CN101950660A - 一种超声波供能的有源光电电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波供能的有源光电电流互感器,包括一个供电系统和一个电流测量系统。该供电系统由3组超声波供电单元按照1+2(1个供电,其余2个备用)的主备方式组成。3组供电单元电连接储能电源和电源诊断单元,储能电源对高压侧的电流测量系统供电,电源诊断模块对3组供电单元的供电故障进行诊断,用光纤把诊断信息传送到超声波驱动电源,对3组供电单元中的故障进行主备用工作方式替换和驱动控制。电流测量系统利用低功耗电流互感器(LPCT)或者Rogowski线圈从一次母线获取电流测量信息,并进行处理和转换,利用光纤传送到低压侧二次处理系统,通过还原电流信息,实现对高压电流的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种有源光电式电流互感器。
背景技术
光电电流互感器在智能电网的测量、计量、电力分配调度、继电保护、自动控制、自动监测等领域的应用十分广泛;随着电力系统向高电压和超高压方向的发展,特别是智能电网的发展,对互感器的性能提出了更高更新的要求,传统的电磁互感器已经成为制约智能电网发展的“瓶颈”,急需要更新换代。发展光电互感器是突破“瓶颈”和更新换代的有效途经,也是智能电网建设的迫切需求。目前光电式互感器已经成为国内电力运行、设备制造、智能电网规划和建设等各方十分关注的焦点。
传统的电磁式电流互感器由于存在铁磁饱和、频率响应低、高压绝缘能力差、运行事故多等,已经无法满足电力系统的发展要求。开发线性性能好、频率范围宽、高压绝缘能力强的电流互感器已经是电力系统发展的迫切需要。有源光电电流互感器的抗电磁干扰性能好,测量精度高,动态范围大,频率响应范围宽,体积小,重量轻,价格便宜,与数字设备的接口方便等,它集光、磁、电、计算机技术于一身,是一项通过弱电来测量强电的高新技术,具有广泛的应用前景,已逐渐成为高压电流互感器的发展潮流。
光纤电流互感器主要有纯光学电流互感器和有源光电电流互感器(光电混合式电流互感器)两种形式,纯光学电流互感器由于受环境温度和震动等因素的影响,其性能的稳定性很差,不能满足电力系统的实用化要求;有源光电电流互感器利用Rogowski线圈的电磁测量原理测量电流,利用光纤通信传输测量信息,克服了纯光学电流互感器的稳定性差的难题,良好的稳定性和精确的测量精度使其得到了快速发展,目前已经进入了实用阶段,但有源光电电流互感器高压侧的测量、数据处理和光电信息传输系统等需要供电电源,供电电源目前主要有“高压侧一次电流电磁感应供电”和“激光供能供电”等供电方式。“高压侧一次电流电磁感应供电”在一次电流比较小时存在供电能量不足,形成无法工作的供电死区,当一次电流很大和短路时又存在供电能量过大,对电路产生冲击的技术难题;激光供能供电虽然性能稳定,能很好的满足供电的稳定性要求,但供电能量比较小,对测量和光电传输系统的节能和抗干扰要求很高,而且价格太贵,长期运行寿命不能满足要求。有源光电电流互感器的高压侧供能供电是困扰其实用化的主要技术难题。
光电互感器国外主要有几家大公司(ABB,西门子等)在生产,实用化的产品主要是激光供能的有源光电互感器,核心技术——激光供能技术垄断在个别公司手中,拥有严格的知识产权保护和技术壁垒,价格十分昂贵。
光电互感器国内还没有企业能规模化生产,目前基本处于研究和开发阶段,能小批量试生产的几家企业基本都没有自主的核心技术,产品基本是模仿国外的同类产品——采用激光供能的有源光电互感器,核心技术部件激光供能器全部依赖进口。
发明内容
针对有源光电电流互感器的高压侧在供能供电方面所存在的技术难题,本发明提供了一种基于超声波传能供电的有源光电电流互感器,可满足有源光电电流互感器高压侧的电流测量、数据处理和光电信息传输系统等所需的供电要求,
为达到以上目的,本发明是采取如下技术方案予以实现的:
一种超声波供能的有源光电电流互感器,包括一个基于超声波传能的供电系统和一个电流测量及光电信息传输的电流测量系统,
