毕业论文-高压系统电流检测新技术的研究及电路设计

大连交通大学本科毕业论文论文题目高压系统电流检测新技术的研究及电路设计摘要电流互感器是电力系统中用于继电保护和电测量的重要设备，其精确度和可靠性对电力系统的安全、稳定和经济运行有着重要影响。光电式电流互感器和传统的电磁式电流互感器相比有很多突出的优点，必将得到广泛的应用。电子式电流互感器分为有源、无源两种类型，有源式电子电流互感器采用了先进的光电子技术和现代集成电子技术，发挥了高可靠、高精度、高稳定等特点，是目前最具实用前景的研究方向之一。在研究和分析了各种电流互感器的工作原理及优缺点的基础上，本文采用了有源型结构中ADC式光电电流互感器设计方案。完成从高压侧数据采集、数据处理、高低压间光纤数据通讯直至低压侧数据恢复的研究和设计。鉴于CPLD/FPGA具有高集成度、高速度和高可靠性的特点，提出了高压侧以CPLD为控制核心、低压侧以FPGA为控制核心的整体设计方案，简化了相应硬件电路的设计过程，且有效率低了系统在强电磁干扰下测量产生错误的风险。本文详细介绍了高压侧硬件系统的电路设计，高压侧数据异步通讯电路在CPLD/FPGA中的实现，芯片的选择以及各部分电路的设计实现与调试。最后对整个系统进行了软件的仿真测试与硬件调试，验证系统的功能实现。经验证该系统设计可以实现光电混合式电流互感器高压侧单元和数据通讯的预定功能。可较好的满足电力系统中数据处理的高速度、高数据量、复杂运算等要求，并具有结构简单、方便修改的优点，具有一定的研究价值。关键词电流互感器，CPLD/FPGA,数据异步通讯ABSTRACTELECTRONICCURRENTTRANSFORMERISVERYIMPORTANTEQUIPMENTFORSYSTEMPROTECTIONANDELECTRICALMEASUREMENTINELECTRICALPOWERSYSTEMITSACCURACYANDRELIABILITYHAVESIGNIFICANTIMPACTONSAFETY,STABILITY,ANDEFFICIENCYINPOWERSYSTEMAPHOTOELECTRICHYBRIDCURRENTTRANSFORMERHASALOTOFOBVIOUSADVANTAGESOVERATRADITIONALELECTROMAGNETICCURRENTTRANSFORMERITWILLDEFINITELYFINDMOREANDMOREAPPLICATIONSTHEREAREACTIVEANDPASSIVEABOUTELECTRONICCURRENTTRANSFORMERTHEACTIVEELECTRONICCURRENTTRANSFORMERADOPTSTHESOPHISTICATEDINTEGRATEDOPTOELECTRONICTECHNOLOGYANDMODERNELECTRONICTECHNOLOGYITHASPLAYEDAHIGHRELIABILITY,HIGHPRECISIONANDSTABILIZATIONITISONEOFTHEMOSTPRACTICALINFUTURERESEARCHDIRECTIONSONTHEBASISOFRESEARCHANDANALYSISPRINCIPLESOFVARIOUSCURRENTTRANSFORMERS,THISPAPEREVENTUALLYADOPTEDTHEADCACTIVETYPEOPTICALCURRENTTRANSFORMERITMAINLYCOMPLETEDDATACOLLECTIONANDPROCESSINGOFHIGHVOLTAGESIDE,DATACOMMUNICATIONBETWEENHIGHANDLOWVOLTAGESIDEANDANALOGWAVEFORMRESTORATIONATLOWVOLTAGESIDECPLD/FPGAHASCHARACTEROFHIGHINTEGRATIONDENSITY,HIGHSPEED,ANDHIGHRELIABILITYACCORDINGSUPERIORITIESOFTHESEDEVICES,THISPAPERUSECPLDASTHECPUOFTHEHIGHVOLTAGESIDEANDFPGAASTHECPUOFTHELOWVOLTAGESIDE,WHICHSIMPLIFIEDTHEDESIGNPROCESSOFHARDWARECIRCUITANDEFFECTIVELYREDUCEDRISKOFMEASUREDERRORSINTHESTRONGELECTROMAGNETICINTERFERENCEENVIRONMENTTHISPAPERDESCRIBESTHEDESIGNOFHARDWARECIRCUITSYSTEMOFTHEHIGHVOLTAGEPART,HIGHANDLOWVOLTAGESIDEDATAASYNCHRONOUSCOMMUNICATIONCIRCUITREALIZATIONINCPLD/FPGA,CHIPSELECTIONANDTHECIRCUITIMPLEMENTATIONANDDEBUGGINGOFTHEVARIOUSPARTSFINALLYITGIVESTHEOVERALLSYSTEMSIMULATION,TESTINGANDHARDWAREDEBUGGINGVERIFYTHEFUNCTIONOFTHESYSTEMIMPLEMENTATIONTHETESTRESULTSHAVEPROVENTHATTHEPROPOSEDSYSTEMDESIGNEDCANPERFORMTHEEXPECTEDFUNCTIONALITYOFPHOTOELECTRICCURRENTTRANSFORMERATHIGHVOLTAGESIDEANDDATACOMMUNICATIONBETWEENHIGHANDLOWVOLTAGESIDEITCANBETTERMEETTHEPOWERSYSTEMSREQUIREMENTSINTHEHIGHSPEEDDATAPROCESSING,LARGEDATAQUANTITYANDCOMPLEXOPERATIONITALSOHASMERITOFBEINGSIMPLEINSTRUCTUREANDEASIERFORMODIFICATIONITISWORTHFORFURTHERINVESTIGATION目录摘要ABSTRACT第一章绪论11课题的来源和意义12国内外发展情况13研究目标和研究目标14本章小结第二章光电电流互感器高压侧电路的研究21光电电流互感器的基本原理211有源型212无源型22整体设计方案23本章小结第三章光电电流互感器供能方案的研究31系统供能电源设计基本原理32高压侧电源系统的基本性能指标33目前可行的供能方案的分析34双电源供电方案35本章小结第四章高压侧传感器部分的理论及设计41传统接头42滤波器环节43A/D转换器第五章传输部分的理论分析和设计51数据的电/光转换、发送/接收及光纤连接器52光纤选择53本章小结第6章结论和成果61总电路图62仿真图参考文献致谢11课题的来源及意义近年来，伴随现代高压、超高压输电网络的建设，电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展，这就对电流测量装置提出了更高的要求。传统的电流测量装置主要采用带有铁心的电磁式电流互感器，它的优点在于一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测电路中的负荷电流，而与二次电流大小无关；电磁式电流互感器的二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，正常情况下接近短路状态运行，所以，一次侧电流I1等于二次侧的测量电流乘以额定互感比K1。额定互感比近似等于二次侧和一次侧之间的匝数比KK。但它有很多的致命缺点使得其不能满足当代要求，随着电压等级的提高和传输容量的增大,电磁式电流互感器呈现出以下缺点1绝缘结构复杂、尺寸大、造价高。2测量准确度无法满足。3设备安装、检修不方便,维护工作量大。4存在潜在的危险，存在突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素。5除此以外,传统的电磁式电流互感器还具有铁磁共振、磁滞效应等不利于测量的因素。因而，其难以满足电力系统发展的要求，必须寻求基于其他传感机理的电流测量装置来取代之。因此光纤式电流互感器应运而生，全光纤电流互感器的优点在于其具绝缘无油，五SF6或其他气体，腔内无任何机械装置。无二次开路的危险。无铁芯剩磁的问题。成本低而且动态范围大，可测交直流，无磁饱和，频带响应宽，抗干扰能力强。但是随着科技的发展，已不能满足当代对精度的更高要求和体积减小等问题。所以这种互感器也终将退出历史舞台，从而迎接光电混合电流互感器的到来。光电混合是目前很有潜力的互感器，它的发展和完善是进来电流检测新技术发展的杰出代表。它的优点有优良的绝缘性能，造价低。不含铁芯，消除了磁饱和，铁磁谐振等问题。抗电磁干扰性能好，稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。