CN109298230B - 用于电流互感器的采集装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于电流互感器的采集装置。所述采集装置，包括多个采样单元，其中，所述多个采样单元包括电流采样控制单元、AD/DA回路和光发射器，形成采样回路，其中，电流采样控制单元，与AD/DA回路相连；AD/DA回路，一端与电流采样控制单元相连，另一端与光发射器相连；光发射器，与AD/DA回路相连。本发明通过利用采集装置内的采样回路能够更准确地获取电流采样信号，后续无需对电流采样信号进行校正，从而避免了时间延迟和采样失真。

Description

用于电流互感器的采集装置

技术领域

本公开涉及电气测量领域，尤其涉及一种用于电流互感器的采集装置。

背景技术

随着我国特高压和智能电网的建设,对电力系统可靠性要求越来越高,电网电压等级升高的同时伴随着电网短路电流水平的提高,对电气设备的性能也提出了更大的挑战。电流互感器是电力系统中重要的电气设备之一，也是各种二次设备监测和感知一次系统真实运行状况的重要元件，广泛应用于电力系统监控、保护、测距和录波等方面。

光学电流互感器有别于传统电流互感器，其基于法拉第磁光效应的原理，采用光学偏振检测的手段对电流进行传感和测量，可以直接得到数字化的一次电流采样值，相对于传统的电磁变换原理的互感器，传感手段更加轻便、高效、快速，是一次、二次融合的理想设备。

但是目前的光学电流互感器中的每个采样通道仅测量一路物理通道采样信息，可靠性不足。并且各个采样通道的采样时间不同，在使用中需要与合并单元配合使用，简单来说，经由光学电流互感器输出的采样值需要利用合并单元进行数据合并和时间同步，使各个采样通道的采样值对齐并利用时间装置进行时间校准后，给各个采样值打上时间戳信息，从而满足控制保护系统对采样值的要求。

由此可以看出，虽然光学电流互感器可直接输出电流采样值，但是光学电流互感器采样值合并同步的过程中会造成时间延迟，并且光学电流互感器与合并单元之间的接口波特率较低(通常只有几兆比特每秒)，难以满足高采样率的要求和无损传输光学电流互感器高频特性的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于电流互感器的采集装置，旨在解决以上提到的时间延迟且采样率不高的问题。

本申请实施例提供一种用于电流互感器的采集装置，包括多个采样单元，其中，所述多个采样单元包括电流采样控制单元、AD/DA回路和光发射器，形成采样回路，其中，电流采样控制单元，与AD/DA回路相连，用于向AD/DA回路发送调制电压数字量并将从AD/DA接收的数字信号解调出电流采样信号；AD/DA回路，一端与电流采样控制单元相连，另一端与光发射器相连，用于接收来自电流采样控制单元的调制电压数字量；基于所述调制电压数字量，生成调制电压载波信号；将电压载波信号发送到光发射器；从光发射器接收电压信号；将电压信号转换为数字信号；将所述数字信号发送到电流采样控制单元；光发射器，与AD/DA回路相连，用于从AD/DA接收调制电压载波信号；将被调制电压载波信号相位调制后的基准光波发送到传感环；从传感环获取带有电流信息的光信号；将所述光信号转换为电压信号；将电压信号发送到AD/DA回路。

可选地，所述采集装置还包括：背板，包括多个接口，所述多个采样单元和供电单元通过所述多个接口相连。

可选地，所述多个采样单元中的每个采样单元包括至少两个采样回路。

可选地，所述多个采样单元中的每个采样单元还包括：采样数据合并单元，与所述至少两个电流采样控制单元分别相连，通过采样触发脉冲获取所述至少两个采样回路中的电流采样信号，并将电流采样信号合并成同一帧报文。

可选地，所述采样数据合并单元在获取到所述至少两个采样回路中的电流采样信号之后判断所述电流采样信号是否一致；若不一致，则执行报警操作。

可选地，所述采集装置还包括：合并对时单元，与所述多个采样单元相连，用于向所述多个采样单元中的每个采样单元发送脉冲触发信号并从每个采样单元接收电流采样信号，将电流采样信号进行合并成同一帧报文。

可选地，所述采集装置还包括：光纤温度传感器，用于检测电流互感器的温度并在超过预定阈值的情况下进行报警。

可选地，所述采集装置还包括：供电单元，与采样单元相连，用于对采样单元供电。

可选地，所述供电单元的数量是两个或两个以上。

本申请实施例采用上述至少一个技术方案，通过利用采集装置内的采样回路能够更准确地获取电流采样信号，后续无需对电流采样信号进行校正，从而避免了时间延迟和采样失真，此外，可通过在同一个采样单元中设置至少两个采样回路来判定采样数据的准确性，并可同时输出所述至少两个通道的电流采样信号，提高了光学电流互感器的测量带宽和高频响应性能，便于继电保护控制设备接收和使用时间同步的宽带多通道电流采样数据，大大减少了设备数量和传输链路的光纤数量，提高了设备集成度和采样数据的可靠性，降低了对继电保护控制设备的接口数量的需求。

更进一步地，在本申请中采样单元可将多通道原始数据同步输出，可节省不同装置间的传输延时和时间延迟，并且在进行时间同步和数据合并时可完整传输光学电流互感器高频特性，不牺牲光学电流互感器的暂态传变特性。

此外，本申请通过背板采用插件式的方式安装，即插即用，方便维修和二次集成，更进一步地，采用多个供电单元共同供电的设计，提高了供电的可靠性。当一个供电单元工作不正常时，发出报警信号，其它供电单元仍可以正常供电，保证光学电流互感器正常工作。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本发明的实施例的光学电流互感器与采集装置交互的示意图；

图2示出根据本发明的实施例的用于光学电流互感器中的采集装置的示意图；

图3示出根据本发明的实施例的采集装置的单元背板的示意图；

图4示出根据本发明的实施例的采集装置的内部框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

图1示出根据本发明的实施例的光学电流互感器与采集装置交互的示意图。如图1所述，光学电流互感器包括多个传感环100，每个传感环可通过线缆200连接到采集装置300，采集装置可与互感器中的每个传感环交互作用，从而输出具有低延时的光学电流采样信号，其中，所述线缆可优选保偏光缆。

如图1所示，用于光学电流互感器的采集装置可采用标准4U机箱设计，即高度为17.78厘米的19英寸全长机箱。光学电流互感器中的每个传感环可通过保偏光缆连接到采集装置的背板上的接口。可以看出，光学电流互感器的传感环是全光纤的，因此完全绝缘，不需要对其进行供电，如此，仅通过线缆将传感环与采集装置进行连接即可使用，轻便可靠安全。

以下将参照图2至图4详细描述所述采样单元。

图2示出根据本发明的实施例的用于光学电流互感器的采集装置的示意图。

如图2所示，采集装置可包括采样单元，所述采样单元可包括由光发射器111-112和AD/DA回路128-129形成的采样回路，应注意，虽然图2中示出了采样单元包括两个采样回路，但在实际使用中，技术人员可根据需要增加采样单元内的采样回路的个数，更特别地，所述采样单元可仅包括一组采样回路，也就是说，采样单元可包括光发射器111或112和AD/DA回路128或129，此外，采样单元也可包括至少两个采样回路。这些单元可采用插件式安装在采集装置的背板上，这种安装方式，可以实现即插即用，并且安装起来简单便于维护，此外，还可方便地与其它二次设备集成，适合变电站和换流站使用。

可选地，采集装置可配置6个采样单元，如此，采集装置可配置12个光学电流采样回路。在采样单元包括两个采样回路的情况下，采样单元可仅通过单个接口即可输出2个物理通道的电流采样数据，也就是说，可以同时同步100Mbit/s输出2个物理通道的电流采样数据，而在采集装置包括12个光学电流回路的情况下，合并对时单元可通过单个光纤LC接口同时同步按100Mbit/s输出最大12个物理通道的光学电流采样数据，如此，本申请提高了光学电流互感器的测量带宽和高频响应性能，便于继电保护控制设备接收和使用时间同步的宽带多通道电流采样数据，大大减少了设备数量和传输链路的光纤数量，提高了设备集成度和采样数据的可靠性，降低了对继电保护控制设备的接口数量的需求。

采集装置内部的供电单元可对这些采样单元供电，以保证采样单元正常运行。应注意，虽然在图2中，供电单元被设置在采集装置的内部，也就是说作为内部供电单元对采集装置内的单元进行供电，但在实际使用中，还可将供电单元设置在采集装置的外部并对采集装置进行供电。

图3中示出了采集装置包括6个采样单元的实施例，以下将参照图3进行详细描述，在此将省略。

每个采样单元可利用光发射器、AD/DA回路和电流采样控制单元形成的采样回路对电流进行调试，简单来说，光发射器与AD/AD回路执行双向通信，而AD/DA回路与电流采样控制单元执行双向通信回路，通过光发射器、与AD/DA回路和电流采样控制单元三者的配合获得每个传感环上的电流采样信号，以下将参照图4对采样回路进行更详细地描述。可选地，当采样单元包括两个采样回路时，可将两个采样回路获得的电流采样信号进行比较，若相同，则根据需要将输出的电流采样信号发送到合并对时插件或者直接输出，若不同，则执行报警操作，例如，可在发现电流采样信号不一致时，闭锁电流采样信号输出，避免采样数据错误引起保护误动。

