CN201910325U - 基于dsp的有源型光电式电流互感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于DSP的有源型光电式电流互感器，包括套装在待测线路上的电流测量线圈和取能线圈，电流测量线圈依次连接积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块，第一E/O转换模块通过光纤连接第一O/E转换模块，第一O/E转换模块连接电流运算模块，电流运算模块依次连接同步控制模块和第二E/O转换模块，第二E/O转换模块通过光纤连接第二O/E转换模块，第二O/E转换模块连接A/D转换模块，取能系线圈连接悬浮电源，电流测量线圈由至少两个，电流测量线圈并列布置，悬浮电源设有激光电源输入端，激光电源输入端与激光电源连接。本实用新型能有效适应被测线路电流过小的情况、适用性强。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电流互感器，尤其是一种用于110KV及以下电力系统中的电流参数的测量装置，供电力系统的电气测量、继电保护装置、自动控制装置之用。
背景技术
目前电力系统大多采用传统的电磁式电流互感器对电压、电流信号测量。电磁式电流互感器在过去很长的时间内适应了电力系统的要求。但是随着电力系统中电压等级的不断提高以及传输容量的的不断增大，传统的电磁式电流互感器的一些问题也就日益暴露出来，如：体积大、动态范围小、使用频带窄，电磁式电流互感器存在铁磁谐振，二次侧不能开路，采用变压器油绝缘的互感器还存在爆炸危险。过去为了便于继电保护自动装置和测量仪表等二次设备在设计制造时的标准化与系列化，通常规定电压互感器的二次侧额定电压为100V，电流互感器二次侧额定电流为5A或1A。然而随着微机保护技术和现代测量装置的发展，继电保护装置和二次测量及其自动装置不需要大功率驱动，传统电磁式电流互感器的输出信号不能直接和微机相连，难以适应电力系统自动化、数字化的发展趋势。上述问题说明，传统的电磁式电流互感器已经难以满足现代电力系统在线检测、高准确度故障诊断、计算机控制与管理等发展需要，寻求更理想的新型电流互感器势在必行。
随着光电子技术的迅速发展，许多科技发达国家已把目光转向利用光学传感技术和电子学方法来发展新型的电子式电流互感器，电子式电流互感器与传统的电磁式电流互感器比较主要有以下几个优点：⑴优良的绝缘性能以及低廉的价格。⑵不含铁芯消除了铁磁谐振和磁饱和等问题。⑶抗电磁干扰性能好以及低压端无开路高压危险。⑷动态范围大，测量精度高。⑸频率响应范围宽。⑹没有因充油而产生的易燃和易爆炸等危险。⑺体积小、重量轻，节约空间。⑻适应了计量和保护数字化以及微机化和自动化发展的潮流。⑼便于实现变电站自动化系统。
现有的电子式电流互感器存在的不足：1、仅仅采用一个电流测量线圈，当被测线路电流过小时，采集的信号过小，导致测量精度不能保证；2、当被测线路电流过小时，高压电源的输出电压过小，不能满足二次侧的供电需求，进一步导致不能正常测量。
发明内容
为了克服已有的电子式电流互感器的不能适应被测线路电流过小的情况、适用性差的不足，本实用新型提供一种能有效适应被测线路电流过小的情况、适用性强的基于DSP的有源型光电式电流互感器。并采用悬浮电源和激光补充电源相结合的形式.