暂态响应范围大，测量精度高。频率响应范围宽。没有因充油而产生的易燃爆炸等危险。体积小，重量轻。适应了电力计量与保护数字化，微机化和自动化发展的潮流。电流检测新技术这个课题是基于电流检测老技术基础上的。时代的发展和对检测技术的新要求让电流检测新技术这个课题变得越来越重要，亟待我们的研究和设计。光电式和光电混合式等的检测新技术的出现可以满足当前需要，但是新技术发展和进步需要我们不断的研究和设计。尤其是光电混合式电流互感器具有更加安全可靠的性能，能给我家经济和利益带来极大的好处。研究和设计新型的光电混合电流互感器符合国家发展战略，使这种新技术真正的造福国家和广大人民。因此电流检测新技术这个课题的研究和设计有关国民经济和生活水平，具有很长远的国际战略等意义。12国内外发展状况国外利用FARADAY磁光效应进行电流测量的工作于六十年代起步，到七十年代初涌现出了多种新型电流互感器，并在八十年代末九十年代的时候进行了实际应用。美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出多种光电电电互感器样机，并在实际高压电站长期运行。国外ABB、AISTOM、NXTPHASE、SIEMENS等公司已经开发出一系列光电电流互感器产品并在世界各地挂网运行。日本除研究500KV1000KV高压电网计量用的光电电流互感器外，还进行500KV以下的直到66KV电压等级的零序电流互感器的研究。1994年A8B公司推出有源式电流互感器，其电压等级为725765KV，额定电流为6006000A；3M公司在19年宣布已开发出用于138KV电压等级的全光纤型电流互感器，可用于SOOKV电压等级；PHOTONIES公司推出了一种用光推动的光电式电流互感器，即”光电混合式电流互感器”，他们曾于1995年至1997年期间在美国、英国、瑞典的超高压电网上试运行。法国ALSTOM公司主要研究无源电子式电流互感器，目前已经研制出了123KV一756KV的光学电流互感器、光学电压互感器及组合式光学电流电压互感器等多种电子式互感器。自1995年以来，ALSTOM公司的电子式互感器已经有多台在欧洲及北美运行。在国内，直到上个世纪60年代初期，互感器的生产才逐步专业化，开始形成全国互感器行业。基于光学原理的电子式互感器研究己经展开并取得了一些理论上的成果，但还没有在实际电力系统长期运行的光电互感器问世。我国光电电流互感器的研究始于七十年代，以1982年在上海召开的“激光工业应用座谈会“为起步，主要研究单位有电子部26所和34所、清华大学、电力科学研究院、陕西电力局中心试验所J上海互感器厂、北方交通大学、华中科技大学、湖南大学等都在光电式电流互感器的研究中投入了很多人力和物力，也取得了一定的成果，但是其中大部分仅限于实验室探索阶段。其中，清华大学和电力部电科院共同承担的国家“七五”攻关项目，研究出了”0KV光电电流互感器样机，但未长期挂网运行。2001年，华中科技大学与广东某公司合作研制的”OKV光电电流互感器在梅州挂网试运行。2002年，清华大学研制的110KVOECT样机在山东挂网试运行。目前国内的光电电流互感器有以下三个特点1光电电流互感器研究将在理论、实验和实用三个方面更紧密地结合。2数字化、智能化是光电电流互感器发展的必然趋势。3光电电流互感器的发展将促进磁、光、电材料的进步开发。国际电工委员会关于电子式电流互感器标准的出台，以及我国已经酝酿起草的电子式电流互感器国家标准，预示着电子式电流互感器的产品化应用己经初步具备了行业规范，为电子式电流互感器的市场化提供了基础平台。经过门年的电网改造，电网的综合自动化水平得到了很大的提高，对相应的网络瞬态保护提出了更快速的要求。随着电网的扩大，输电线路越来越长，传统的电流互感器己经无法满足距离保护的瞬态特性要求，预计在未来510年中，电子式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。随着光电子学的发展和成熟，国内外很多大学和科研|初构不断投精力和物力研究光电式电流互感器。发展到现在，已经取得了很大进步，预计再过十几年，光电式电流互感器将全面走向工业化。由于光电式电流互感器和传统的电磁式电流互感器相比有很多突出的优点，未来光电式电流互感器将会被广泛的使用。13本课题的研究目标、研究内容目标随着高压输电电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器的体积也不断增大，对绝缘的要求也越来越高，导致传统电磁式电流互感器非常的笨重建造成本高，不能满足日益提高的电压的要求。