（电机与电器专业论文）电子式互感器数据采集系统的研究与设计.pdf

电子式互感器数据采集系统酶研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no f d a t a - s a m p l i n gs y s t e mi ne l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r a b s t r a c t w i t l lt 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 s i th a v e b e e n a l r e a d yd i f f i c u l tt om e e t t 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 n , s t a n d a r d i z e da n d d i g i t i z e dd i r e c t i o n , i nt h i se a s e i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt h a tc 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 sw i l lb et a k e np l a c eb ye l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt o c o = e l a t i v er e s e a r c ha n dd e s i g no nd a t a - s a m p l i n gs y s t e mi nh i 醢v o l t a g es i d e r o g o w s k ic e i l i st h ec u r r e n ts e n s o r n b a s i cp r i n c i p l e so fr o g o w s k ic e i la r e s u m m a r i z e d , w h i c hi n c l u d et h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h ev e c t o rd i a g r a mo fr o g o w s k ic o i l ， t h e a n a l y s i st os t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ec a l c u l a t i o no f e l e e t o m a g n e t i s mp a r a m e t e r b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，d e s i g no n eh i g h p r e c i s i o np c b r o g o w s k ic o i l 。c a p a c i t o rv o l t a g ed i v i d e ri st h ev o l t a g es e n s o r i t sp r i n c i p l ea n dm o d e l s t r u c t u r ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n da c c o r d i n gt oi t ss e l f - d e f e e t sa n dt h ee l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ei ni t sw o r k i n ge n v i r o m e n t , o n ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b l em e t h o di sd e s i g n e d 弧ep e r f o r m a n c eo f i n t e g r a t o ri sa l w a y so n eo f t h ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fr o g o w s k ic u r r e n tt r a n s d u c e r n ea n a l o g u ei n t e g r a t o rh a st h e a d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i 曲r e s p o n s es p e e da n dl a r g ed y n a m i cr a n g e 。豫d i 季撼 i n t e g r a t o rh a st h ea d v a n t a g e so fs t a b l ep e r f o r m a n c ea n dh i g ha c c u r a c y t h ea d v a n t a g e so f t h e l a t t e rh a v em a d ei tah o tp r o b l e mo f s t u d y i n gt h eu t i l i t yo fr o g o w s k ic u r r e n tt r a n s d u c e ri n r e c e n ty e a r s t k sp a p e ri s s u e sas e to f m e t h o d so f d i g i t a li n t e g r a t o rd e s i g n i n g , w h i c hi n c l u d e t h ec h o i c eo f i n t e g r a t i o na