CN110068719A - 一种光电混合式电网高压电测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电混合式电网高压电测量仪，属于电力信号检测及分析装置技术领域。技术方案是：高压侧数据采集装置通过光纤传输装置将采集的信号输送至低压侧信号处理装置，高压侧供能电源为高压侧数据采集装置供电，高压侧供能电源的功率输出受低压侧信号处理装置控制，激光器输出功率自动调节反馈回路、激光器输出功率检测模块产生激光器功率反馈信号，微机系统通过该反馈信号实时控制激光器的功率。本发明的有益效果是：降低了系统电路的复杂度，使整个测量系统具有重量轻、体积小、成本低、精度高、维护费用低、安全性能高的特点。

Description

一种光电混合式电网高压电测量仪

技术领域

本发明涉及一种光电混合式电网高压电测量仪，属于电力信号检测及分析技术领域。

背景技术

电力系统的日益发展给高压电信号测量分析系统带来了更高的挑战，电流互感器作为电力系统中最重要的测量设备之一，为电力系统测量、继电保护、以及其健康状况的评估等提供必需的信息。随着我国电网规模的迅速扩大以及电网智能化进程的推进，传统的电磁式电流互感器越来越多的暴露出了其不可忽略的缺点，很难再满足现代化变电站的要求。相比之下，光电式电流互感器具有重量轻、体积小、低成本、高精度、维护费用低、安全性能高等一系列优点，基于光电式电流互感器的电网高压电信号的测量也成为一个研发方向。

发明内容

本发明目的是提供一种光电混合式电网高压电测量仪，整个测量系统具有重量轻、体积小、成本低、精度高、维护费用低、安全性能高的特点，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种光电混合式电网高压电测量仪，包含高压侧数据采集装置、光纤传输装置、高压侧供能电源、低压侧信号处理装置和电信号质量分析系统，所述高压侧数据采集装置通过光纤传输装置将采集的信号输送至低压侧信号处理装置，高压侧供能电源为高压侧数据采集装置供电，高压侧供能电源的功率输出受低压侧信号处理装置控制，电信号质量分析系统与低压侧信号处理装置连接；高压侧数据采集装置包含Rogowski线圈传感器、信号调理电路和ADS8325模数转换器，Rogowski线圈传感器是将导线均匀绕制在非磁性骨架上的空心线圈，Rogowski线圈传感器采集到的信号输出到信号调理电路进行信号调理，信号调理电路包含基于低通滤波的积分器、放大电路、二阶巴特沃兹低通滤波器和全通恒时延滤波器，四者依次连接，全通恒时延滤波器的输出端与ADS8325模数转换器连接；光纤传输装置包含LED驱动电路和下行光纤，LED驱动电路包含光发送装置和光接收装置，下行光纤为100um/140um的多模光纤，光发送装置和光接收装置分别设置在下行光纤的两端；低压侧信号处理装置包含微机系统；高压侧供能电源包含激光器、激光器驱动电路、激光器过流保护电路、激光器自动控温电路、激光器输出功率自动调节反馈回路、上行光纤、光电池和DC-DC稳压电路，激光器驱动电路、激光器过流保护电路、激光器自动控温电路的输入端与微机系统连接，输出端控制激光器的输出，激光器的输出端通过上行光纤与光电池和DC-DC稳压电路依次连接，DC-DC稳压电路的输出为高压侧数据采集装置供电；激光器输出功率自动调节反馈回路包含分光镜和激光器输出功率检测装置，分光镜在激光器光路输出端的上行光纤前端45度角设置，其在激光中心波长范围内透射率为99%，分光镜的反射光进入激光器输出功率检测装置，激光器输出功率检测装置包含探测器、AD626差分放大器和模数转换器，探测器采用GT102型光电二极管，分光镜的反射光进入探测器，再依次经AD626差分放大器和模数转换器处理传送至微机系统，控制激光器的功率输出；激光器自动控温电路包含热电制冷片和大功率场效应管。

