（农业电气化与自动化专业论文）电子式互感器数字通讯研究与实用化设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 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 感器暴露出严重的缺点，已很难适应电力系统的发展，电子式互感器替代传统的 电磁式互感器是必然的趋势。 电子式互感器与传统互感器的输出形式有很大的不同，如何选择和设计变电 站过程层与间隔层保护、测量二次设备之间的通讯接口等成为亟待解决的关键问 题。此外，在电子式互感器的应用研究中，高压侧的电源问题也是核心技术问题 之一。 本文按照国际电工委员会制定的i e c 6 0 0 4 4 8 和i e c 6 1 8 5 0 标准，对电子式互 感器数字输出的实现方法进行了研究，主要包括过程层编码模块、过程层解码模 块和过程层数字信号处理模块。过程层编码与解码模块采用了具有集成度高、编 程灵活特点的f p g a 作为微处理器，将多路采样数据加上帧头、c r c 校验码完 成组帧，然后将数据帧进行曼彻斯特编码后通过光纤传输到过程层的合并单元。 利用曼彻斯特码自身位定时信息的特性设计了解码模块电路，实现了对多路数据 进行接收，最后对数据帧进行拆帧校验。过程层数字信号处理模块采用数字信号 处理器d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为微处理器，完成将多路互感器传输的高速数 据合并处理，按照i e c 6 1 8 5 0 9 1 标准打包，最后将完整的数据帧进行编码后， 通过以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 传输到间隔层。针对电子式互感器的高压侧供能 问题，提出一种将c t 供能和激光供能相组合的供能方案，并设计了两种电源之 间的自动切换方法。为提高激光供能电源的稳定性和可靠性。对激光驱动电源系 统中的恒流驱动电路、保护电路进行了设计，并采用p i d 参数模糊自整定算法实 现了激光器的高精度恒温控制。 软件仿真结果证明，本文所提出的设计方案能较好地解决电子式互感器数字 通讯和高压侧供能问题，为电子式互感器在变电站自动化系统中的数字化应用提 供了良好的理论基础。可以预见，集电子式互感器、光纤通讯技术和微机保护技 术为一体化的数字化变电站系统将是变电站未来的发展趋势。 关键词：电子式互感器，f p g a ，d s p ，数字通讯，i e c 6 0 0 4 4 8 ，供能 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ho 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 dv o l t a g ei n p o w e rs y s t e m ，t 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 rh a v e e m e r g e d s e r i o u s d r a w b a c k sa n dh a v eb e e na l r e a d yd i f f i c u l tt ok e e pu pw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e r s y s t e m ，s oi ti su n a v o i d a b l et h a te l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rs u b s t i t u t e so l de 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 d u et ot h ed i f f e r e n to u t p u tf o r m sb e t w e e ne l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n dt r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r , h o wt od e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei nt h e p r o c e s s i n gl e v e li n s u b s t a t i o nb e c o m e st h ek e yp r o b l e mi nr e s e a r c hp r o c e s s e s i n a d d i t i o n ，p o w e rs u p p l yf o re l e c t r o n i cc i r c u i ta tt h eh i g h v o l t a g ep a r ti sa l s oa n i m p o r t a n tt e c h n i q u ei nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rs