所述供电系统包括3组超声供电单元,它们按照1个供电,其余2个备用的工作方式组成,由设置在低压侧的一个超声波驱动电源单元分别选择驱动3组超声波供电单元中的其中1组工作;3组超声供电单元的输出电连接设置在高压侧的一个含有储能电源模块和电源诊断模块的单元,其中的储能电源模块的输出连接到电流测量系统,给电流测量系统高压侧的电流测量和光电传输单元供电;而电源诊断模块对各组超声供电单元的电源故障进行诊断,并利用光纤把诊断信息传送到低压侧的超声波驱动电源单元;
所述电流测量系统包括光纤、从一次母线获取电流测量信息并与电流测量和光电传输单元电连接的一个低功耗电流互感器或者Rogowski线圈,电流测量和光电传输单元对电流测量信息进行处理和电光转换,并通过光纤把测量信息从高压侧传送到低压侧的一个二次处理系统,二次处理系统通过光电转换和处理还原电流信息,实现对高压电流的测量。
上述方案中,所述的3组超声供电单元每1组包含有与超声波驱动电源单元相连的电声换能器,该电声换能器的超声波发射端面固定连结在一个绝缘棒的低压侧端面上,绝缘棒的高压侧端面与声电换能器的超声波接收端面固定连结,声电换能器的输出电连接到含有储能电源模块和电源诊断模块的单元。
所述含有储能电源模块和电源诊断模块的单元包括3个AC-DC变换器,分别与3个超声供电单元中的声电换能器连接,各AC-DC变换器由匹配电感、变压器、高频整流滤波电路组成,其输出连接电源诊断模块,并通过单向二极管输入或门连接储能电容和DC-DC转换稳压器,电源诊断模块通过光纤把电源故障诊断信息从高压侧传送到低压侧的超声波驱动电源单元的电源控制器;DC-DC转换稳压器输出稳定的5-12V直流电压对电流测量系统供电。
所述超声波驱动电源单元包括一个电源控制器、分别用于驱动3组超声供电单元的3个超声电源,电源控制器接收从高压侧通过光纤传输来的电源供电状态信息和故障诊断信息,判断出3组超声供电单元中的故障单元,选择备用单元中的一个,并控制对应的超声电源对选定超声供电单元进行超声波工作驱动。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1)不受高压侧一次电流大小的限制,供电能量十分稳定。
2)能提供比较大的供电能量,对测量系统和光电传输系统的节能和抗干扰要求低,提高了互感器的抗干扰能力。
3)供电系统采用(1+2)主备用工作方式,能实现故障自动诊断,主备用工作方式自动替换和自动恢复连续供电,提高了供电系统的可靠性。
4)利用低功耗电流互感器(LPCT)(或者Rogowski线圈)测量电流,提高了互感器的测量精确度和长期工作的稳定性。
附图说明
图1为本发明超声波供能的有源光电电流互感器的结构框图。
图2为图1中的超声波供电单元结构图。
图3为图1中的储能电源和电源诊断单元的功能结构框图
图4为图3中的电源故障诊断子模块的功能结构框图。
图5为图1中的超声波驱动电源的功能结构框图。
图6为图5中的电源控制子模块的功能结构框图。
图7为图1中的电流测量及光电信息传输模块的一种功能结构框图。
图8为图1中的“二次处理系统”模块的一种功能结构框图。
图9为图1中的电流测量及光电信息传输模块的另一种功能结构框图。
图10为图1中的“二次处理系统”模块的另一种功能结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
参考图1,一种利用超声波供能的有源光电电流互感器,包括一个基于超声波传能的供电系统和一个基于低功耗电流互感器(LPCT)或者Rogowski线圈的电流测量及光电信息传输的电流测量系统。
其供电系统主要由3组超声波(传能)供电单元、储能电源和电源诊断单元、超声波驱动电源单元和光纤通信等组成,每一组超声供电单元的声电换能器(图2)输出电连接到储能电源和电源诊断模块的一个电源(AC-DC)变换器(图3),电源(AC-DC)变换器的输出电连接储能电容和电源诊断模块,由储能电容储存电能,通过DC-DC变换稳压器输出向光电电流互感器高压侧的电流测量和光电传输系统供电。电源(故障)诊断模块与光纤相连,光纤的低压侧与超声波驱动电源的电源控制器相连,电源(故障)诊断模块对3组超声波供电单元的电源故障进行诊断,并对诊断信息进行电光转换,利用光纤把诊断信息传送到低压侧的超声波驱动电源单元。超声波驱动电源单元的电源控制器通过接收的电源故障诊断信息判断出3组超声波供电单元中的故障单元,选择其余备用单元中的一个,并控制超声电源对选定单元进行工作驱动,实现对三组超声波供电单元的1+2主备用工作方式替换和驱动控制,达到无故障连续供电的目的。