可选地，采集装置可采用多供电单元共同供电的设计(例如，可采用双供电单元供电)，也就是说利用多个供电单元共同供电，这样，当某一个供电单元工作不正常时，可发出报警信号，同时，其它供电单元仍可以正常供电，保证采集装置正常工作。

可选地，采集装置还可包括合并对时单元，所述合并对时单元可向每个采样单元发送脉冲触发信号，同时接收每个采样单元(例如，六个电流采样单元)输出的电流采样值，从而可以实现对所有电流采样值的合并和同步。在可选实施例中，合并对时单元可采用FPGA结合DSP的架构，也可采用带有ARM软核的FPGA，并可通过接入到采样单元背板上的低电压差分信号(Low-Voltage Differential Signaling，简称LVDS)接口来与各个采样单元进行时钟同步，同步方式可包括IRIG-B码、PPS秒脉冲和IEEE1588协议。

采集装置可实现通过多路光纤LC接口将电流采样数据输出，例如，可以将同一电流采样数据发送到不同设备(诸如保护设备、控制设备和计量设备)，从而避免重复接入电流测量设备，提高采样数据的使用效率，特别是在柔性直流输电系统控制保护设备和智能变电站应用中。

可选地，采样单元、合并对时单元和供电单元可集成在一起，也就是说，可将多个单元利用即插即用的方式插入到背板上的接口。如图2中所示，采集装置的单元背板上配置有5对LC光纤通信接口102-108，每对LC光纤通讯接口可配置成单发单收、双发、双收3种模式，可分别实现将电流采样数据按照IEC60044-8协议封装发送、IEC61850-9-2协议封装发送、光学电流采样插件的调试、与外部设备IRIG-B协议的时钟同步、与外部设备IEEE1588协议同步。

此外，采集装置可与外部设备进行时钟同步，减少了采样数据转发带来的不可靠和数据的延时。也就是说，通过与外部设备时钟同步执行多通道同步的数据采集，减少了时间同步的延迟，加快了采样数据的发送速度，增加了采样数据的冗余度，增强了采样数据的可靠性，降低了保护误动的可能性，缩短了继电保护控制系统的动作时间。

此外，所述采集装置可包括光纤温度传感器，用于检测电流互感器的温度并在超过预定阈值的情况下进行报警，所述光纤温度传感器可通过如图2中的光纤温度传感器接口(ST光纤接口)连接到背板，可接收MODBUS协议的光纤温度变送器数据，还可接收光纤荧光温度温度变送器的温度数据，从而安全的实现电流互感器中的一次部位的温度监测和报警，此外，温度数据还可用于实现后续对光学电流采样值进行的温度补偿，从而提高测量精度。

此外，所述背板还包括例如CPU 122、硬件看门狗等单元，但这些单元与本发明的实施例无关，为了更清楚地理解本发明，在此将不再进行详述。

以上已经详细描述了采集装置，以下将结合图3详细描述采集装置包括采样单元、合并对时单元和供电单元的实施例。

图3示出根据本发明的实施例的采集装置的单元背板的示意图。

如图3所示，所述光学电流互感器包括合并对时单元301、采样单元302至307、供电单元308至309，所有单元可通过采集背板上的接口进行通信传输，具体来说，所有单元可通过LVDS接口接入采集背板，从而进行通信传输，其中，通信协议采用曼特斯特编码。

合并对时单元301通过背板上的LVDS接口连接到采集背板上，从而实现数据同步，每个采样单元302-307都具有两个光发射器111至112，分别配合每个传感环完成一次电流测量，并判断包含光发射器的采样回路的测量值是否相同。若测量值不同，则执行报警操作。

供电单元308至309通过背板上的线路给背板上的部件进行供电。应注意，虽然图示为两个供电单元，但在实际使用中，可根据需要增加或减少供电单元的数量。

以下将参照图4详细描述采集装置的内部结构。

图4示出根据本发明的实施例的采集装置的内部框图。

如图所示，所述采集装置包括两个采样回路和采样数据合并单元。其中，每个采样回路可包括发射器111或112、AD/DA回路128或129、电流采样控制单元401或402。以下将具体描述采样回路的操作流程。