y s t e m t h er e a l i z a t i o nm e t h o d so ft h ed i g i t a lo u t p u tf o re l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri s r e s e a r c h e da c c o r d i n gt oi e c 6 0 0 4 4 8a n di e c 618 5 0s t a n d a r di nt h i sp a p e r , a n dt h e m a j o rt o p i ci sc o m p o s e do fe n c o d i n gm o d u l e ，d e c o d i n gm o d u l ea n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l eo fp r o c e s s i n gl e v e l f g p a ，w h i c hh a sh i g hi n t e g r a t i o na n df l e x i b l e p r o g r a m m i n g ，i su s e da sm i c r o p r o c e s s o ri ne n c o d i n gm o d u l ea n dd e c o d i n gm o d u l eo f p r o c e s s i n gl e v e l ，t h e s em o d u l e sc o m p l e t ef r a m i n gb ya d d i n gt h em u l t i s a m p l i n gd a t a ， t h ef r a m eh e a da n dc r cc o d et o g e t h e r , t h e nt h ed a t af r a m ei se n c o d e do nm a n c h e s t e r c o d ea n dt r a n s m i t t e dt om e r g i n gu n i to fp r o c e s s i n gl e v e lb yu s i n gf i b e rt e c h n o l o g y t h ec i r c u i to fd e c o d i n gm o d u l ei sd e s i g n e db yu s i n gt h er i c hb i tt i m i n gi n f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fm a n c h e s t e rc o d e ，w h i c hi su s e dt oc o l l e c tt h em u l t i - c h a n n e l sd a t a , u n p a c kt h ed a t af l a m ea n dc h e c k t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l eo fp r o c e s s i n g l e v e lu s e sd s pa si t sm i c r o p r o c e s s o r , w h i c hc o m p l e t e sc o l l e c t i n gt h em u l t i - c h a n n e l s d a t as t r e a mf r o me l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra tt h ef i r s t ，t h e nm e r g e sp r o c e s s i n ga n dc o d e s t h ed a t aa f t e rp a c k i n gt o t a lf r a m ea c c o r d i n gt ot h ei e c 618 5 0 9 - 1s t a n d a r d ，t r a n s m i t s t h e s ed a t at ob a yl e v e lb yr t l 8 019 a sa tt h ef i n a l b e c a u s eo ft h ep r o b l e mo fp o w e r s 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 eh i g h - v o l t a g ep a r t ，ap o w e rs u p p l y w h i c hc o m b i n e sas e l f - s u p p l y i n gp o w e rs o u r c ew i t ha no p t i c a lp o w e ri sp r o p o s e d ，a n d t h ea u t o s w i t c ht e c h