l g o r i t h m ，t h ed e t e r m i n eo f t h es a m p l i n gr a t ea n dt h er e s o l u t i o no f t h e i n t e g r a t i o ni n p u t ，t h eu n i v e r s a ls t r u c t u r eo fd i g i t a li n t e g r a t o r , d e a l i n g 谢也t h ei n i t i a lv a l u e i no r d e rt og u a r a n t e et h ed a t a - s a m p l i n gs y s t e mr u ns m o o t h l y , t h ep a p e r o n l ya d o p t s o p t i c a lp o w e rs u p p l ym e t h o d h o wt or e d u c et h ep o w e rc e m s u m p t i o n i so n eo ft h ek e ys t e p si n t h ed e s i g n t k sp a p e ri n t r o d u c e ss o m eu s e f u lw a y st om a k et h ed a t a - s a m p l i n gs y s t e m sp o w e r c o n s u m p t i o nl o w e r , t h e na n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r , p h o t o c e l la n dp h o t o - e l e c t r i c t r a n s f e rd e v i c e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，l a s e rd r i v i n gc i r c u i ti si m p r o v e d ，g r e a t l yr e d u c e s t h es y s t e m sp o w e re o m s u m p t i o n , e n s u r e st h es y s t e mr u ns m o o t h l yi nl o wp o w e r s u p p l y 1 1 1 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 。 一l 至一 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ；r o g o w s k ic o i l ；h i g hp r e c i s i o n ；l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ；d i g i t a li n t e g r a t o r i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 鱼壬盘亘盛墨熬握墨篡丕统鱼盈究量遮i 土 作者签名 ：王二犀莲一 日期：珥年l 月荨l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：姿芝仝年上月4 日 日期：型孥年上月丑日 大连理工大学殒士学位论文 l 诸论 1 。_ l电子式互感器的发展历程 为了保证电力系统安全经济的运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相关参数 进行测量，以便对羹进行毖要的计量、监控和保护。遥常的测量和保护装置不能直接连 到高电压、大电流的电力回路上，而需将这些高电压端的电力参数按比例变换成低电压 端的参数或信号，以供给测量仪器、仪表、继电保护和其他类似的电器使用。进行这种 变换的装鬣，通常称为电力互感器或仪用变压器( i n s t r u m e n tt r a n s f o r m e r ) 。互感器是电 力系统中用于电能计量和继电保护的重要设备之一，其测量准确度及可靠性对电力系统 的安全、稳定和经济地运行有着重要的影响。 电力互感器按量测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 n s f o r m e r ，c t ) ；另一类是电压互感器( v o l t a g et r a n s f o r m e r ，) 。电漉互感器是 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。电力互感器还可以按电流变换原理分为电磁式互感器和新型 互感器。传统的c t 、v t 属于电磁式互感器，根据电磁感应原理传感电流、电压的变化； 新型互感器一般基子光电技术和电子技术，因此，根据国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，篱称i e c ) 标准，新型互感器被统称为电子式互感器 ( e l e c t r o n i ct r a n s f o t r u e r ) ，代表了电力互感器的发展动向。 随着电力系统的发展，发电和输变电容量不断增加，电网电压不断提高，对电流和 电压互感器提出了许多新的和更加严格的要求，而传统的电磁式互感器已越来越不适应 这种发展情况，在运行中暴露出一系列严重缺点： ( 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，静态彝动态准确范匿小。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。 在另方面，随着电子和计算机技术的飞跃发展，电力系统的传统设备正在更新换 代，性能优越的电子设各逐步取代笨重、昂贵的传统设备，薪的微机保护系统已不弄要 电子式互感器数据采集系统的研究与设计 求电力互感器提供驱动功率，各种类型基于不同测量原理的新型互感器应运而生。