电子式互感器的研究.doc

电子式互感器的研究 Illiir illljiii ullJll Il411I2133724独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塞邀垄王太堂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谢意。 学位论文作者签名丛日期年月一日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塞邀望王太堂有保留、使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞堂堡王太堂。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权安徽理工大学可以将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、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名鸯堤签字日期年月日孙鲐到召壤鳓期年月日摘要摘要随着电力系统迅速发展，电力容量不断增大，电网电压逐渐增高，传统电磁式互感器已表现出很大的局限性，迫切需要对新型电子式互感器的研发。 电子式互感器是今后数字化变电站的重要组成部分。 目前，国际上ABB，ALSTON等公司的电子式互感器技术已经相当成熟，而国内的研制也已经进入研发、应用阶段，电子式互感器的研发越来越受到国内众多产业部门和企业的重视，但技术和国外相比仍然处于落后地位。 本文针对电子式互感器的发展和研究现状，根据电子式互感器的相关标准和电子式互感器系统工作原理，设计完成了基于现场可编程门阵列(FPGA)技术的高压侧采集器，以及基于ARM和FPGA协同工作的合并单元CPU插件。 本文在采集器的硬件电路设计中，采用FPGA代替传统的MCU，并直接在采集器上集成220V转5V电源模块，不再依赖取能线圈和激光供能；并且同时采用高性能高分辨率的AD7606，以满足采集器精度和性能的需求；采集器光纤通信上采用FT3标准协议代替传统SPI，解决了不同厂家采集器合并单元接口不能互连的问题。 在合并单元CPU插件硬件设计中，采用了ARM和FPGA分工合作的方案，并设计了RS 232、RS- 485、光电以太网等各种通用接口，以满足合并单元不同的功能需求，并基于DSP Bui l der和Al teraIP Core设计了合并单元中数字滤波。 最后，本文对完成的电子式互感器采集器进行了实验。 通过实验，证明了该电子式互感器满足设计要求，具有很好的准确性和稳定性。 图【64】表14】参【50】关键词电子式互感器；现场可编程门阵列；采集器；合并单元；数字滤波器分类号TM45；安徽理工大学硕士学位论文AbstractWi ththerapi ddevel opmentof el ectricalpower i ndustry,the increasi ngofpowercapaci tyand vol tage class，tradi ti onal transformershave showna lot ofl imi tati ons，SOwe needresearch onnew concept ofel ectroni c transformersEl ectroni c transformeri sanimportant partof thedi giti zati onel ectric substationAtpresent,the productsandtechnologyofopto-el ectroni ctransformers fromthe intemati onalABB，ALSTON andotherpaniesi salready developi ng，meanwhi lethe domesti c researchwork hasbegunand appl i edThe developmentof el ectroni c transformers drawsmuch moreattention fromdomestici ndustries andenterprises，butthetechnol ogyis sti l lfallingbehi ndother developed contriesHavi ngconsulted thestatus of the researchwork in thi sarea,aordi ngtotherel atedstandard andworkpri nci pl eofel ectroni ctransformers，the paperdesi gneda11i ghvol tagedata-col l ectorwhi