选择设计一种电流互感器，解决传统电流互感器的体积和电流大小的问题。内容一种新型的电流互感器的想法油然而生，它的体积不随电压等级的提高而增大,只要让二次侧与地面绝缘就可以了，为此可以使用光纤作为信号传输介质，传感头采用电磁式互感线圈从输电线感应出电流，在对电流信号进行处理，包括滤波、逻辑变换、AD转换、功率放大。把电信号转换成光脉冲后，经由光纤传输到下方地面的接收器处理并读取数值。此外，还需要另一个换线圈来提供电路部分的电源。14本章小结随着光电子技术的迅速发展，许多科技发达国家已经把目光转向利用光学传感技术和电子学方法来发展新型的电子式电流互感器，简称光电电流互感器。光电电流互感的特点和工作原理能够很好的满足我国当前和未来的电力系统电流检测的需要，是电流检测新技术中发展前景特别好的一个方向。由于光电式电流互感器和电磁式电流互感器相比有很多突出的有点，预计未来的50年中，光电式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。除此之外，光电式电流互感器还可以用于一些其他场合，比如便携式电流互感器、高频电流测量、冲击大电流测量等。所以本文选取光电混合式电流互感器作为研究和设计对象，选择合适的方式和设计来实现对高压电力系统中电流的检测。第二章光电电流互感器高压侧电路的研究21光线电流互感器的基本原理光纤电流互感器从传感头有无电源供电可分为无源OCT和有源OCT两大类。目前研究最具代表性的主要全光式光电电流互感器（MOCT）有源型光电电流互感器（HOCT）211有源型有源型又可称为混合型（简称为HOCT）。所谓有源型光电电流互感器乃是高压侧电流信号通过采样传感头，将电信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递电压侧进行光电转换变成电信号输出。有源型光电电流互感器的方框图如图21所示。有源型光电电流互感器可以分为两种压频转换式和A/D转换式。（1）压频转换式光电电流互感器结构框图如图22所示采样线圈将流过母线的电流转化为电压信号，通过压频转换电路，即V/F转换部分，经过V/F转换后电压的变化将转换为脉冲频率的变化。电脉冲信号经过电光变换器件（E/O变换）后，变为光信号，经过光纤传到低压端，低压端的光电转换器件（O/E转换）将光信号还原成电信号，再经过频压转换电路即F/V转换部分通过信号处理单元最后进行显示。压频式光纤电流互感器的主要优点是（1）结构简单（2）精确度抗干扰性能比较高（3）比较适合信号源距离传输采用压频变换的方法可以减少低压端和高压端之间连接光线的数量。目前的集成V/F和F/V变换电路，比如ANALOGDEVICE公司的ADVFC32芯片能够通过引脚连接方式不同实现V/F变换或者用于F/V变换，精确度也不错（再10KHZ的条件下最大的误差为001）。但是该芯片正常工作功耗比较大（25MA左右），这将需要更大的功率来支持高压侧电子线路的工作，势必带来高压侧电源设计的复杂性，同时使整个系统的起始工作的最小电力母线电流变大，减小了系统的测量范围。（2）A/D转换式光电电流互感器A/D转换式光电电流互感器的结构框图如图23所示整个系统分为高压子系统和低压子系统两个部分。两个系统用光纤连接起来，高压子系统包括传统线圈、积分电路、高压端供电电源、A/D转换器、时序协调电路和E/O、O/E转换器。低压子系统包括O/E、E/O转换器、D/A转换器时序发生电路和信号处理电路。在高压子系统中才用传统线圈取得电流信号送入电子转换电路中，电子转换电路将这一正弦电流信号调制为数字脉冲信号，再驱动发光元件转换成光信号，通过光纤光信号就被传送到地面监控室中。在低压子系统将接受到的光信号反变换成电信号，经过放大送入仪器仪表。A/D转换式光电电流互感器的主要优点是（1）目前A/D、D/A转换器的转换精度很高，可以通过寻用合适的A/D转换器来满足系统对精确度的要求。（2）高压部分的功耗较小（3）低压端具有模拟信号和数字信号两种输出，与光通信系统兼容，给未来的电力通信带来良机。有源型光电电流互感器优点是长期稳定性好，在现代电子器件可靠行高、性能稳定的条件下易于实现精度高、输出大的实用型产品。有源型光电电流互感器的技术难点是（1）传感头去信号绕组的制作。（2）积分器的设计。（3）供电电源的设计。