但经 过了三十多年的发展，直到近几年才取得重大进展，下述因素大大促进了新型互感器的 开发和应用： ( 1 ) 微电子技术广泛用于测量、保护等领域，基于微机保护的二次设备功率消耗 很小，一般不超过1 伏安甚至为毫伏安级，对互感器的输出容量要求大大降低。但二次 设备的低电平对抗电磁干扰提出了更严格的要求。 ( 2 ) 开关设备的集成化和智能化要求互感器体积小、重量轻，输出实现数字化。 ( 3 ) 发电厂和变电站综合自动化的广泛应用，要求互感器输出数字化，甚至要求 直接接入过程总线，以实现设备的网络化。 ( 4 ) 数字技术和光通信技术的快速发展，使互感器输出信号可方便地变成数字信 号，并通过光纤传输，彻底解决了高压设备的绝缘问题和电磁干扰问题。 电子式互感器就是在这种背景下迅速发展起来的【1 , 5 , 6 】。 1 2电子式互感器的研究现状 1 2 1电子式互感器简介 现在，国际上很多单位都在加紧研制各种类型的电子式互感器。国际电工委员会制 定了电子式互感器的标准。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。这些标准对电子式互感器的使用条件，技术要求和规格等作了全面的、细致的 规定。使用条件和原则上与常规互感器相同，但技术要求和规格则基于电子式互感器的 特性，具有明显的差异。 根据i e c 标准，电子式互感器包括连接传输系统和二次转换器的一个或多个电流、 电压传感器，将被测量按比例传送给测量仪器、仪表和保护或控制装置，装置的输出可 能是模拟量也可能是数字量。对于模拟量输出的互感器，二次转换器采集的信号经处理 后直接供给二次设备；对于数字输出的互感器，可以用一个汇接单元将多个二次转换器 汇集输出至二次设备。实用上电子式电流互感器( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，简称 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 r m e r ，简称e v t ) 往往组成一个 装置。图1 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。 大连淫王大学获士学谴论文 iv输出无效广1 鼹e f 蹇藿眷繁e 次电源i鼹维修审请 l 一一。”l 图i i 单相电子式电流互感器通用框图 f i g i i g e n e r a lb l o c kd i a g r a mo f a s 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 ) 次传感器( p r i m a r ys l 五i 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 ) 的功匏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予一次 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 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稃接二次设备。 ( 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 进行时闽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，僖号必 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，推荐的方法是组会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阕相关数组，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制 装斟7 ，悔1 9 3 8 1 。 电子式互感器数据采集系统的研究与设计 图1 2 数字接口框图 f i g 1 2 b l o c kd i a g r a m o f d i g i t a li n t e r f a c e 图1 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。会并单元瓣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1 1 和图l 。2 中列出的所有部件并不都是必需的。 电子式互感器目前按照采集电流信号所应用的物理原理划分有两大类t 一类是倍受人们关注的基于光效应的互感器( 光学电子式互感器) ，如采用法拉第 效应( f a r a d a ye f f e c t ) 等磁光变换原理的电流互感器，和泡克薪效应( p o c k e l se f f e c t ) 等电光变换原理的电压互感器等。这类电子式互感器直接用光信号进行信息变换和传 输，与高电压电路完全隔离，具有不受电磁干扰、不饱和、测量范围大、效应频带宽、 体积小、重量轻及便于数字传输等优点，适合于各种电压等级特别是在超高压开关设备 中的应用。丽且，互感器处于高压侧的部分不需要电源。缺点是造价高，不稳定，性能 易受环境温度影响等。 另一类是电子式互感器如空心线圈( 也被称为r o g o w s k i 线圈) 和l p c t 电流互感 器，电阻分压、电容分压或阻容分压的电压互感器等。这类电子式互感器与常规互感器 采用近似的物理原理，亦被称为半常规互感器，本文称之为混合型电子式互感器。它们 一4 一 大连理工大学颈士学位论文 体积小、垂量轻、暂态响应和运行性能良好，可靠性商，可以壹接以模拟量形式输出至 就近的开关装置。也可用这种混合型互感器进行信息测量，但用光纤或总线技术进行信 息传送，这样可大大篱化互感器的绝缘结构，以便用于高压系统。但这类电子式互感器 处于高压侧的传感器需要电源。 1 2 。