n i q u ei sd e s i g n e db e t w e e nt h et w os u p p l i e si nt h ep a p e r d r i v i n g i i 江苏大学硕士学饺论文 c i r c u i ta n dp r o t e c tc i r c u i ti ns o u r c ed r i v e rs y s t e mo fs e m i c o n d u c t o rl a s e r sa r ed e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fl a s e rp o w e r e ds y s t e m ，a n dt h e a l g o r i t h mo ff u z z ys e l f - t u n i n gp i dw a sa d o p t e dt oi m p r o v et h eh i g h p r e c i s i o no f c o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r ef o rl a s e rd i o d e 。 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sc a ns e t t l et h e p r o b l e m ss u c ha sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o no fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , p o w e rs u p p l yf o r t 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 eh i g h - v o l t a g ep a r t ，w h i c hc a np r o v i d es o m e e x p e r i e n c e s f o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri ns u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m i ti sa nu n a v o i d a b l et r e n dt h a td i g i t a ls u b s t a t i o nu s i n ge l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r , f i b e rc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rw i l lb eu s e di nf u t u r es u b s t a t i o n s y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s d u c e r , f p g a ，d s p , d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ne c 6 0 0 4 4 8 ， p o w e r s o u r c e i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学下鬻兹平指鬻名舻 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日霸：丫年b 月 夜串 丁眄 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 电力互感器包括电流互感器( c u r r e n t t r a n s f o r m e r , c t ) 和电压互感器( v o l t a g e t r a n s f o r m e r , v t ) ，是电力系统中用于电能计量和继电保护的重要设备，其作用就 是按一定的比例关系，将输电线路上的高电压和大电流的数值降到可以用仪表直 接测量的标准数值，以便于仪表直接进行测量。其测量准确度及可靠性对电力系 统的安全、稳定和经济运行有着重要的影响1 1 , 2 1 。传统的电磁式电流、电压互感 器在继电保护和电流、电压测量中一直占主导地位，其主要优点在于简单可靠、 输出容量大、性能稳定，并且在长期的使用中积累了大量宝贵的经验。但是，随 着电力传输容量和电压等级的不断升高，对电力设备提出了小型化、自动化、高 可靠性的要求。传统电磁式结构的互感器已越来越不能适应电力系统的发展趋 势，在实际运行中暴露出了诸多缺点1 3 。5 j ，如暂态特性差、功耗大、绝缘结构复 杂、体积笨重、造价高，动态范围小，抗干扰性差等。 随着电磁学、光电子学、智能传感技术、数字信号处理技术、通讯和计算机 技术的飞速发展及多学科的交叉融合，具备了良好的研究新型电力互感器的条 件。新型电力互感器包括电子式电流互感器、电子式电压互感器、组合电压电流 互感器等。