212无源型所谓无源型光电电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源，传感头一般基于法拉第效应原理，即磁滞光旋转效应，当一束线偏振光通过放置在磁场中的法拉第旋光材料后，若磁场方向与光的传播方向平行，则出射线偏振光的偏振平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号对偏振光波进行调制。无源型光电电流传感器系统框图如图24所示无源型结构今年来比较盛行。其优点是结构简单，且完全消除了传统的电磁感应元件无磁饱和问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是在高压侧不需要电源器件使高压侧设计简单化，互感器运行寿命有保证。其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度不容易达到，尤其是此种电流互感器受费尔德（VERDET）常数和线性双折射影响严重，而且前尚没有更好的方法能解决VERDET常数随温度变化和系统的线性双折射问题，所以很难实现高精度测量。全光纤型光电电流互感器实际上也是无源型的，只是传感头即是光纤本身（而无源型光电电流互感器的传感头一般是磁光晶体，不同于全光纤型的传感器是特殊绕制的光纤传感头），其余与无源型完全一样。其系统框图如图25所示全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单，比无源的容易制造，精度和寿命与可靠性比无源型要高。但是光纤技术现在还没有达到用于互感器环境的要求，传感光纤对环境具有十分敏感的线性双折射现象，影响测量精度及稳定性。虽然有的提出了校正时的数值。此后采用一种螺旋型光纤结构显著地降低了光纤双折射，但是此螺旋光纤会逐渐变质难以长期使用。另外光纤材料的费尔德常数不够大且随温度变化较大，也影响测量的准确性。在实现挂网过程中还存在长期稳定性的问题，因此在实际挂网之前需要更深入的研究。22整体设计方案综合21节，因为有源型光电电流互感器的制作难点在电子学上易于克服，而无源型光电电流互感器的双折射现象及费尔德常数问题目前还没有找到解决的途径，因此本文决定采用有源型光电电流互感器作为本文设计的目标。有源型光电电流互感器中，基于V/F变换的电流互感器需要非常大的电源来驱动V/F变换，而目前所设计的电源很难达到要求，因此本文决定采用A/D转换式光电电流互感器。高压侧电路主要有传统线圈、过滤器、A/D转换等，在互感器低压侧，灵活的电路设计，除了从光数字信号中恢复出数字电流信号外，还可以通过数字信号电路的处理，便于与微机保护装置、计算机测量和控制装置及其它数字仪表进行通信和电流数字信号的传送，也可以输出模拟电流信号，以便与传统的仪器仪表对接，利用数字信号处理电路还可以组成光电式电压和电流的复合式互感器，以及将保护和控制集成在一起，也有利于向智能化互感器方向发展。23本章小结本章系统而简明的介绍了光电电流互感器的概念和分类，并给出了本文设计的总方案。第三章光电电流互感器供能方案的研究31系统供能电源设计基本原理供能电源是电子电路工作的基本保障。随着电子电路日趋集成化和节能化，电源技术也在不断地发展。实际上，电源电路的设计已经成为电路设计中关键的一环。电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。32高压侧电源系统的基本性能指标安全、稳定、可靠地运行是电子式电流互感器应该达到的基本要求，同时，这也是对电子式电流互感器高压侧电源系统的最基本要求，因为电源使正常工作的必要条件。除了这些要求外，电子式电流互感器高压侧的电源系统还应具备以下性能指标（1）一定的输出功率（2）较短的启动时间（3）较小的启动电流或电压（4）输出电压质量好和自身功耗低（5）极端情况下的防护能力33目前可行的供能方案的分析目前可行的供能方案主要有母线电流取能供电、电容电流取能供电、激光供电、太阳能供电、蓄电池供电等。331母线电流取能供电母线电流取能供电是利用电磁感应原理，由普通铁磁式互感器从高压母线上感应得到交流电电能，然后经过整流滤波、稳压后为高压侧电路供电。其供电的能量来自高压母线电流，取能是通过一个套在母线上的磁感应线圈来完成的，母线环周围存在磁场，通过磁场来获取能量。此功能方式体积小、结构紧凑、绝缘封装简单、使用安全；供电比较可靠、成本低。设计难点在于电力系统负荷变化很大，母线电流随之变化很大，母线短路瞬时电流可超过十倍额定电流，因此磁感应线圈必须同时兼顾最小、最大两种极限条件，设计一是要尽量降低死区电流，保证在电力系统电流很小时能够提供足以驱动处于高压侧电子电路的功率，二是当系统出现短路大电流时，能吸收多余的能量，给电子线路一个稳定的电源，其本身也不会因过电压而损坏。