所述Rogowski线圈传感器、基于低通滤波的积分器、放大电路、二阶巴特沃兹低通滤波器、全通恒时延滤波器、ADS8325模数转换器、光发送装置、光电池和DC-DC稳压电路安装在高压侧；光接收装置、微机系统、激光器、激光器驱动电路、激光器过流保护电路、激光器自动控温电路和激光器输出功率自动调节反馈回路安装在低压侧；下行光纤和上行光纤连接高压侧和低压侧进行信息和能量的传输。

还包含电压基准源，设置在高压侧，其输出作为ADS8325模数转换器的基准电压，电压基准源为4.096V基准电压源。

所述激光器为加拿大i-teeh公司生产的型号为SPL2F81-2S的激光器。

所述DC-DC稳压电路包含MAXIM中MAX639系列的DC-DC变换芯片。

所述分光镜包含透射镜和反射镜。

所述光发送装置为推荐使用的LED驱动电路。

所述光发送装置为改进的LED驱动电路。

所述光发送装置包含发送器HFBR1414，光接收装置包含接收器HFBR2412。

还包含毛玻璃，设置在激光器输出功率检测装置中探测器的前端。

本发明的有益效果是：采用光纤作为传输媒介，将高压侧转换后的光信号传输到低压侧进行信号处理，大大降低了电磁干扰，提高了绝缘性能，而且使测量装置简单化，减轻了质量、缩小了体积、降低了成本；采用激光器供能方式，实现了高低压侧的完全电气隔离，使其不受电磁干扰的影响，系统供电稳定可靠；加入激光器输出功率自动调节反馈回路，实时调整激光器输出功率，同时对激光器工作温度进行自动控制，把温度控制在一定的范围内，降低温度对激光器输出功率的影响。增强了激光器供能的稳定性，延长了激光器的使用寿命，节约了能源；采用基于低通滤波的积分器克服了一般积分器容易阻塞的缺点，并且使得积分器具备完成积分后再移相的功能；采用二阶巴特沃兹滤波器，减小了滤波器通带内信号失真，降低了阻带内幅频响应；使用全通恒时延滤波器，兼具了贝塞尔滤波器良好的恒时延特性和全通滤波器幅频特性恒定的优点，而且它的恒定幅频在延迟时间内能够保持的频率范围提高到了原来的来的的两倍以上；采用改进的LED驱动电路，降低了系统功耗，提高了电能利用率；降低了系统电路的复杂度，使整个测量系统具有重量轻、体积小、成本低、精度高、维护费用低、安全性能高的特点。

附图说明

图1 是本发明的系统结构图；

图2 是本发明的工作原理图；

图3是本发明的原理框图；

图4是本发明的Rogowgki线圈结构图；

图5是本发明的载流母线俯视图；

图6是本发明的Rogowgki线圈与载流母线位置关系图；

图7是本发明的基于低通滤波的积分器电路图；

图8是本发明的放大电路直流偏置电路图；

图9是本发明的二阶巴特沃兹滤波器电路图；

图10是本发明的全通恒时滤波器电路图；

图11是本发明的模数转换器ADS8325内部结构图；

图12是本发明的4.096V基准电压源电压转换电路；

图13是本发明的推荐使用的光发送装置电路图；

图14是本发明的改进光发送装置电路图；

图15是本发明的光接收装置电路图；

图16是本发明的激光器驱动电路图；

图17是本发明的激光器过流保护电路图；

图18是本发明的激光器自动控温电路图；

图19是本发明的激光器自动控温结构图；

图20是本发明的激光器输出功率自动调节反馈回路系统图；

图21是本发明的激光器输出功率自动调节反馈回路结构图；

图22是本发明的激光器输出功率检测装置电路图；

图23是本发明的反馈式激光器系统控制图；

图24是本发明的DC-DC电气原理图；

图中：Rogowski线圈传感器1、基于低通滤波的积分器2、放大电路3、二阶巴特沃兹低通滤波器4、全通恒时延滤波器5、ADS8325模数转换器6、光发送装置7、光接收装置8、下行光纤9、电压基准源10、微机系统11、激光器12、激光器驱动电路13、激光器过流保护电路14、激光器自动控温电路15、分光镜16、透射镜161、反射镜162、激光器输出功率检测装置17、探测器171、AD626差分放大器172、模数转换器173、上行光纤18、光电池19、DC-DC稳压电路20、电信号质量分析系统22、高压侧23、低压侧24、信号调理电路25、高压母线26、220V电源27、一次处理模块28、光电转换模块29、电光转换模块30、二次处理模块31、高压侧供能电源32、光纤接收端33；