电流采样控制单元401-402发出调制电压数字量，由AD/DA回路中的DA转换器转化成电压量，通过驱动AD/DA回路中的电压放大器得到1V至5V的调制电压载波信号，施加到光发射器上，实现对光发射器发出的光波的相位调制，被调制后的光波从光发射器出射后经保偏光缆到达传感环，经传感环后，携带电流信息的光信号经传感环端面反射镜发射后返回到光发射器，由光发射器实现光学信号转换成电压信号，由AD/DA回路中的低噪声前置放大器实现信号放大，由AD转换电路转换成数字信号。随后，由电流采样控制单元进行相关运算，解调出电流采样信号，每个调制解调周期在1us至3us左右，采样数据合并单元利用采样触发脉冲获取电流采样数据报文，并将同一时刻的两路电流采样数据打包合并成一帧报文发送出去，其中，采样触发脉冲发送间隔与调制解调周期一致。采样数据合并单元可判断两路采样数据(电流采样信号)的一致性，如果两路数据相差小于允许范围，确定本插件采样数据有效，如果两路数据相差大于允许范围，则确定采集装置的采样数据无效。

采样数据合并单元403可根据用户需求发送采样数据，例如，将采样数据直接输出，或者可接收外部时钟信号，使得采样数据与外部同步，又或者可接收合并对时单元发送的采样同步脉冲，使得多通道的采样数据同步。

本申请实施例采用上述至少一个技术方案，通过利用采集装置内的采样回路能够更准确地获取电流采样信号，后续无需对电流采样信号进行校正，从而避免了时间延迟和采样失真，此外，可通过在同一个采样单元中设置两个采样回路来判定采样数据的准确性，并可同时输出两个通道的电流采样信号，提高了光学电流互感器的测量带宽和高频响应性能，便于继电保护控制设备接收和使用时间同步的宽带多通道电流采样数据，大大减少了设备数量和传输链路的光纤数量，提高了设备集成度和采样数据的可靠性，降低了对继电保护控制设备的接口数量的需求。更进一步地，在本申请中采样单元可将多通道原始数据同步输出，可节省不同装置间的传输延时和时间延迟，并且在进行时间同步和数据合并时可完整传输光学电流互感器高频特性，不牺牲光学电流互感器的暂态传变特性。此外，本申请通过背板采用插件式的方式安装，即插即用，方便维修和二次集成，更进一步地，采用多供电单元设计，提高了供电的可靠性。当其中一个供电单元工作不正常时，发出报警信号，其它供电单元仍可以正常供电，保证光学电流互感器正常工作。

在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种用于电流互感器的采集装置，其特征在于，包括多个采样单元，其中，所述多个采样单元包括电流采样控制单元、AD/DA回路和光发射器，形成采样回路，其中，

电流采样控制单元，与AD/DA回路相连，用于向AD/DA回路发送调制电压数字量并将从AD/DA回路接收的数字信号解调出电流采样信号；

AD/DA回路，一端与电流采样控制单元相连，另一端与光发射器相连，用于接收来自电流采样控制单元的调制电压数字量；基于所述调制电压数字量，生成调制电压载波信号；将调制电压载波信号发送到光发射器；从光发射器接收电压信号；将电压信号转换为数字信号；将所述数字信号发送到电流采样控制单元；

光发射器，与AD/DA回路相连，用于从AD/DA回路接收调制电压载波信号；将被调制电压载波信号相位调制后的基准光波发送到传感环；从传感环获取带有电流信息的光信号；将所述光信号转换为电压信号；将电压信号发送到AD/DA回路。

2.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述多个采样单元中的每个采样单元包括至少两个采样回路。

3.如权利要求2所述的采集装置，其特征在于，所述多个采样单元中的每个采样单元还包括：采样数据合并单元，与所述至少两个电流采样控制单元分别相连，通过采样触发脉冲获取所述至少两个采样回路中的电流采样信号，并将电流采样信号合并成同一帧报文。

4.如权利要求3所述的采集装置，其特征在于，所述采样数据合并单元在获取到所述至少两个采样回路中的电流采样信号之后判断所述电流采样信号是否一致；若不一致，则执行报警操作。

5.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，还包括：合并对时单元，与所述多个采样单元相连，用于向所述多个采样单元中的每个采样单元发送脉冲触发信号并从每个采样单元接收电流采样信号，将电流采样信号进行合并成同一帧报文。

6.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，还包括：光纤温度传感器，用于检测电流互感器的温度并在超过预定阈值的情况下进行报警。

7.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，还包括：供电单元，与采样单元相连，用于对采样单元供电。

8.如权利要求7所述的采集装置，其特征在于，所述供电单元的数量是两个或两个以上。

9.如权利要求1至8任一项权利要求所述的采集装置，其特征在于，还包括：背板，包括多个接口，所述采样单元内部通过所述多个接口相连。

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