超声波驱动电源单元对3组超声波供电单元中的其中一个选定单元进行超声波工作驱动,选定单元的电声换能器由超声波驱动电源驱动产生超声波,并通过绝缘棒远距离传输到高压侧端的声电换能器,声电换能器把超声能变换成高频电能,再由储能电源和电源诊断单元把高频电能转换为直流电能向光电电流互感器高压侧的电流测量和光电传输系统供电。
电流测量系统主要由低功耗电流互感器(LPCT)或者Rogowski线圈、电流测量和光电信息传输单元、低压二次处理系统等组成,低功耗电流互感器(LPCT)(或者Rogowski线圈)从一次母线获取电流测量信息,并电连接电流测量与光电信息传输单元,光电信息传输模块与光纤相连,光纤另一端与低压侧二次处理系统相连。电流测量与光电信息传输模块对电流测量信息进行处理和电光转换,利用光纤把测量信息从高压侧传送到低压侧二次处理系统。二次处理系统通过光电转换和信息处理还原电流信息,实现对高压电流的测量。
参考图2,供电系统中的3组超声波(传能)供电单元的每1组单元结构主要由电声换能器(超声波发射器)、绝缘棒、声电换能器(超声波接收器)等组成,超声波电声换能器的发射超声波能量的端面与一个绝缘棒的低电压侧端面紧密连接和固定固化;超声波声电换能器的接收超声波能量的端面与绝缘棒的高电压侧端面紧密连接和固定固化。绝缘棒可选用具有良好的超声波传输能力的各类绝缘棒,如玻璃棒,环氧复合棒,塑料棒等。连接时对各端面要进行精密抛光加工和严格的密封固定和固化,尽量避免连接间隙,降低超声波能量在连接处的反射引起的耦合损失,连接时也可使用耦合剂来提高超声波的传送效率。3组超声波(传能)供电单元安装在空心复合绝缘子中间的空心管道内。实现利用超声波以电气绝缘方式传输能量供电。
参考图3,供电系统中的储能电源和电源诊断单元包括3个(AC-DC)电源变换器、单向二极管(3输入)或门、储能电容、DC-DC变换稳压器和电源故障诊断模块。(AC-DC)电源变换器由声电换能器的匹配电感、变压器、高频整流滤波电路等组成,3个(AC-DC)电源变换器分别与3个超声波供电单元的声电换能器连接,声电换能器的输出电连接匹配电感和变压器,每个变压器的输出连接有高频整流滤波电路,通过(AC-DC)电源变换器把超声波供电单元的声电换能器输出的高频交流电转换成直流电。3个(AC-DC)电源变换器的输出通过单向二极管(3输入)或门与储能电容相连,实现电能储存,通过一个DC-DC变换稳压器输出稳定的5-12V直流电压对电流测量和光电信息传输单元供电。电源故障诊断模块与3个(AC-DC)电源变换器的输出相连,采集3组超声供电单元的电源供电状态信息和故障信息,把电源供电状态信息和故障信息进行数据处理和编码,再把电信号转换成光信息,利用光纤从高压侧传送到低压侧的超声波驱动电源的控制端。
参考图4,储能电源和电源诊断单元中的电源故障诊断模块先用3个电压比较器获得3组超声供电单元的电源供电状态信息,正常工作时比较结果为高电位(数字逻辑1),停止工作和故障时比较结果为低电位(数字逻辑0),把电源供电状态信息(3个比较结果)进行逻辑与或处理就能判断出供电系统有无故障发生。当发生故障时启动数据处理和编码器对电源供电状态信息和故障信息进行编码处理,再转换成光信息利用光纤把信息传送给超声波驱动电源单元。
参考图5,供电系统中的超声波驱动电源单元主要由3个超声电源、电源控制器和光纤通信等组成。3个超声电源分别用于驱动3组超声波供电单元,3个超声电源的工作状态由电源控制器选择控制。电源控制器接收从高压侧通过光纤传输来的电源供电状态信息和故障诊断信息,利用接收的电源供电状态信息和故障诊断信息判断出3组超声波供电单元中的故障单元,选择备用单元中的一个,并控制对应的超声电源对选定单元进行超声波工作驱动,实现对三组超声波供电单元的1+2主备用工作方式替换和驱动控制,达到无故障连续供电。
超声波驱动电源中的3个超声电源可以应用现有公知的各种超声波电源的技术原理方法实现,3个超声电源的工作状态由电源控制器选择和控制。
