a 。同时，a d e 7 5 6 9 具有内置的8 0 5 2 内核可以直接对数据采集进行控制，简化了电路结构。 2 、光纤传输系统具有容量大、损耗低、抗干扰能力强等优点，它将高压侧 采集的信号传输到低压侧合并单元。它的作用：一是用来传输被测电流、电压信 号，二是保证了高压侧与低压侧的电气隔离，减小误差。本文介绍了光纤传输系 统包括的几部分：光纤、光发送机、光接收机。光发送机采用a g il e n t 公司的 h f b r l 4 1 4 ，光接收机采用与其配套的光接收模块h f b r - 2 4 1 2 。光纤选用 6 2 5 1 2 5 z m 多模玻璃通信光纤。 3 、高压侧线路供电问题是有源电子式互感器研究中关键技术之一。本文通 过对几种供电方式的比较，选择激光供能方案作为研究对象。文中对激光供电方 v i i 案中所需的关键器件激光器( l d ) 、光电池、d c - d c 变换器的工作特性做了详细 的描述，对激光器的驱动电路、保护电路和温度控制电路做了深入的研究。由于 a d e 7 5 6 9 拥有先进的智能电池管理模式，它有两个电源输入接口，除了常供电接 口接3 3 v 激光供电电源外，还存在着一个备用电池接口，当外电源无法正常供 - 电时，会自动接通3 7 v 备用电池进行供电。另外，光纤传输系统供电( 5 v ) 也 是由激光供电系统提供的。 关键词：有源电子式互感器；数据采集系统；a d e 7 5 6 9 ；光纤传输系统：激光供 电。 v i i i a b s t 卧c t w i t ht h eo b v i o u si 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 d v o lt a g ei np o w e rs y s t e m ，c o n v e n ti o n a le l e c t r o m a g n e ti ct r a n s f o r m e r sh a v e s e v e r a ld r a w b a c k sa n dh a v eb e e na l r e a d yd if f i c u l tt om e e tt h en e e dt h a t n e t w o r k d e v e l o p t o w a r d sa u t o m a t i o na n d d i g i t i z e dd i r e c t i o n t h e e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rh a sb e c o m ean e wd i r e c t i o no ft r a n s f o r m e r s d e v e l o p m e n tf o r i t sn os a t u r a t i o nu n d e rf a u l tc o n d i t i o n s ，h i g hl e v e l i n s u l a t i o na n db r o a dr a n g eo fm e a s u r e m e n t t h i sp a p e ri sa b o u ta c t i v e e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 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 sb a s e do n r o g o w s k i c o ii s ( e c t ) a n de l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s f o r m e r sb a s e do n c a p a c i t i v ev o l t a g ed i v i d e r s ( e v t ) i nt h eb e g i n n i n g ，t h ef 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 f o r m e r sa n dt h ea d v a n t a g eo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sa r ei n t r o d u c e d i nt h i s p a p e r ，t h ef a r r e a c h i n gi m p a c te l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r so n s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e da n dt h ep r e s e n ta c t u a l i t yo f e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r si ss u m m a r i z e d t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e d e f i n i t i o no fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r s w h e t h e rp o w e rs u p p l yi sn e e d e d ， e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sa r ed i v i d e di n t oa c t i v ea n dp a s s i v ee l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r s a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri n c l u d e sf i v ep a r t s ：s e n s o r h e a d ：h i g h v o l t a g ep a r td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ；o p t i c a lf i b e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；p o w e rs u p p l ys y s t e ma n dl o w 。