2 基于光学效应的电予式互感器 ， 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 d 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。 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，由予当时光导纤维 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。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。如1 9 9 7 年1 月a b b 公司推出了额定电流2 k a 的l1 5 k v - - 5 5 0 k v 的光学电压电流互感器的产品介绍。其绝缘支柱采用内充s f 6 气体的硅橡胶复合绝缘 予，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 。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 h c o l u m b i a 的b ch y d r o sl 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l o 月又在m o n t r 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 t 4 2 , 4 4 1 。 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、西平电监局的积极协助下于1 9 7 9 年研制凄第一台样机，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。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11 0 k v 电网试运行，标志着我国的光学互感器研究开始向实用化迈进。 电子式互感器数据采集系统的研究与设计 1 2 3 混合型电子式互感器 从二十世纪九十年代开始，混合型电子式互感器作为传统互感器的又一类替代产 品，受到人们的广泛关注。其原因可以归纳为以下几点【4 5 】： ( 1 ) 光学电子式互感器技术较复杂，成本高，性能不易做到稳定，实用化进程缓 慢。 ( 2 ) 大规模集成电路技术的飞速发展，促进了变电站二次设备向电子化、数字化 方向发展，使互感器与二次设备之间通过数字接口和低电压接口实现互联成为可能。 ( 3 ) 混合型电子式互感器采用的传感器技术比较成熟，运行经验多，在实用化方 面具有先天优势。 ( 4 ) 采用光纤进行信息传输，大大简化高压互感器的绝缘结构，尤其适用于高压 系统。 国外从事混合型电子式互感器研究的有意大利的p o l y t e c h n i co f m i l a n o 大学，英国 的l i v e r p o o l 大学，瑞士的a b b 公司，法国的a l s t o m 公司，美国的p h o t o n i cp o w e rs y s t e m s 公司，德国的s i m e n s 公司，德国的r i t z 公司等。混合型电子式互感器在国外的发展速 度较快，其中在新型中压开关柜和高压g i s 装置中的使用正处于推广阶段。现在的中压 开关柜中开始使用由空心线圈和电阻分压器构成的电子式互感器，这些互感器配合微机 保护和电子仪表的使用，对于减小开关柜体积，提高其性能，起了重要的作用【1 5 】。 我国对混合型电子式互感器的研究开始于九十年代中后期，从事研究的单位有：清 华大学、华中科技大学、大连理工大学、西安交通大学和华北电力大学等。研究涉及了 高压g i s 装置和户外高压互感器等方面的应用，经过近十年的发展，积累了一定的试验 和现场运行经验。近年来，随着传感器的工业化设计，高压端电源设计，数据调制传输 方案确定，标准化接口设计、电磁兼容和可靠性设计以及系统误差补偿等问题的提出和 研究的深入，越来越多的混合型电子式互感器样机已进入或准备进入挂网试运行阶段， 标志着我国的电子式互感器的研究正逐步进入实用化【6 - 7 , 1 1 】。 1 2 4 电子式互感器的优越性 电子式互感器与传统互感器相比，具有以下优点： ( 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 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 性关系增加。焉且，般电子式互感器的重量哭有电磁式互感器的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 ) 抗电磁干扰性麓好， 氐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；并且电磁式电 压互感器同样存在三次回路不能短路鳇问题。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【硼。 ( 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闻题，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，电流巨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，过电流范晷可达凡万安培。嚣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。剩用故障时的暂态信号量作为保护判断，是微机傺护的发 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。 ( 7 ) 有利于实现变电站数字化、光纤化和智能化 一7 一 电子式互感器数据采集系统的研究与设计 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【2 3 3 1 。 