CN201262889Y - 电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

电子式电流互感器，属于电力系统的电流互感器，适用于高压各个电压等级电力系统的电流测量，解决当前电子式电流互感器结构复杂、难以准确测量暂态故障电流、长期稳定性差的问题。本实用新型的高压侧传感单元和低压侧信号处理单元通过信号光纤连接，传感单元包括罗氏线圈、取样电阻、低通滤波电路、放大电路、压频变换电路、电光转换电路；信号处理单元由光电转换电路、脉冲计数器和微处理器组成。本实用新型兼具模数转换功能和理想积分器功能。传感单元无需模拟或者数字积分电路，无需采样同步信号，大大简化互感器的结构和硬件电路，提高了电流互感器的可靠性。

Description

电子式电流互感器

技术领域

本实用新型属于电力系统的电流互感器，尤其涉及一种采用罗氏(Rogowski)线圈、压频变换电路和脉冲计数器的电子式电流互感器，适用于高压各个电压等级电力系统的电流测量。

背景技术

目前电力工业主要采用含有铁心的电磁式电流互感器测量一次电流。过大的被测电流以及故障电流中的非周期分量都容易使电磁式电流互感器的铁心饱和，造成互感器输出波形畸变，进而很有可能引起继电保护装置误动或者拒动。而且，用于高压的电磁式互感器大多采用油绝缘，存在易燃易爆等安全隐患。同时，随着电力系统电压等级的提高，越来越复杂的互感器绝缘设计也使互感器的成本急剧上升。另外，电磁式互感器的模拟输出难以与数字化的二次设备直接接口，不能适应变电站的数字化发展趋势。

电子式电流互感器采用光学器件或者罗氏线圈等器件作为传感元件以获取被测电流信号，并采用光纤传送信号，从而从根本上克服了电磁式电流互感器容易铁心饱和、绝缘设计困难、不能直接数字化输出的缺点。电子式电流互感器一般由位于高压侧的传感单元、位于低压侧的信号处理单元以及连接两者的信号光纤三大部分构成。目前已有不同形式的采用罗氏线圈作为传感单元的电子式电流互感器投入运行或者试运行。

罗氏线圈的输出信号是被测电流的微分，为了得到被测电流信号，需要对罗氏线圈输出信号进行积分还原。目前，采用罗氏线圈的电子式电流互感器大多数利用模拟积分电路来实现积分功能，模拟积分电路虽然对稳态正弦电流具有良好的积分作用，但是却不能准确反映故障电流的暂态过程，而且模拟积分电路自身就容易受环境温度的影响，所以要设计一个能长期稳定工作并且能良好反映故障电流暂态过程的模拟积分电路是比较困难的。专利号200520070558.3的“基于数字积分的空芯线圈电流互感器”提出了利用具有数字积分功能的FPGA芯片来实现积分，能获得较好的长期稳定性，但受到积分频带宽度的限制，仍然不能准确反映故障电流的暂态过程。

目前有人将压频变换(Voltage-to-Frequency Converter，VFC)电路应用于电子式电流互感器，但是目前的VFC电路都不能实现良好的积分功能。专利号00265522.5的“一种电子式高压电流互感器”采用罗氏线圈获取被测电流信号的微分波形，用积分放大电路对罗氏线圈输出信号进行积分，然后将积分放大电路的输出信号通过VFC电路转换为脉冲，并通过光纤送至低压侧；由于该专利使用了积分放大电路，所以其VFC电路并无积分功能和模数转换功能，该专利仅仅只是利用VFC电路和光纤实现高压侧和低压侧之间的绝缘隔离。

李芙英等作者在《清华大学学报(自然科学版)》2000年第40卷第3期第28至第31页发表了文章《基于Rogowski线圈和压频变换的电流测量方法》，聂一雄等作者在《继电器》第2005年第33卷第6期第46至第50页发表了文章《电子式互感器模—数转换方法的研究》，聂一雄等作者在《汕头大学学报(自然科学版)》第2006年第21卷第2期第59至第64页发表了文章《电压—频率转换器在电子式互感器中的应用》，这三篇文章研究了VFC电路和脉冲计数器在电子式电流互感器中的应用，它们都是通过VFC电路将罗氏线圈输出信号转换为脉冲，然后对脉冲进行计数。这三篇文章都指出，必须选取特定长度的脉冲计数周期。这种计数方法实质上是一种短时间窗的计数，计数周期必定远小于一个基波周期，并没有全频带的频率响应特性，其结果正如这三篇文章的结论所说，这种计数方法对于奇数次谐波分量没有幅度和相位的失真，但是将完全滤掉偶数次谐波。然而实际电力系统的电流包含有丰富的奇数次和偶数次谐波分量，所以，这种计数方法得到的输出波形将会畸变。