v o l t a g ep a r tm e r g i n g u n i t i nt h i sp a p e r ，h i g h v o l t a g ep a r td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，o p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o n s y s t e ma n dp o w e rs u p p l ys y s t e ma r er e s e a r c h e d ， f o l l o w i n g ： f i r s t l y ，h i g h v o l t a g ep a r td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi st h eh i g h l i g h t i na c ti v ee c t e v ts y s t e m i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h ep a p e rr e s e a r c h e se v e r y e l e m e n ti n c l u d i n ga dc o n v e r s i o nu n i t ，l o w p a s sf i l t e r ，i n t e g r a t o ra n d s oo n d a t aa c q u isiti o ns y s t e misc o m p o s e do fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ，s o i tn e e dp o w e rs u p p l y i ti si m p o r t a n tt oc h o o s el o wp o w e rd a t aa c q u i s i t i o n t h i sp a p e rc h o o s e ss i n g l e p h a s ee n e r g ym e a s u r e m e n ti ca d e 7 5 6 9 p o w e r s y s t e mo n l yn e e d s3 3 v i t so v e r a l lp o w e rc o n s u m p t i o nc u r r e n ti so n l y5 m a i nf u l lo p e r a t i o n a tt h es a m et i m e ，a d e 7 5 6 9h a sab u i l t i n8 0 5 2m c uc o r e ， w h i c hc a nd i r e c t l yc o n t r o lt h ed a t ea c q u i s i t i o n ，a n ds i m p l i f yt h ec i r c u i t c o n f i g u r a ti o n s e c o n d l y ，o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sm a n yb e n e f i t ss u c h a sl a r g ec a p a c i t y ，l o wl o s s ，s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y t h e o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mt r a n s m i t sd a t ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e d f r o mh i g h v o l t a g ep a r tt ot h em e r g i n gu n i t t h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n s y s t e mh a st w of u n c t i o n s f i r s t l y ，i ti su s e dt ot r a n s m i tt h em e a s u r e d c u r r e n ta n dv o l t a g es i g n a l s s e c o n d l y ，i ti su s e dt oe n s u r ee l e c t r i c a l i s o l a t i o nb e t w e e nt h eh i g h v o l t a g ep a r ta n dt h el o w v o l t a g ep a r t ，w h i c h c a nr e d u c et h ee r r o r t h i sp a p e rd e s c r i b e st h a tt h eo p t i c a lf i b e r t r a n s m i s s i o ns y s t e mi n c l u d e ss e v e r a lc o m p o n e n t s ：o p t i c a lf i b e r ，o p t i c a l t r a n s m i t t e r ，o p t i c a l r e c e i v e r h f b r 一1 4 1 4i su s e df o r t h eo p t i c a l t r a n s m i t t e r ，w h i l eh f b r 一2 4 1 2i su s e df o rt h eo p t i c a lr e c e i v e r t h eo p t i c a l f i b e ru s e sm u l t i m o d eg l a s so p t i c a lf i b e r t h i r d l y ，p o w e rs u p p l yf o rt h o s ea c t i v ee l e c t r o n i ce l e m e n t sa tt h e h i g h v o l t a g ep a r ti sak e yt e c h n i q u ei na c t i v ee c