高壓系統(tǒng)電流檢測(cè)新技術(shù)的研究及電路設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

大連交通大學(xué)本科畢業(yè)論文論文題目：高壓系統(tǒng)電流檢測(cè)新技術(shù)的研究及電路設(shè)計(jì)劉德華指導(dǎo)教師：付萬安教授單位：大連交通大學(xué)論文提交日期：摘要電流互感器是電力系統(tǒng)中用于繼電保護(hù)和電測(cè)量的重要設(shè)備，其精確度和可靠性對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(diǎn)，必將得到廣泛的應(yīng)用。電子式電流互感器分為有源、無源兩種類型，有源式電子電流互感器采用了先進(jìn)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(diǎn)，是目前最具實(shí)用前景的研究方向之一。在研究和分析了各種電流互感器的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)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(jì)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(fù)的研究和設(shè)計(jì)。鑒于CPLD/FPGA具有高集成度、高速度和高可靠性的特點(diǎn)，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(jì)方案，簡(jiǎn)化了相應(yīng)硬件電路的設(shè)計(jì)過程，且有效率低了系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾下測(cè)量產(chǎn)生錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。本文詳細(xì)介紹了高壓側(cè)硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，高壓側(cè)數(shù)據(jù)異步通訊電路在CPLD/FPGA中的實(shí)現(xiàn)，芯片的選擇以及各部分電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件的仿真測(cè)試與硬件調(diào)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)光電混合式電流互感器高壓側(cè)單元和數(shù)據(jù)通訊的預(yù)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(fù)雜運(yùn)算等要求，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便修改的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的研究?jī)r(jià)值。關(guān)鍵詞：電流互感器，CPLD/FPGA,數(shù)據(jù)異步通訊AbstractElectroniccurrenttransformerisveryimportantequipmentforsystemprotectionandelectricalmeasurementinelectricalpowersystem.Itsaccuracyandreliabilityhavesignificantimpactonsafety,stability,andefficiencyinpowersystem.Aphotoelectrichybridcurrenttransformerhasalotofobviousadvantagesoveratraditionalelectromagneticcurrenttransformer.Itwilldefinitelyfindmoreandmoreapplications.Thereareactiveandpassiveaboutelectroniccurrenttransformer.Theactiveelectroniccurrenttransformeradoptsthesophisticatedintegratedoptoelectronictechnologyandmodernelectronictechnology.Ithasplayedahigh-reliability,high-precisionandstabilization.Itisoneofthemostpracticalinfutureresearchdirections.Onthebasisofresearchandanalysisprinciplesofvariouscurrenttransformers,thispapereventuallyadoptedtheADCactive-typeOpticalCurrentTransformer.Itmainlycompleteddatacollectionandprocessingofhighvoltageside,datacommunicationbetweenhighandlowvoltagesideandanalogwaveformrestorationatlowvoltageside.CPLD/FPGAhascharacterofhighintegrationdensity,highspeed,andhighreliability.Accordingsuperioritiesofthesedevices,thispaperuseCPLDastheCPUofthehighvoltagesideandFPGAastheCPUofthelowvoltageside,whichsimplifiedthedesignprocessofhardwarecircuitandeffectivelyreducedriskofmeasurederrorsinthestrongelectromagneticinterferenceenvironmentthispaperdescribesthedesignofhardwarecircuitsystemofthehighvoltagepart,highandlowvoltagesidedataasynchronouscommunicationcircuitrealizationinCPLD/FPGA,chipselectionandthecircuitimplementationanddebuggingofthevariousparts.Finallyitgivestheoverallsystemsimulation,testingandhardwaredebugging;verifythefunctionofthesystemimplementation.Thetestresultshaveproventhattheproposedsystemdesignedcanperformtheexpectedfunctionalityofphotoelectriccurrenttransformerathighvoltagesideanddatacommunicationbetweenhighandlowvoltageside.Itcanbettermeetthepowersystem’srequirementsinthehigh-speeddataprocessing,largedataquantityandcomplexoperation.Italsohasmeritofbeingsimpleinstructureandeasierformodification.Itisworthforfurtherinvestigation.