CN101916647A - 多频段测量数字式线性交流电流互感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多频段测量数字式线性交流电流互感器及其测量方法。它在有源数字式电流互感器基础上，利用先进可控制的高速信号采集处理和光纤传导技术，在保证工频电流测量的前提下，增加高频测量功能，实现可多频段控制测量的交流电流互感器。其结构为：它包括数字式线性交流电流传感器，该数字式线性交流电流传感器输出端与高压侧高速数据采集模块输入端连接，高压侧高速数据采集模块输出端与高速光纤绝缘传输模块输入端连接，高速光纤绝缘传输模块输出端分别与工频输出接口和信号分频模块输入端连接，信号分频模块输出端分别与谐波输出接口和高频输出接口的输入端连接，分别输出测量值。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高速采集性能的多频段测量数字式线性交流电流互感器及其测量方法，它在有源数字式电流互感器基础上，利用先进的可控制的高速信号采集处理和光纤传导技术，实现可多频段测量。
背景技术
几十年以来电流互感器，多采用电磁式结构，系统测量目的主要为电能计量和继电保护，由于电磁式结构的特点，无法实现高频信号的测量。随着电网的发展，对掌握系统和设备的运行状态，及时预见和分析异常发生发展的趋势，电流高频信号的测量日益重要，迫切需要具有高速采集性能的数字式线性交流电流互感器，实现对电网运行多参数的测量。
随着智能电网的建设和发展，电力系统通讯和信息系统飞速发展，各种高速A/D变换及数值采集技术更加成熟，将用于电力系统计量和保护的电流互感器拓展其功能，实现电网电能质量和为变电站设备的状态监测和诊断提供数据成为可能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决目前对电网运行多频段电流测量不便的问题，提供一种适用各高电压等级，具有高频信号采集，线性度高，数字式，高精度等特点的具有高速采集性能的多频段测量数字式线性交流电流互感器及其测量方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多频段测量数字式线性交流电流互感器，它包括数字式线性交流电流传感器，该数字式线性交流电流传感器输出端与高压侧高速数据采集模块输入端连接，高压侧高速数据采集模块输出端与高速光纤绝缘传输模块输入端连接，高速光纤绝缘传输模块输出端分别与工频输出接口和信号分频模块输入端连接，信号分频模块输出端分别与谐波输出接口和高频输出接口的输入端连接，分别输出测量值。
所述数字式线性交流电流互感器为罗科夫斯基线圈或电阻式传感器。
所述高压侧高速数据采集模块主要由高频信号采集模块和工频信号采集模块组成；其中，
所述高频信号采集模块包括扫频及低频滤波器，它的输入端与数字式线性交流电流传感器输出端连接，输出端与信号放大器输入端连接；信号放大器输出端与超高速数模转换A/D模块输入端连接；超高速数模转换A/D模块输出端分为两路，分别与数字控制振频器的两个输出端分别汇合后与两个低频数字滤波器分别连接；两个低频数字滤波器输出端与波形寄存器I输入端连接，波形寄存器I的输出端分别与数字控制振频器的输入端和光电转换模块连接；
所述工频信号采集模块包括模数转换器ADC，它的输入端与数字式线性交流电流传感器输出端连接，输出端与高频滤波器连接；高频滤波器的输出端与高通滤波器输入端连接，高通滤波器输出端与数字积分器输入端连接，数字积分器输出端与波形寄存器II输入端连接，波形寄存器II输出端与逻辑控制电路输入端连接，逻辑控制电路输出端与光电转换模块输入端连接；
所述光电转换模块输出端与高速光纤绝缘传输模块输入端连接；
取电供电模块为高频信号采集模块、工频信号采集模块和逻辑控制电路供电。
所述逻辑控制电路为时序控制电路。
所述取电供电模块包括电磁式互感器，它与保护电路连接，保护电路、整流电路、稳压电路和电容储能电路依次连接，电容储能电路为电源输出端。