基于光学和电子学原理的电子式互感器( e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , e t ) 与 传统的电磁式互感器相比，具有以下优点【铺】： ( 1 ) 优良的绝缘性能，造价低。在电子式互感器中，高压侧与低电位侧间的 信号传输采用绝缘材料制造的石英光纤，因此，绝缘结构简单，造价低； ( 2 ) 不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。电磁感应式互感器由于使 用了铁心，不可避免地存在磁饱和、铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式电流 互感器不存在这方面的问题； ( 3 ) 抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压的危险。电磁感应式电流互感器 的低压边开路时，会产生高压的危险。由于电子式电流互感器的高压边与低压边 之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，不存在低压边开路而产生高 压的危险，避免了电磁干扰； ( 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，而且随着电网容量的增加，短路故障时短路电流越 来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同时 满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定 江苏大学硕士学位论文 电流可测到几安培至几千安培，短时大电流可达几万安培； ( 5 ) 频率响应范围宽。电子式互感器的频率相应可达到1 m h z 。电子式互感器 已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电压电流、高频电压 电流与直流电压电流的测量； ( 6 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。电磁感应式互感器一般采用充 油或充气的办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃易爆等危险；而电 子式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油或气体绝缘； ( 7 ) 体积小、质量轻。一般电子式互感器的重量只有电磁式互感器重量的1 1 0 ， 便于运输和安装； ( 8 ) 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。电子式互 感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护和电子式计量 设备，而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化中具有明显的优势。 尽管电子式互感器的优点很多，但也有其自身的技术难点。随着研究工作的 不断深入，电子式互感器中的技术难点问题会逐渐得到解决。电子式互感器将以 其突出的优点将成为传统电力互感器的理想替代品。电子式互感器、数字计量和 保护技术以及先进的光纤通讯技术的应用，必将促使微机继电保护技术和变电站 自动化技术发生革命性的变化p _ 引。 1 2 国内外电子互感器的研究发展综述 1 2 1 国外电子互感器的研究发展 上世纪六十年代，国外就开始了对光学电子式互感器的探索研究，但由于当 时光导纤维尚未出现，光通路中的光强波动厉害，测量的稳定性能差l l 引。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。八十年代后期 以来，光电传感技术在电力系统中的应用研究得到了突破性进展，美国、日本、 法国等技术发达国家先后研制出多种光学互感器样机，并在实际高压电站长时间 运行。九十年代以来，美国、法国、日本等技术发达国家陆续公布了他们研制的 各种光学电力互感器及运行数据，并打出了产品广告。研究机构主要以a b b 公 司与a r e v a 公司、n x t p h a s e 公司为代表。 a b b 公司是国际上提供标准化光学电流电压传感设备的领先者之一。到目 前为止，a b b 公司已研制出多种无源光电式互感器及有源电子式互感器，如磁 光电流互感器、电光电压互感器、组合式光学测量单元、数字光学仪用互感器等。 组合式光电互感器、用于g i s 中的复合式电子式互感器己达到o 2 级的准确度。 2 江苏大学硕士学位论文 数字光学仪用互感器已有电压等级7 2 k v - - - 8 0 0 k v 、电流等级5 0 a - - 一4 0 0 0 a 的产 品已推向市场。其3 3 k vg i s 空气绝缘开关柜用电子式互感器已应用于我国广州 地铁二号线、三号线，实现与保护控制设备的直接弱电接1 3 1 1 4 j 。 法国a r e v a ( 原a l s t o m ) 公司主要研究无源电子式互感器，包括光学电 流互感器、光学电压互感器、组合式光学电流电压互感器。