目錄摘要Abstract第一章緒論第二章光電電流互感器高壓側(cè)電路的研究有源型無源型第三章光電電流互感器供能方案的研究第四章高壓側(cè)傳感器部分的理論及設(shè)計(jì)4.3A/D轉(zhuǎn)換器第五章傳輸部分的理論分析和設(shè)計(jì)5.1數(shù)據(jù)的電/光轉(zhuǎn)換、發(fā)送/接收及光纖連接器結(jié)論和成果參考文獻(xiàn)致謝近年來，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(duì)電流測(cè)量裝置提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電流測(cè)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(diǎn)在于一次繞組串聯(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(cè)電路中的負(fù)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(yùn)行，所以，一次側(cè)電流I1等于二次側(cè)的測(cè)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。但它有很多的致命缺點(diǎn)使得其不能滿足當(dāng)代要求，隨著電壓等級(jí)的提高和傳輸容量的增大,電磁式電流互感器呈現(xiàn)出以下缺點(diǎn):1.絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、造價(jià)高。2.測(cè)量準(zhǔn)確度無法滿足。3.設(shè)備安裝、檢修不方便,維護(hù)工作量大。4.存在潛在的危險(xiǎn)，存在突然性爆炸及絕緣擊穿引起單相對(duì)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(cè)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(jī)理的電流測(cè)量裝置來取代之。因此光纖式電流互感器應(yīng)運(yùn)而生，全光纖電流互感器的優(yōu)點(diǎn)在于其具絕緣無油，五SF6或其他氣體，腔內(nèi)無任何機(jī)械裝置。無二次開路的危險(xiǎn)。無鐵芯剩磁的問題。成本低而且動(dòng)態(tài)范圍大，可測(cè)交直流，無磁飽和，頻帶響應(yīng)寬，抗干擾能力強(qiáng)。但是隨著科技的發(fā)展，已不能滿足當(dāng)代對(duì)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(tái)，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(jìn)來電流檢測(cè)新技術(shù)發(fā)展的杰出代表。它的優(yōu)點(diǎn)有：優(yōu)良的絕緣性能，造價(jià)低。不含鐵芯，消除了磁飽和，鐵磁諧振等問題。抗電磁干擾性能好，穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。暫態(tài)響應(yīng)范圍大，測(cè)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(xiǎn)。體積小，重量輕。適應(yīng)了電力計(jì)量與保護(hù)數(shù)字化，微機(jī)化和自動(dòng)化發(fā)展的潮流。電流檢測(cè)新技術(shù)這個(gè)課題是基于電流檢測(cè)老技術(shù)基礎(chǔ)上的。時(shí)代的發(fā)展和對(duì)檢測(cè)技術(shù)的新要求讓電流檢測(cè)新技術(shù)這個(gè)課題變得越來越重要，亟待我們的研究和設(shè)計(jì)。光電式和光電混合式等的檢測(cè)新技術(shù)的出現(xiàn)可以滿足當(dāng)前需要，但是新技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步需要我們不斷的研究和設(shè)計(jì)。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(jì)和利益帶來極大的好處。研究和設(shè)計(jì)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(cè)新技術(shù)這個(gè)課題的研究和設(shè)計(jì)有關(guān)國民經(jīng)濟(jì)和生活水平，具有很長(zhǎng)遠(yuǎn)的國際戰(zhàn)略等意義。國外利用Faraday磁光效應(yīng)進(jìn)行電流測(cè)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(shí)候進(jìn)行了實(shí)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(jī)，并在實(shí)際高壓電站長(zhǎng)期運(yùn)行。國外ABB、AI—stom、NxtPhase、Siemens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(yùn)行。日本除研究500kV．1000kV高壓電網(wǎng)計(jì)量用的光電電流互感器外，還進(jìn)行500kV以下的直到6．6kV電壓等級(jí)的零序電流互感器的研究。1994年A8B公司推出有源式電流互感器，其電壓等級(jí)為72．5—765kV，額定電流為600—6000A；3M公司在19％年宣布已開發(fā)出用于138kV電壓等級(jí)的全光纖型電流互感器，可用于SOOkV電壓等級(jí)；Photonies公司推出了一種用光推動(dòng)的光電式電流互感器，即”光電混合式電流互感器”，他們?cè)?995年至1997年期間在美國、英國、瑞典的超高壓電網(wǎng)上試運(yùn)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123kV一756kv的光學(xué)電流互感器、光學(xué)電壓互感器及組合式光學(xué)電流電壓互感器等多種電子式互感器。自1995年以來，ALSTOM公司的電子式互感器已經(jīng)有多臺(tái)在歐洲及北美運(yùn)行。