chuses FPGAas its MCUand theCPU plug-inbasedon ARM and FPGAThe hardwareci rcui tof data-col l ector usedFPGA instead of thetradi tional MCUand chipped thepower modul edi rectl y onthe col l ector,not dependedonl asercoi lpowersources；usi ngthehi ghperformance andresol ution AD7606to meatthe need ofthe col lectorSpreci sionanddemand；the technologyof fiberopti ommuni cati onused FT3agreementi nsteadofthetradi tionalSPI，SO thisresol vedtheprobl emof interworki ngfromthe different factoriesThe hardware of CPUplugi nusedthe methodof di vi sion ofARMand FPGA workanddesi gnedtheversati lei nterfacesuch asRS一232，RS一485and Etherto meattheneedofthedi fferentmergeunitsThen thepaperdesi gneddi gitalfi l ter in themergeuni t basedOi lDSP Buil erandAl teraIP CoreFi nally,thispaper pl etedthedebuggi ngandval idati on oftheel ectroni ctransformersystemTheveri ficati onprovedthatthi snewtypeelectroni ctransformermeetdesi gnrequi rements，and haveagoodauracy andstabi lityFi gure64】tabl e14】reference50】KeyWordsel ectroni ctransformers，field programmable gatearray，data-col lector，mergi ng-unit，di gitalfi l terChi nesebooks catalogTM45；II目录目录摘要?IAbstract?II引言?11绪论?311课题背景及研究意义?312国内外电子式互感器发展历史与研究现状?一413本课题主要研究内容及创新点?42电子式互感器系统概述?721IEC60044标准对电子式互感器的定义?7211电子式互感器结构?7212对数字量输出额定值的定义?8213对模拟量输出额定值的定义?8214数字接口的定义?922电子式互感器工作原理?11221电流互感器工作原理?11222电压互感器工作原理?1223电子式互感器系统介绍?1324本章小结?143高压侧采集器的硬件设计?1531高压侧采集器参数要求?1532采集器硬件结构及芯片选择?16321采集器硬件结构分析?16322主要芯片的选择?17323采集器的端子定义?2033采集器主要模块设计?20331电源模块?20332信号调理模块?22安徽理工大学硕士学位论文333AD转换模块?26334主控芯片模块?28335光纤收发模块?3234本章小结?334高压侧采集器基于FPGA的模块设计?3541系统模块设计的整体方案?3542FPGA开发技术简介?35，421FPGA开发流程介绍?36422Veri log HDL语言介绍?3743系统时钟模块设计?37431使用PLL模块进行倍频?一37432使用Veri log HDL语言描述?4044AD采样控制模块的设计?4245FIFO模块的设计?DQI QQ OQ D4446FT3模块的设计?46461FT3简介?46462基于FT3帧格式的数据存储?4847CRC校验模块的设计?4948曼彻斯特编码及发送模块的设计?5049本章小结?515合并单元的研究与设计?5351合并单元功能及参数指标?5352合并单元硬件总体结构?5453合并单元CPU板硬件设计?55531CPU板硬件结构?56532CPU及FPGA电路设计?一56533以太网电路?58534RS232与RS485接口?6154本章小结?622目录6合并单元FIR数字滤波器的实现?