图4-6 中：外半径a，内半径b，线圈高度h，宽度z，线圈和母线间的装配间隙系数k>1，绕制线圈导线直径d，圆柱体母线导体半径R。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明技术方案作进一步详细的说明。

一种光电混合式电网高压电测量仪，包含高压侧数据采集装置、光纤传输装置、高压侧供能电源32、低压侧信号处理装置和电信号质量分析系统22，所述高压侧数据采集装置通过光纤传输装置将采集的信号输送至低压侧信号处理装置，高压侧供能电源32为高压侧数据采集装置供电，高压侧供能电源32的功率输出受低压侧信号处理装置控制，电信号质量分析系统22与低压侧信号处理装置连接；高压侧数据采集装置包含Rogowski线圈传感器1、信号调理电路25和ADS8325模数转换器6，Rogowski线圈传感器1是将导线均匀绕制在非磁性骨架上的空心线圈，Rogowski线圈传感器1采集到的信号输出到信号调理电路25进行信号调理，信号调理电路25包含基于低通滤波的积分器2、放大电路3、二阶巴特沃兹低通滤波器4和全通恒时延滤波器5，四者依次连接，全通恒时延滤波器5的输出端与ADS8325模数转换器6连接；光纤传输装置包含LED驱动电路和下行光纤9，LED驱动电路包含光发送装置7和光接收装置8，下行光纤9为100um/140um的多模光纤，光发送装置7和光接收装置8分别设置在下行光纤9的两端；低压侧信号处理装置包含微机系统11；高压侧供能电源32包含激光器12、激光器驱动电路13、激光器过流保护电路14、激光器自动控温电路15、激光器输出功率自动调节反馈回路、上行光纤18、光电池19和DC-DC稳压电路20，激光器驱动电路13、激光器过流保护电路14、激光器自动控温电路15的输入端与微机系统11连接，输出端控制激光器12的输出，激光器12的输出端通过上行光纤18与光电池19和DC-DC稳压电路20依次连接，DC-DC稳压电路20的输出为高压侧数据采集装置供电；激光器输出功率自动调节反馈回路包含分光镜16和激光器输出功率检测装置17，分光镜16在激光器12光路输出端的上行光纤18前端45度角设置，其在激光中心波长范围内透射率为99%，分光镜16的反射光进入激光器输出功率检测装置17，激光器输出功率检测装置17包含探测器171、AD626差分放大器172和模数转换器173，探测器171采用GT102型光电二极管，分光镜16的反射光进入探测器171，再依次经AD626差分放大器172和模数转换器173处理传送至微机系统11，控制激光器12的功率输出；激光器自动控温电路15包含热电制冷片和大功率场效应管。

所述Rogowski线圈传感器1、基于低通滤波的积分器2、放大电路3、二阶巴特沃兹低通滤波器4、全通恒时延滤波器5、ADS8325模数转换器6、光发送装置7、光电池19和DC-DC稳压电路20安装在高压侧；光接收装置8、微机系统11、激光器12、激光器驱动电路13、激光器过流保护电路14、激光器自动控温电路15和激光器输出功率自动调节反馈回路安装在低压侧；下行光纤9和上行光纤18连接高压侧和低压侧进行信息和能量的传输。