1 3电子式互感器数据采集系统的实用化研究 电子式互感器实用化面临一些理论和关键技术问题，以混合型电子式互感器为例， 可以概括为电流、电压传感器的结构设计与输出信号特性研究、高压侧电源供给、数据 处理与接口数字化、高压侧电路的低功耗设计和互感器的状态监测等。随着混合型电子 式高压电力互感器进入实用化，围绕实用化问题进行深入的研究，显得越发的必要和紧 迫。图1 3 展示了电子式互感器的系统结构图 图1 3 电子式互感器系统结构图 f i g 1 3 s t r u c m r ed i a g r a mo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ( 1 ) 传感器的结构设计与输出信号特性研究 传感器需要解决测量的稳态精度、暂态精度以及稳定性问题，它们是电子式互感器 进入实用化的根本。混合型电子式互感器是由多个环节构成的测量系统，因此系统误差 处理是涉及每个环节的综合问题。目前，人们从传感器的原理和工艺、电子电路的误差 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 分析、传输线路的抗干扰等方面，对系统误差补偿做了不同程度分析和研究。随着电子 式互感器各实用化问题研究的深入，系统的误差补偿研究也将不断深入【1 9 2 7 2 9 1 。 ( 2 ) 高压侧电源供给 高压侧电源是应用于高电压等级的混合型电子式电流互感器正常工作的保证。它的 设计要求是：满足高压侧电路的功率需求? 必须无间断地长时间稳定工作。不能 破坏高、低压之间的绝缘。在研究过程中，人们曾经提出多种供能方案，现在通常采用 方案为：取电c t 供能、激光供能、蓄电池供能等。取电c t 供能，输出功率大，但有 工作死区；激光电源无工作死区，可靠性高，但是输出功率小( 一般在3 0 0 r o w 左右) ， 成本高；蓄电池存在寿命问题，- 只用作后备电源, 2 4 , 4 0 l 。 ( 3 ) 高压侧电路的低功耗设计 现阶段，位于高电位侧电子电路的低功耗设计也是解决高压电流互感器中高压侧电 源问题的主要方法，随着电子技术的飞速发展，越来越多的低功耗、高性能的集成芯片 涌现出来，为极低功耗的数据采集电路的实现建立了基础【4 , 3 6 - 3 - q 。 1 4 论文主要内容 由于电子式互感器的先进性和在应用方面的巨大前景，其相关理论和实用化研究成 为近期乃至未来的一个研究热点和重点。目前我国的高校和一些企业已经开始在样机的 研制、实验室测试和试运行方面开展了很多工作。本文涉及的正是电子式互感器实用化 过程中的高压侧数据采集系统的技术及其相关理论，为我国具有独立知识产权的电子式 互感器开发做贡献。图1 4 展示了高压侧数据采集系统的结构框图，文章中将分别以高 精度电流传感器、激光电源系统和采用低功耗技术的高压电子式电流互感器的设计为核 心，围绕传感器的结构设计与输出信号特性研究、数据处理与接口数字化、高压侧电源 供给、高压侧电路的低功耗设计等关键技术及其相关理论进行分析和讨论。 r e 2 0 w s k | 线 腿椽八倍j l 孝 n “ 放 伤戥 挎私 信q c p l d 核心挣制錾 蓁薹l蓑li。霉lill瘩莓l嚣l桑h 盘l 强i。 乜路i挖剐li = 母l 数据 矗搬i1 矗号il 椎班 分镯lll 薹兰h 三薹鲨h 茎鎏h 竺竺竺兰竺i l 图1 4 高压侧数据采集系统 f i g 1 4d a t a - s a m p l i n gs y s t e mi nh i g hv o l t a g es i d e 一9 一 电子式互感器数据采集系统的研究与设计 全文的主要内容和章节安排如下： 第一章介绍电子式互感器，并对目前国内外电子式互感器的发展历史和研究现状进 行概述，归纳提出电子式互感器数据采集系统设计中的关键技术问题，从而明确本文的 研究方向。 第二章针对电子式互感器中常用的传感器进行详尽的阐述。对于电流互感器的传感 器r o g o w s k i 线圈，分析了其工作原理、电磁参数的计算和测量，设计了一款高精度的 p c b r o g o w s l d 线圈。对于电压互感器的传感器电阻分压器，阐述了其结构，以及电磁 兼容设计原理。 第三章重点介绍高精度数据处理方法的核心数字积分器。本章介绍了数字积分的 原理、算法和结构设计。 第四章分析并设计电子式电流互感器的前端调理电路。本章根据r o g o w s k i 线圈的 输出信号特点和信号处理的原理，将r o g o w s l d 线圈的输出电压信号，经过放大、滤波 等环节，送入到数模转换芯片，将转换出的数字量送入处理器做进一步运算。 第五章详细介绍电子式互感器高压侧的激光供能方式，包括激光器的驱动电路和保 护电路，并对高压侧光电池输出电路进行了设计，给出了高效率低功耗d c d c 变换电 路和l e d 驱动电路，在保证数据传输精度和速度的前提下，使得高压侧电路的总体功 耗明显下降。 最后一部分为结论以及下一步研究展望。 大连理 ：大学硕士学位论文 2 传感器的模型与参数分析 在电力系统中运行的互感器应该满足： ( 1 ) 稳态测量精度满足电能计量要求，必须达到0 2 级和0 2 级以上： ( 2 ) 具有良好的动态响应能力，基波、谐波和非周期分量的测量必须满足系统保 护、控制与系统动态分析的需要。 对于电子式高压电力互感器来说，满足这些要求的关键在于信号的测取，即首先要 保证传感器的电参数。电子式高压电力互感器屉基本的传感器是测取电流信号的 r o g o w s k i 线圈以及测取电压信号的电容分压器。本文从它们的基本原理及电路模型出 发，分析它们的动态和静态性能，为传感器的生产和实用化提供理论依据】。 21 r o g o w s ki 线圈的模型分析 211 r o g o w s k i 线圈的工作原理 自2 0 世纪初，人们就知道r o g o w s b 线圈输出电压具有正比于电流导数的性质。 r o g o w s k i 线圈由均匀绕在非磁性骨架上的导线构成，如图2 1 。非磁性材料使这种传感 器线性度好，不会出现饱和，也不会发生磁滞现象。