一6361基于FPGA技术数字滤波器概述?6362FIR数字滤波器设计原理?6463在DSP Buil der中搭建模块实现FIR?65631基于工具的滤波器系数计算?65632滤波器方案的选择?6764FI RIP Core设计滤波器?6765Si muli nk仿真数字滤波器效果?6866本章小结?707实验平台及实验结果分析?7171实验平台介绍?7l72Rogowski通道110额定模拟量输出实验简单介绍?7l73实验数据及结果分析?7574本章小结?76结论?77参考文献?79致射?82作者简介及读研期间主要科研成果?83ContentsContentsAbstract。 IIntroduction】【l Preface311Background andSi gnifi canceofThi sResearch Project?312Hi storyand StatusofEl ectroni c Transformer?413Mai nWork andInnovati on?42Systerm Overview ofEl ectronic Transformer?721Structural Defi ni tion of El ectronic Transformerfrom IEC60044?7211Constructi on ofEl ectronicTransfornl er?7212Defi ni tion ofDi gitalOutputRated Value?8213Defi niti onofAnal ogyOutputRated Value?8214Definition ofDi gitalTermi nal?922WorkPri ncipl eofElectronicTransformer11221WorkPri ncipl eofElectronicCurrent Transformer11222Work Pri ncipleofElectronicVol tageTransformer?1223Systerm Introducti on ofElectronicTransformer?l324Bri efSummary?143Hardware Desi gn ofHigh-Vol tageData Col lector?1531ParametersRequi rementofDataCol lecti on?1532Hardware S仃ucl脯and Chip Selecti on?16321Aanal ysi sof DataCol lectors HardwareSm】cture?16322Sel lecti onofMaj orICsfor Use?17323Termi nalDefmati onofCol lector?2033Desi gnofMai nModul e?20331PowerSuppl y?20安徽理工大学硕士学位论文332Si gnalCondi tioni ngModule?22333AD Conversion Module?26334Mai nControl Chip Module?28335Fi berConveNer Module?3234Bri efSummary?334CollectorSysterm BasedonFPGA atthe High Voltage Side3541Whol ePl anofSysterm Module?3542Profi le ofDesi gni ngFPGA?35421Devel opmentFlow ofFPGA?36422Introducti onofVeri logHDL?3743Desi gni ng ofSystermCl ockModule?37431Frequency Multi plicationUsed PLL?37432Usi ngVeri logHDL?4044Desi gni ngofAD Conversion Module?4245Desi gning ofFIFO?4446Desi gningof FT3?46461Introducti onof FT3?46462Data StorageBased onFT3?4847Desi gningofCRC?4948Desi gning ofMechesterEncodeand SendModule5049Bri efSummary?515Studyi ngand DesigningofMU?5351Functi onand ParameterStandard ofMU?5352Hardware Constructi onofMU?5453CPU boardhardware DesigningofMU?55531Hardware ConstructionofCPU board?56532Ci rcuitDesi gningof CPUandFPGA?562533Ethemet Circuit?58534Interface ofRS232and RS485?6154Bri efSummary。 