还包含电压基准源10，设置在高压侧，其输出作为ADS8325模数转换器6的基准电压，电压基准源10为4.096V基准电压源。

所述激光器12为加拿大i-teeh公司生产的型号为SPL2F81-2S的激光器。

所述DC-DC稳压电路20包含MAXIM中MAX639系列的DC-DC变换芯片。

所述分光镜16包含透射镜161和反射镜162。

还包含毛玻璃，设置在激光器输出功率检测装置17中探测器171的前端。

所述光发送装置为推荐使用的LED驱动电路。

所述光发送装置为改进的LED驱动电路。

所述光发送装置包含发送器HFBR1414，光接收装置包含接收器HFBR2412。

在实际应用中，光电混合式电网高压电测量仪，包含高压侧数据采集模块、光纤传输模块、高压侧供能电源、低压侧信号处理模块和电信号质量分析系统。

高压侧数据采集模块的Rogowski线圈传感器对母线电流就行测量，对Rogowski线圈两个出线端的感应电动势积分便能够得到被测电流i(t)。为了防止与线圈方向平行的外界磁场的影响，在设计制作线圈时，一定要保证绕线均匀紧绕，以确保线圈截面积s和线圈匝数n的均匀程度。如绕制时线圈骨架要打磨得平滑均匀，绕线要拉直。因为温度的变化会引起Rogowski线圈骨架尺寸的改变，使线圈的匝数密度n和截面积s发生变化，所以可以选用环氧树脂作为制作线圈骨架的材料，对线圈骨架做一定的处理后，在缠绕线圈时尽量保证其能够均匀紧贴线圈骨架，这样在温度变化时，就会降低由于线圈骨架尺寸的改变而对线圈n和s造成的影响，进而使温度变化对线圈的影响降到最低。

依据Rogowski线圈的测量原理可知，被测电流和输出电动势间成微分关系，因此需要对Rogowski线圈传感器获得的信号进行调制，通过外接积分器把Rogowski线圈传感器输出的信号还原成i(t)形式。使用基于低通滤波的积分器，克服了一般的积分器容易积分阻塞的问题。有源积分器的输出信号需要做一定的放大处理以满足A/D转换对输入信号的要求，采用直流偏置电路对积分器的输出信号进行放大，实际应用中，应尽可能使放大电路的输出满足阻抗匹配的要求，使共模抑制比得到提高的同时降低误差。为了提高信号的测量精度，在对信号处理时还需要接入一个低通滤波器，用以消除噪声造成的影响，为了减小滤波器通带内信号失真和降低阻带内幅频响应，采用二阶巴特沃兹滤波器对放大器输出的信号进行滤波。由于电路中加入了滤波电路和积分电路，而且电路中也存在着一定的输出延迟，相对于输入信号来说，输出信号必将产生一定的相位变化，因此需要对滤波器输出的信号的相位进行准确的校正，本发明采用全通恒时滤波器对二阶巴特沃兹滤波器的输出信号进行相位调整，它兼具了贝塞尔滤波器良好的恒时延特性，同时也具有全通滤波器幅频特性恒定的优点，而且它的恒定幅频在延迟时间内能够保持的频率范围提高到了原来的来的的两倍以上。

全通恒时滤波器输出的信号作为TI公司生产的ADS8325模数转换器的输入信号进行A/D转换，ADS8325转换器是16位串行、低功耗、采样率高的逐次逼近式模数转换器。它的最高采样率可以达到100kHz。当采样率为100kHz时，平均功耗还不到4.5mW，而当采样率为10kHz时，平均功耗不到1mW，这极其有利于降低高压侧的功耗。ADS8325转换器采用单极性输入，它的各项参数值：DNL为1LSB，INL为，增益误差，失调误差，总静态误差。有效位数ENOB在2kHz时为14.7bit。A/D转换器基准电压源为4.096V基准电压源,它的主要技术指标有：16uVP-P的低噪声特性(0.1Hz~10Hz)，低温漂为，低静态电流为40uA，输出电流为15mA，初始精度最大值为0.04%，在要求的温度工作范围内误差为，在没有经过校准的情况下可以达到12位的精度，符合设计的要求。

A/D转换器输出的数字信号用于驱动LED，为了使激光器供能能够满足高压侧的功耗需求，对LED做适当的优化处理，达到了降低其功耗的目的。为了进一步降低LED产生的功耗，设计采用接收和发送相配套的两个光组件，接收模块采用接收器HFBR2412，发送模块采用发送器HFBR1414。LED产生的光通过光纤传输到低压侧，根据传输距离大概在0.5Km左右的实际情况，选用100um/140um的多模光纤作为传输光纤，通过光纤传输到低压侧的光信号由微机系统采集处理。