目前电子式电流互感器在高压侧的传感单元一般采用逐次逼近式模数转换实现模拟信号到数字信号的转换，这就要求传感单元从低压侧的信号处理单元获取采样同步信号。由于需要满足高压侧和低压侧之间的绝缘隔离和严格的采样同步精度要求，专利号03125398.9的“同步采样的多相数字化光电式电流互感器”和专利号200620031571.2的“基于GPS同步的光供能高压光电电流互感器”分别提出了当前两种主要的传送采样同步信号的装置，这些装置都比较复杂，降低了电子式电流互感器的可靠性。

发明内容

本实用新型提供一种电子式电流互感器，该互感器利用罗氏线圈感应被测电流，并通过VFC电路、脉冲计数器和微处理器的配合，对罗氏线圈输出的电流微分信号进行积分还原得到被测电流信号，解决当前电子式电流互感器结构复杂、难以准确测量暂态故障电流、长期稳定性差的问题，以提高测量精度。

本实用新型的一种电子式电流互感器，包括位于高压侧的传感单元、位于低压侧的信号处理单元以及连接两者的信号光纤；其特征在于：

所述高压侧传感单元包括以电信号顺序连接的罗氏线圈、取样电阻、低通滤波电路、放大电路、压频变换电路、电光转换电路；通过罗氏线圈和取样电阻获取的瞬时变化电流的微分信号，经过低通滤波电路、放大电路进行信号调理，再由压频变换电路转换成反映瞬时变化电流微分信息的电脉冲信号，电脉冲信号经过电光转换电路转换成光脉冲信号，送入信号光纤；

所述信号光纤将光脉冲信号传送给信号处理单元；

所述信号处理单元由光电转换电路、脉冲计数器和微处理器组成，光电转换电路将信号光纤的光脉冲信号转换成电脉冲信号，送至脉冲计数器，微处理器初始化并启动脉冲计数器后，脉冲计数器对电脉冲信号进行计数，微处理器对计数值进行数据处理，从而获得被测电流的数字采样值序列。

所述的电子式电流互感器，其特征在于：

所述微处理器初始化过程为：根据所需采样率计算出每周波采样次数预定值，置当前周波积分初值变量i_s0为零，置微处理器输出波形偏移量b为零，脉冲计数器初值预置为零；

初始化过程结束，启动脉冲计数器；

所述微处理器对计数值进行数据处理包括下述步骤：

(1)在每个采样时刻，读取一次脉冲计数器的计数值N(k)，对计数值按下式进行数据处理：

i_s(k)＝R×(N(k)-f₀×(t_k-t₀))+i_s0

式中，微处理器输出的第k个被测电流采样值i_s(k)，单位为A；

输出采样值序号k；

标度变换系数R，用于将脉冲个数转换为电流大小，单位为A/个；

脉冲计数器第k个计数值N(k)，单位为个；

与VFC芯片内自带偏置电压对应的脉冲频率f₀，单位为Hz；

与第k个采样值对应的时间值t_k，单位为秒；

脉冲计数的时间起点t₀，单位为秒；

本周波积分初值is₀，单位为A；

(2)当本周波采样次数达到每周波采样次数预定值时，保存微处理器当前输出值i_s(k)作为下一个周波的积分初值i_s0，清零脉冲计数器；判

断本周波是否为程序开始后的第一个周波，是则顺序进行，否则转步骤(1)；

(3)计算本周波微处理器输出值的平均值，将计算结果作为微处理器输出值的偏移量b，并按下式修正下一个周波的积分初值i_s0：

i_s0＝i_s0-b

修正完毕，转步骤(1)。

所述的电子式电流互感器，其特征在于：所述高压侧传感单元包括高压侧电源模块，高压侧电源模块为低通滤波电路、放大电路、压频变换电路及电光转换电路提供电源；光供能模块通过功率光纤连接高压侧电源模块，为其提供光能量。

本实用新型通过压频变换电路、脉冲计数器和微处理器的配合实现积分功能。记放大电路输出信号为u₀(t)，压频变换电路输出脉冲串具有频率f(t)，则有：

f(t)＝M×u₀(t)                (1)

式(1)中M为VFC电路的压频变换系数，单位为Hz/V。

脉冲串通过电光转换电路和信号光纤被送到低压端的信号处理单元，光电转换电路输出的脉冲串和压频变换电路输出的脉冲串将具有同样的频率f。确定好计数的时间起点t₀后，对光电转换电路输出的脉冲串进行持续的计数。记时段Δt_k＝t_k+1-t_k，当Δt_k时段内u₀(t)为稳恒电压时，则该时段内f(t)为恒定值，从时间起点t₀直至时刻t的计数值N可表述如下：

