羅氏線圈全數(shù)字化設(shè)計.

1、第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage ApparatusVoL42 No.6Dec. 2006450-文章編號：1001-1609（2006）06 0450-03Rogowski線圈電流互感器的全數(shù)字化設(shè)計陳金玲，李紅斌，馮凱（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074）All-digital Design of Rogowski coil Current TransformerCHEN Jin-ling, LI Hong-bin, FENG Kai(College of Electric and Electronic Engineering, H

2、uazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage ApparatusVoL42 No.6Dec. 2006450-第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage ApparatusVoL42 No.6Dec. 2006450-摘要：Rogowski線圈電流互感器是一種新型電子式電流互 感器。與傳統(tǒng)的電流互感器相比，它具有動態(tài)范圍大和測量 頻帶寬的特點，但它的溫度特性、長期穩(wěn)定性不及傳統(tǒng)互感 器。全數(shù)字化設(shè)計旨在更進

3、一步提高互感器的性能，它包括 數(shù)字積分、數(shù)字傳輸、數(shù)字化處理和數(shù)字輸出4個部分。即除 了傳感頭以外，互感器的其余部分均為數(shù)字形式。對全數(shù)字 化設(shè)計的Rogowski線圈電流互感器進行了準確度試驗和數(shù) 字輸出接口試驗。試驗結(jié)果表明，該數(shù)字化設(shè)計滿足IEC標(biāo) 準關(guān)于02級互感器的精度要求以及數(shù)字輸出的相關(guān)要求。 關(guān)鍵詞：Rogowski線圈；全數(shù)字化；數(shù)字積分器；數(shù)字輸出 中圖分類號:TM452.93文獻標(biāo)識碼：AAbstract: Rogowski coil current transformer (RCT) is a kind of novel electronic current trans

4、former Comparing with traditional current transformer (CT), RCT has many advantages, such as wide dynamic range, broad frequency band> On the contrary, the temperature characteristics and the long-term stability of RCT are inferior to those of CT. The all-digital design is applied to improve the

5、performance of RCT further, including digital integrating, digital transmission, digital signal processing and digital output That means all parts of the RCT except the sensor are*digital* The accuracy test and the digital output interface test of all-digital RCT have been taken. The test results sh

6、ow that the all-digital designs can meet the 0.2 class accuracy and the requirements of IEC standard.Key words: Rogowski coil； all-digital； digital integrator； digital output0引言Rogowski線圈電流互感器（RCT）是一種新型電 它具有如下特點:不含鐵心，無磁滯效應(yīng)和磁飽和現(xiàn) 象,帶寬得到顯著改善;傳感頭與被測電流之間沒有 電氣連接,對被測回路影響甚小;高低壓側(cè)之間通過 光纖進行信號傳輸，實現(xiàn)了良好的電氣絕緣,在高壓

7、及特高壓應(yīng)用領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢;體積小、重量輕、 易于實現(xiàn)測量和保護的自動化和數(shù)字化等。這些特 點使得RCT日益成為人們關(guān)注的焦點。為了還原被測電流,必須對Rogowski線圈傳感 頭的輸出信號進行積分。筆者介紹的全數(shù)字式有源 電子式電流互感器，用數(shù)字積分器取代了模擬積分 環(huán)節(jié)，高低壓側(cè)之間采用數(shù)字式傳輸,最終的輸出也 是數(shù)字形式，并且該數(shù)字輸出可直接與以太網(wǎng)相連, 符合IEC 60044-8（電子式電流互感器標(biāo)準的相關(guān) 要求。也就是說,全數(shù)字式電子式互感器從傳感頭的 輸出信號開始，所有的后續(xù)處理及信號傳輸均采用 數(shù)字方法，與部分或全部采用模擬環(huán)節(jié)的RCT相 比，全數(shù)字式RCT具有更好的溫度性能

8、和抗電磁干 擾性能。1 Rogowski線圈測量原理Rogowski線圈是均勻纏繞在一個截面均勻的非磁性骨架上的線圈，見圖1。圖1Rogowski 線圈第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage ApparatusVoL42 No.6Dec. 2006450-第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage ApparatusVoL42 No.6Dec. 2006450-子式電流互感器。與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比, 當(dāng)有電流從線圈中心流過時，線圈兩端會產(chǎn)生第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage Appar

9、atusVoL42 No.6Dec. 2006450-第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage ApparatusVoL42 No.6Dec. 2006450-感應(yīng)電勢:>006-03-14；修回日期：2006-04-21第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage ApparatusVoL42 No.6Dec. 2006450-第42卷第6期2006年12月禮金電£High Voltage ApparatusVoL42 No.6Dec. 2006450-十口陳金玲（1978-）,女，湖北新洲人，博士，主要從事電子式電