参考图6,超声波驱动电源单元中的电源控制器,主要由光信息接收及光电转换、晶振时标、解码器、故障识别、电源工作状态控制等组成。先把接收的光信息转换成电信号,经过解码获得3组超声波供电单元中的电源供电状态信息,把供电状态信息和3个超声电源的工作状态控制信息进行比较识别出3组超声波供电单元中的故障单元,电源控制器依据故障单元和备用单元的情况选择控制3个超声电源的其中之一投入工作,驱动对应的超声波供电单元,完成主备用工作替换,实现无故障连续供电。
参考图7和图8,电流测量系统的实现方法之一是:把电流测量获取的电流信息经过采样和(A/D)模/数变换转换成数字信号,对数字信号进行数据处理和编码,再经过电/光转换为光信息,用光纤发送到低电压侧的二次处理系统。二次处理系统接收光信息,把光信息转换成电信号,再进行解码和数据处理获得代表电流量的数字信号;把数字信号进行D/A转换获得代表电流量的模拟电压信号。
图7和图8中的数据处理部分可以采用FPGA、CPLD、DSP等嵌入式数据处理器实现。
参考图9和图10,电流测量系统的实现方法之二是:把电流测量获取的电流信息经过(V/F)电压/频率变换转换成频率信息,频率信息再转换为光信息,用光纤发送到低电压侧的二次处理系统。二次处理系统接收光信息,把光信息转换成电信号,再把频率信号进行(F/V)频率/电压变换获得代表电流量的模拟电压信号,把频率信号进行(F/D)频率/数据变换获得代表电流量的数字式信号。
本发明利用超声波把供电能量通过超声供电单元从低压侧传送到高压侧,在高压侧把超声波能量又转换成电能。这样一来供电系统的高电压和低电压两侧之间是完全电气隔离的,这种供电系统的高压绝缘能力极强,传输的供电能量大,性能稳定,不受环境因素影响和限制,而且对高压侧的测量和数据处理系统等不产生的电磁干扰影响;3组超声波供电单元组成(1+2)主备用工作方式,可实现故障自动诊断和自动恢复连续供电。提高了供电系统无故障连续供电的可靠性。
Claims (4)
1.一种超声波供能的有源光电电流互感器,其特征在于,包括一个基于超声波传能的供电系统和一个电流测量及光电信息传输的电流测量系统;
所述供电系统包括3组超声供电单元,它们按照1个供电,其余2个备用的工作方式组成,由设置在低压侧的一个超声波驱动电源单元分别选择驱动3组超声波供电单元中的其中1组工作;3组超声波供电单元的输出电连接设置在高压侧的一个含有储能电源模块和电源诊断模块的单元,其中的储能电源模块的输出连接到电流测量系统,给电流测量系统高压侧的电流测量和光电传输单元供电;而电源诊断模块对各组超声波供电单元的电源故障进行诊断,并利用光纤把诊断信息传送到低压侧的超声波驱动电源单元;
所述电流测量系统包括光纤、从一次母线获取电流测量信息并与电流测量和光电传输单元电连接的一个低功耗电流互感器或者Rogowski线圈,电流测量和光电传输单元对电流测量信息进行处理和电光转换,并通过光纤把测量信息从高压侧传送到低压侧的一个二次处理系统,二次处理系统通过光电转换和处理还原电流信息,实现对高压电流的测量。
2.如权利要求1所述的超声波供能的有源光电电流互感器,其特征在于,所述的3组超声波供电单元每1组包含有与超声波驱动电源单元相连的电声换能器,该电声换能器的超声波发射端面固定连结在一个绝缘棒的低压侧端面上,绝缘棒的高压侧端面与声电换能器的超声波接收端面固定连结,声电换能器的输出电连接到含有储能电源模块和电源诊断模块的单元。
3.如权利要求1所述的超声波供能的有源光电电流互感器,其特征在于,所述含有储能电源模块和电源诊断模块的单元包括3个AC-DC变换器,分别与3个超声供电单元中的声电换能器连接,各AC-DC变换器由匹配电感、变压器、高频整流滤波电路组成,其输出连接电源诊断模块,并通过单向二极管输入或门连接储能电容和DC-DC转换稳压器,电源诊断模块通过光纤把电源故障诊断信息从高压侧传送到低压侧的超声波驱动电源单元的电源控制器;DC-DC转换稳压器输出稳定的5-12V直流电压对电流测量系统供电。
4.如权利要求1所述的超声波供能的有源光电电流互感器,其特征在于,所述超声波驱动电源单元包括一个电源控制器、分别用于驱动3组超声波供电单元的3个超声电源,电源控制器接收从高压侧通过光纤传输来的电源供电状态信息和故障诊断信息,判断出3组超声波供电单元中的故障单元,选择备用单元中的一个,并控制对应的超声电源对选定超声波供电单元进行超声波工作驱动。
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