所述高速光纤绝缘传输模块主要由光发射机、光纤、光接收机三部分依次连接构成；其中光发射机由LED型发光发送器及其调制、驱动电路组成，将高压侧的采样电信号数据流转换成光学数据流；光接收机为高速集成光接收器件。
所述信号分频模块为150Hz～600Hz中频带通有源滤波器和30kHz及以上的高频带通有源滤波器，它们输入端均与高速光纤绝缘传输模块连接，输出端分别输出到谐波输出接口和高频输出接口。
所述工频输出接口主要由相互连接的SDP数据处理模块和以太网输出接口构成；所述谐波输出接口主要由串联的中频数字信号放大器、高频滤波器、低频滤波器I和跟随器I构成，跟随器I通过以太网输出接口输出信号；所述高频输出接口主要由依次连接的高频数字信号放大器、低频滤波器II和跟随器II以及高速数据存储器构成，跟随器II通过以太网输出接口输出信号。
一种多频段测量数字式线性交流电流互感器的测量方法，利用数字式线性交流电流传感器采集高压侧电流信号，并将电流信号送入高压侧高速数据采集模块，该模块分别进行高频信号采集和工频信号采集；其中，高频信号采集是首先对采集的模拟电流信号进行扫频及低频滤波、放大，再进行超高速数模转换，以及数字控制振频器和低频数字滤波完成将特定频段内的有用信号搬到基带的处理；通过改变数字控制振频器的震荡频率实现高频信号的采样频率控制，以完成对全频带的信号搜索和选频；工频信号采集则是对工频信号进行模数转换、高频和低频滤波、数字积分、波形寄存和逻辑控制处理；高频信号采集和工频信号采集初步处理后的数字信号进行打包，通过高速光纤绝缘传输模块传送到信号分频模块和工频输出接口，完成对工频数字量的输出；同时信号分频模块完成谐波和高频信号分离，并通过谐波输出接口和高频输出接口，分别完成谐波和高频数字量输出。
本发明包括具有高速采集性能的数字式线性交流电流互感器，包括数字式线性交流电流互感器，该数字式线性交流电流互感器与高压侧高速数据采集模块、高速光纤绝缘传输模块依次连接，高速光纤绝缘传输模块则分别与工频输出接口和信号分频模块连接，信号分频模块分别与谐波输出接口和高频输出接口连接，分别输出测量值。
本发明包括具有高速采集性能的数字式线性交流电流互感器是一种有源型电子式互感器，其工作过程为：安装于导线的罗科夫斯基线圈(或电阻式传感器)传感器将被测电流按一定变比变为电压信号输出给位于高电位的高压侧高速数据采集模块；首先工频信号采集模块接到由地面的合并单元向高电位的逻辑控制器发送同步采样命令，启动采样，完成采样值组帧编码并暂存；同时高频信号采集模块采集通过扫频发现异常信号并发往地面的合并单元后，接受其发往数字控制振荡器的采集核心频率及同步采样指令，完成高频信号的有效采集及数字信息处理；将工频和高频数字信息打包经高速光纤绝缘传输模块实现将高压端的采集的信息传输到地电位；信号分频模块将中、高频数字信号从高速采集信息部分中分离开；通过工频、谐波和高频输出接口，实现对正常工频电流、电网谐波电流和瞬态信号的处理和输出。
数字式线性交流电流传感器，将一次电流按一定比例感应为电压信号。高压侧高速数据采集模块，完成对工频、高频信号的采集、数模变换等处理。高速光纤绝缘传输模块，完成对数字信号的光电转换、传输、高低压绝缘功能。信号分频模块，完成高频数字信号中的高频暂态和谐波分离功能。工频输出接口，将工频数字信号整理输出。谐波输出接口，完成谐波数字信号整理输出。高频输出接口，完成高频数字信号整理输出。高频信号采集模块，是高压侧高速数据采集模块的一部分，完成对高频信号的控制采集、数模变换等处理。工频信号采集模块，是高压侧高速数据采集模块的一部分，完成对工频信号的采集、数模变换等处理。逻辑控制电路，在工频信号采集模块中，完成同步采样命令识别、电流信号采样值读出、数据排序功能。光电转换模块，完成将数字信号转为光信号或光信号转为数字电信号的功能。取电供电模块，完成从高压导线感应取电功能，模数转换器ADC，实现信号的数模转换。高频滤波器，在工频信号采集模块中，滤去高频干扰信号。高通滤波器，在高频信号采集模块中，仅让采集的高频段信号通过。数字积分器，将数字式线性交流电流传感器感应的电压信号，还原为被测的电流信号。波形寄存器II，在工频信号采集模块中，将处理后的信息暂存，等待打包进行光电转换。