10、流互感器的研究。第42卷第6期2006年12月VoL42 No6Dec. 2006High Voltage Apparatusdtdt其中：0為磁鏈;M為Rogowski線圈的互感系數(shù);i 為被測電流。當(dāng)載流導(dǎo)體處于線圈中心位置不變時, M是一個常數(shù),其值由下式?jīng)Q定2tt Rb式中:皿為真空磁導(dǎo)率;W為線圈匝數(shù)山為骨架高 度；&為骨架外徑；乩為骨架內(nèi)徑。很顯然，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢是被測電流的微分，只 需對其進行積分即可得出被測電流值。45b圖3 ADE7759幅頻特性圖4 ADE775相頻特性性能，即過采樣和數(shù)字低通濾波。內(nèi)部過采樣頻率為 894 kHz,遠高于所需的40 Hz2 kHz的

11、頻率范圍。 但過采樣會造成量化噪聲，數(shù)字低通濾波可有效抑 制有用帶寬內(nèi)的量化噪聲,進一步提高了 ADC的信 噪比。位于ADC后的數(shù)字積分器的最終輸出為20第42卷第6期2006年12月VoL42 No6Dec. 2006High Voltage Apparatus2全數(shù)字化設(shè)計全數(shù)字式有源電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)框圖見圖20全數(shù)字化設(shè)計主要體現(xiàn)在數(shù)字積分、數(shù)字傳輸位，對輸入信號的采樣頻率最高可達27.9 kHz,這 些都為實現(xiàn)高精度（如0.2級）的測量奠定了基礎(chǔ)。利用ADE7759這種將ADC和數(shù)字積分功能集和數(shù)字輸出3個方面。!傳感頭積分器卜屁可于一身的芯片,不僅為測量的高精度提供了有力保 障

12、,也使得互感器的結(jié)構(gòu)更簡單，在很大程度上簡化 了硬件設(shè)計工作，降低了互感器的成本和開發(fā)周期。 2.2數(shù)字式傳輸及數(shù)字化處理第42卷第6期2006年12月VoL42 No6Dec. 2006High Voltage Apparatus高壓側(cè)0光纖:顧* DSPbl輸岀 I：L1L 丄一丄丄低壓側(cè)圖2 Rogowski線圈電流互感器結(jié)構(gòu)框圖2.1數(shù)字積分器常用的積分器通常為模擬積分環(huán)節(jié),它由分立 電子元件組合而成。由于實際所用分立元件不可能 是理想的，運放的偏移，電容的泄漏和損耗，以及其 它模擬器件的時漂和溫漂，都會造成積分誤差，從而 造成電流測量的誤差。為了克服這些缺陷，提出數(shù)字 積分的方法。實

13、現(xiàn)數(shù)字積分的方法很多，最常見的是采用A/D 轉(zhuǎn)換芯片將傳感頭所得模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號, 輸入至微處理芯片（MCU）,設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字積分算 法來實現(xiàn)。若要達到較高的測量準確度,ADC的轉(zhuǎn) 換位數(shù)要足夠高，這樣的ADC芯片通常價格昂貴; 或者ADC位數(shù)不高,采樣率足夠高（過采樣）也可實 現(xiàn)高精度測量，但這樣會加重CPU的負擔(dān)，不利于 互感器其它功能的實現(xiàn)。筆者采用了一款能量計量芯片ADE7759o ADE力59具有兩個通道，其中的一個通道內(nèi)置了數(shù) 字積分器，特別為d衣型傳感頭設(shè)計，可直接與 Rogowski線圈的輸出相連。ADE力59內(nèi)置積分器的 幅頻、相頻特性見圖3和圖40它與Rogowski

14、線圈 的幅頻、相頻特性互為補償，整體頻率特性在所需范 圍內(nèi)也一名古線。這也印證了 ADE7759特別適用 于R<圈電流互感器的信號解調(diào)。ajjil/ /?y采用了兩種技術(shù)來提高內(nèi)置ADC的由于采用了數(shù)字積分器ADE7759,互感器高、 低壓側(cè)之間可直接進行數(shù)字式傳輸，所以只需選用 適當(dāng)?shù)腖ED .PIN及光纖，并設(shè)計適當(dāng)?shù)陌l(fā)光驅(qū)動和 接收電路即可。特別要指出的是,ADE7759的串行 輸出方式為數(shù)據(jù)在高低壓側(cè)之間的傳輸提供了方 便,使得單根光纖即可完成,相比并行傳輸節(jié)省了光 纖數(shù)量，也無須為節(jié)省光纖而另行設(shè)計并/串轉(zhuǎn)換單 元。數(shù)字式傳輸具有更強的抗電磁干擾性能，且傳輸 不易受光纖彎折程度