自1 9 9 6 年以来，a r e v a 公司已经有近百台电子式互感器在美国、法国、英国、加拿大等多个国家的多个 变电站运行。1 9 9 7 年，a r e v a 公司推出了可同时输出计量和保护用信号的1 2 3 k v 光学电压电流互感器，其测量精度可达o 2 。此外，加拿大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 hc 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。 1 2 2 国内电子互感器的研究发展 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 年在上海召丌的“激 光工业应用座谈会 为起步。早期的主要研究单位有清华大学、电力科学研究院、 上海互感器厂、华中科技大学、同维公司等。沈阳变压器厂是我国最早开始研制 电子式电流互感器的厂家之一，2 0 世纪8 0 年代自行研制出1 1 0 k v 电子式电流 互感器，并挂网试运行，但由于运行不太理想而后又被拆除。1 9 9 7 年，华中科 技大学与华中电力集团联合开发了组合式5 0 0 k v 电子式互感器，目前己通过了 电力工业部电气设备质量检验测试中心的测试，近期将在河南南阳变电站挂网运 行。2 0 0 1 年华中科技大学和广东顺德特种变压器厂、广东新汇电力局共同研制 2 2 0 k v 电子式互感器并在广东新汇挂网试运行。 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并挂网试运行。如广东伟钰光 电科技有限公司生产的1 1 0 k v 有源光电电流互感器( r o c t x l 6 0 0 1 2 6 型) 于 2 0 0 3 年7 月在梅州挂网运行；1 1 0 k v 光电电压电流组合互感器( e t 6 o c v l1 0 z ) 于2 0 0 6 年5 月在梅州挂网试运行。西安同维电力生产的新型电子式电流互感器 于2 0 0 5 年3 月在河南洛阳新安变电站挂网运行。珠海成瑞电气有限公司以高效 砷化镓光电能量转换的光供电混合型光供电( o p c t l 6 ) 1 1 0 k v 光电电流互感器 于2 0 0 6 年1 2 月在湖北荆州成功挂网。南京新宁光电自动化有限公司研发的 5 0 0 k v ( o e t 7 5 0 ) 电子式互感器于2 0 0 7 年8 月在国家电网文山变挂网运行。 1 3 数字通讯接口对变电站的影响 ( 1 ) 简化了二次设备的结构。现代变电站内的设备大多是基于数字信号的 设备，传统电磁式互感器的模拟输出信号到这些数字信号设备需经过a d 转换， 江苏大学硕士学位论文 电子式互感器输出的数字信号，可以直接应用于这些数字信号设备，省去了a d 转换环节，简化了设备结构。 ( 2 ) 消除了测晕过程中存在的系统误差。电磁式互感器的测量误差随着二 次侧负荷的变化而变化，因而不可预计。电子式互感器输出的数字信号，测量准 确度不受二次侧负荷影响，其误差主要来自于数据采集系统的自身。 ( 3 ) 间隔层和设备层的连接方式更加开放和灵活。由于电磁式互感器传送 的是模拟信号，当多个不同的装置需要同一个互感器信号时，需要进行复杂的二 次连线。而电子式互感器输出的数字信号可以方便地和二次测量与保护设备进行 数据通信，能够根据实际要求将互感器与需要互感器输出信号的设备构成一个网 络，实现数据的交换和共享l l 引。 1 4 本文内容安排 2 0 0 7 年8 月在蔡老师的带领一f i l l 安徽省芜湖市鑫龙电器股份有限公司课题 调研。参观了公司高压开关柜、电力仪表生产线和产品科研中心。2 0 0 7 年1 0 月 到江苏精科互感器有限公司课题调研，并向李双工程师咨询了电子式互感器相关 内容。针对电子式互感器数字通讯和高压侧电子线路供能问题，本文共分为六章， 安排如下： 第一章为绪论。 第二章详细介绍了有源电子式互感器工作原理和结构，并分析了电子式互感 器与保护控制设备接口的相关标准。 第三章对电子式互感器数字通讯进行了模块设计，对编码模块、c r c 校验 模块、解码模块进行了设计和仿真。利用以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 实现合并单 元与二次设备之间通讯功能。 第四章选择等纹波最佳逼近法设计f i r 低通数字滤波器，详细分析了实现抽 取滤波的高效算法。同时，分析了有效值和相位角的计算方法及推导过程。 第五章提出组合式电源供能方案，并给出两种电源间的切换方法。着重对激 光器驱动电源系统进行了设计，并以d s p 为控制核心实现了基于自整定模糊p i d 激光器恒温控制。 第六章总结本论文所做的主要工作，并对今后一些需要进一步研究的问题进 行简述与展望。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章有源电子式互感器原理及其数字接口 与纯光学互感器相比，有源电子式互感器目前研究较为成熟。本课题是建立 在有源型电子式互感器的基础之上的，因此，首先介绍了有源型电子式互感器工 作原理和结构，并且概述了i e c 6 0 0 4 4 - 7 8 和i e c 6 1 8 5 0 标准对数字接口的规定。 