616DataAcqui siti onofElectronicTransformer?6361Introducti onofDi gital Fil terBased onFPGA?6362DesignPrincipleofFIR?6463Generati ngFI RThrough DSP Buil der?65631Chosen ofFil terCoeffi cient Basedon Tools ofMatl ab?65632Chosen ofFil terS Plan?6764Designing Filter、析m FIR IPCore?6765Si mulationResul tofDigi talFilter?6866Bri efSummary?707Experi mentPl atform and Resul tAnal ysis?7171IntroductionofExperi mentPlatform?7172110Rated AnalogyOutputVal ueby Rogowski?7173Experi mentDataandResultAnalysis?7574Bri efSummary?76Concl usion?77Reference。 79Postscri ptorCompli ment?82Resume ofAuthor。 8；3引言引言为了应对电力系统不断的发展以及全数字化变电站的兴起，本人在研究生阶段主要研究电力系统中比较热门的电子式互感器。 国外对电子式互感器研究较早，技术也遥遥领先，而国内研究相对较迟，但是近年来也开始逐渐关注这个领域，很多公司和研发人员致力于电子式互感器的研发、应用。 研究过程中，首先从电子式互感器的原理入手，研读了国际电工委员会制定的相关标准，掌握其整个系统如何工作，了解电子式互感器相关参数；然后根据掌握的知识设计采集器硬件部分，经过器件选型、原理图设计以及PCB板制作后，设计采集器FPGA程序，实现其功能，然后进行板级调试；有了设计采集器的经验后，继而设计合并单元的CPU板，并利用DSP Buil der、Matl ab以及FPGAIP Core设计合并单元中数字滤波器。 研究的初衷是基于国内外电子式互感器的已有的研究成果，设计具有自己创新点的采集器，解决现有采集器中某些弊端和缺陷。 本文正是基于上述研究过程进行的章节安排，首先介绍电子式互感器的研究背景意义，以及其发展历史和现状，并介绍了本设计研究内容和创新点；然后总体介绍了电子式互感器系统原理以及相关标准中的一些定义；随后分别从硬件和采集器FPGA模块设计两方面介绍采集器设计过程再用两章介绍合并单元和合并单元CPU板硬件和数字滤波器的设计；最后一章介绍了实验过程以及实验结果，并加以分析总结。 安徽理工大学硕士学位论文21绪论1绪论电力系统一直不断的发展，其传输的电力容量越来越高，电网电压等级也随之增高，传统电磁式电压电流互感器以及之前传统的技术，已显露出很大的局限性。 随着数字化技术的发展，电力系统中测量、控制和保护功能的实现已经被以微处理器为核心设计的数字系统全面取代。 研发人员从光电通信技术和数字化处术的发展和应用中逐渐看到了新式互感器的前景，进而开创了电网测量的新方法。 11课题背景及研究意义近年来，我国随着经济的发展，各行各业对电力的需求越来越大，电力系统呈现大容量高电压等级的趋势，必须测量电网中的相关参数，如电流电压等，以保证计量装置、监测装置和保护装置能够保障电力系统安全稳定运行。 基于电磁感应原理的传统电磁式互感器，而在大容量高电压等级的电力系统中，传统电磁式互感器逐渐暴露出【l-3J体积大、造价高、磁饱和、动态范围小、测量频带窄、绝缘结构日趋复杂等缺点。 近年来，电子、计算机、网络通信等技术不断的发展，推进了变电站自动化技术的飞速发展，数字化技术几乎已经成为整个电力系统各个领域核心技术之一，电力系统将大力发展由电子式互感器等智能化一次设备和网络化二次设备构建的数字化智能化变电站【4J。 对数字化变电站中不可或缺的重要组成部分之一的电子式互感器的研究成为了现在以及未来对数字化变电站普及的迫切需求，这对电力系统建设和提高电力系统安全、可靠以及稳定性具有重要意义。 相比于传统电磁式互感器，电子式互感器具有不可比拟的优点【5。 7J1)电子式互感器没有磁饱和以及铁磁谐振等问题由于在传统电磁式互感器中存在铁心，难免会产生磁饱和、铁磁谐振和磁滞效应等问题，而电子式互感器采用的新型传感原理可以解决这方面的问题；2)电子式互感器的动态测量范围大，精度高大容量电网故障时，流过电流互感器的短路电流会很大，传统电磁式互感器动态测量范围小，无法测量如此之大的短路电流，因而不能满足电力系统中继电保护的需求；而基于Rogowski线圈的电子式互感器能够精确测量几十安到几千安的电流。 