因此，r o g o w s k i 线圈具有良好的 稳态性能和暂态响应m i 。 i 磁 敬l u 疏 图21 r o g o w s k i 线吲示意幽 f i g21r o g o w s k ic o i l 在利用r o g o w s k i 线圈测量电流时，将载流导体穿过线圈中心，线圈所交链的磁链 与被测电流成线性关系。矩形截面r o g o w s k i 线圈测量电流的基本原理如图2 2 所示。 根据安培环路电流定律、法拉第电磁感应定律和高斯定律，可以得到线圈输出电压满足 关系： 电子式互感器数据采集系统的研究与设计 p ( t ) = n z , 万0 h h 鲁罢 图2 2r o g o w s k i 线圈测量原理 f i g 2 2w o r k i n gp r i n c i p l eo f a i rc o r ec o i l r o g o w s k i 线圈与母线之间的互感系数m 和自感三为： m ：盟l i l 生三：竺堂h l 生 2 万 r 2 万 冠 则由互感系数m 表示的r o g o w s k i 线圈输出电压为： p o ) = 一m d f o ) 出 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，为线圈匝数，s 为线圈横截面积，为线圈平均半径，觞为真空中的磁导 率，尺：为线圈外径，足为线圈内径，h 为线圈骨架高度。f ( f ) 为一次电流在f 时刻的瞬 时值【2 1 。 2 1 2 r o g o w s ki 线圈电磁参数的计算与测量 r o g o w s k i 线圈采用金属导线制作，在运行过程中必须考虑电磁参数对测量的影响， 并在计算的过程中考虑电磁参数分型1 4 , 1 6 , 3 们。 ( 1 ) r o g o w s k i 线圈的电阻 r o g o w s k i 线圈在测量高频电流时应考虑集肤效应的影响，下面是圆形截面线圈电 阻的近似计算公式： 太= n 矽【舡o ，矽( p 2 + 4 r r 2 口2 ) 】尼a d ( 2 4 ) 魁移 大连理工大学硕士学位论文 式中：p = 2 r t r n w ，相当于匝距；p 是导线直径；是被测电流频率；鳓是真空 磁导率；所是相对磁导率；a 是线圈截面半径，相当于绕制导线的长度。式2 4 同样适 用于其它截面形状的线圈。 实际应用中，可以利用电桥法测量r o g o w s k i 线圈的电阻值。 ( 2 ) r o g o w s k i 线圈的电感 在线圈内磁场均匀的条件下，矩形截面线圈的电感为： l ：。n w 2 hi nr a ( 2 5 ) 2 万r i 圆形截面线圈的电感为 l：laonvr2(ra+ri-24rari)( 2 6 ) = 一 i 二u - 2 对比互感计算公式，r o g o w s k i 线圈的电感与互感之间存在数量关系： 上= “m ( 2 7 ) 实际应用中，可以利用电桥法测量r o g o w s k i 线圈的电感，利用测量感应电压间接 计算线圈的互感值，还可以利用式2 7 估算r o g o w s k i 线圈的互感。 ( 3 ) r o g o w s k i 线圈的杂散电容 杂散电容分布参数，在等效电路中使用集中参数c s 表示，它是线圈的匝间电容、 线匝与屏蔽盒的电容以及多层线圈中间层电容的共同反映。对于匝数大于1 0 的单层( 或 双层) 线圈，随匝数的增加，电容值趋向于： c s 单1 3 6 6 c m ；c s 双1 8 3 c u g = 8 0 ，f弛伽留 ( 2 8 ) 其中勖为真空介电常数，s ，为绝缘材料的相对介电常数，厶为r o g o w s k i 线圈的周长， d d 为导线中导体的直径，眈为导线的外直径，包括绝缘层的厚度。 实际应用中，可以采用谐振法对r o g o w s k i 线圈的杂散电容进行测量。 电予式互感器数据采集系统的研究与设计 2 。3高精度p c br o g o w s k i 线圈的设计 顶层底层 圈2 3p c br o g o w s k i 线圈工作原理 f i g 2 3w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep c b a i re o 豫c o i l 式2 。l 至式2 3 酌推导过程是在假设线圈均匀绕制和每匝线圈横截藏棚等的条件下 进行，一般王艺绕制的r o g o w s k i 线酲缀难满足。工监生产中尺寸参数的一致性如不能 得到保证，将影响r o g o w s k i 线圈测量电流的准确度。采用印制电路板( p c b ) 设计的 r o g o w s k i 线鼷可班透过诗算机辘劫设计软件将印制导线均匀布嚣在印制电路板上，其 数字加工技术能保证每匝线圈的横截面积相等，圈2 3 为p c br o g o w s k i 线圈原理图。 在印制电路板的琰层和底层均匀放置导线，并且两层之闻壶过孔连接导递。先了消 除外界磁场对互感器的影响，将两个导线绕向相反的线圈进行串联，实现普通r o g o w s k i 线圈中的回线功能，同时可以增太线圈输出电压【1 9 , 2 7 - 2 引。 _ 人连理工大学硕士学位论文 斟24 p c b r o g o w s k i 线圈 f i g2 4 p c ba i rc o r ec o i l 由于两个p c b 板上的线圈绕向不同，需要分别设计两种p c b 板，样板照片如图2 4 。 这样制作出的线圈，不仅克服了传统r o g o w s k i 线圈的缺点，而且灵敏度、测量精度及 性能稳定性都要优于传统的由铜线绕制的r o g o w s k i 线圈。线圈的设计只需将其布线图 在电脑上绘制，简便快捷。线圈的制造由数控机床生产，避免了繁琐的绕制过程，可以 缩短线圈加工的周期，提高生产的效率。大批量生产时线圈参数的分散性较小，同一批 生产出的线圈，其分布参数基本一致。 由于加工工艺的限制，加工的p c b 板通常不能很厚，一般只有几个毫米，布线匝 数也不能很多，所以单个线圈所产生的电压不足以满足输出的要求，需要几块p c b 板 串联起来使用