2 1 电子式互感器定义与分类 目前，根据国际电工委员会( i e c ) 所制定的i e c 6 0 0 4 4 7 ( 电子式电压互感 器) 和i e c 6 0 0 4 4 8 ( 电子式电流互感器) 标准，电子式互感器是指一种由连接 到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成，用以传输正比于 被测量的量，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。电子式互感器 通用结构如图2 1 所示。 图2 1 电子式互感器通用结构 ( 1 ) 一次传感器( p r i m a r ys e n 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 ) s 1 - - 次电流传感头( p r i m a r yc u r r e n t s 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 ) 的功能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 于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 江苏大学硕士学位论文 后再接二次设备。 ( 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 ) 是对来自二次转换器的电流和电压数 据进行时问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，信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。 ( 6 ) 数字量输( 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，它是以电流和电压数据的数字编码及时间相关的数组，供给测量仪器、仪表 和继电保护或控制装置。 通常根据互感器的传感头部份有无电源供电，可将电子式互感器分为无源电 子式互感器和有源电子式互感器。在高电压侧不需要电源的称为无源电子式互感 器；反之，则称为有源电子式互感器。无源电子式互感器主要利用f a r a d a y 磁光 效应原理、晶体的p o c k l e s 效应( 即线性电光效应) 进行测量；有源电子式互感 器通常采用r o g o w s k i 线圈、电容电阻分压的方法来进行测量1 1 6 1 。 2 2 有源电子式互感器的工作原理 2 2 1 有源电子式电流互感器 有源电子式电流互感器的原理是利用有源器件调制技术，把r o g o w s k i ( 罗 夫斯基) 线圈测量出的信号经过积分运算得出电流模拟信号、模数转换( a i d ) 电 路将积分器输出的信号转换成数字信号，然后通过电一光转换装置将电信号转换 成光信号，再通过光纤传输到互感器低压侧信号处理电路。 2 2 2 有源电子式电压互感器 有源电子式电压互感器是被测量的高电压经电容分压器、电阻分压器或阻容 分压器得到一个小电压信号，数字化后通过光纤输出。对于电容分压器或电阻分 压器得到的小电压和被测高电压呈比例关系、小电压直接数字化输出即可；对于 从阻容分压器上得到的小电压是被测电压的微分，要想得到被测电压必须对小信 号进行积分。 2 3 有源电子式互感器的整体结构 有源电子式互感器发挥了光纤系统绝缘性能好、抗干扰能力强的优点，明显 6 江苏大学硕士学位论文 降低了高电压等级电流电压互感器的体积、重量和制造成本，同时还利用了传统 互感器原理技术成熟的优势。无源电子式互感器因其一次侧光学电流、电压传感 器的制作工艺复杂，稳定性及一致性不易控制，因此有源电子式互感器的特点决 定了它在实用化道路上的优势。 有源型电子式互感器主要有由传感头、高压侧数据采集系统、光纤传输系统、 低压侧合并单元和高压侧电源供能装置五个部分构成。有源电子式互感器的整体 结构，如图2 2 所示。 特n c tr o g o w s k i 线圈 图2 - 2 有源电子式互感器的整体结构 7 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 传感头 电子式互感器传感头部分是电子式互感器的核心部件之一，它直接关系到互 感器采样数据的精度、精确度和可靠性。由于电子式电流互感器必须同时满足测 量、保护的要求，因此采用两个r o g o w s k i 线圈，一个用于测量通道，另一个用 于保护通道。有源电子式电流压互感器的传感头，分别采用r o g o w s k i 线圈和 精密电容分压器或阻容分压，它们都具有测量准确度高、动态范围大、制造成本 低等优点。 2 3 1 1 基于r o g o w s k i 线圈原理 基于r o g o w s k i 线圈的电子式电流互感器，其主体是一个将导线均匀密绕在 环形等截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈，待测的母线电流从线圈中心流 过时线圈中产生感应电势。r o g o w s k i 线圈原理图，如图2 3 所示。 