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于DSP的有源型光电式电流互感器，包括套装在待测线路上的电流测量线圈和取能线圈，所述电流测量线圈连接积分放大模块，所述积分放大模块连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接第一E/O转换模块，所述第一E/O转换模块通过光纤连接第一O/E转换模块，所述第一O/E转换模块连接电流运算模块，所述电流运算模块连接同步控制模块，所述同步控制模块连接第二E/O转换模块，所述第二E/O转换模块通过光纤连接第二O/E转换模块，所述第二O/E转换模块连接所述A/D转换模块，所述取能系线圈连接所述悬浮电源，所述悬浮电源连接所述积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块；所述电流测量线圈由至少两个，所述电流测量线圈并列布置，所述悬浮电源设有激光电源输入端，所述激光电源输入端与激光电源连接。
进一步，所述电流运算模块为DSP控制器，所述同步控制模块为CPLD控制器。
本实用新型的有益效果主要表现在：能有效适应被测线路电流过小的情况、适用性强。并采用悬浮电源和激光补充电源相结合的形式，保证轻载、重载和短路条件下高压端电路的正常供能。
附图说明
图1是基于DSP的有源型光电式电流互感器的示意图。
图2是电流测量线圈的结构示意图。
图3是电流测量线圈的等效电路图。
图4是积分放大电路的示意图。
图5是AD7894-10内部结构图。
图6是模数转换控制系统图。
图7是模数控制硬件连接图。
图8是光纤收发电路图。
图9是TMS320F2812内部结构图。
图10是DSP的程序流程图。
图11是TMS320F2812与SED1335的接口电路示意图。
图12是SED1335的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1～图12，一种基于DSP的有源型光电式电流互感器，包括套装在待测线路上的电流测量线圈和取能线圈，所述电流测量线圈连接积分放大模块，所述积分放大模块连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接第一E/O转换模块，所述第一E/O转换模块通过光纤连接第一O/E转换模块，所述第一O/E转换模块连接电流运算模块，所述电流运算模块连接同步控制模块，所述同步控制模块连接第二E/O转换模块，所述第二E/O转换模块通过光纤连接第二O/E转换模块，所述第二O/E转换模块连接所述A/D转换模块，所述取能系线圈连接所述悬浮电源，所述悬浮电源连接所述积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块；所述电流测量线圈由至少两个，所述电流测量线圈并列布置，所述悬浮电源设有激光电源输入端，所述激光电源输入端与激光电源连接。
所述电流运算模块为DSP控制器，所述同步控制模块为CPLD控制器。
本装置的测量元件采用Rogowski线圈。Rogowski线圈又叫电流测量线圈，是一个由漆包线均匀缠绕在非磁性材料上的环形空心螺线管，利用无铁芯的空心线圈从大电流的导体中感应出一个电压，将此电压进行积分放大后就可得到与被测电流同相位、大小成正比的电流。它具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位差的特点，适合用于电力系统高压侧电流的检测、保护和控制，是电力系统的发展趋势。
由Rogowski线圈和有源积分器组成的测量原理电路如图2所示。
当被测电流i通过Rogowski线圈时，在线圈出线端感应出电势e，e与初级电流i的变化率 
成比例。当绕在线圈上的线匝分布均匀时，Rogowski线圈每单位长度
上的线匝上所交链的磁链
为:
其中，N为线圈的匝数，l为圆环的平均周长，B为线圈轴线方向上的磁感应强度，S为每匝的横截面积。
则总的线圈的所交链的磁链[25]为：
又因为，其中，
指真空磁导率，H指磁场强度，则上式可写成：
根据全电流定律，磁场强度H沿任意封闭轮廓的线积分等于穿过这封闭轮廓所限定面的电流，即
，故得：
（4）
故感应电动势为：
令
,则:
如图3为Rogowski线圈等效电路图。
根据电路图可知：
当
时，
,线圈处在微分工作状态下，则公式（7）可写为：
（8）
将（3-6）代入（3-8）得：
（9）
当
，上式变为：
即：
本装置有成名就3个Rogowski线圈，2个用于测量，目的可增加小电流区段的测量精度，减少测量死区，1个用于保护。另外还有一个取能线圈。骨架采用环氧树脂材料，匝数1450匝，内阻82.5欧,漆包线线径Ф=0.24mm。
从式（11）可以看出，输出电压和被测电流成微分关系，且相位相差90°，为了能更好地进行信号传送和处理，输出电压和被测电流最好是线性关系且相位相同，所以需要在Rogowski线圈后加一反相积分电路。而且Rogowski线圈的互感系数低，感应出的电压很小，为防止其经过积分器后被衰减掉，因此还必须在积分电路之前放置一放大环节。信号调理电路如图3所示。
图中
和
之间是放大电路，由结构可知，电路放大倍数由R 3和R 4的比值所决定的。
和
之间是反相积分电路，考虑到理想积分器积分漂移等实际情况，所以在理想积分器的基础上，在积分电容C 3两端并联一个级的反馈电阻R 8。另外在放大环节和反相积分环节之间加了一个简单的RC低通滤波[29]，对于信噪比的改善起到了很大的作用。
由图3-3可知：
则
和
之间的传递函数为：