高压侧供能电源包含：激光光源、激光器驱动电路、激光器保护电路、自动温度控制、激光器输出功率自动调节反馈回路、光电池、DC-DC转换电路。选用加拿大i-teeh公司型号为SPL2F81-2S的激光器，选用了Rail-to-Rail类型的双运算放大器TL082设计了激光器驱动电路，为了提高激光器的工作可靠性，设计了激光器的过压、过流等保护电路。为了提高激光器工作稳定性和延长其使用寿命，采用了激光器输出功率自动调节反馈回路设计，在光路输出端的光纤前端45度放置高透射率的分光镜。该分光镜在激光中心波长范围内透射率为99%，因此检测的激光功率仅为原功率的1%，采用GT102型光电二极管作为检测光的探测器。在二极管前加毛玻璃，减少透射到光电二极管的激光功率密度，防止强的辐射对二极管造成损毁。对二极管输出信号采用AD626差分放大器进行放大，放大后的信号径A/D转换之后，把数据传给微机系统，微机系统通过该反馈信号控制激光器的功率。同时采用了激光器自动控温电路，其核心部件是热电制冷片(TEC)和大功率场效应管。热电制冷片是一个双向的热泵浦元件，通过控制流过其电流的方向，可以起到制冷或者制热的双重作用。激光器发射出的激光通过透射镜之后输入光纤，光纤把激光从低压侧传到高压侧，然后由光电池进行接收，把光能转换成电能。光电池是指能够把光能转变成电能的半导体器件。高压侧光电池的输出电压范围比较大，需要经过DC-DC转换电路后才能输出稳定的电压，为一次转换系统提供能量。因此采用MAXIM中MAX639系列的DC-DC变换芯片设计了稳压电路。此种类型的转换芯片有MAX639、640、653三种型号，它们的输出电压分别对应5V、3.3V、3V。这种系列的DC-DC转换芯片输出可调，极大的满足了一次转换系统对供能的需求，降低了功耗。当转换芯片输出可调时，其输出电压范围在1.3V-Vin之间，其输入电压范围在4V-11.5V之间，其最高转换效率可达到90%以上。

低压侧信号处理模块：低压侧的微机系统获得光纤传输来的光信号，并转换成相应的数字信息进行存储和处理。

该系统使用光电式电流互感器作为前端传感器，设计了高压侧被测电信号的处理电路，用光纤作为传输媒介，将高压侧转换后的光信号传输到低压侧进行信号处理。不仅大大降低了电磁干扰，提高了绝缘性能，而且使测量装置简单化，减轻了质量、缩小了体积、降低了成本。同时利用激光器产生的光能经光纤由低压侧传递到高压侧，通过高压侧的光电池进行光电转换后，再利用稳压电路输出稳定的电压，给高压侧的电子电路提供可靠的电能。由于光电转换效率及激光器工作寿命低，本发明采用了一种反馈回路自动调节激光器输出功率的供能的方案，该方案通过实时调整激光器输出功率，节约了能源，提了高激光器与光电池的工作寿命，减少光电式电流互感器的维护成本。同时针对激光器的工作环境，设计了一种自动温度控制的设计方案，提高了温度控制电路的响应速度，使激光器工作温度保持在一定的范围之内，进一步保证了激光器的长期稳定工作，并延长了激光器使用寿命。该供能方式实现了高低压侧的完全电气隔离，使其不受电磁干扰的影响，稳定可靠。解决了背景技术中传统的高电压信号测量方式的不足，满足了现代变电站的高压电信号测量的要求。

Claims (7)

