高壓系統(tǒng)電流檢測新技術(shù)的研究及電路設(shè)計設(shè)計

1、<p>　　大連交通大學本科畢業(yè)論文</p><p>　　論文題目：高壓系統(tǒng)電流檢測新技術(shù)的研究及電路設(shè)計</p><p><b>　　作者：劉德華</b></p><p>　　指導教師：付萬安 教授 </p><p><b>　　單位：大連交通大學</b></p>

2、<p><b>　　論文提交日期：</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電流互感器是電力系統(tǒng)中用于繼電保護和電測量的重要設(shè)備，其精確度和可靠性對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行有著重要影響。光電式電流互感器和傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比有很多突出的優(yōu)點，必將得到廣泛的應(yīng)用。電子式電流互感器分為有源、無源

3、兩種類型，有源式電子電流互感器采用了先進的光電子技術(shù)和現(xiàn)代集成電子技術(shù)，發(fā)揮了高可靠、高精度、高穩(wěn)定等特點，是目前最具實用前景的研究方向之一。</p><p>　　在研究和分析了各種電流互感器的工作原理及優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本文采用了有源型結(jié)構(gòu)中ADC式光電電流互感器設(shè)計方案。完成從高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、高低壓間光纖數(shù)據(jù)通訊直至低壓側(cè)數(shù)據(jù)恢復的研究和設(shè)計。鑒于CPLD/FPGA具有高集成度、高速度和高可靠性的特點

4、，提出了高壓側(cè)以CPLD為控制核心、低壓側(cè)以FPGA為控制核心的整體設(shè)計方案，簡化了相應(yīng)硬件電路的設(shè)計過程，且有效率低了系統(tǒng)在強電磁干擾下測量產(chǎn)生錯誤的風險。本文詳細介紹了高壓側(cè)硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計，高壓側(cè)數(shù)據(jù)異步通訊電路在CPLD/FPGA中的實現(xiàn)，芯片的選擇以及各部分電路的設(shè)計實現(xiàn)與調(diào)試。最后對整個系統(tǒng)進行了軟件的仿真測試與硬件調(diào)試，驗證系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。</p><p>　　經(jīng)驗證該系統(tǒng)設(shè)計可以實現(xiàn)光電混合式電

5、流互感器高壓側(cè)單元和數(shù)據(jù)通訊的預定功能?？奢^好的滿足電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的高速度、高數(shù)據(jù)量、復雜運算等要求，并具有結(jié)構(gòu)簡單、方便修改的優(yōu)點，具有一定的研究價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電流互感器，CPLD/FPGA,數(shù)據(jù)異步通訊</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Electronic current

6、transformer is very important equipment for system protection and electrical measurement in electrical power system. Its accuracy and reliability have significant impact on safety, stability, and efficiency in power syst

7、em. A photoelectric hybrid current transformer has a lot of obvious advantages over a traditional electromagnetic current transformer. It will definitely find more and more applications. There are active and passive abo

8、ut electronic current transformer. The ac</p><p>　　On the basis of research and analysis principles of various current transformers, this paper eventually adopted the ADC active-type Optical Current Transfor

9、mer. It mainly completed data collection and processing of high voltage side, data communication between high and low voltage side and analog waveform restoration at low voltage side. CPLD/FPGA has character of high inte

10、gration density, high speed, and high reliability. According superiorities of these devices, this paper use CPLD as the CPU </p><p>　　The test results have proven that the proposed system designed can perfor

11、m the expected functionality of photoelectric current transformer at high voltage side and data communication between high and low voltage side. It can better meet the power system’s requirements in the high-speed data p

12、rocessing, large data quantity and complex operation. It also has merit of being simple in structure and easier for modification. It is worth for further investigation.</p><p><b>　　目錄</b></p&g

13、t;<p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p><b>　　第一章緒論</b></p><p>　　1.1課題的來源和意義</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展情況</p><p>

14、;　　1.3研究目標和研究目標</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>　　第二章光電電流互感器高壓側(cè)電路的研究</p><p>　　2.1光電電流互感器的基本原理</p><p><b>　　2.1.1有源型</b></p><p><b&

15、gt;　　2.1.2無源型</b></p><p><b>　　2.2整體設(shè)計方案</b></p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　第三章光電電流互感器供能方案的研究</p><p>　　3.1系統(tǒng)供能電源設(shè)計基本原理</p><p&g

16、t;　　3.2高壓側(cè)電源系統(tǒng)的基本性能指標</p><p>　　3.3目前可行的供能方案的分析</p><p>　　3.4雙電源供電方案</p><p><b>　　3.5本章小結(jié)</b></p><p>　　第四章高壓側(cè)傳感器部分的理論及設(shè)計</p><p><b>　　4.1傳統(tǒng)接頭

17、</b></p><p><b>　　4.2濾波器環(huán)節(jié)</b></p><p>　　4.3 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　第五章傳輸部分的理論分析和設(shè)計</p><p>　　5.1數(shù)據(jù)的電/光轉(zhuǎn)換、發(fā)送/接收及光纖連接器</p><p><b>　　5.2光纖選擇<

18、/b></p><p><b>　　5.3本章小結(jié)</b></p><p><b>　　結(jié)論和成果</b></p><p><b>　　6.1總電路圖</b></p><p><b>　　6.2仿真圖</b></p><p>

19、<b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　1.1課題的來源及意義</p><p>　　近年來，伴隨現(xiàn)代高壓、超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，電力系統(tǒng)正朝著大容量、高壓大電流方向發(fā)展，這就對電流測量裝置提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電流測量裝置主要采用帶有鐵心的電磁式電流互感器，它的優(yōu)點在于