$N=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}f\left(t_k\right)\×{\mathrm{\Δt}}_k---\left(2\right)$

当u₀(t)变化时，f(t)也变化，根据微分原理，可将式(2)变换为下式：

$N=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}f\left(t_k\right)\×\mathrm{dt}---\left(3\right)$

根据式(1)和积分原理，从式(3)可进一步得到如下公式：

$N=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}M\×u_0\left(t_k\right)\×\mathrm{dt}=M\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{u}_0\left(t_k\right)\×\mathrm{dt}=M{\∫}_0^t{u}_0\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

因此，从t₀至t对脉冲串持续计数的结果与这一时间段内对u₀(t)的定积分成正比例关系。所以，微处理器每隔一个采样时间间隔读取一次计数值，然后按照式

i_s(k)＝R×(N(k)-f₀×(t_k-t₀))+i_s0           (5)

处理计数值即可得到对u₀(t)积分的信号波形。

因此，上述方法能实现对u₀(t)的积分，而u₀(t)是输电线上的被测电流信号的微分，所以，本实用新型最终可以获得被测电流的信号波形。

同时，从上述分析可见，本实用新型在对脉冲进行计数的过程中，就实现了对u₀(t)的模数转换，而且本实用新型无需像逐次逼近式模数转换那样用复杂的方法从低压侧获取采样同步信号。在每个需要输出采样值的时刻t，本实用新型读取的计数值都是从t₀开始直至t对u₀(t)持续计数的结果，所以，本实用新型在具体实施中可以获得高达10kHz的采样率，而且通过对VFC电路输出的脉冲进行持续的计数，可以获得较高的分辨率。

为了给高压侧信号处理电路提供工作电源，本实用新型采取激光供能方法，即通过大功率光纤将光供能电路提供的光能量传送到高压侧，由高压侧电源模块将光能量转换为电能量，供给高压侧信号处理电路。

和现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1.提高了电流互感器工作的稳定性和输出结果的精度。本实用新型没有采用模拟积分电路，通过压频变换电路、脉冲计数器和微处理器的配合实现理想积分器的功能，能正确反映故障电流的暂态过程，同时具有高分辨率和高采样率，从根本上克服了模拟积分电路容易受环境温度影响、不能准确测量暂态故障电流的缺点。

2.具有抗高频干扰的能力，大大提高电流互感器输出结果的可靠性。通常的逐次逼近式模数转换数字输出的符号位或者权重较大的数据位若因脉冲干扰而变位，就有可能使这一次模数转换结果出现重大错误。而本实用新型压频变换若受到脉冲干扰，仅仅是成千上万个脉冲里多几个或者少几个脉冲，对互感器输出结果的影响微乎其微。

3.位于高压侧的传感单元无需采样同步信号，极大地简化了电路设计，提高了电流互感器装置的可靠性。

本实用新型通过VFC电路、脉冲计数器和微处理器的配合工作从而具有模数转换功能和理想积分器功能，能忠实地反映进入VFC芯片的信号所含的谐波分量，是一种理想的全频带积分器。传感单元无需模拟积分电路或者数字积分电路，而且无需采样同步信号，从而大大简化了互感器的设计，提高了装置的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的电路框图，图中标记：输电线1，罗氏线圈2，取样电阻3，低通滤波电路4，放大电路5，压频变换电路6，电光转换电路7，信号光纤8，光电转换电路9，脉冲计数器10，微处理器11，光供能模块12，功率光纤13，高压侧电源模块14。

图2为微处理器处理程序流程图；

图3(a)为电阻分流器对稳态正弦电流的测量结果；

图3(b)为测量稳态正弦电流时从本实用新型放大电路输出并即将进入VFC电路的信号u₀；

图3(c)为本实用新型对稳态正弦电流的测量结果；

图4(a)为电阻分流器对暂态故障电流的测量结果；

图4(b)为测量暂态故障电流时从本实用新型放大电路输出并即将进入VFC电路的信号u₀；

图4(c)为本实用新型对暂态故障电流的测量结果。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括位于高压侧的传感单元、位于低压侧的信号处理单元以及连接两者的信号光纤8；高压侧传感单元包括以电信号顺序连接的罗氏线圈2、取样电阻3、低通滤波电路4、放大电路5，压频变换电路6、电光转换电路7；信号处理单元由光电转换电路9、脉冲计数器10和微处理器11组成。