3)电子式互感器绝缘结构简单，绝缘性能好在高电压等级时，电磁式互感器的绝缘结构复杂，体积庞大；而电子式互感器由于采用了绝缘结构简单安徽理工大学硕士学位论文而性能较高的光纤和比较轻便的绝缘子支柱；4)通过光纤传输信号，具有很强的抗电磁干扰能力，保证了高压侧和低压侧电气完全隔离；5)电子式互感器体积小、重量轻；6)电子式互感器没有因为充油而产生的易燃、易爆炸的危险；12国内外电子式互感器发展历史与研究现状在国外，一些科技发达的国家早在上世纪六十年代就开始研究电子式互感器，但都处于理论研究，并没有挂网运行。 八十年代末期，电子式互感器研究已经进入实践阶段，此后多家公司进行挂网运行试验，并取得了成功，这是一个突破性进展，其中的典型代表是美国西屋电气公司500kV电网的ECT。 九十年代开始，电子式互感器已经进入实用化阶段，部分公司产品已经在市场上开始投放，国外著名的SLABB、ALSTOM、AREVA、SIEMENS、Nxtphas等公司已经开发出一系列电子式互感器产品并在世界各地挂网运行多年p。 101。 在国内，对电子式互感器的研究开始于九十年代初期，清华大学、华中科技大学、哈工大、西安交通大学、沈阳变压器厂等多家大学和单位也都在进行此类产品和领域的研究。 2000年后，电子式互感器进入了工程化研究阶段，南瑞继保、国电南自集团、南瑞航天、许继、武汉烽火、西开等公司纷纷开始开发研制电子式互感器。 xx以来，逐渐在青岛午山变电站、哈尔滨延寿变电站、无锡西径变电站、河南金谷元变电站等全国上百个变电站开始工程应用。 13本课题主要研究内容及创新点作者正是在上述背景下开始着手电子式互感器课题研究，在前人研究开发的基础上设计了具有创新性的电子式互感器，完成了本课题的研究。 课题的主要工作有1)根据电子式互感器信号采集的基本原理，设计了以EP2C8T144FPGA为核心的采集器硬件系统，以实现高压侧采集并数字化输出；2)以Quartus II为软件平台，编写采集器时钟模块、采样模块、FIFO模块、FT3模块、CRC校验模块以及曼彻斯特编码发送模块等；3)研究电子式互感器合并单元的系统结构，了解其工作过程，设计以ARM和FPGA相结合的多功能CPU板以及光纤接入板的硬件系统；4)对电子式互感器中的应用的数字滤波算法进行了研究，从而在此基础上提1绪论出了数字信号处理部分的解决方案；利用DSP Buil der和Matlab设计基于FPGA技术的电子式互感器的FIR数字滤波器。 研究的创新点在于11采集器使用FPGA代替传统MCU，以应对高速率通信，并利用FPGA在DSP领域的的应用来解决数字滤波。 一片FPGA可以满足采集器部分所以的设计需求，而解决了传统MCU、DSP等处理器在某方面的不足；合并单元功能多、数据处理量大、任务重、接口复杂，因此采用ARM+FPGA协同工作的设计方案。 2)采集器不再依赖于激光电源和取能线圈供电，直接在采集器中嵌入一个220V转5V电源，可直接从电站直接引入220V电源，因此在功耗上不再有特殊要求，设计中不需要再使用同步脉冲，但是做到兼容设计，可以满足旧式合并单元发同步脉冲来同步的需求。 3)鉴于现阶段采集器与合并单元之间连接协议是自定义，希望能制定一个以FT3协议传输为标准的接口，让采集器可以与任意厂家合并单元相连，固采用合并单元中点对点的FT3帧格式代替传统的SPI。 4)在数字信号处理中，采用Al teraDSPBuilder和Si muli nk相结合的新的设计方法，并采用Al tera知识产权(IP)MegaCore，将系统级设计实现和DSP算法开发相链接，降低开发难度，大大减少了开发时间。 安徽理工大学硕士学位论文一62电子式互感器系统概述2电子式互感器系统概述电子式互感器是由高压侧采集器，低压侧合并单元，以及连接的光纤所构成的系统，它取代了传统的电磁式互感器，应用在数字化变电站中对电压电流等电网参数进行采样、分析、传送。 21IEC60044标准对电子式互感器的定义IEC60044标准是国际电工委员会专门为互感器所制定的，其中IEC600447t11】和IEC600448【121适用于新式的电子式电压互感器和电子式电流互感器。 211电子式互感器结构IEC600448电子式电流互感器标准给出了单相电流互感器的结构框图，以及由合并单元、三相多路采集器组成的电子式互感器系统的结构框图。 单相电子式电流互感器结构如图1所示。 模拟电压输出二次电源!，。 J图1电子式电流互感器结构Fi g1The construction ofthe electronic currenttransformer图1中P 1、P2两端为一次电流接线端，S 1、S2为模拟电压输出，MR表示维修申请，表示输出无效，EF表示设备故障。 一次电流经过电流传感器和一次转换器后，其参数经由传输系统传给低压侧。 低压侧有两路次级转换器，一路提供给合并单元，另一路提供模拟电压量的输出，电子式电压互感器结构类似。 多相电子式互感器系统整体框图如图2所示。 