20、一次繞組串聯(lián)在電路中，并且匝數(shù)很少，故一次繞組中的電流完全取決于被測電路中的負荷電流，而與二次電流大小無關(guān)；電磁式電流互感器的二次繞組所接儀表的電流線圈阻抗很小，正常情況下接近短路狀態(tài)運行，所以，一次側(cè)電流I1等于二次側(cè)的測量電流乘以額定互感比K1。額定互感比近似等于二次側(cè)和一次側(cè)之間的匝數(shù)比Kk。</p><p>　　但它有很多的致命缺點使得其不能滿足當代要求，隨著電壓等級的提高和傳輸容量的增大,電磁式電流互感

21、器呈現(xiàn)出以下缺點:1.絕緣結(jié)構(gòu)復雜、尺寸大、造價高。2.測量準確度無法滿足。3. 設(shè)備安裝、檢修不方便,維護工作量大。4. 存在潛在的危險，存在突然性爆炸及絕緣擊穿引起單相對地短路等系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。5. 除此以外,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器還具有鐵磁共振、磁滯效應(yīng)等不利于測量的因素。因而，其難以滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的要求，必須尋求基于其他傳感機理的電流測量裝置來取代之。</p><p>　　因此光纖式電流互感器應(yīng)運而生

22、，全光纖電流互感器的優(yōu)點在于其具絕緣無油，五SF6或其他氣體，腔內(nèi)無任何機械裝置。無二次開路的危險。無鐵芯剩磁的問題。成本低而且動態(tài)范圍大，可測交直流，無磁飽和，頻帶響應(yīng)寬，抗干擾能力強。但是隨著科技的發(fā)展，已不能滿足當代對精度的更高要求和體積減小等問題。所以這種互感器也終將退出歷史舞臺，從而迎接光電混合電流互感器的到來。光電混合是目前很有潛力的互感器，它的發(fā)展和完善是進來電流檢測新技術(shù)發(fā)展的杰出代表。它的優(yōu)點有：優(yōu)良的絕緣性能，造價低

23、。不含鐵芯，消除了磁飽和，鐵磁諧振等問題?？闺姶鸥蓴_性能好，穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運行的高可靠性。暫態(tài)響應(yīng)范圍大，測量精度高。頻率響應(yīng)范圍寬。沒有因充油而產(chǎn)生的易燃爆炸等危險。體積小，重量輕。適應(yīng)了電力計量與保護數(shù)字化，微機化和自動化發(fā)展的潮流。</p><p>　　電流檢測新技術(shù)這個課題是基于電流檢測老技術(shù)基礎(chǔ)上的。時代的發(fā)展和對檢測技術(shù)的新要求讓電流檢測新技術(shù)這個課題變得越來越重要，亟待我們的研究和設(shè)計。光電式

24、和光電混合式等的檢測新技術(shù)的出現(xiàn)可以滿足當前需要，但是新技術(shù)發(fā)展和進步需要我們不斷的研究和設(shè)計。尤其是光電混合式電流互感器具有更加安全可靠的性能，能給我家經(jīng)濟和利益帶來極大的好處。研究和設(shè)計新型的光電混合電流互感器符合國家發(fā)展戰(zhàn)略，使這種新技術(shù)真正的造福國家和廣大人民。因此電流檢測新技術(shù)這個課題的研究和設(shè)計有關(guān)國民經(jīng)濟和生活水平，具有很長遠的國際戰(zhàn)略等意義。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展狀況</p&

25、gt;<p>　　國外利用Faraday磁光效應(yīng)進行電流測量的工作于六十年代起步，到七十年代初涌現(xiàn)出了多種新型電流互感器，并在八十年代末九十年代的時候進行了實際應(yīng)用。美國、日本、法國和前蘇聯(lián)等國先后研制出多種光電電≥電互感器樣機，并在實際高壓電站長期運行。國外A B B、AI—stom 、Nxt Phase、Si em ens等公司已經(jīng)開發(fā)出一系列光電電流互感器產(chǎn)品并在世界各地掛網(wǎng)運行。日本除研究500kV．1000kV

26、高壓電網(wǎng)計量用的光電電流互感器外，還進行500kV 以下的直到6．6kV 電壓等級的零序電流互感器的研究。1994年A 8B 公司推出有源式電流互感器，其電壓等級為72．5—765kV ，額定電流為600—6000A ；3M 公司在1 9％年宣布已開發(fā)出用于1 38kV電壓等級的全光纖型電流互感器，可用于SOOkV 電壓等級；Photoni es公司推出了一種用光推動的光電式電流互感器，即”光電混合式電流互感器”，他們曾于1 995年至

27、1 997年期間在美國、英國、瑞典的超高壓電網(wǎng)上試運行。法國ALSTOM 公司主要研究無源電子式電流互感器，目前已經(jīng)研制出了1 23kV 一756kv的</p><p>　　在國內(nèi)，直到上個世紀60年代初期，互感器的生產(chǎn)才逐步專業(yè)化，開始形成全國互感器行業(yè)。基于光學原理的電子式互感器研究己經(jīng)展開并取得了一些理論上的成果，但還沒有在實際電力系統(tǒng)長期運行的光電互感器問世。我國光電電流互感器的研究始于七十年代，以1 9

28、82年在上海召開的“激光工業(yè)應(yīng)用座談會“為起步，主要研究單位有電子部26所和34所、清華大學、電力科學研究院、陜西電力局中心試驗所j上?；ジ衅鲝S、北方交通大學、華中科技大學、湖南大學等都在光電式電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，但是其中大部分僅限于實驗室探索階段。其中，清華大學和電力部電科院共同承擔的國家“七五”攻關(guān)項目，研究出了”0kV 光電電流互感器樣機，但未長期掛網(wǎng)運行。2001年，華中科技大學與廣東某公