332电容电流取能供电由于系统电压在系统运行过程中的变化范围较母线电流要小得多，所以对高压侧电源的设计可以考虑通过高压母线环周围存在的电场来取能。于是出现了利用电容分压器从母线取能供电，这种供电方式与母线电流供电类似，其原理是在高压母线与地之间连接高压电容分压器从高压母线上取得经过整流、滤波、稳压以后，向高压侧电路供电。由于一次电压相对电流来说比较稳定，此方案的电源输出也是比较稳定的，但是设计该方法面临着比母线电流供电更大的困难，首先是如何保证取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题。这要求严格的过电压防护和电磁兼容设计；其次就是这种方法有着更多的误差来源。温度、杂散电容等多种因素都将影响该方法的性能。因此获取电源的稳定性和可靠性较母线性取能供电电能方法差；另外就是采用这种方法得到的功率有限，虽然可以通过改变电容C的大小来调整功率输出，但过大的电容将会带来更多的问题。333激光功能激光功能主要是能采用激光或其它光源从低电位侧通过光纤将光能量传送到高电位侧，再由光电转换器件将光能量转换为点能量，经过DCDC变换后提供稳定的电源输出。其突出优点是能量以光形式通过光纤传输到高压侧，完全实现高、低压间电的隔离，不受电磁干扰的影响，稳定可靠，不受电网波动的影响，噪声小，可长期安全、可靠地供电，同时有利于电力系统向光纤化、数字化的方向发展。但其设计存在各种设计难点，如必须采取措施对温度进行自动控制，受激光输出功率的限制，其中的二极管的工作寿命有限等等。334蓄电池供电该方法采用蓄电池对高压侧的电子线路进行供电，电池的能量来自高压母线电流，接在母线上的经过特殊设计的电流互感器或电容分压器构成蓄电池的交流充电电源，经过稳压和整流后对电池进行充电。采用这种方法的优点是结构简单、实现起来比较容易，但是蓄电池的寿命较短，而且由于放在高压侧，更换起来比较困难，因此在实际应用当中很少被采用。一般情况下，该供能方式都被用作辅助式电源。34双电源供电方案的提出综上所述，通过对几种供电方案的分析和研究，从产品结构的安全、可靠性、可行性、成本出发，采用母线取能供电方式比较实际，针对母线电流可能为灵时由电流互感器组成的电流源不工作。本文采用电流源和电压源构成的一个组合，即使电流为零，电压源也仍能供电。35本章小结本章主要论述了系统供能电源的基本原理和设计指标，并分析比较了各种可行的电子式电流互感器供能方案，进行了研讨，在此基础上提出了一种改进的供电方案双电源式供电方案。第四章高压侧传感器部分的理论及设计41传统接头电流测量装置是通过电流传感元件进行取样的，这是光电式电流互感器的关键性元件。载流母线上的被测电流小到几十或几百安，大到几千或几十迁安，这样的大电流必须经过取样，并把它变换成低的电压信号才能输入到发送端的电子电路。用电流互感器作为电流互感元件是一个良好的方案。这里用的电流互感器是电磁感应式的微型高精度电流互感器，只是他的初级和次级绕组之间不必有特别高的绝缘要求；微型CT的二次侧输出是一个小的交流电压信号。这种不必考虑高压绝缘问题的电流互感器容易做到相当高的测量精度，同时提及可以做得相当小。42滤波器环节滤波器的主要作用就是提高测量通道的输入信号的测量精度，滤除各种干扰噪声的影响。本文将采用巴特沃斯二阶低通滤波电路。低通滤波器可以滤除测量信号中二阶及其二次以上的谐波成分，一阶低通滤波器飞衰减率是20DB/十倍频，但是其滤波效果不是很理想。而二阶低通滤波器的衰减率是40DB/十倍频，滤波效果可以令人满意。众所周知，理想滤波电路的频率响应在铜带范围内应该具有最大的线性移位和幅值，但是在其阻带范围内其幅值是零。实际的滤波电路与理想的滤波电路有一定的差距，这是无法避免的。如果要同时满足幅频和相频响应两方面的要求就更难了。因此，要根据不同的实际需要，来寻找最佳的近似理想的滤波电路。例如，主要考虑幅频响应，而不考虑相频响应；也可反之；设计滤波电路时要考虑到许多因素，例如频率限制、尺寸方面、调整的难易、制造的经济性与难易等因素。本文采用巴特沃斯二阶低通滤波电路，电路如图所示。其中R1R2R,C1C2C滤波电路的幅频响应的要求是当频率W小于截止频率WC时，幅度的响应最平，但是当WWC后，幅频响应快速下降，当W趋向于无穷大时，幅频响应的曲线几乎与横坐标轴是一条线，可以有效的滤波干扰信号。该巴特沃斯二阶低通滤波电路的传递函数为其中，通带电压增益为特征角频率为等效品质因数相应的幅频响应和相频响应表达式分别是图310中的巴特沃斯二阶低通滤波电路的截止频率是100HZ，对低频信号可以进行有效的传输，对高频信号起到明显的衰减作用。