安徽理工大学硕士学位论文A相测量电流ECT SC输出B相测量电流ECT SC输出C相测量电流ECT SC输出A相保护电流ECT SC输出B相保护电流E(了SC输出c相保护电流ECT SC输出中性点电流ECT SC输出A相屯压EvT sc输出B相电压EVT SC输出C相电压ESC输出中性点电压EvT SC输出母线电压Ev丁SC输出。 斌占圈时钟输入电源l叁啦曲寻由活l(必要时选)图2电子式互感器系统数字接口框图Fi g2Thedi agramofthe digi talinterface oftheelectronictransformer图2中ECT表示电子式电流互感器，EVT表示电子式电压互感器，SC为图1中的二次转换器。 IEC600448标准中，合并单元将ECT测得的三相测量电流、保护电流，EVT测得的三相测量电压等多达12路的数字采样值合并为一组数据按照通信规约输出，提供给二次设备使用。 电子式互感器系统由高压侧信号采集器和低压侧数据接收转发的合并单元以及传输系统中的光纤组成。 212对数字量输出额定值的定义IEC600448对数字量输出的额定值做了具体定义，如表1所示。 表1数字量输出的额定值Tabl e1the Ratedval ueofthe digi taloutput额定值测量用ECT保护用ECTEVT(rangefl ag=0)2D41H01CFH2D41H(十进制11585)(十进制463)(十进制11585)量程标志2D41H00E7H2D41H(range-fl ag=1)(十进制11585)(十进制231)(十进制11585)其中Rogowski线圈的保护用ECT最高可测量50倍的额定一次电流，而测量用ECT和EVT则能测量2倍的额定一次电流和一次电压。 213对模拟量输出额定值的定义IEC600448t121对电流互感器模拟量输出额定值规定其标准值为225mV、150mV、200mV、225mV、4V。 在中压系统不使用二次转换器情况下，其中对于一8-2电子式互感器系统概述输出电压正比于电流的LPCT线圈的电子式电流互感器，模拟量输出标准为225mV，而对于输出电压正比于电流导数的Rogowski的电子式电流互感器，采用150mV标准。 高压系统需要采用二次转换器的其模拟量标准额定输出为在保护用时为200My，测量用时为4V。 IEC600447【1l】中规定，对于单相或者三相系统线间及三相电压电子式互感器，参考以下标准值1625V、2V、325V、4V、65V，而三相系统线对地的单相互感器其额定值为上述标准值除以3。 214数字接口的定义对于电子式互感器数字量输出的接口，应用层相同，物理层和链路层不同，可采用两种方案，一种为IEC61850912113-14标准中提及的以太网，一种为IEC600448标准中描述的FT3帧格式配合光纤或者电传输。 下面介绍第二种方案。 对于物理层，合并单元连接二次设备可采用光纤传输，或者传统的铜线传输，定义标准传输速度为25Mbi ts，采样曼彻斯特编码方式，最高位先传。 对于链路层，选用IEC60870512标准【15-161规定的FT3帧格式，对于FT3帧格式的相关问题将在后续章节做详细介绍。 IEC600448标准中详细规定了应用层的帧格式以满足未来IEC6185091标准的实现。 在应用层中明确规定了数模块数及其长度、额定电流电压、ABC三相测量保护的数据、状态字、数据组数目、数据集识别符、额定延时等各项参数，并使用固定长度的FT3帧格式通过物理层发送给二次设备。 将上述数据集填入的完整的FT3帧格式如表2所示。 表2中每帧FT3数据都包含占四个字节的两个状态字。 表3给出了状态字的每位的含义。 表2包含具体数据的FT3帧内容Tabl e2theSpeci ficdata oftheframe content字节字节字节1启动字符05H2启动字符64H9安徽理工大学硕士学位论文表2(续)字节字节字节32139模块数l H)保护A相电流B相电压4224052341模块的长度(=2CH)保护B相电流C相电压624427数据组2)2543保护C相电流中性点电压8数据集识别符 (01)264492745源标识符中性点电流母线电压102846112947额定相电流测量A相电流状态字1123048133l49额定中性点电流测量B相电流状态字2143250153351额定相电压测量C相电流计数器163452173553额定延时时间A相电压备用18365419CRC校验37CRC校验55CRC校验表3状态字定义Tabl e3the Definitionofstatus words位状态字1定义状态字1备注状态字2定义状态字2备注0无需维护0正常0维护要求(脉)A相电压数据1需要维护1无效0正常运行0正常1维护要求(搬)B相电压数据1测试1无效启动期间的数据0正常运行有效0正常2C相电压数据有效性1启动器件无效1无效102电子式互感器系统概述表3(续)位状态字1定义状态字1备注状态字2定义状态字2备注0无插入的数据置0正常计量单位的同步方位法3中性点电压数据法1有插入的数据置1无效位法0时间同步0正常4同步计量单元母线电压数据1同步丢失1无效0正常57A相保护电流1无效0正常8中性点电流l无效备用0正常91lA一C相测量电流1无效12TA输出类型Oi(t)1315备用22电子式互感器工作原理221电流互感器工作原理电流互感器的传感器件包括输出电压信号的Rogowski线圈以及低功耗线圈。 