29、司合作研制的”O(jiān) kV 光電電流互感器在梅州掛網(wǎng)試運行。2002年，清華大學研制的1 10kV OEC T樣機在山東掛網(wǎng)試運行。目前國內(nèi)的光電電流互感器有以下三個特點：</p><p>　　光電電流互感器研究將在理論、實驗和實用三個方面更緊密地結(jié)合。</p><p>　　數(shù)字化、智能化是光電電流互感器發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　光電電流互感器的發(fā)展將促進磁

30、、光、電材料的進—步開發(fā)。</p><p>　　國際電工委員會關(guān)于電子式電流互感器標準的出臺，以及我國已經(jīng)醞釀起草的電子式電流互感器國家標準，預示著電子式電流互感器的產(chǎn)品化應(yīng)用己經(jīng)初步具備了行業(yè)規(guī)范，為電子式電流互感器的市場化提供了基礎(chǔ)平臺。經(jīng)過門年的電網(wǎng)改造，電網(wǎng)的綜合自動化水平得到了很大的提高，對相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)保護提出了更快速的要求。隨著電網(wǎng)的擴大，輸電線路越來越長，傳統(tǒng)的電流互感器己經(jīng)無法滿足距離保護的瞬態(tài)

31、特性要求，預計在未來5～10年中，電子式電流互感器會在各種電壓等級的電網(wǎng)中大量安裝和使用。隨著光電子學的發(fā)展和成熟，國內(nèi)外很多大學和科研| 初構(gòu)不斷投^精力和物力研究光電式電流互感器。發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)取得了很大進步，預計再過十幾年，光電式電流互感器將全面走向工業(yè)化。由于光電式電流互感器和傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比有很多突出的優(yōu)點，未來光電式電流互感器將會被廣泛的使用。 </p><p>　　1.3本課題的

32、研究目標、研究內(nèi)容</p><p>　　目標：隨著高壓輸電電壓等級的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器的體積也不斷增大，對絕緣的要求也越來越高，導致傳統(tǒng)電磁式電流互感器非常的笨重建造成本高，不能滿足日益提高的電壓的要求。選擇設(shè)計一種電流互感器，解決傳統(tǒng)電流互感器的體積和電流大小的問題。</p><p>　　內(nèi)容：一種新型的電流互感器的想法油然而生，它的體積不隨電壓等級的提高而增大,只要讓二次側(cè)與

33、地面絕緣就可以了，為此可以使用光纖作為信號傳輸介質(zhì)，傳感頭采用電磁式互感線圈從輸電線感應(yīng)出電流，在對電流信號進行處理，包括濾波、邏輯變換、AD轉(zhuǎn)換、功率放大。把電信號轉(zhuǎn)換成光脈沖后，經(jīng)由光纖傳輸?shù)较路降孛娴慕邮掌魈幚聿⒆x取數(shù)值。此外，還需要另一個換線圈來提供電路部分的電源。</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>　　隨著光電子技術(shù)的迅速發(fā)

34、展，許多科技發(fā)達國家已經(jīng)把目光轉(zhuǎn)向利用光學傳感技術(shù)和電子學方法來發(fā)展新型的電子式電流互感器，簡稱光電電流互感器。光電電流互感的特點和工作原理能夠很好的滿足我國當前和未來的電力系統(tǒng)電流檢測的需要，是電流檢測新技術(shù)中發(fā)展前景特別好的一個方向。</p><p>　　由于光電式電流互感器和電磁式電流互感器相比有很多突出的有點，預計未來的50年中，光電式電流互感器會在各種電壓等級的電網(wǎng)中大量安裝和使用。除此之外，光電式電流

35、互感器還可以用于一些其他場合，比如便攜式電流互感器、高頻電流測量、沖擊大電流測量等。所以本文選取光電混合式電流互感器作為研究和設(shè)計對象，選擇合適的方式和設(shè)計來實現(xiàn)對高壓電力系統(tǒng)中電流的檢測。</p><p>　　第二章光電電流互感器高壓側(cè)電路的研究</p><p>　　2.1光線電流互感器的基本原理</p><p>　　光纖電流互感器從傳感頭有無電源供電可分為無源O

36、CT和有源OCT兩大類。目前研究最具代表性的主要全光式光電電流互感器（MOCT）有源型光電電流互感器（HOCT）.</p><p><b>　　2.1.1有源型</b></p><p>　　有源型又可稱為混合型（簡稱為HOCT）。所謂有源型光電電流互感器乃是高壓側(cè)電流信號通過采樣傳感頭，將電信號傳遞給發(fā)光元件而變成光信號，再由光纖傳遞電壓側(cè)進行光電轉(zhuǎn)換變成電信號輸出。

37、有源型光電電流互感器的方框圖如圖2-1所示。</p><p>　　有源型光電電流互感器可以分為兩種：壓頻轉(zhuǎn)換式和A/D轉(zhuǎn)換式。</p><p>　?。?）壓頻轉(zhuǎn)換式光電電流互感器結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示：</p><p>　　采樣線圈將流過母線的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過壓頻轉(zhuǎn)換電路，即V/F轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換后電壓的變化將轉(zhuǎn)換為脈沖頻率的變化。電脈沖信號經(jīng)過電光

38、變換器件（E/O變換）后，變?yōu)楣庑盘枺?jīng)過光纖傳到低壓端，低壓端的光電轉(zhuǎn)換器件（O/E轉(zhuǎn)換）將光信號還原成電信號，再經(jīng)過頻壓轉(zhuǎn)換電路即F/V轉(zhuǎn)換部分通過信號處理單元最后進行顯示。</p><p>　　壓頻式光纖電流互感器的主要優(yōu)點是：</p><p><b>　　（1）結(jié)構(gòu)簡單</b></p><p>　?。?）精確度抗干擾性能比較高</