若需要没有增益的信号，运算放大器就是一个电压跟随器。高压母线电流中频率为50HZ的基波经过滤波电路后会有一定的相位偏移和幅值增益。因此，在设计移相电路时，必须要考虑这一因素。图311是用PROTEUS仿真软件对滤波电路进行仿真，通过信号发生器可以得到输入与输出波形。其输入频率为50HZ，幅值为2V的正弦电压信号，另外再加入一个干扰信号，其输入频率为10KHZ，幅值为200MV的正弦电压信号，然后通过示波器观察输入和输出的波形。图311仿真显示出，次滤波器电路符合设计的要求。43A/D转换器电子式电流互感器高压端的待测信号是正比于高压输电线中50HZ电流的模拟电压信号。由于系统的高压端和低压端是通过光纤进行连接的，因此应将模拟量转化为数字量才更适合用光纤来传输。必然要用到模数转换器，简称A/D转换器，以及驱动它工作的时序电路。A/D转换电路是整个传感部分的核心，由于电子式电流互感器传感头的特殊要求，A/D转化芯片应该具有以下基本特征（1）功耗小；（2）采样频率足够高；（3）串行A/D芯片；（4）电压输入范围应为双极性；（5）为了保证系统的分辨力，应采用高位数的A/D转换芯片。在便携式仪器设备中，往往要求其数据采集系统不仅具有速度快、精度高的特点，而且还要求其具有供电电压低、体积小以及功耗小等特性。ADS8320是BURRBROWN公司生产的逐次逼近式串行16位微功耗CMOS型高速A/D转换器，它的线性度为005，工作电源在27V525V范围内，采样频率最高可达100KHZ；在27V供电和100KHZ采样速率下，其功耗仅为18MW，而在10KHZ低速采样时的功耗仅为03MW；在非转换状态时可处于关闭模式，此时功耗可低至100W；ADS8320具有同步串行SPI/SSI接口，因而占用微处理器的端口较少；其差动输入信号范围为500MVVCC工作电源；采用8引脚MSOP小体积封装。以上特点使ADS8320非常适用于便携式电池供电系统中。1内部结构及引脚排列ADS8320的内部结构如图1所示，它由采样/保持放大器、D/A转换器、比较器、移位寄存器、控制逻辑电路、串行接口电路等组成。其管脚排列如图2所示。各引脚的功能如下VREF为外接参考电压输入端；IN、IN为外接差动模拟信号输入端；VCC、GND为供电电源接入端；CS/SHDN为片选/关断控制端；DCLOCK为时钟输入端；DOUT为A/D转换的数字结果串行输出端2工作时序ADS8320与微处理器或其它数字系统采用同步3线串行接口进行通信，其工作时序如图3所示。当CS/SHDN端从高电平变为低电平（下降沿）时，芯片的整个转换和数据传输过程被初始化，DCLOCK端的最初455个时钟脉冲用于对输入模拟信号的采样，此时DOUT端处于高阻态；在随后的DCLOCK下降沿，DOUT端将输出一个可持续一个脉冲周期的低电平信号，以作为将要输出A/D转换结果的标志；紧接着在16个DCLOCK的控制下，从最高位（MSB）到最低位（LSB）依次由DOUT输出16位转换结果。DCLOCK信号的下降沿可用来控制A/D转换结果在DOUT端的同步传输，大多数接收系统对DOUT端转换结果数字位流的采集在DCLOCK的上升沿进行。当16位转换结构传输结束后，若CS/SHDN端仍为低电平且DCLOCK端有控制脉冲，那么在DOUT端继续输出转换结果，但此时是由最低位（LSB）到最高位（MSB）依次输出，直到当最高位输出出现重复使DOUT端变成高阻态为止。即一次转换数据最多输出两次，一次从高位到低位，一次从低位到高位。一般情况下，当16位转换结果输出完毕后，置位或去掉DCLOCK脉冲，可使结果仅输出一次。当CS/SHDN端接高电平（下降沿）时，ADS8320在关断模式下低功耗工作，只有当CS/SHDN端从高电平变为低电平时，芯片方可重新初始化而进行另一次A/D转换。第五章传输部分的理论分析和设计为了更好的解决高压侧的绝缘问题，本系统设计采用光纤作为传输介质将A/D转换后数字信号送到低压侧尽心数据处理和模拟波形的恢复。传统互感器体积和重量都比较大，利用光纤良好的抗干扰、电绝缘等优点可以从根本上解决这些缺点，电压等级越高，越能体现出采用光纤的优点。光纤数字传输系统是由光纤连接器、光导纤维及其连接部件构成的。51数据的电/光转换、发送/接收及光纤连接器A/D转换后的数字信号，要通过光纤送到低压侧，所以首先要把数字信号转换为数字信号，所以要用到电光转换器。