t e v ts y s t e m t h i sp a p e r d i s c u s s e ss e v e r a lm e t h o d so fp o w e rs u p p l ya n dt h e na d o p t st h em e t h o dp o w e r s u p p l y w a sp r o v id e d b y l a s e r t h is p a p e rd e s c r i b e s t h ew o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h ek e ya p p a r a t u sl d 、p h o t o c e l la n dd c d cc o n v e r t e r i ta l s od e e p l yr e s e a r c h e st h ed r i v ec i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n d t e m p e r a t u r ec o n t r o ll e dc i r c u it a d e 7 5 6 9h a sa d v a n c e di n t e lli g e n tb a t t e r y m a n a g e m e n tm o d e l i th a st w op o w e ri n p u ti n t e r f a c e i na d d i t i o nt or e g u l a r p o w e rs u p p l yi n t e r f a c et oa c c e s se x t e r n a l3 3 v ，t h e r ei sa l s oab a t t e r y b a c k u pi n t e r f a c e w h e nt h ee x t e r n a lp o w e rs u p p l yc a nn o tp r o v i d ep o w e r ， x i tc a na u t o m a t i c a l l yc o n n e c t3 7 vb a t t e r yp o w e r i na d d i t i o n ，t h eo p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mn e e d s5 v ，w h i c hi sa l s op r o v i d e db yt h el a s e r p o w e rs u p p l ys y s t e m k e yw o r d s ：a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ：d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ； a d e 7 5 6 9 ：o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ；p o w e rs u p p l ys y s t e m x i x i i 山东大学硕士学位论文 1 1 本课题研究意义 第一章绪论 目前互感器主要采用传统的电磁式互感器。但是，随着智能电网和数字化变 电站的发展，传统互感器因传感机理而呈现出自身不可克服的问题，例如，磁饱 和、铁磁谐振、易燃易爆及动态范围小等。因此，人们开始研制新型的电子式电 流电压互感器( e c t e v t ) 。 电子式互感器和传统的电磁式互感器相比较具有下列优点： ( 1 ) 消除了磁饱和现象。电磁式电流互感器在运行中发生短路时，在强大 的短路电流作用下，断路器跳闸、或在大型变压器空载合闸后，互感器铁芯将保 留较大剩磁，铁芯饱和严重，这将使互感器暂态性能恶化，使二次电流不能正确 反映一次电流，保护拒动或误动。而电子式互感器没有铁芯，不存在饱和问题。 因此，其暂态性能比传统互感器好，极大地提高了各类保护故障测量的准确性， 从而提高保护装置的正确动作率，保证电网的安全运行。 ( 2 ) 绝缘性能很好。电磁式互感器高压母线与二次线圈之间通过铁芯耦合， 它们之间的绝缘结构复杂，随着电压等级的提高，大大增加了绝缘困难。而电子 式互感器绝缘相对简单，高、低压侧之间的信号传输采用绝缘材料制造的光纤， 绝缘性能好。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好，安全性能高。电磁式电流互感器二次回路不能开 路，低压边存在开路产生高压危险；电磁式电压互感器的二次侧不能短路，将产 生很大的短路电流，甚至有过热的危险。由于电子式电流互感器没有铁芯，所以 在二次开路时不会因为铁芯耦合产生高电压；电子式电压互感器主要是分压器原 理，二次短路时也不会产生过热现象，因此从根本上保证了人身及设备安全。 ( 4 ) 动态范围大，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，但短路电流一般很大，随着电网容量增加，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，难以满足高精度计量和继 电保护的需要。而电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测从几十安 培到几千安培，过电流范围可达几万安培；一个电子式电流互感器可同时满足测 山东大学硕士学位论文 量和继电保护的需要。 ( 5 ) 频率响应范围宽。电子式电流互感器已被证明可以测出高压电力线上 的高次谐波，还可以进行电网暂态、高频大电流与直流的测量。而电磁式电流互 感器传感头由铁芯构成，频响很低。 ( 6 ) 体积小、重量轻、节约空间。电子式互感器无铁芯，其重量较相同电 压等级的电磁式互感器小很多，可以组合到断路器或其他高压设备中，共用支撑 绝缘子，可减少变电站的占地面积。随着电压等级的升高这些优势更加明显，这 给运输和安装带来了很大的方便。 ( 7 ) 经济性好。随着电力系统电压等级的增高，传统互感器的成本成倍上 升，而电子式互感器在电压等级升高时，成本只是稍有增加，其低成本正是吸引 人们的关键所在。 ( 8 ) 适应了电力计量与保护数字化的发展。电子式互感器能够直接提供数 字信号给计量、保护装置，有助于二次设备的系统集成，加速整个变电站的数字 化和信息化进程。而电磁式互感器5 a 、1 h 、l o o v 输出规范必需采用二次电路转 换才能与计算机接口。 