39、p><p>　?。?）比較適合信號源距離傳輸</p><p>　　采用壓頻變換的方法可以減少低壓端和高壓端之間連接光線的數(shù)量。目前的集成V/F和F/V變換電路，比如Analog Device公司的ADVFC32芯片能夠通過引腳連接方式不同實現(xiàn)V/F變換或者用于F/V變換，精確度也不錯（再10KHz的條件下最大的誤差為0.01%）。但是該芯片正常工作功耗比較大（25mA左右），這將需要更大的功率

40、來支持高壓側(cè)電子線路的工作，勢必帶來高壓側(cè)電源設(shè)計的復雜性，同時使整個系統(tǒng)的起始工作的最小電力母線電流變大，減小了系統(tǒng)的測量范圍。</p><p>　?。?）A/D轉(zhuǎn)換式光電電流互感器</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換式光電電流互感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示：</p><p>　　整個系統(tǒng)分為高壓子系統(tǒng)和低壓子系統(tǒng)兩個部分。兩個系統(tǒng)用光纖連接起來，高壓子系統(tǒng)包括傳統(tǒng)線

41、圈、積分電路、高壓端供電電源、A/D轉(zhuǎn)換器、時序協(xié)調(diào)電路和E/O、O/E轉(zhuǎn)換器。低壓子系統(tǒng)包括O/E、E/O轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器時序發(fā)生電路和信號處理電路。</p><p>　　在高壓子系統(tǒng)中才用傳統(tǒng)線圈取得電流信號送入電子轉(zhuǎn)換電路中，電子轉(zhuǎn)換電路將這一正弦電流信號調(diào)制為數(shù)字脈沖信號，再驅(qū)動發(fā)光元件轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖光信號就被傳送到地面監(jiān)控室中。在低壓子系統(tǒng)將接受到的光信號反變換成電信號，經(jīng)過放大送入儀器儀表

42、。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換式光電電流互感器的主要優(yōu)點是：</p><p>　?。?）目前A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度很高，可以通過尋用合適的A/D轉(zhuǎn)換器來滿足系統(tǒng)對精確度的要求。</p><p>　　（2）高壓部分的功耗較小</p><p>　?。?）低壓端具有模擬信號和數(shù)字信號兩種輸出，與光通信系統(tǒng)兼容，給未來的電力通信帶來良機。

43、</p><p>　　有源型光電電流互感器優(yōu)點是長期穩(wěn)定性好，在現(xiàn)代電子器件可靠行高、性能穩(wěn)定的條件下易于實現(xiàn)精度高、輸出大的實用型產(chǎn)品。</p><p>　　有源型光電電流互感器的技術(shù)難點是：</p><p>　　傳感頭去信號繞組的制作。</p><p><b>　　積分器的設(shè)計。</b></p><

44、;p><b>　　供電電源的設(shè)計。</b></p><p><b>　　2.1.2無源型</b></p><p>　　所謂無源型光電電流互感器乃是傳感頭部分不需要供電電源，傳感頭一般基于法拉第效應(yīng)原理，即磁滯光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，當一束線偏振光通過放置在磁場中的法拉第旋光材料后，若磁場方向與光的傳播方向平行，則出射線偏振光的偏振平面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，即電流

45、信號產(chǎn)生的磁場信號對偏振光波進行調(diào)制。無源型光電電流傳感器系統(tǒng)框圖如圖2-4所示：</p><p>　　無源型結(jié)構(gòu)今年來比較盛行。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，且完全消除了傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)元件無磁飽和問題，充分發(fā)揮了光電互感器的特點，尤其是在高壓側(cè)不需要電源器件使高壓側(cè)設(shè)計簡單化，互感器運行壽命有保證。其缺點是光學器件制造難度大，測量的高精度不容易達到，尤其是此種電流互感器受費爾德（Verdet）常數(shù)和線性雙折射影響嚴重，而且

46、前尚沒有更好的方法能解決Verdet常數(shù)隨溫度變化和系統(tǒng)的線性雙折射問題，所以很難實現(xiàn)高精度測量。</p><p>　　全光纖型光電電流互感器實際上也是無源型的，只是傳感頭即是光纖本身（而無源型光電電流互感器的傳感頭一般是磁光晶體，不同于全光纖型的傳感器是特殊繞制的光纖傳感頭），其余與無源型完全一樣。其系統(tǒng)框圖如圖2-5所示：</p><p>　　全光纖型光電電流互感器的優(yōu)點是傳感頭結(jié)構(gòu)最

47、簡單，比無源的容易制造，精度和壽命與可靠性比無源型要高。但是光纖技術(shù)現(xiàn)在還沒有達到用于互感器環(huán)境的要求，傳感光纖對環(huán)境具有十分敏感的線性雙折射現(xiàn)象，影響測量精度及穩(wěn)定性。雖然有的提出了校正時的數(shù)值。此后采用一種螺旋型光纖結(jié)構(gòu)顯著地降低了光纖雙折射，但是此螺旋光纖會逐漸變質(zhì)難以長期使用。另外光纖材料的費爾德常數(shù)不夠大且隨溫度變化較大，也影響測量的準確性。在實現(xiàn)掛網(wǎng)過程中還存在長期穩(wěn)定性的問題，因此在實際掛網(wǎng)之前需要更深入的研究。</

48、p><p><b>　　2.2整體設(shè)計方案</b></p><p>　　綜合2.1節(jié)，因為有源型光電電流互感器的制作難點在電子學上易于克服，而無源型光電電流互感器的雙折射現(xiàn)象及費爾德常數(shù)問題目前還沒有找到解決的途徑，因此本文決定采用有源型光電電流互感器作為本文設(shè)計的目標。</p><p>　　有源型光電電流互感器中，基于V/F變換的電流互感器需要非