图2 - 3r o g o w s k i 线圈原理图 图2 - 4 阻容分压传感头原理 r o g o w s k i 线圈直接套在被测量的导体上，导体中流过的交流电流在导体周 围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈两端感应出一个与电流变化成比例的交 流电压信号e ( t ) ，其数学表达式为： p ( ，) ：一l d i ( t ) ( 2 1 ) 出 式中，l 为线圈的电感；d i ( - t ) 则是电流的变化率。 d t 由式( 2 1 ) 可知，要得到被测的一次电流信号，须对r o g o w s k i 线圈二次 输出的电压信号进行积分【2 7 l 。通过对交流电压信号积分并运算得出被测量电流 i x 的值，其数学表达式为： 江苏大学硕士学位论文 砸) 一圭p ( f ) a t ( 2 2 ) 由于r o g o w s k i 线圈本身并不与被测电流回路存在直接电学联系，因此它与 电气回路之问有着良好的电气绝缘，并且具有测量精度高、线性度良好和稳定性 高等优点。由于手工绕制的r o g o w s k i 线圈工艺水平较为粗糙，一般无法满足高 精度的计量要求，也不适合批量生产，所以传统的制造方法必须进行改进。目前， 一种灵敏度、测量精度及稳定性更高的，由印刷电路板制成的r o g o w s k i 线圈， 即p c b 罗氏线圈已得到了初步应用1 1 7 , 1 8 】。 2 3 1 2 基于阻容分压原理 在高电压领域，人们采用精密电容分压器组成电子式电压互感器。分压后的 信号转变为数字信号进行传送和处理，转化为数字信号后的误差可以忽略不计。 因此，整个系统的测量精度主要由电容分压器的精度决定。由于电容分压式电压 传感头在高压侧出现短路或断路故障时，存储在各个电容中的能量只能通过负载 释放，导致其暂态过程时间变长，产生较大的基波电压幅值误差，给继电保护的 正确动作带来不利影响【1 9 ，2 0 1 。为了能使集聚在电容上的电荷有个快速释放的通 道，可以在电容分压器的等效接地电容c 2 上并联一个小电阻r ，来释放储能元 件上的电荷，这样就构成阻容式分压器，其原理如图2 5 所示。 为了提高电压测量准确度，在c 2 两端并联一个精密取样电阻r 。电容分压 器的输出u 2 与被测电压u l 的关系为： 睾+ ( c l + c 2 ) 警= c l 警 ( 2 3 ) 取国( c l - i - c 2 ) ( 缈为被测量电压u l 的角频率) ，则有： 以：尺c 1 盟 ( 2 4 ) d t 由公式( 2 4 ) 式可知，u 2 与型成正比关系。因此，要得到被测的一次电 压信号，必须对电容分压器输出的电压信号u 2 进行积分。对公式( 2 4 ) 式积分 并运算后可得出被测量电压u l 的值，其数学表达式为： u 2 玄j u z 衍 5 2 3 2 高压侧数据采集系统 高压侧数据采集系统是电子式互感器的核心部分之一。在电子式互感器的应 用中，传感头位于高压侧，如果将其输出的原始信号通过电缆输送到低压侧处理， 9 江苏大学硕士学位论文 电磁干扰将会直接影响测量结果的准确性。因此，高压侧数据采集系统首先将传 感头输出的模拟信号转换成数字信号，然后通过光纤将数字信号传输到低压侧。 这样既保障了高压侧与低压侧的电气隔离，也有效地减小了电磁干扰对测量结果 的影响【2 1 1 。高压侧数据采集系统主要由信号采集调整电路和逻辑控制、处理及编 码电路两大部分组成。其主要的功能是：逻辑控制电路在正确接收到低压侧合并 单元发送的同步采样命令后，启动信号采样及调整模块，对r o g o w s k i 线圈输出 和阻容式分压器输出的二次电压信号进行高速采样，并将采样值组帧编码，通过 电光转换( e o ) 传输到低压侧的合并单元1 2 2 。高压侧数据采集系统结构框图如 图2 5 所示。 r o g o w s k i 线 高压侧数据采集系统 矧输出信号 串行数据信l l 信号 一 信 采样电光 号 及调 心逻辑控制、处 l扒 转换 电容分压器 调 整电 订 理及编码电路l 厂 ( e o ) 同步采样命 输出信号 理 路 图2 - 5 高压侧数据采集系统结构图 图2 5 中的逻辑控制、处理及编码电路模块需要控制多个信号采样及调整电 路，这就要求逻辑控制电路有较多的i 0 口可供配置。在计算被测一次电流电 压时需要对r o g o w s k i 线圈和阻容式分压的电子式电流压互感器输出信号的采 样值进行积分，高采样率可以提高积分的精度，还可以简化信号调理电路的设计。 逻辑控制电路模块利用f p g a 控制a d 器进行信号采样及相应的处理，然后从 a d 器中读出电流、电压信号的采样值，送入到数据排序模块( f i f o ) 中进行 排序输出，经过组帧编码模块将数据变成曼彻斯特码输送到电光转换模块1 2 引。 2 3 3 光纤传输系统 为了保证电力系统稳定运行，将互感器的数据进行实时可靠的传输，就必须 配以高速的通信电路将数字信号进行传送，使得两端能够及时通信。目前，普遍 采用的方法是利用光纤进行数据通信，光纤通信具有抗电磁干扰及抗共模干扰能 力强、高低压侧隔离性能好、传输损耗低、精度高的优点，是解决高速率远程数 据传输问题的最佳方案。