在國內(nèi)，直到上個(gè)世紀(jì)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)?；诠鈱W(xué)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(shí)際電力系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)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1982年在上海召開的“激光工業(yè)應(yīng)用座談會(huì)“為起步，主要研究單位有電子部26所和34所、清華大學(xué)、電力科學(xué)研究院、陜西電力局中心試驗(yàn)所j上?；ジ衅鲝S、北方交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、湖南大學(xué)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(shí)驗(yàn)室探索階段。其中，清華大學(xué)和電力部電科院共同承擔(dān)的國家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目，研究出了”0kV光電電流互感器樣機(jī)，但未長(zhǎng)期掛網(wǎng)運(yùn)行。2001年，華中科技大學(xué)與廣東某公司合作研制的”O(jiān)kV光電電流互感器在梅州掛網(wǎng)試運(yùn)行。2002年，清華大學(xué)研制的110kVOECT樣機(jī)在山東掛網(wǎng)試運(yùn)行。目前國內(nèi)的光電電流互感器有以下三個(gè)特點(diǎn)：光電電流互感器研究將在理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)用三個(gè)方面更緊密地結(jié)合。數(shù)字化、智能化是光電電流互感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。光電電流互感器的發(fā)展將促進(jìn)磁、光、電材料的進(jìn)—步開發(fā)。國際電工委員會(huì)關(guān)于電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，以及我國已經(jīng)醞釀起草的電子式電流互感器國家標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)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(chǎng)化提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。經(jīng)過門年的電網(wǎng)改造，電網(wǎng)的綜合自動(dòng)化水平得到了很大的提高，對(duì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)保護(hù)提出了更快速的要求。隨著電網(wǎng)的擴(kuò)大，輸電線路越來越長(zhǎng)，傳統(tǒng)的電流互感器己經(jīng)無法滿足距離保護(hù)的瞬態(tài)特性要求，預(yù)計(jì)在未來5～10年中，電子式電流互感器會(huì)在各種電壓等級(jí)的電網(wǎng)中大量安裝和使用。隨著光電子學(xué)的發(fā)展和成熟，國內(nèi)外很多大學(xué)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(jìn)步，預(yù)計(jì)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(diǎn)，未來光電式電流互感器將會(huì)被廣泛的使用。1.3本課題的研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容目標(biāo)：隨著高壓輸電電壓等級(jí)的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器的體積也不斷增大，對(duì)絕緣的要求也越來越高，導(dǎo)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(jì)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。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(jí)的提高而增大,只要讓二次側(cè)與地面絕緣就可以了，為此可以使用光纖作為信號(hào)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(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理，包括濾波、邏輯變換、AD轉(zhuǎn)換、功率放大。把電信號(hào)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(gè)換線圈來提供電路部分的電源。隨著光電子技術(shù)的迅速發(fā)展，許多科技發(fā)達(dá)國家已經(jīng)把目光轉(zhuǎn)向利用光學(xué)傳感技術(shù)和電子學(xué)方法來發(fā)展新型的電子式電流互感器，簡(jiǎn)稱光電電流互感器。光電電流互感的特點(diǎn)和工作原理能夠很好的滿足我國當(dāng)前和未來的電力系統(tǒng)電流檢測(cè)的需要，是電流檢測(cè)新技術(shù)中發(fā)展前景特別好的一個(gè)方向。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(diǎn)，預(yù)計(jì)未來的50年中，光電式電流互感器會(huì)在各種電壓等級(jí)的電網(wǎng)中大量安裝和使用。除此之外，光電式電流互感器還可以用于一些其他場(chǎng)合，比如便攜式電流互感器、高頻電流測(cè)量、沖擊大電流測(cè)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(jì)對(duì)象，選擇合適的方式和設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電力系統(tǒng)中電流的檢測(cè)。第二章光電電流互感器高壓側(cè)電路的研究光線電流互感器的基本原理光纖電流互感器從傳感頭有無電源供電可分為無源OCT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）.有源型有源型又可稱為混合型（簡(jiǎn)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(hào)通過采樣傳感頭，將電信號(hào)傳遞給發(fā)光元件而變成光信號(hào)，再由光纖傳遞電壓側(cè)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)輸出。有源型光電電流互感器的方框圖如圖2-1所示。