15、的影響C基于DSP的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，采用一塊輔助 的CPLD芯片提供SCLK時鐘，同時將從串口讀取 的數(shù)據(jù)進行分離整理，轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)交由DSP進 行處理。DSP具有強大的計算能力，可實現(xiàn)有效值、 相位的計算以及數(shù)字濾波等功能，從而更進一步提 高互感器的準確度和抗干擾性能。2.3數(shù)字輸出電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展要求變電站的計量、保護、控制 等裝置的信息能夠集成和共享，這就要求電子式互 感器能夠進行數(shù)罕輸出。具備數(shù)字接口是電子式電 流互感器發(fā)展的必然趨勢。按照IEC 60044-8標(biāo)準的要求，數(shù)字輸出可采用兩種通訊方式：IEC 61850-9-1描述的以太網(wǎng)接入方式，按照ISO/IEC 88023協(xié)議規(guī)

16、定的幀格式對數(shù)據(jù)進行封裝，并通過 TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；點到點的鏈接方式, 按照IEC 60870-5-1規(guī)定的FT3數(shù)據(jù)幀格式封裝數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到以太網(wǎng)技術(shù)比較成熟, 普及性高,有利于變電站的大量實時信息交換、數(shù)據(jù) 集成和維護,所以采用以太網(wǎng)接入方式。數(shù)字傳輸?shù)膶崟r性要求傳輸速度足夠快。以50 Hz 工頻信號為例，考慮極限采樣頻率4 kHz（每周期采第42卷第6期2006年12月VoL42 No6Dec. 2006High Voltage Apparatus第42卷第6期2006年12月VoL42 No.6Dec. 2006-452 -High Voltage Appara

17、tust /s圖7數(shù)字輸出波形與參考波形的比較合得很好樣80個點)，以及實際情況中的不確定因素，加上 10%的冗余，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈什荒苄∮?.33 MHz。 該值在以太網(wǎng)的帶寬范圍之內(nèi)，用以太網(wǎng)完全可以 實現(xiàn)。另外,TCP協(xié)議是一種可靠的面向連接的協(xié) 議，具有差錯校驗、數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)重傳、流控制、阻 塞控制等功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。數(shù)字輸岀接口用嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊NB100來實 現(xiàn)。該模塊是基于高性能32位微處理器386EX的 嵌入式系統(tǒng)，具有10 M100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)控 制器，可直接與100BASE-TX以太網(wǎng)連接，見圖5。第42卷第6期2006年12月VoL42 No.6De

18、c. 2006-452 -High Voltage ApparatusDSP系統(tǒng)圖5基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊的數(shù)字輸出此外，數(shù)字接口還在國家互感器質(zhì)檢中心進行 了校驗，校驗方法:由質(zhì)檢方提供0.05級標(biāo)準CT及 0.01級基準A/D轉(zhuǎn)換器，其輸出電流信號作為校驗 系統(tǒng)的輸入信號,并提供0.2級被試CT,其輸岀電流 信號作為數(shù)字接口的輸入信號，分別取額定電流的5%,20%,100%,120%作為測量點，得出的實驗數(shù)據(jù) 見表1。不難看出，數(shù)字輸出口具有極高的精度。第42卷第6期2006年12月VoL42 No.6Dec. 2006-452 -High Voltage Apparatus第42卷第6期20

19、06年12月VoL42 No.6Dec. 2006-452 -High Voltage Apparatus3試驗表1數(shù)字輸出口的準確度試驗結(jié)果第42卷第6期2006年12月VoL42 No.6Dec. 2006-452 -High Voltage Apparatus第42卷第6期2006年12月VoL42 No.6Dec. 2006-452 -High Voltage Apparatus包括準確度試驗和數(shù)字輸出接口試驗。3.1準確度試驗電流百分比/(%)120比差/(%)一0.080 3100相差/C)-13930.018 71.309該試驗旨在檢驗Rogowski線圈及數(shù)字積分器200.02

20、1一 2.743的準確度。將Rogowski線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢直接接0,0929一 1.991第42卷第6期2006年12月VoL42 No.6Dec. 2006-452 -High Voltage Apparatus入ADE7759,將ADE7759的積分輸出與參考電壓第42卷第6期2006年12月VoL42 No.6Dec. 2006-452 -High Voltage ApparatusL O8O2(由標(biāo)準電流互感器輸出)進行比較，所得比差與相 差結(jié)果見圖6。.0.2級比差限值JRCT比差0.2級比差限值電流/kARogowski 線7 J till及數(shù)字積分器的準確度試驗結(jié)果1.52.5電流/kA試驗設(shè)定額定電流厶為2 kA,從試驗結(jié)果可以看出在5%120%人范圍內(nèi)，比差和相差均在IEC 標(biāo)準規(guī)定的0.2級互感器的誤差限制之內(nèi)。3.2數(shù)字輸出試驗該試驗旨在驗證數(shù)字輸出符合IEC標(biāo)準的相關(guān)要求，傳輸無失真和錯誤。試驗將數(shù)字輸出口的輸 出波形與標(biāo)準波形(80個采樣點/周期)進行了比對,7O以看出，參考波形與數(shù)字輸出波形吻4結(jié)語Rogowski線圈電流互感器因為具有很寬的測量 頻帶和良好的絕緣性