49、常大的電源來驅(qū)動V/F變換，而目前所設(shè)計的電源很難達到要求，因此本文決定采用A/D轉(zhuǎn)換式光電電流互感器。</p><p>　　高壓側(cè)電路主要有傳統(tǒng)線圈、過濾器、A/D轉(zhuǎn)換等，在互感器低壓側(cè)，靈活的電路設(shè)計，除了從光數(shù)字信號中恢復出數(shù)字電流信號外，還可以通過數(shù)字信號電路的處理，便于與微機保護裝置、計算機測量和控制裝置及其它數(shù)字儀表進行通信和電流數(shù)字信號的傳送，也可以輸出模擬電流信號，以便與傳統(tǒng)的儀器儀表對接，利用數(shù)

50、字信號處理電路還可以組成光電式電壓和電流的復合式互感器，以及將保護和控制集成在一起，也有利于向智能化互感器方向發(fā)展。</p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章系統(tǒng)而簡明的介紹了光電電流互感器的概念和分類，并給出了本文設(shè)計的總方案。</p><p>　　第三章光電電流互感器供能方案的研究</p>

51、<p>　　3.1系統(tǒng)供能電源設(shè)計基本原理</p><p>　　供能電源是電子電路工作的基本保障。隨著電子電路日趨集成化和節(jié)能化，電源技術(shù)也在不斷地發(fā)展。實際上，電源電路的設(shè)計已經(jīng)成為電路設(shè)計中關(guān)鍵的一環(huán)。電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)的多學科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目

52、前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術(shù)學科。它對現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機、工業(yè)自動化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵的作用。</p><p>　　3.2高壓側(cè)電源系統(tǒng)的基本性能指標</p><p>　　安全、穩(wěn)定、可靠地運行是電子式電流互感器應(yīng)該達到的基本要求，同時，這也是對電子式電流互感器高壓側(cè)電源系統(tǒng)的最基本要求，因為電源使正常

53、工作的必要條件。除了這些要求外，電子式電流互感器高壓側(cè)的電源系統(tǒng)還應(yīng)具備以下性能指標：</p><p><b>　　一定的輸出功率</b></p><p><b>　　較短的啟動時間</b></p><p>　　較小的啟動電流或電壓</p><p>　　輸出電壓質(zhì)量好和自身功耗低</p>

54、<p>　　極端情況下的防護能力</p><p>　　3.3目前可行的供能方案的分析</p><p>　　目前可行的供能方案主要有母線電流取能供電、電容電流取能供電、激光供電、太陽能供電、蓄電池供電等。</p><p>　　3.3.1母線電流取能供電</p><p>　　母線電流取能供電是利用電磁感應(yīng)原理，由普通鐵磁式互感器從高

55、壓母線上感應(yīng)得到交流電電能，然后經(jīng)過整流濾波、穩(wěn)壓后為高壓側(cè)電路供電。其供電的能量來自高壓母線電流，取能是通過一個套在母線上的磁感應(yīng)線圈來完成的，母線環(huán)周圍存在磁場，通過磁場來獲取能量。</p><p>　　此功能方式體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣封裝簡單、使用安全；供電比較可靠、成本低。設(shè)計難點在于電力系統(tǒng)負荷變化很大，母線電流隨之變化很大，母線短路瞬時電流可超過十倍額定電流，因此磁感應(yīng)線圈必須同時兼顧最小、最大兩種極

56、限條件，設(shè)計一是要盡量降低死區(qū)電流，保證在電力系統(tǒng)電流很小時能夠提供足以驅(qū)動處于高壓側(cè)電子電路的功率，二是當系統(tǒng)出現(xiàn)短路大電流時，能吸收多余的能量，給電子線路一個穩(wěn)定的電源，其本身也不會因過電壓而損壞。</p><p>　　3.3.2電容電流取能供電</p><p>　　由于系統(tǒng)電壓在系統(tǒng)運行過程中的變化范圍較母線電流要小得多，所以對高壓側(cè)電源的設(shè)計可以考慮通過高壓母線環(huán)周圍存在的電場來取

57、能。于是出現(xiàn)了利用電容分壓器從母線取能供電，這種供電方式與母線電流供電類似，其原理是在高壓母線與地之間連接高壓電容分壓器從高壓母線上取得經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓以后，向高壓側(cè)電路供電。</p><p>　　由于一次電壓相對電流來說比較穩(wěn)定，此方案的電源輸出也是比較穩(wěn)定的，但是設(shè)計該方法面臨著比母線電流供電更大的困難，首先是如何保證取能電路和后續(xù)工作電路之間的電氣隔離問題。這要求嚴格的過電壓防護和電磁兼容設(shè)計；其次就是

58、這種方法有著更多的誤差來源。溫度、雜散電容等多種因素都將影響該方法的性能。因此獲取電源的穩(wěn)定性和可靠性較母線性取能供電電能方法差；另外就是采用這種方法得到的功率有限，雖然可以通過改變電容C的大小來調(diào)整功率輸出，但過大的電容將會帶來更多的問題。</p><p><b>　　3.3.3激光功能</b></p><p>　　激光功能主要是能采用激光或其它光源從低電位側(cè)通過光