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。（1）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：采樣線圈將流過母線的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，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(hào)經(jīng)過電光變換器件（E/O變換）后，變?yōu)楣庑盘?hào)，經(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(hào)還原成電信號(hào)，再經(jīng)過頻壓轉(zhuǎn)換電路即F/V轉(zhuǎn)換部分通過信號(hào)處理單元最后進(jìn)行顯示。壓頻式光纖電流互感器的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（2）精確度抗干擾性能比較高（3）比較適合信號(hào)源距離傳輸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AnalogDevice公司的ADVFC32芯片能夠通過引腳連接方式不同實(shí)現(xiàn)V/F變換或者用于F/V變換，精確度也不錯(cuò)（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來支持高壓側(cè)電子線路的工作，勢(shì)必帶來高壓側(cè)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)使整個(gè)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(cè)量范圍。（2）A/D轉(zhuǎn)換式光電電流互感器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：整個(gè)系統(tǒng)分為高壓子系統(tǒng)和低壓子系統(tǒng)兩個(gè)部分。兩個(gè)系統(tǒng)用光纖連接起來，高壓子系統(tǒng)包括傳統(tǒng)線圈、積分電路、高壓端供電電源、A/D轉(zhuǎn)換器、時(shí)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(shí)序發(fā)生電路和信號(hào)處理電路。在高壓子系統(tǒng)中才用傳統(tǒng)線圈取得電流信號(hào)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(hào)調(diào)制為數(shù)字脈沖信號(hào)，再驅(qū)動(dòng)發(fā)光元件轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖光信號(hào)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(hào)反變換成電信號(hào)，經(jīng)過放大送入儀器儀表。A/D轉(zhuǎn)換式光電電流互感器的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）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(duì)精確度的要求。（2）高壓部分的功耗較小（3）低壓端具有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)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(jī)。有源型光電電流互感器優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)精度高、輸出大的實(shí)用型產(chǎn)品。有源型光電電流互感器的技術(shù)難點(diǎn)是：傳感頭去信號(hào)繞組的制作。積分器的設(shè)計(jì)。供電電源的設(shè)計(jì)。無源型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(dāng)一束線偏振光通過放置在磁場(chǎng)中的法拉第旋光材料后，若磁場(chǎng)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)，即電流信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)對(duì)偏振光波進(jìn)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：無源型結(jié)構(gòu)今年來比較盛行。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，尤其是在高壓側(cè)不需要電源器件使高壓側(cè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，互感器運(yùn)行壽命有保證。其缺點(diǎn)是光學(xué)器件制造難度大，測(cè)量的高精度不容易達(dá)到，尤其是此種電流互感器受費(fèi)爾德（Verdet）常數(shù)和線性雙折射影響嚴(yán)重，而且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(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。全光纖型光電電流互感器實(shí)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：全光纖型光電電流互感器的優(yōu)點(diǎn)是傳感頭結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(dá)到用于互感器環(huán)境的要求，傳感光纖對(duì)環(huán)境具有十分敏感的線性雙折射現(xiàn)象，影響測(cè)量精度及穩(wěn)定性。雖然有的提出了校正時(shí)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(huì)逐漸變質(zhì)難以長(zhǎng)期使用。另外光纖材料的費(fèi)爾德常數(shù)不夠大且隨溫度變化較大，也影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)過程中還存在長(zhǎng)期穩(wěn)定性的問題，因此在實(shí)際掛網(wǎng)之前需要更深入的研究。綜合2.1節(jié)，因?yàn)橛性葱凸怆婋娏骰ジ衅鞯闹谱麟y點(diǎn)在電子學(xué)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(fèi)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(jì)的目標(biāo)。