高压侧电源模块14为低通滤波电路4、放大电路5、压频变换电路6及电光转换电路7提供电源；光供能模块12通过功率光纤13连接高压侧电源模块14，为其提供光能量。

选取精密运算放大器OP177构成低通滤波电路4、放大电路5；选取压频变换芯片AD7742构成压频变换电路6，选取光学发射器HFBR-1414T构成电光转换电路7，信号光纤8采用62.5μm/125μm多模通信光纤，选用光学接收器HFBR-2416T构成光电转换电路9，脉冲计数器10采用8254-2。

压频变换芯片AD7742输入信号的范围大小是-2.5V到+2.5V，所以首先要将取样电阻3上的信号大小调整到-2.5V到+2.5V之内，才能送入AD7742。在输入信号最高电压+2.5V时，AD7742输出脉冲有最高频率2.77MHz。由电光转换电路8、信号光纤9和光电转换电路10构成光纤传输系统，该传输系统传输数据比特率为32Mbps，能可靠地将脉冲传送至脉冲计数器11的输入端。

与AD7742芯片内的偏置电压对应的压频变换输出脉冲频率为1.536MHz，微处理器12读取计数值时，需要将计数值减去计时时间内1.536MHz所产生的脉冲个数。

在计数开始时，很难找到被测电流的过零点并从此时刻开始计数。在电力系统稳态运行时，在任何时刻开始的一个整周波内电流的平均值将会为零，本实用新型的微处理器输出也应该如此。但是从被测电流的非过零时刻开始计数，微处理器输出波形将会整体上升或者下降某一大小，即一周波内波形的平均值非零。对此可以先计算出微处理器输出的第一个整周波输出波形的平均值，微处理器以后的输出只要减去此平均值，就能得到正确的信号。

微处理器处理程序流程图如图2所示。

本实用新型装置制作完毕后，为方便起见，在调试阶段可以采用正弦稳态正弦电流确定标度变换系数R，具体方法如下：用本实用新型装置测量有效值为A的稳态正弦电流，预置R＝1，此时本实用新型微处理器将输出一个稳态正弦电流i_s，计算得i_s的有效值为B，则根据下式重新确定标度变换系数R：

$R=\frac{A}{B}$

为证明本实用新型测量电流的正确性，采用电阻分流器和本实用新型同时测量同一个电流以进行对比，由于电阻分流器是电阻性元件，因此电阻分流器获得的被测电流信号波形将是真实可靠的。图3(a)、图3(b)、图3(c)的横坐标都是秒(s)。记被测电流为i_p，图3(a)是电阻分流器测得的稳态正弦电流i_p，纵坐标单位为安培(A)；图3(b)是从本实用新型放大电路输出并即将进入VFC电路的信号u₀，u₀正比于被测电流的微分，纵坐标单位为伏特(V)；图3(c)是本实用新型微处理器输出结果i_s，纵坐标单位为安培(A)。从图3(a)和图3(c)对比可见，本实用新型对稳态正弦电流有良好的测量性能。

图4(a)、图4(b)、图4(c)的横坐标都是秒(s)。图4(a)是电阻分流器测得的暂态故障电流i_p，纵坐标单位为安培(A)；图4(b)是从本实用新型放大电路输出并即将进入VFC电路的信号u₀，u₀正比于被测电流的微分，纵坐标单位为伏特(V)；图4(c)是本实用新型微处理器输出结果i_s，纵坐标单位为安培(A)。从图4(a)和图4(c)对比可见，本实用新型对暂态故障电流有良好的测量性能。

Claims (2)

1.一种电子式电流互感器，包括位于高压侧的传感单元、位于低压侧的信号处理单元以及连接两者的信号光纤；其特征在于：

所述高压侧传感单元包括以电信号顺序连接的罗氏线圈、取样电阻、低通滤波电路、放大电路、压频变换电路、电光转换电路；通过罗氏线圈和取样电阻获取的瞬时变化电流的微分信号，经过低通滤波电路、放大电路进行信号调理，再由压频变换电路转换成反映瞬时变化电流微分信息的电脉冲信号，电脉冲信号经过电光转换电路转换成光脉冲信号，送入信号光纤；

所述信号光纤将光脉冲信号传送给信号处理单元；

所述信号处理单元由光电转换电路、脉冲计数器和微处理器组成，光电转换电路将信号光纤的光脉冲信号转换成电脉冲信号，送至脉冲计数器，微处理器初始化并启动脉冲计数器后，脉冲计数器对电脉冲信号进行计数，微处理器对计数值进行数据处理，从而获得被测电流的数字采样值序列。

2.如权利要求1所述的电子式电流互感器，其特征在于：所述高压侧传感单元包括高压侧电源模块，高压侧电源模块为低通滤波电路、放大电路、压频变换电路及电光转换电路提供电源；光供能模块通过功率光纤连接高压侧电源模块，为其提供光能量。

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