59、纖將光能量傳送到高電位側(cè)，再由光電轉(zhuǎn)換器件將光能量轉(zhuǎn)換為點能量，經(jīng)過DC-DC變換后提供穩(wěn)定的電源輸出。其突出優(yōu)點是能量以光形式通過光纖傳輸?shù)礁邏簜?cè)，完全實現(xiàn)高、低壓間電的隔離，不受電磁干擾的影響，穩(wěn)定可靠，不受電網(wǎng)波動的影響，噪聲小，可長期安全、可靠地供電，同時有利于電力系統(tǒng)向光纖化、數(shù)字化的方向發(fā)展。但其設(shè)計存在各種設(shè)計難點，如必須采取措施對溫度進行自動控制，受激光輸出功率的限制，其中的二極管的工作壽命有限等等。</p>

60、<p>　　3.3.4蓄電池供電</p><p>　　該方法采用蓄電池對高壓側(cè)的電子線路進行供電，電池的能量來自高壓母線電流，接在母線上的經(jīng)過特殊設(shè)計的電流互感器或電容分壓器構(gòu)成蓄電池的交流充電電源，經(jīng)過穩(wěn)壓和整流后對電池進行充電。采用這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)起來比較容易，但是蓄電池的壽命較短，而且由于放在高壓側(cè)，更換起來比較困難，因此在實際應(yīng)用當中很少被采用。一般情況下，該供能方式都被用作輔

61、助式電源。</p><p>　　3.4雙電源供電方案的提出</p><p>　　綜上所述，通過對幾種供電方案的分析和研究，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的安全、可靠性、可行性、成本出發(fā)，采用母線取能供電方式比較實際，針對母線電流可能為靈時由電流互感器組成的電流源不工作。本文采用電流源和電壓源構(gòu)成的一個組合，即使電流為零，電壓源也仍能供電。</p><p><b>　　3.5本

62、章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要論述了系統(tǒng)供能電源的基本原理和設(shè)計指標，并分析比較了各種可行的電子式電流互感器供能方案，進行了研討，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進的供電方案-雙電源式供電方案。</p><p>　　第四章高壓側(cè)傳感器部分的理論及設(shè)計</p><p><b>　　4.1傳統(tǒng)接頭</b></p>&l

63、t;p>　　電流測量裝置是通過電流傳感元件進行取樣的，這是光電式電流互感器的關(guān)鍵性元件。載流母線上的被測電流小到幾十或幾百安，大到幾千或幾十遷安，這樣的大電流必須經(jīng)過取樣，并把它變換成低的電壓信號才能輸入到發(fā)送端的電子電路。</p><p>　　用電流互感器作為電流互感元件是一個良好的方案。這里用的電流互感器是電磁感應(yīng)式的微型高精度電流互感器，只是他的初級和次級繞組之間不必有特別高的絕緣要求；微型CT的二次

64、側(cè)輸出是一個小的交流電壓信號。這種不必考慮高壓絕緣問題的電流互感器容易做到相當高的測量精度，同時提及可以做得相當小。</p><p><b>　　4.2濾波器環(huán)節(jié)</b></p><p>　　濾波器的主要作用就是提高測量通道的輸入信號的測量精度，濾除各種干擾噪聲的影響。本文將采用巴特沃斯二階低通濾波電路。低通濾波器可以濾除測量信號中二階及其二次以上的諧波成分，一階低通

65、濾波器飛衰減率是20dB/十倍頻，但是其濾波效果不是很理想。而二階低通濾波器的衰減率是40dB/十倍頻，濾波效果可以令人滿意。</p><p>　　眾所周知，理想濾波電路的頻率響應(yīng)在銅帶范圍內(nèi)應(yīng)該具有最大的線性移位和幅值，但是在其阻帶范圍內(nèi)其幅值是零。實際的濾波電路與理想的濾波電路有一定的差距，這是無法避免的。如果要同時滿足幅頻和相頻響應(yīng)兩方面的要求就更難了。因此，要根據(jù)不同的實際需要，來尋找最佳的近似理想的濾波

66、電路。例如，主要考慮幅頻響應(yīng)，而不考慮相頻響應(yīng)；也可反之；</p><p>　　設(shè)計濾波電路時要考慮到許多因素，例如：頻率限制、尺寸方面、調(diào)整的難易、制造的經(jīng)濟性與難易等因素。本文采用巴特沃斯二階低通濾波電路，電路如圖所示。其中R1=R2=R,C1=C2=C.濾波電路的幅頻響應(yīng)的要求是：當頻率w小于截止頻率wc時，幅度的響應(yīng)最平，但是當w>wc后，幅頻響應(yīng)快速下降，當w趨向于無窮大時，幅頻響應(yīng)的曲線幾乎與橫

67、坐標軸是一條線，可以有效的濾波干擾信號。</p><p>　　該巴特沃斯二階低通濾波電路的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　其中，通帶電壓增益為：</p><p><b>　　特征角頻率為：</b></p><p><b>　　等效品質(zhì)因數(shù)：</b></p><p>　　相應(yīng)

68、的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)表達式分別是：</p><p>　　圖3-10中的巴特沃斯二階低通濾波電路的截止頻率是100Hz，對低頻信號可以進行有效的傳輸，對高頻信號起到明顯的衰減作用。若需要沒有增益的信號，運算放大器就是一個電壓跟隨器。高壓母線電流中頻率為50Hz的基波經(jīng)過濾波電路后會有一定的相位偏移和幅值增益。因此，在設(shè)計移相電路時，必須要考慮這一因素。</p><p>　　圖3-11是用Pr

69、oteus仿真軟件對濾波電路進行仿真，通過信號發(fā)生器可以得到輸入與輸出波形。其輸入頻率為50Hz，幅值為2V的正弦電壓信號，另外再加入一個干擾信號，其輸入頻率為10KHz，幅值為200mV的正弦電壓信號，然后通過示波器觀察輸入和輸出的波形。圖3-11仿真顯示出，次濾波器電路符合設(shè)計的要求。</p><p>　　4.3 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　電子式電流互感器高壓端的待測信號是正比