综上所述，作为数字变电站的重要组成部分，电子式互感器有着电磁式互感 器无法比拟的优点，它结构简单、灵敏度高，是传统电磁式互感器的理想替代品， 必将在未来的电力工业中得到广泛的应用。 1 2 对变电站自动化系统的影响 ( 1 ) 电子式互感器简化了继保设备 目前电力系统中广泛应用以微机为基础的数字保护，不需要大功率驱动，只 需弱电信号就可以了，因此采用电子式互感器不必经过电量变送器等设备就可以 将高电压、大电流变换为微机保护所需求的电压、电流水平。电子式互感器模拟 输出省去了继保的小c t 、p ，r ，电子式互感器数字输出省去了继保的a d 采样环节。 ( 2 ) 促进了微机保护的精度和可靠性 电子式互感器促进了微机保护的发展，提高了微机保护的精度和可靠性，例 如使纵差保护的可靠性大大提高。 ( 3 ) 对电力系统的故障响应速度快，灵敏度高 2 山东大学硕士学位论文 现有的保护装置( 包括微机保护) 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 因素的影响，其保护性能难以满足当今电力系统向着超高压、大容量、远距离方 向发展要求。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，电子式互感器能满足这一要 求，而传统互感器则不能。 ( 4 ) 促进变电站自动化的发展 电子式互感器与微机保护接口的标准化将大大促进电子式互感器和变电站 自动化的发展。 ( 5 ) 满足电力系统精确计量的要求 电子式互感器的测量精度高，可以达到o 2 级，测量范围宽；输出数字信号， 更方便与数字电能表连接；可动态显示和存储电能、有功无功功率等参数。电 子式互感器更容易满足电力系统精确计量的要求。 ( 6 ) 可方便实现电力系统自动化功能 将电压、电流传感器集于同一绝缘结构中，构成组合型电子式互感器，大大 提高性价比；电子式互感器不仅可以做成独立式的互感器，而且可以安装在g i s 、 p a s s 等高压开关和变压器的电流套管中，与其它光纤传感器一起，使一次设备 智能化和多功能化。 ( 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纤实现，而光信号的突出优点 和光纤通讯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输出更加 可靠和迅速。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【。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究情况 早在2 0 世纪6 0 年代，国外即开始研究电子式互感器，但由于精度低，温度 山东大学硕士学位论文 特性差，皆未成功挂网运行，处于理论探索阶段。8 0 年代初期，电子式互感器 的研究有了突破性的进展，取得了引人注目的成果，多种样机挂网运行成功。9 0 年代，电子式互感器进入了实用化研制阶段，并逐步向高压、超高压和特高压方 面发展。许多世界著名的电力公司纷纷投入大量的人力、物力，使得电子式互感 - 器走出实验室，进入电力系统，取得了较长时间现场运行的可靠数据，证实了其 可靠性和准确性，并且竞相开发了相关产品，以占领市场。最具有代表性的企业 包括：a b b 公司、n x t p h a s e 公司、西门子公司等。 1 3 2 国内研究情况 我国电子式互感器的研究始于2 0 世纪7 0 年代，以1 9 8 2 年在上海召开的“激 光工业应用座谈会 为起步。目前电子式互感器已经成为国内电力运行、设备制 造、变电站自动化等各方关注的焦点。我国有清华大学、电力科学研究院、沈阳 变压器制造有限公司、顺德特种变压器厂、西安高压开关厂及南瑞继保电气有限 公司等单位在从事电子式互感器的研制工作，且已有多种样机研制出来，但绝大 多数仅限于实验室阶段，还没有实用化产品投入运行。我国的电子式互感器还处 于跟踪国外大公司( 如a b b 、a l s t o m 等公司) 的水平。前几年，国内各单位的研 究重点主要是无源电子式互感器，如华中科技大学1 9 9 8 年曾研制出1 l o k v 光学 电流、电压互感器，并在广东新会挂网试运行。近年来，由于有源电子式互感器 的技术较为成熟，且便于工业化生产，国内多家研制单位已开始注重有源电子式 互感器的研究，如南瑞继保电气有限公司已研制出可用于1 l o k v 及2 2 0 k vg i s 的有源电子式电流互感器，实验表明在( 一4 0 + 4 0 ) 范围内，其计量精度达 到o 2 级。 1 4 本课题主要工作 本文研究的主要是有源电子式互感器( 基于r o g o w s k i 线圈的电子式电流互 感器和基于电容分压原理的电子式电流互感器) 。如何实现数据采集系统低功耗 和用什么方式为其供电是本文的重要内容。本文选择了a d i 公司的低功耗 a d e 7 5 6 9 电能计量芯片对高压侧数据进行采集。供电系统选用了供能稳定的激光 供电方式。 4 山东大学硕士学位论文 全文主要做的工作如下： ( 1 ) 查阅了很多相关书籍和相关论文期刊，了解了电磁式互感器的缺点和 电子式互感器的优点，掌握了电子式互感器的定义、原理和结构。在这些基础上， 本文提出了一种有源电子式互感器的设计想法。 ( 2 ) 数据采集系统是有源电子式互感器的核心部分，尤其是考虑到供电有 限，选择低功耗的数据采集系统非常重要。本文首次选用了低功耗的a b e 7 5 6 9 芯片作为数据采集系统( 只需接3 3 v 的外接电源就可以正常工作) 。 ( 3 ) 光纤传输系统将高压侧的采样数据传送到低压侧。它包括发送机、接 收机和光缆光纤。本文发送机选用h f b r - 1 4 1 4 ，接收机选用与其配套的 h f b r 一2 4 1 2 ，光纤选用6 2 5 1 2 5 , u m 多模玻璃通信光纤。 ( 4 ) 如何供电是有源电子式互感器的重点内容。掌握了常用供能方式的原 理和各自优缺点，最后选用了激光供电。对激光供电各部分：激光器及其驱动、 控制，d c d c 变换器，光电池进行了分别设计。考虑成本，光电池采用硅光电池。 由于a d e 7 5 6 9 供电接口只需3 3 v 的电源供电，光纤传输系统发送机和接收机需 要5 v 的电源供电，本文选择了多路输出的d c - d c 变换器m a x 7 1 8 ，它可以同时输 出3 3 v 和5 v 。 ( 5 ) 通过对电子式互感器的各部分分别设计后，本文设计了电子式电流互 感器和电子式电压互感器的总体结构图。 5 山东大学硕士学位论文 第二章电子式互感器概述 2 - 1电子式互感器定义 关于电子式互感器，国际电工委员