Rogowski线刚17】是一种将导线均匀密绕在截面均匀的非铁磁性材料的骨架上的线圈，和传统的铁磁性线圈相比，非铁磁性材料使这种传感器线性度好，且不使用铁心则不会出现磁饱和，也不会发生磁滞现象，Rogowski线圈具有良好的稳态性能和暂态响应。 Rogowski线圈如图3所示。 理论证明，Rogowski线圈所产生的感应电动势与被测电流变化率存在线性关系，如式21所示。 当被测电流i通过Rogowski线圈时，在线圈出线端感应出电势E与电流i的变化率didt成比例，即是一个微分关系；必须经过积分环节才能还原成电流信号。 详细原理见参考文献18-21l。 E一业一Mdi出衍21Rogowski线圈输出电压信号经Ai D转换成数字信号后，再将电信号转换为安徽理工大学硕士学位论文光信号发送出去；在合并单元中，经过光电变换以及校验解码后，需对信号进行数字积分处理，才能还原成电流信号。 图3R090wS“线圈结构图Fi g3me ComtructionofRogowsl【iil低功耗线圈(LPCT)和普通含铁芯的电磁式线圈工作原理相同，都是利用电磁感应原理。 低功耗线圈测量示意图如图4所示。 图中Ih为取样电阻，氏为负载等效电阻。 NpP112图4LPCT线圈测量示意图Fi g4t11e Me舔memem ofLPCTcoi l由图4可知，其中Sl和S2间的电压Us为通过凡的电流I。 与心的乘积，即U。 =R。 X I。 2-2而通过的电流Ia为Id=IpXNpNs2-3将23式带入22得到U s=Rqx IpNp|N s24222电压互感器工作原理因为电网电压等级很高，因此需要利用电容分压器测量电网电压信号，并且122电子式互感器系统概述在电容分压器的输出端并联一个精密小电阻，其作用是为了改善电压测量的暂态特性，提高电压测量的精度。 电容分压器测量等效电路如图5所示，电容分压器的输出信号uo与被测电压ui关系如下以归肥-警(肷去)2-5其中Cl、C2分别为高压电容和低压电容。 只需要对电容分压器的输出信号进行积分便可以得到被测电压。 ClC2图5电容分压器测量电压等效电路Fi g5the Equival entci rcuit ofcapaciti vevoltagedivider23电子式互感器系统介绍电子式互感器系统结构如图6所示，由高压侧采集器、传感元件、信号柱、光缆以及合并单元(MU)构成。 采集器位于高压侧，用于对高压电缆上的电力参数进行采集，其输出为数字光信号；信号柱外部有复合绝缘伞群，内部有光纤将采集到的电力参数以FT3帧格式传输到低压侧，光纤连接高压侧采集器和合并单元，以此完成了高压侧和低压侧电器隔离；合并单元主要用于对电力参数进行接收、处理和发送。 m?IL安徽理工大学硕士学位论文图6电子式互感器系统结构Fi g6the Conslructionoftheelectronictransformer其中传感元件包括LPCT线圈、Rogowski线圈、电容分压器。 传感元件可以捕获高压电缆上的电力参数，当电力系统正常工作时，采集器通过LPCT线圈得到测量用电流信号，从电容分压器获得测量用电压信号；当电力系统发生故障时，电缆上会产生高达几百至几千安培的一次电流，这时通过Rogowski线圈获得保护用电流信号。 因此设计了可同时对一相电缆上的测量电压、测量电流和保护电流3路信号进行采集的采集器。 高压侧采集器接收到传感元件的提供的模拟信号，并对此模拟信号进行放大滤波等信号调理送入AD芯片，最后将采样得到的数据进行处理，然后转换为光信号发送给合并单元。 合并单元接受到多路光纤发送来的光信号进行光电转换后，由CPU对接收到的数据进行处理，并通过以太网口发送给上位机或其他测量和保护装置使用，发送协议遵循IEC61850标准所定义的模拟量采样值数据接口标准。 合并单元除了接收并处理多个采集器的数字信号外，还应具有模拟量输入接口，可以把其它传统电磁式互感器的模拟信号量也转换成数字信号，通过以太网口输出数据，兼顾电子式互感器与传统互感器混合应用。 24本章小结本章首先介绍了IEC6004478标准对电子式电流电压互感器的各项定义，然后分别阐述了电子式电流互感器和电压互感器的工作原理，并进而详细介绍了高压侧采集器和合并单元两大部分的功能。 后续章节中，将介绍高压侧采集器，合并单元的详细设计过程，对信号采集传输中出现的若干问题的解决进行探讨。 3高压侧采集器的硬件设计电子