光纤信号传输系统的功能是将高压侧采样的数字信号经 电光转换变成光信号，然后通过光纤传送到低压侧的光电转换器，将光电信号转 换成数字信号，供低压侧数据处理系统使用。 在电子式互感器的信号传输系统的开发设计中，通常选择性价比高、速度快、 l o 江苏大学硕士学位论文 传输距离远的多模光纤发射器h f b r 1 4 1 4 和接收器h f b r 2 4 1 2 来实现远距离光 纤高速同步传送。h f b r 1 4 1 4 和h f b r 2 4 1 2 光收发模块均为工业级产品，其发 送波长为8 2 0 n m ，传输速率为5 m b s ，传送距离为2 0 0 0 m ，两者之间选用 6 2 5 1 2 5 1 t m 多模玻璃光纤连接，带宽可达1 2 5 m h z t 2 4 1 。h f b r 一1 4 1 4 和h f b r 2 4 1 2 光收发模块的光纤传输接口示意图如图2 - 6 所示。 2 3 4 低压侧合并单元 图2 - 6 光纤传输接口电路 合并单元( m u ) 是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，它是电子式 互感器二次转换器与变电站二次设备之间连接的重要环节，如图2 7 所示。其主 要功能是同步采集多路( 最多1 2 路) 电子式互感器输出的数字信号，并按照标准 规定的格式发送给保护、测控设备【2 5 2 6 1 。i e c 6 0 0 4 4 - - 7 8 首先给出了合并单元的 定义，其后，i e c 6 1 8 5 0 9 1 2 对合并单元的功能和定义进行了完善和补充【2 7 ，2 8 1 。 图2 - 7 合并单元的功能框图 江苏大学硕士学位论文 采用一台合并单元汇集多达1 2 路二次转换器数据通道。一个数据通道承载 一台电子式互感器或一台电子式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。合 并单元为二次设备提供一组时间相关的电流和电压样本。二次转换器也可从常规 电压互感器或电流互感器获取信号，并可汇集到合并单元。合并单元以曼彻斯特 编码格式将这些信息组帧发送给二次保护、控制设备，报文内主要包括各路电流、 电压量及其有效性标志，此外还添加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时 间标签信息。 2 3 5 高压侧电子电路供能 由于有源电子式互感器的数据采集系统安装在高压侧，并且完全是由电子电 路构成，因此必须有相应的电源提供给高压侧的数据采集系统，以保证高压侧数 据采集系统的正常工作。高压侧供能方式很多，目前常见的供能方式主要有利用 电流互感器( c t ) 或电容分压器从母线上取电能、激光供能、太阳能供电及蓄 电池供电，还有比较新型的超声波供能、微波供能等方式【2 9 ，3 0 j 。电源供能问题将 在第5 章作重点介绍。 2 4 电子式互感器数字接口标准 2 4 1i e c 6 0 0 4 4 7 8 对数字接口的描述 图2 - 8 合并单元数字接口框图 对于数字输出部分，i e c 6 0 0 4 4 8 规定的典型做法是将7 个电流和5 个电 江苏大学硕士学位论文 压互感器的二次变换器组成一个合并单元，将所有的现场一次信号转换为数字量 串行输出。数字输出协议推荐采用单相的点对点连接。采用统一处理的方式不但 可以减少投资，也可以充分发挥数字电路处理的能力和速度，更重要的是m u 可 向二次设备提供时间上一致的电压、电流量。合并单元与二次设备的接口是串行 单向多路点对点连接，它将7 路( 包括3 路测量，3 路保护，l 路备用) 以上的 电流互感器和5 路( 包括3 路测量、保护，l 路母线，l 路备用) 以上的电压互 感器合并为一个单元组，并将输出的瞬时数字信号填入到同一个数据帧中。合并 单元数字接口框图，如图2 8 所示。 2 4 1 1 标准中对物理层的规定 数字信号是电子式互感器的主要输出形式，包括数字电信号和数字光信号 两种。数字电信号输出是以铜线为基础的传输系统，系统必须与e i ar s 4 8 5 标 准兼容。标准中建议使用d 型9 针连接器，屏蔽双绞线电缆，长度为2 5 0m 。也 可以使用带屏蔽的r j 4 5 连接器代替。对于数字光输出只需将数字输出按一定要 求进行电光转换。数字光信号输出和数字电信号输出在链路层和应用层的规定 上是完全一致的，不同的只是物理层的传输介质。光纤连接器可采用 b f o c 2 5 ( b a y o n e tf i b e ro p t i cc o n n e c t o r ) ，近距离的传输可采用塑料光纤，远距 离的传输可使用玻璃光纤。 2 4 1 2 标准中对链路层帧格式的规定 标准中的链路层帧格式采用的是f t 3 帧格式，如表2 1 所示。此帧格式已在 i e c 6 0 8 7 0 5 1 中有明确规定。这种帧格式的优点是：数据具有完整性，而且在高 速数据处理中能进行多点同步数据的链接。所使用的链路层服务用语为发送无 应答，这意味着传感器可以连续不停的向二次设备发送采样的测量值和保护值， 而不需要二次设备的任何应答信号。这时，如何保证一与二次设备之间的数字化 通讯系统的实时性、可靠性就成为要解决的首要问题，所以标准中对传输的链路 层传输规则进行了以下规定： 规