扫频及低频滤波器，在高频信号采集模块中，负责发现高频信号，并滤去低频信号。信号放大器，在高频信号采集模块中，对微弱的高频信号进行放大处理。超高速数模转换A/D模块，实现高频信号的数模转换。数字控制振荡器，在高频信号采集模块中，通过改变其震荡频率，实现对全频带的信号搜索和工作模式的控制。低频数字滤波器，在高频信号采集模块中，滤去低频信号。波形寄存器I，在高频信号采集模块中，将处理后的高频数字信息暂存，等待打包进行光电转换。电磁式互感器，在取电供电模块中，实现从高压导线感应电能的功能，保护电路，在取电供电模块中，保护取电供电模块免受系统短路等异常情况下的破坏。整流电路，在取电供电模块中，将电磁式互感器感应的交流转为直流，提供高压侧高速数据采集模块所需要的直流电源。稳压电路，在取电供电模块中，保证高压侧高速数据采集模块所需直流电源的稳定输出。电容储能电路，在取电供电模块中，存储直流电源，保证直流电源的稳定。光发射机，将信号编为适合在光缆传输的码型；进行电/光转换，将电信号转换成光信号并耦合进光纤。光纤，传输光信号、并实现高低压绝缘功能。光接收机，接收光信号实现包括光检测、放大、信号处理、光/电转换的功能。SDP数据处理模块，在工频输出模块中，完成在地面的工频信号数据整理功能。以太网输出接口，完成将信息发送到变电站站域应用层的功能。中频数字信号放大器，在谐波输出模块中，完成对谐波信号的放大整理功能。高频滤波器，在谐波输出模块中，完成谐波信号的高频滤波功能。低频滤波器I，在谐波输出模块中，完成谐波信号的低频滤波功能。跟随器I，在谐波输出模块中，起谐波信号的输出缓冲及提高输出信噪比功能。高频数字信号放大器，在高频输出模块中，完成对高频信号的放大整理功能。低频滤波器II，在高频输出模块中，完成对高频信号的低频滤波功能。跟随器II，在高频输出模块中，起高频信号的输出缓冲及提高输出信噪比功能。高速数据存储器，在高频输出模块中，对数字式线性交流电流传感器中数据量较大的高频输出信号的进行暂时存储。
本发明的有益效果是：具有高速采集性能的数字式线性交流电流互感器，就是通过置于高电位的罗科夫斯基线圈(Rogowski)(或电阻式传感器)电流的测量、高速数模变换及光电转换、光导绝缘传输、地电位的信号分频系统以及至少三个数字量输出端口，实现对正常工频电流、电网谐波电流和瞬态信号的测量。它适用各高电压等级，具有高频信号采集，线性度高，数字式，高精度等优点。实现对除具备常规电子式电流互感器的电能计量、继电保护提供信号外，还具备电网谐波电流和瞬态信号的测量，对掌握系统和设备的运行状态，及时预见和分析异常发生发展的趋势，实现对电网运行多参数的实时测量具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为高压侧高速数据采集模块结构示意图；
图3为供电取电模块结构示意图；
图4为高速光纤绝缘传输模块结构示意图；
图5为工频信号输出接口结构示意图；
图6为谐波输出接口结构示意图；
图7为高频数据输出接口结构示意图。
其中，1.数字式线性交流电流传感器，2.高压侧高速数据采集模块，3、高速光纤绝缘传输模块，4、信号分频模块，5、工频输出接口，6、谐波输出接口，7、高频输出接口，8、高频信号采集模块，9、工频信号采集模块，10、逻辑控制电路，11、光电转换模块，12、取电供电模块，13、模数转换器ADC，14、高频滤波器，15、高通滤波器，16、数字积分器，17、波形寄存器II，18、扫频及低频滤波器，19、信号放大器，20、超高速数模转换A/D模块，21、数字控制振荡器，22、低频数字滤波器，23、波形寄存器I，24、电磁式互感器，25、保护电路，26、整流电路，27、稳压电路，28、电容储能电路，29、光发射机29，30、光纤，31、光接收机，32、SDP数据处理模块，33、以太网输出接口，34、中频数字信号放大器，35、高频滤波器，36、低频滤波器I，37、跟随器I，38、高频数字信号放大器，39、低频滤波器II，40、跟随器II，41、高速数据存储器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中，它包括数字式线性交流电流传感器1，该数字式线性交流电流传感器输出端与高压侧高速数据采集模块2输入端连接，高压侧高速数据采集模块2输出端与高速光纤绝缘传输模块3输入端连接，高速光纤绝缘传输模块3输出端分别与工频输出接口5和信号分频模块4输入端连接，信号分频模块4输出端分别与谐波输出接口6和高频输出接口7的输入端连接，分别输出测量值。