1.一种光电混合式电网高压电测量仪，其特征在于：包含高压侧数据采集装置、光纤传输装置、高压侧供能电源（32）、低压侧信号处理装置和电信号质量分析系统（22），所述高压侧数据采集装置通过光纤传输装置将采集的信号输送至低压侧信号处理装置，高压侧供能电源（32）为高压侧数据采集装置供电，高压侧供能电源（32）的功率输出受低压侧信号处理装置控制，电信号质量分析系统（22）与低压侧信号处理装置连接；高压侧数据采集装置包含Rogowski线圈传感器（1）、信号调理电路（25）和模数转换器ADS8325（6），Rogowski线圈传感器（1）是将导线均匀绕制在非磁性骨架上的空心线圈，Rogowski线圈传感器（1）采集到的信号输出到信号调理电路（25）进行信号调理，信号调理电路（25）包含基于低通滤波的积分器（2）、放大电路（3）、二阶巴特沃兹低通滤波器（4）和全通恒时延滤波器（5），四者依次连接，全通恒时延滤波器（5）的输出端与模数转换器ADS8325（6）连接；光纤传输装置包含LED驱动电路和下行光纤（9），LED驱动电路包含光发送装置（7）和光接收装置（8），下行光纤（9）为100um/140um的多模光纤，光发送装置（7）和光接收装置（8）分别设置在下行光纤（9）的两端；低压侧信号处理装置包含微机系统（11）；高压侧供能电源（32）包含激光器（12）、激光器驱动电路（13）、激光器过流保护电路（14）、激光器自动控温电路（15）、激光器输出功率自动调节反馈回路、上行光纤（18）、光电池（19）和DC-DC稳压电路（20），激光器驱动电路（13）、激光器过流保护电路（14）、激光器自动控温电路（15）的输入端与微机系统（11）连接，输出端控制激光器（12）的输出，激光器（12）的输出端通过上行光纤（18）与光电池（19）和DC-DC稳压电路（20）依次连接，DC-DC稳压电路（20）的输出为高压侧数据采集装置供电；激光器输出功率自动调节反馈回路包含分光镜（16）和激光器输出功率检测装置（17），分光镜（16）在激光器（12）光路输出端的上行光纤（18）前端45度角设置，其在激光中心波长范围内透射率为99%，分光镜（16）的反射光进入激光器输出功率检测装置（17），激光器输出功率检测装置（17）包含探测器（171）、AD626差分放大器（172）和模数转换器（173），探测器（171）采用GT102型光电二极管，分光镜（16）的反射光进入探测器（171），再依次经AD626差分放大器（172）和模数转换器（173）处理传送至微机系统（11），控制激光器（12）的功率输出；激光器自动控温电路（15）包含热电制冷片和大功率场效应管。

2.根据权利要求1所述的一种光电混合式电网高压电测量仪，其特征在于：所述Rogowski线圈传感器（1）、基于低通滤波的积分器（2）、放大电路（3）、二阶巴特沃兹低通滤波器（4）、全通恒时延滤波器（5）、模数转换器ADS8325（6）、光发送装置（7）、光电池（19）和DC-DC稳压电路（20）安装在高压侧；光接收装置（8）、微机系统（11）、激光器（12）、激光器驱动电路（13）、激光器过流保护电路（14）、激光器自动控温电路（15）和激光器输出功率自动调节反馈回路安装在低压侧；下行光纤（9）和上行光纤（18）连接高压侧和低压侧进行信息和能量的传输。

3.根据权利要求1所述的一种光电混合式电网高压电测量仪，其特征在于：还包含电压基准源（10），设置在高压侧，其输出作为模数转换器ADS8325（6）的基准电压，电压基准源（10）为4.096V基准电压源。

4.根据权利要求1所述的一种光电混合式电网高压电测量仪，其特征在于：所述激光器（12）为加拿大i-teeh公司生产的型号为SPL2F81-2S的激光器。

5.根据权利要求1所述的一种光电混合式电网高压电测量仪，其特征在于：所述DC-DC稳压电路（20）包含MAXIM中MAX639系列的DC-DC变换芯片。

6.根据权利要求1所述的一种光电混合式电网高压电测量仪，其特征在于：所述分光镜（16）包含透射镜（161）和反射镜（162）。

7.根据权利要求1所述的一种光电混合式电网高压电测量仪，其特征在于：还包含毛玻璃，设置在激光器输出功率检测装置（17）中探测器（171）的前端。