70、于高壓輸電線中50Hz電流的模擬電壓信號。由于系統(tǒng)的高壓端和低壓端是通過光纖進行連接的，因此應(yīng)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量才更適合用光纖來傳輸。必然要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器，以及驅(qū)動它工作的時序電路。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換電路是整個傳感部分的核心，由于電子式電流互感器傳感頭的特殊要求，A/D轉(zhuǎn)化芯片應(yīng)該具有以下基本特征：</p><p><b>　?。?）功耗小；&l

71、t;/b></p><p>　?。?）采樣頻率足夠高；</p><p>　　（3）串行A/D芯片；</p><p>　?。?）電壓輸入范圍應(yīng)為雙極性；</p><p>　?。?）為了保證系統(tǒng)的分辨力，應(yīng)采用高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換芯片。</p><p>　　在便攜式儀器設(shè)備中，往往要求其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅具有速度快、精度

72、高的特點，而且還要求其具有供電電壓低、體積小以及功耗小等特性。ADS8320是 Burr-Brown公司生產(chǎn)的逐次逼近式串行16位微功耗CMOS型高速A/D轉(zhuǎn)換器，它的線性度為±0.05%，工作電源在2.7V～5.25V范圍內(nèi)，采樣頻率最高可達100kHz；在2.7V供電和100kHz采樣速率下，其功耗僅為1.8mW，而在10kHz低速采樣時的功耗僅為0.3mW；在非轉(zhuǎn)換狀態(tài)時可處于關(guān)閉模式，此時功耗可低至100μW；ADS8

73、320具有同步串行SPI/SSI接口，因而占用微處理器的端口較少；其差動輸入信號范圍為500mV～VCC(工作電源)；采用8引腳MSOP小體積封裝。以上特點使ADS8320非常適用于便攜式電池供電系統(tǒng)中。</p><p>　　1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列</p><p>　　ADS8320的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由采樣/保持放大器、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、移位寄存器、控制邏輯電路、串行接口電路等組

74、成。其管腳排列如圖2所示。各引腳的功能如下：</p><p>　　●VREF為外接參考電壓輸入端；</p><p>　　●+IN、-IN為外接差動模擬信號輸入端；</p><p>　　●+Vcc、GND為供電電源接入端；</p><p>　　●CS/SHDN為片選/關(guān)斷控制端；</p><p>　　●DCLOCK為時鐘

75、輸入端；</p><p>　　●DOUT為A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果串行輸出端</p><p><b>　　2 工作時序</b></p><p>　　ADS8320與微處理器或其它數(shù)字系統(tǒng)采用同步3線串行接口進行通信，其工作時序如圖3所示。</p><p>　　當CS/SHDN 端從高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛兀r，芯片的整個轉(zhuǎn)換

76、和數(shù)據(jù)傳輸過程被初始化，DCLOCK端的最初4.5～5個時鐘脈沖用于對輸入模擬信號的采樣，此時 DOUT端處于高阻態(tài)；在隨后的DCLOCK下降沿，DOUT端將輸出一個可持續(xù)一個脈沖周期的低電平信號，以作為將要輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的標志；緊接著在16個DCLOCK的控制下，從最高位（MSB）到最低位（LSB）依次由DOUT輸出16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。</p><p>　　DCLOCK信號的下降沿可用來控制A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果在DO

77、UT端的同步傳輸，大多數(shù)接收系統(tǒng)對DOUT端轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字位流的采集在DCLOCK的上升沿進行。</p><p>　　當16 位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳輸結(jié)束后，若CS/SHDN端仍為低電平且DCLOCK端有控制脈沖，那么在DOUT端繼續(xù)輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，但此時是由最低位（LSB）到最高位（MSB）依次輸出，直到當最高位輸出出現(xiàn)重復使DOUT端變成高阻態(tài)為止。即一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最多輸出兩次，一次從高位到低位，一次從低位到高位。一般情況下

78、，當16位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出完畢后，置位或去掉DCLOCK脈沖，可使結(jié)果僅輸出一次。</p><p>　　當CS/SHDN端接高電平（下降沿）時，ADS8320在關(guān)斷模式下低功耗工作，只有當CS/SHDN端從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片方可重新初始化而進行另一次A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　第五章傳輸部分的理論分析和設(shè)計</p><p>　　為了更好的解決高壓側(cè)的絕緣問題

79、，本系統(tǒng)設(shè)計采用光纖作為傳輸介質(zhì)將A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號送到低壓側(cè)盡心數(shù)據(jù)處理和模擬波形的恢復。傳統(tǒng)互感器體積和重量都比較大，利用光纖良好的抗干擾、電絕緣等優(yōu)點可以從根本上解決這些缺點，電壓等級越高，越能體現(xiàn)出采用光纖的優(yōu)點。光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)是由光纖連接器、光導纖維及其連接部件構(gòu)成的。</p><p>　　5.1數(shù)據(jù)的電/光轉(zhuǎn)換、發(fā)送/接收及光纖連接器</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字

80、信號，要通過光纖送到低壓側(cè)，所以首先要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，所以要用到電光轉(zhuǎn)換器。選擇光源時我們要考慮一下幾點：1光源的輻射強度足夠大，光源波長與所用光纖的低損耗波長相吻合；2光源與光纖必須匹配以獲得最好的耦合效率；3光源穩(wěn)定性要高以適應(yīng)長期野外惡劣的環(huán)境中工作。</p><p>　　比較目前常用的兩種固體光源有激光二極管LD和發(fā)光二極管LED。激光二極管容易受溫度影響，功耗大、造價高、壽命短。LED發(fā)光二極