所述数字式线性交流电流互感器1为罗科夫斯基线圈或电阻式传感器。
图2中，所述高压侧高速数据采集模块2主要由高频信号采集模块8和工频信号采集模块9组成；其中，
所述高频信号采集模块8包括扫频及低频滤波器18，它的输入端与数字式线性交流电流传感器1输出端连接，输出端与信号放大器19输入端连接；信号放大器19输出端与超高速数模转换A/D模块20输入端连接；超高速数模转换A/D模块20输出端分为两路，分别与数字控制振频器21的两个输出端分别汇合后与两个低频数字滤波器22分别连接；两个低频数字滤波器22输出端与波形寄存器I23输入端连接，波形寄存器I23的输出端分别与数字控制振频器21的输入端和光电转换模块11连接；
所述工频信号采集模块9包括模数转换器ADC13，它的输入端与数字式线性交流电流传感器1输出端连接，输出端与高频滤波器14连接；高频滤波器14的输出端与高通滤波器15输入端连接，高通滤波器15输出端与数字积分器16输入端连接，数字积分器16输出端与波形寄存器II17输入端连接，波形寄存器II17输出端与逻辑控制电路10输入端连接，逻辑控制电路10输出端与光电转换模块11输入端连接；
所述光电转换模块11输出端与高速光纤绝缘传输模块3输入端连接；
取电供电模块12为高频信号采集模块8、工频信号采集模块9和逻辑控制电路10供电。
所述逻辑控制电路10为时序控制电路。
图3中，所述取电供电模块12包括电磁式互感器24，它与保护电路25连接，保护电路25、整流电路26、稳压电路27和电容储能电路28依次连接，电容储能电路28为电源输出端。
图4中，所述高速光纤绝缘传输模块3主要由光发射机29、光纤30、光接收机31三部分依次连接构成；其中光发射机29由LED型发光发送器及其调制、驱动电路组成，将高压侧的采样电信号数据流转换成光学数据流；光接收机31为高速集成光接收器件。
所述信号分频模块4为150Hz～600Hz中频带通有源滤波器和30kHz及以上的高频带通有源滤波器，它们输入端均与高速光纤绝缘传输模块3连接，输出端分别与谐波输出接口和高频输出接口连接。
图5中，所述工频输出接口5主要由相互连接的SDP数据处理模块32和以太网输出接口33构成；所述谐波输出接口6主要由串联的中频数字信号放大器34、高频滤波器35、低频滤波器I36和跟随器I37构成，跟随器I37通过以太网输出接口33输出信号；所述高频输出接口7主要由依次连接的高频数字信号放大器38、低频滤波器II39和跟随器II40以及高速数据存储器41构成，跟随器II40通过以太网输出接口33输出信号。
本发明的多频段测量数字式线性交流电流互感器的测量方法，利用线性交流电流传感器采集高压侧电流信号，并将电流信号送入高压侧高速数据采集模块，该模块分别进行高频信号采集和工频信号采集；其中，高频信号采集是首先对采集的模拟电流信号进行扫频及低频滤波、放大，再进行超高速数模转换，以及数字控制振频器和低频数字滤波完成将特定频段内的有用信号搬到基带的处理；通过改变数字控制振频器的震荡频率实现高频信号的采样频率控制，以完成对全频带的信号搜索和选频；工频信号采集则是对工频信号进行模数转换、高频和低频滤波、数字积分、波形寄存和逻辑控制处理；高频信号采集和工频信号采集初步处理后的数字信号进行打包，通过高速光纤绝缘传输模块传送到信号分频模块和工频输出接口，完成对工频数字量的输出；同时信号分频模块完成谐波和高频信号分离，并通过谐波输出接口和高频输出接口，分别完成谐波和高频数字量输出。
Claims (9)