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常大的電源來驅(qū)動(dòng)V/F變換，而目前所設(shè)計(jì)的電源很難達(dá)到要求，因此本文決定采用A/D轉(zhuǎn)換式光電電流互感器。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(jì)，除了從光數(shù)字信號(hào)中恢復(fù)出數(shù)字電流信號(hào)外，還可以通過數(shù)字信號(hào)電路的處理，便于與微機(jī)保護(hù)裝置、計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制裝置及其它數(shù)字儀表進(jìn)行通信和電流數(shù)字信號(hào)的傳送，也可以輸出模擬電流信號(hào)，以便與傳統(tǒng)的儀器儀表對(duì)接，利用數(shù)字信號(hào)處理電路還可以組成光電式電壓和電流的復(fù)合式互感器，以及將保護(hù)和控制集成在一起，也有利于向智能化互感器方向發(fā)展。本章系統(tǒng)而簡(jiǎn)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(jì)的總方案。第三章光電電流互感器供能方案的研究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(shí)際上，電源電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電路設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一環(huán)。電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)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(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。它對(duì)現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)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。安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行是電子式電流互感器應(yīng)該達(dá)到的基本要求，同時(shí)，這也是對(duì)電子式電流互感器高壓側(cè)電源系統(tǒng)的最基本要求，因?yàn)殡娫词拐９ぷ鞯谋匾獥l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(biāo)：一定的輸出功率較短的啟動(dòng)時(shí)間較小的啟動(dòng)電流或電壓輸出電壓質(zhì)量好和自身功耗低極端情況下的防護(hù)能力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。母線電流取能供電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(gè)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(chǎng)，通過磁場(chǎng)來獲取能量。此功能方式體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣封裝簡(jiǎn)單、使用安全；供電比較可靠、成本低。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于電力系統(tǒng)負(fù)荷變化很大，母線電流隨之變化很大，母線短路瞬時(shí)電流可超過十倍額定電流，因此磁感應(yīng)線圈必須同時(shí)兼顧最小、最大兩種極限條件，設(shè)計(jì)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(shí)能夠提供足以驅(qū)動(dòng)處于高壓側(cè)電子電路的功率，二是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路大電流時(shí)，能吸收多余的能量，給電子線路一個(gè)穩(wěn)定的電源，其本身也不會(huì)因過電壓而損壞。電容電流取能供電由于系統(tǒng)電壓在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的變化范圍較母線電流要小得多，所以對(duì)高壓側(cè)電源的設(shè)計(jì)可以考慮通過高壓母線環(huán)周圍存在的電場(chǎng)來取能。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。由于一次電壓相對(duì)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(jì)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(yán)格的過電壓防護(hù)和電磁兼容設(shè)計(jì)；其次就是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(huì)帶來更多的問題。激光功能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(diǎn)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(diǎn)是能量以光形式通過光纖傳輸?shù)礁邏簜?cè)，完全實(shí)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(dòng)的影響，噪聲小，可長(zhǎng)期安全、可靠地供電，同時(shí)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(jì)存在各種設(shè)計(jì)難點(diǎn)，如必須采取措施對(duì)溫度進(jìn)行自動(dòng)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。蓄電池供電該方法采用蓄電池對(duì)高壓側(cè)的電子線路進(jìn)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(jì)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(duì)電池進(jìn)行充電。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中很少被采用。一般情況下，該供能方式都被用作輔助式電源。綜上所述，通過對(duì)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(shí)際，針對(duì)母線電流可能為靈時(shí)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(gè)組合，即使電流為零，電壓源也仍能供電。