选择光源时我们要考虑一下几点1光源的辐射强度足够大，光源波长与所用光纤的低损耗波长相吻合；2光源与光纤必须匹配以获得最好的耦合效率；3光源稳定性要高以适应长期野外恶劣的环境中工作。比较目前常用的两种固体光源有激光二极管LD和发光二极管LED。激光二极管容易受温度影响，功耗大、造价高、寿命短。LED发光二极管受温度影响较小，功耗低、造价低、寿命长，不用光反馈装置和温度控制。驱动电路简单，可以在很低的驱动电流下工作，非常适合本设计对低功耗要求。52光纤选择高压侧采样的数字信号可以通过无线电波和超声波等方法传送到低压侧，但是这些方法抗干扰能力较差。因此本设计采用光纤来传输高低压间数字信号。采用光纤传输测得的数字信号可以实现高低压间的电器隔离，降低电磁干扰影响。用光纤传送数字信号有很强的抗共模干扰及抗电磁干扰能力，能很好的实现高低压间的电器隔离，传输精度高、影响时间短，传输过程中损耗较小。53本章小结本章简要介绍了高压侧数字信号经过光纤传输到低压侧的实现过程，以及光源和光纤的选择。第六章结论和成果作为一种新型测量手段，光学电流传感器具有与常规电流互感器不同的传感原理与信息传输方式，它显示了传统测量手段所不可企及的优越性。今天，虽然纯光学的电流传感器达到实用的的条件尚不成熟，但是结合电学传感方法与光学电流传感器两者优点的光电混合式电流互感器却有实现的可能。本论文正是在这方面做出了尝试。实现了该种电流互感器的设计。其主要贡献及创新可概括为（1）在对现有常规电流互感器的理论模型和响应特性进行分析的基础上，指出了其存在的原理缺陷；全面评述新型光学电流互感器所具有的优势及其研究现状，继而提出结合传统电学传感方法和光纤传输两者优点的有源型光电电流互感器是目前最为切实可行的新型电流传感器。（2）实现了普通线圈传感、A/D转换和信号光纤传输相结合的电流互感器方案。（3）提出并实现了基于特殊电流互感器的电网在线供能方案，对传感电路工作电源及电源电路作了理论和实验探讨。采用稳压电路，当特殊电流互感器获取能量随电网传输能量变化而相应变化时，仍能提供稳定的电压输出。获得了传感电路工作电源的优化设计，拓宽电流测量范围。（4）吸取光纤的高绝缘可靠性和传输高抗干扰的优点，传输信号选择为光信号，在低压侧转化为数字信号。对光路各部分的传输进行了简要分析，指出采用光信号传输，光纤的损耗特性对系统测量精度的影响可忽略不计。（5）低压侧接受装置参考高压侧的传输设置，采用脉冲同时计数，使得低压侧可以正确接受高压侧传送光信号的信息。综上所述，本论文研制的该种新型电流互感器所存在的测量频带窄和线性范围小的缺陷，结构集成化，具有体积小，重量轻，安全性好等优点，能兼容目前电力行业所使用的各种二次测量仪表和保护装置（包括模拟式常规仪表、只能电力仪表和微机保护装置）。总的电路图为参考文献1乔峨，安作平，罗承沐电式电流互感器的开发与应用21世纪互感器技术展望变压器，2000，（2）40432张德赛，罗道军，彭剑国内外光电式电流互感器研究现状四川电力技术，1999，（2）53553平绍勋，黄仁山光电式电流互感器的现状和发展高压电器，2001,37（3）43464孙振权，张文元电子式电流互感器研发现状与应用前景高压电器，2004，（5）3763785SASANOTLASERCTANDPDFOREHVPOWERTRANSMISSIONLINESELECTRICALENGINEERINGINJAPAN,1973,3591986CEASETW,JOHONSTONPAMAGNETOOPTICCURRENTTRANSDUCERIEEETRANSACTIONSONPOWERDELIVERY,1900,525485557王政平，康崇，张雪原有源型光学电流互感器研究进展。激光与光电子学进展20048王政平。全光纤光学电流互感器研究进展。激光与光电子学进展，2005（3）36409BB阿法纳西耶夫著陆安业，肖耀荣，朱永浩译电流互感器机械工业出版社，1989（1）29733110段乃欣，方志电力系统用光电电流互感器的发展华东电力2002,12515311刘发胜电流互感器的发展状况电器时代。2003，NO8848512罗苏南，叶妙元电子式互感器的研究进展江苏电机工程20035515413张军正，刘彬光纤高压电流传感头的设计仪器仪表与装置200215714段雄鹰，邹积岩，张可畏电压/电流组合型电子式互感器的研究电工技术杂志2002591215陈思。巴特沃斯低通滤波器的简化快速设计。信阳师范学院学报，1997,10（3）64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