1.一种多频段测量数字式线性交流电流互感器，其特征是，它包括数字式线性交流电流传感器，该数字式线性交流电流传感器输出端与高压侧高速数据采集模块输入端连接，高压侧高速数据采集模块输出端与高速光纤绝缘传输模块输入端连接，高速光纤绝缘传输模块输出端分别与工频输出接口和信号分频模块输入端连接，信号分频模块输出端分别与谐波输出接口和高频输出接口的输入端连接，分别输出测量值。
2.如权利要求1所述的多频段测量数字式线性交流电流互感器，其特征是，所述数字式线性交流电流互感器为罗科夫斯基线圈或电阻式传感器。
3.如权利要求1所述的多频段测量数字式线性交流电流互感器，其特征是，所述高压侧高速数据采集模块主要由高频信号采集模块和工频信号采集模块组成；其中，
所述高频信号采集模块包括扫频及低频滤波器，它的输入端与数字式线性交流电流传感器输出端连接，输出端与信号放大器输入端连接；信号放大器输出端与超高速数模转换A/D模块输入端连接；超高速数模转换A/D模块输出端分为两路，分别与数字控制振频器的两个输出端分别汇合后与两个低频数字滤波器分别连接；两个低频数字滤波器输出端与波形寄存器I输入端连接，波形寄存器I的输出端分别与数字控制振频器的输入端和光电转换模块连接；
所述工频信号采集模块包括模数转换器ADC，它的输入端与数字式线性交流电流传感器输出端连接，输出端与高频滤波器连接；高频滤波器的输出端与高通滤波器输入端连接，高通滤波器输出端与数字积分器输入端连接，数字积分器输出端与波形寄存器II输入端连接，波形寄存器II输出端与逻辑控制电路输入端连接，逻辑控制电路输出端与光电转换模块输入端连接；
所述光电转换模块输出端与高速光纤绝缘传输模块输入端连接；
取电供电模块为高频信号采集模块、工频信号采集模块和逻辑控制电路供电。
4.如权利要求3所述的多频段测量数字式线性交流电流互感器，其特征是，所述逻辑控制电路为时序控制电路。
5.如权利要求3所述的多频段测量数字式线性交流电流互感器，其特征是，所述取电供电模块包括电磁式互感器，它与保护电路连接，保护电路、整流电路、稳压电路和电容储能电路依次连接，电容储能电路为电源输出端。
6.如权利要求1所述的多频段测量数字式线性交流电流互感器，其特征是，所述高速光纤绝缘传输模块主要由光发射机、光纤、光接收机三部分依次连接构成；其中光发射机由LED型发光发送器及其调制、驱动电路组成，将高压侧的采样电信号数据流转换成光学数据流；光接收机为高速集成光接收器件。
7.如权利要求1所述的多频段测量数字式线性交流电流互感器，其特征是，所述信号分频模块为150Hz～600Hz中频带通有源滤波器和30kHz及以上的高频带通有源滤波器，它们输入端均与高速光纤绝缘传输模块连接，输出端分别输出到谐波输出接口和高频输出接口。
8.如权利要求1所述的多频段测量数字式线性交流电流互感器，其特征是，所述工频输出接口主要由相互连接的SDP数据处理模块和以太网输出接口构成；所述谐波输出接口主要由串联的中频数字信号放大器、高频滤波器、低频滤波器I和跟随器I构成，跟随器I通过以太网输出接口输出信号；所述高频输出接口主要由依次连接的高频数字信号放大器、低频滤波器II和跟随器II以及高速数据存储器构成，跟随器II通过以太网输出接口输出信号。
9.一种权利要求1所述的多频段测量数字式线性交流电流互感器的测量方法，其特征是，利用数字式线性交流电流传感器采集高压侧电流信号，并将电流信号送入高压侧高速数据采集模块，该模块分别进行高频信号采集和工频信号采集；其中，高频信号采集是首先对采集的模拟电流信号进行扫频及低频滤波、放大，再进行超高速数模转换，以及数字控制振频器和低频数字滤波完成将特定频段内的有用信号搬到基带的处理；通过改变数字控制振频器的震荡频率实现高频信号的采样频率控制，以完成对全频带的信号搜索和选频；工频信号采集则是对工频信号进行模数转换、高频和低频滤波、数字积分、波形寄存和逻辑控制处理；高频信号采集和工频信号采集初步处理后的数字信号进行打包，通过高速光纤绝缘传输模块传送到信号分频模块和工频输出接口，完成对工频数字量的输出；同时信号分频模块完成谐波和高频信号分离，并通过谐波输出接口和高频输出接口，分别完成谐波和高频数字量输出。
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