本章主要論述了系統(tǒng)供能電源的基本原理和設(shè)計(jì)指標(biāo)，并分析比較了各種可行的電子式電流互感器供能方案，進(jìn)行了研討，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的供電方案-雙電源式供電方案。第四章高壓側(cè)傳感器部分的理論及設(shè)計(jì)電流測(cè)量裝置是通過電流傳感元件進(jìn)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(cè)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(hào)才能輸入到發(fā)送端的電子電路。用電流互感器作為電流互感元件是一個(gè)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(jí)和次級(jí)繞組之間不必有特別高的絕緣要求；微型CT的二次側(cè)輸出是一個(gè)小的交流電壓信號(hào)。這種不必考慮高壓絕緣問題的電流互感器容易做到相當(dāng)高的測(cè)量精度，同時(shí)提及可以做得相當(dāng)小。濾波器的主要作用就是提高測(cè)量通道的輸入信號(hào)的測(cè)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(cè)量信號(hào)中二階及其二次以上的諧波成分，一階低通濾波器飛衰減率是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。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(shí)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(shí)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(shí)際需要，來尋找最佳的近似理想的濾波電路。例如，主要考慮幅頻響應(yīng)，而不考慮相頻響應(yīng)；也可反之；設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)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(jì)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(dāng)頻率w小于截止頻率wc時(shí)，幅度的響應(yīng)最平，但是當(dāng)w>wc后，幅頻響應(yīng)快速下降，當(dāng)w趨向于無窮大時(shí)，幅頻響應(yīng)的曲線幾乎與橫坐標(biāo)軸是一條線，可以有效的濾波干擾信號(hào)。該巴特沃斯二階低通濾波電路的傳遞函數(shù)為：其中，通帶電壓增益為：特征角頻率為：等效品質(zhì)因數(shù)：相應(yīng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)表達(dá)式分別是：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(duì)低頻信號(hào)可以進(jìn)行有效的傳輸，對(duì)高頻信號(hào)起到明顯的衰減作用。若需要沒有增益的信號(hào)，運(yùn)算放大器就是一個(gè)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(huì)有一定的相位偏移和幅值增益。因此，在設(shè)計(jì)移相電路時(shí)，必須要考慮這一因素。圖3-11是用Proteus仿真軟件對(duì)濾波電路進(jìn)行仿真，通過信號(hào)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(hào)，另外再加入一個(gè)干擾信號(hào)，其輸入頻率為10KHz，幅值為200mV的正弦電壓信號(hào)，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(jì)的要求。4.3A/D轉(zhuǎn)換器電子式電流互感器高壓端的待測(cè)信號(hào)是正比于高壓輸電線中50Hz電流的模擬電壓信號(hào)。由于系統(tǒng)的高壓端和低壓端是通過光纖進(jìn)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(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器，以及驅(qū)動(dòng)它工作的時(shí)序電路。A/D轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)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：（1）功耗小；（2）采樣頻率足夠高；（3）串行A/D芯片；（4）電壓輸入范圍應(yīng)為雙極性；（5）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。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、精度高的特點(diǎn)，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(dá)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(shí)的功耗僅為0.3mW；在非轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)可處于關(guān)閉模式，此時(shí)功耗可低至100μW；ADS8320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(dòng)輸入信號(hào)范圍為500mV～VCC(工作電源)；采用8引腳MSOP小體積封裝。以上特點(diǎn)使ADS8320非常適用于便攜式電池供電系統(tǒng)中。1內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列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、串行接口電路等組成。其管腳排列如圖2所示。各引腳的功能如下：●VREF為外接參考電壓輸入端；●+IN、-IN為外接差動(dòng)模擬信號(hào)輸入端；●+Vcc、GND為供電電源接入端；●CS/SHDN為片選/關(guān)斷控制端；●DCLOCK為時(shí)鐘輸入端；●DOUT為A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果串行輸出端2工作時(shí)序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(jìn)行通信，其工作時(shí)序如圖3所示。