由图3-2亦知：
将（3-15）式和（3-7）式代入（3-8）式并整理得：
则被测电流
与信号
之间的传递函数为：
因此，整个Rogowski线圈与放大积分电路系统的传递函数
为：
根据系统设计要求，对A/D器件的要求有：
（1）采样精度高。为了保证高的采样精度，必须选用高分辨率，即位数较高的A/D芯片。
（2）功耗小。由于高压侧的信号处理板所需的电源在高压侧，所以要尽量减少电路所需功耗。
（3）要有高速串行接口。高压侧信号要通过光纤传输，应尽量减少光纤传输通道，所以有串行接口的芯片能简化系统结构，提高可靠性。
基于上述考虑，本次设计采用Analog Device公司的AD7894-10作为本系统的A/D转换器。该转换器具有如下特点：
转换时间为5
；
8脚SOIC封装，14位分辨率；
单5V供电，采用串行工作方式；
输入电压范围为±10V；
正常工作功耗为20 mW，内部集成了采样/保持电路；
高速串行接口。
AD7894-10内部结构框图如下图5所示。
根据图5所示的模数控制原理图给出实际CPLD EPM7128SLC84与AD7894及ITD7202的硬件连接图。
本装置光缆选用62.5/125
渐变多模光纤，共有4根光缆，2根作为数据传送、2根传输激光能，同时兼作温度测量和传送通道。
光收发器件选用HP公司820
波长的HFBR-0400系列中的HFBR-1414和HFBR-2412。HFBR-1414/2412发射/接收器具有如下主要技术特性：
发射光波长为820nm；此波长对400m以下的光缆测温效果最好。
数据传输速率为5Mbit/s；
最长传输距离4km；
上升时间和下降时间4ns；
适用光纤：50/125
，62.5/125
，100/140，200
HCS；
工作温度范围：-40
～+85
；
ST、SC、SMA和FC四种连接头选择，本装置选用ST连接头。
光纤传输系统采用强度调制/直接检波光纤传输系统，即IM/DD光纤传输系统。整个光纤收发电路图如图8所示。
选用TI公司生产的TMS320F2812芯片作为低压侧信号处理系统的核心部分。TMS320F2812的内部结构图如图9所示。
DSP使用的程序流程图如图10所示。
SED1335是由EPSON公司生产的一款LCD控制器，具有较强功能的I/O缓存器，指令功能丰富，在同类产品中是功能最强大，硬件结构可分为MPU接口、控制部分和驱动LCD部分。TMS320F2812与SED1335的接口电路[57]如图10所示。其中D0~D7为数据总线，
为写选通信号，为读选通信号，
为器件选通信号，
为复位信号，A0决定是数据还是指令，V0为LCD驱动电压。
SED1335的软件功能非常强，共有14条指令，且多数指令都带有若干参数，参数值由使用者根据需要设置。DSP访问SED1335首先将指令写入指令缓冲器（A=1），随后将该指令所需参数按顺序通过数据输入缓冲器（A=0）写入相应的功能寄存器内。SED1335指令代码既可设置功能位，又是参数寄存器的选通码。除了SLEEP IN指令、CSRDIR指令、CSRR指令和MREAD指令外，所有的指令执行都将在其参数的输入完成后。
SED1335可显示文本、图形和字符。显示特性有区别，但实质上是一样的，都是对LCD屏上特定区域写入相关的数据，这些数据以数组的形式事先建立在程序的开头处，在显示这些汉字、字符与图形时把数据写入显示RAM中。软件流程图如图12所示。
Claims (2)
1.一种基于DSP的有源型光电式电流互感器，包括套装在待测线路上的电流测量线圈和取能线圈，所述电流测量线圈连接积分放大模块，所述积分放大模块连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接第一E/O转换模块，所述第一E/O转换模块通过光纤连接第一O/E转换模块，所述第一O/E转换模块连接电流运算模块，所述电流运算模块连接同步控制模块，所述同步控制模块连接第二E/O转换模块，所述第二E/O转换模块通过光纤连接第二O/E转换模块，所述第二O/E转换模块连接所述A/D转换模块，所述取能系线圈连接所述悬浮电源，所述悬浮电源连接所述积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块；其特征在于：所述电流测量线圈由至少两个，所述电流测量线圈并列布置，所述悬浮电源设有激光电源输入端，所述激光电源输入端与激光电源连接。
2.如权利要求1所述的基于DSP的有源型光电式电流互感器，其特征在于：所述电流运算模块为DSP控制器，所述同步控制模块为CPLD控制器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109387803A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-02-26 | 山东理工大学 | 提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统及方法 |
| CN111781469A (zh) * | 2020-05-19 | 2020-10-16 | 北京航空航天大学 | 一种测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈 |
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2010
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