81、管受溫度影響較小，功耗低、造價低、壽命長，不用光反饋裝置和溫度控制。驅(qū)動電路簡單，可以在很低的驅(qū)動電流下工作，非常適合本設(shè)計對低功耗要求。</p><p><b>　　5.2光纖選擇</b></p><p>　　高壓側(cè)采樣的數(shù)字信號可以通過無線電波和超聲波等方法傳送到低壓側(cè)，但是這些方法抗干擾能力較差。因此本設(shè)計采用光纖來傳輸高低壓間數(shù)字信號。采用光纖傳輸測得的數(shù)字信

82、號可以實現(xiàn)高低壓間的電器隔離，降低電磁干擾影響。</p><p>　　用光纖傳送數(shù)字信號有很強的抗共模干擾及抗電磁干擾能力，能很好的實現(xiàn)高低壓間的電器隔離，傳輸精度高、影響時間短，傳輸過程中損耗較小。</p><p><b>　　5.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡要介紹了高壓側(cè)數(shù)字信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)的實現(xiàn)過程，以及光源和光

83、纖的選擇。</p><p><b>　　第六章結(jié)論和成果</b></p><p>　　作為一種新型測量手段，光學電流傳感器具有與常規(guī)電流互感器不同的傳感原理與信息傳輸方式，它顯示了傳統(tǒng)測量手段所不可企及的優(yōu)越性。今天，雖然純光學的電流傳感器達到實用的的條件尚不成熟，但是結(jié)合電學傳感方法與光學電流傳感器兩者優(yōu)點的光電混合式電流互感器卻有實現(xiàn)的可能。本論文正是在這方面做出

84、了嘗試。實現(xiàn)了該種電流互感器的設(shè)計。其主要貢獻及創(chuàng)新可概括為：</p><p>　?。?）在對現(xiàn)有常規(guī)電流互感器的理論模型和響應(yīng)特性進行分析的基礎(chǔ)上，指出了其存在的原理缺陷；全面評述新型光學電流互感器所具有的優(yōu)勢及其研究現(xiàn)狀，繼而提出結(jié)合傳統(tǒng)電學傳感方法和光纖傳輸兩者優(yōu)點的有源型光電電流互感器是目前最為切實可行的新型電流傳感器。</p><p>　?。?）實現(xiàn)了普通線圈傳感、A/D轉(zhuǎn)換和信

85、號光纖傳輸相結(jié)合的電流互感器方案。</p><p>　　（3）提出并實現(xiàn)了基于特殊電流互感器的電網(wǎng)在線供能方案，對傳感電路工作電源及電源電路作了理論和實驗探討。采用穩(wěn)壓電路，當特殊電流互感器獲取能量隨電網(wǎng)傳輸能量變化而相應(yīng)變化時，仍能提供穩(wěn)定的電壓輸出。獲得了傳感電路工作電源的優(yōu)化設(shè)計，拓寬電流測量范圍。</p><p>　　（4）吸取光纖的高絕緣可靠性和傳輸高抗干擾的優(yōu)點，傳輸信號選擇為

86、光信號，在低壓側(cè)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。對光路各部分的傳輸進行了簡要分析，指出采用光信號傳輸，光纖的損耗特性對系統(tǒng)測量精度的影響可忽略不計。</p><p>　?。?）低壓側(cè)接受裝置參考高壓側(cè)的傳輸設(shè)置，采用脈沖同時計數(shù)，使得低壓側(cè)可以正確接受高壓側(cè)傳送光信號的信息。</p><p>　　綜上所述，本論文研制的該種新型電流互感器所存在的測量頻帶窄和線性范圍小的缺陷，結(jié)構(gòu)集成化，具有體積小，重量輕，

87、安全性好等優(yōu)點，能兼容目前電力行業(yè)所使用的各種二次測量儀表和保護裝置（包括模擬式常規(guī)儀表、只能電力儀表和微機保護裝置）。</p><p><b>　　總的電路圖為</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]喬峨，安作平，羅承沐.電式電流互感器的開發(fā)與應(yīng)用-21世紀互感器技術(shù)展望.變壓器

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93、波器的簡化快速設(shè)計。信陽師范學院學報，1997,10（3）:64-67.</p><p>　　[16]阿瑟。B威廉斯.電子濾波器設(shè)計手冊。喻春軒。北京：電子工業(yè)出版社，1986:234-236.</p><p>　　[17]趙永磊.光電式電流互感器及其通信方案的研究.[碩士論文]秦皇島：燕山大學.2004</p><p><b>　　[18]</b&

94、gt;</p><p><b>　　[19]</b></p><p><b>　　[20]</b></p><p><b>　　[21]</b></p><p><b>　　[22]</b></p><p><b>　　致

95、謝</b></p><p>　　本課題是在導師付萬安教授的關(guān)切關(guān)懷和精心指導下完成的。在本課題的研究過程中，導師在學習與生活中給予了我熱情的關(guān)懷與幫助。付老師淵博的知識，縝密活躍的思維，敏銳的洞察力，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及民主的作風給我留下了深刻的印象，使我開闊了視野，豐富了學識，并使我在人生觀和世界觀的培養(yǎng)上受到啟迪，受益終生。付老師嚴于律己，寬以待人的胸懷和修養(yǎng)是我學習的楷模。</p>

96、<p>　　值此論文完成之際，對付老師曾經(jīng)給予的指導、關(guān)懷和幫助致以最誠摯的謝意！</p><p>　　感謝劉思華老師，對我選擇導師上的幫助與指導！</p><p>　　施恩厚重，學生將銘記于心！</p><p>　　感謝同組同學的熱情指導和幫助！</p><p>　　最后，向在學習工作生活中給予過自己關(guān)心、支持和鼓勵的所有老師、同