當(dāng)CS/SHDN端從高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛兀r(shí)，芯片的整個(gè)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸過程被初始化，DCLOCK端的最初4.5～5個(gè)時(shí)鐘脈沖用于對(duì)輸入模擬信號(hào)的采樣，此時(shí)DOUT端處于高阻態(tài)；在隨后的DCLOCK下降沿，DOUT端將輸出一個(gè)可持續(xù)一個(gè)脈沖周期的低電平信號(hào)，以作為將要輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的標(biāo)志；緊接著在16個(gè)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。DCLOCK信號(hào)的下降沿可用來控制A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果在DOUT端的同步傳輸，大多數(shù)接收系統(tǒng)對(duì)DOUT端轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字位流的采集在DCLOCK的上升沿進(jìn)行。當(dāng)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(shí)是由最低位（LSB）到最高位（MSB）依次輸出，直到當(dāng)最高位輸出出現(xiàn)重復(fù)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，當(dāng)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。當(dāng)CS/SHDN端接高電平（下降沿）時(shí)，ADS8320在關(guān)斷模式下低功耗工作，只有當(dāng)CS/SHDN端從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片方可重新初始化而進(jìn)行另一次A/D轉(zhuǎn)換。第五章傳輸部分的理論分析和設(shè)計(jì)為了更好的解決高壓側(cè)的絕緣問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用光纖作為傳輸介質(zhì)將A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)送到低壓側(cè)盡心數(shù)據(jù)處理和模擬波形的恢復(fù)。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(diǎn)可以從根本上解決這些缺點(diǎn)，電壓等級(jí)越高，越能體現(xiàn)出采用光纖的優(yōu)點(diǎn)。光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)是由光纖連接器、光導(dǎo)纖維及其連接部件構(gòu)成的。5.1數(shù)據(jù)的電/光轉(zhuǎn)換、發(fā)送/接收及光纖連接器A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，要通過光纖送到低壓側(cè)，所以首先要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，所以要用到電光轉(zhuǎn)換器。選擇光源時(shí)我們要考慮一下幾點(diǎn)：1光源的輻射強(qiáng)度足夠大，光源波長(zhǎng)與所用光纖的低損耗波長(zhǎng)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(zhǎng)期野外惡劣的環(huán)境中工作。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(jià)高、壽命短。LED發(fā)光二極管受溫度影響較小，功耗低、造價(jià)低、壽命長(zhǎng)，不用光反饋裝置和溫度控制。驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，可以在很低的驅(qū)動(dòng)電流下工作，非常適合本設(shè)計(jì)對(duì)低功耗要求。高壓側(cè)采樣的數(shù)字信號(hào)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(jì)采用光纖來傳輸高低壓間數(shù)字信號(hào)。采用光纖傳輸測(cè)得的數(shù)字信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)高低壓間的電器隔離，降低電磁干擾影響。用光纖傳送數(shù)字信號(hào)有很強(qiáng)的抗共模干擾及抗電磁干擾能力，能很好的實(shí)現(xiàn)高低壓間的電器隔離，傳輸精度高、影響時(shí)間短，傳輸過程中損耗較小。本章簡(jiǎn)要介紹了高壓側(cè)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)的實(shí)現(xiàn)過程，以及光源和光纖的選擇。第六章結(jié)論和成果作為一種新型測(cè)量手段，光學(xué)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(cè)量手段所不可企及的優(yōu)越性。今天，雖然純光學(xué)的電流傳感器達(dá)到實(shí)用的的條件尚不成熟，但是結(jié)合電學(xué)傳感方法與光學(xué)電流傳感器兩者優(yōu)點(diǎn)的光電混合式電流互感器卻有實(shí)現(xiàn)的可能。本論文正是在這方面做出了嘗試。實(shí)現(xiàn)了該種電流互感器的設(shè)計(jì)。其主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新可概括為：（1）在對(duì)現(xiàn)有常規(guī)電流互感器的理論模型和響應(yīng)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，指出了其存在的原理缺陷；全面評(píng)述新型光學(xué)電流互感器所具有的優(yōu)勢(shì)及其研究現(xiàn)狀，繼而提出結(jié)合傳統(tǒng)電學(xué)傳感方法和光纖傳輸兩者優(yōu)點(diǎn)的有源型光電電流互感器是目前最為切實(shí)可行的新型電流傳感器。（2）實(shí)現(xiàn)了普通線圈傳感、A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)光纖傳輸相結(jié)合的電流互感器方案。（3）提出并實(shí)現(xiàn)了基于特殊電流互感器的電網(wǎng)在線供能方案，對(duì)傳感電路工作電源及電源電路作了理論和實(shí)驗(yàn)探討。采用穩(wěn)壓電路，當(dāng)特殊電流互感器