CN204166030U - 一种采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

一种采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，属于电力系统领域。其特征在于：包括：光发送端（1）、光接收端（2）以及光纤（3），涉及电力系统自动化中广泛应用的电流互感器，适用于配电自动化系统中各种电缆和架空线路的电流信号的获取，属于电子技术领域、电力自动化领域、光电转换及光信号传输领域。包括电磁线圈、取电模块、电流采集模块、标尺模块、电光转换模块、光信号传输模块、光电转换模块、电信号处理模块、信号跟踪模块等，各模块相互连接相互协调。该电子式电流互感器测量准确、造价低廉，并且可以通过光纤实现模拟电流信号的传输，可替代配电自动化系统中传统的通过电缆连接的一次侧电流互感器和二次侧电流互感器。

Description

一种采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器

技术领域

一种采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，属于电力系统领域。

背景技术

在电力生产、电力传输系统及电力设备中，使用互感器来配合仪表、保护装置测量电流和电能，计量电力系统各部分所耗电能及保护电力系统安全运行。目前，电力系统使用传统的电磁式电流互感器（CT）、电磁式电压互感器（PT）测量电流、电压已有百年历史，且依然是当前电力系统使用的主流产品。然而，对现代智能二次装置来说，其输出容量远远多余，此外，随着电力系统电压等级的不断提高，传输的电力容量越来越大，传统的电磁式电流、电压互感器因其传感机理而出现其自身不可克服的问题。

随着计算机技术、电力自动化技术的发展，许多新技术、新器件在电力系统中开始应用。电压电流互感器作为电力监控最基本也是最重要的检测设备，其相关技术的发展和应用越来越受到人们的重视。电磁技术的发展，大大提高了电磁式电流互感器的线性度、抗饱和度等性能，而计算机技术的采用则推动了电子式电流互感器的诞生和发展。光信息科学与技术的发展，又使得光纤传输在电力系统获得广泛应用。

随着电网智能化的发展，出现了许多传统互感器的替代产品。当前普遍采用或正在推出的电流互感器主要有：

1）传统电磁式电流互感器。输出容量大，性能稳定，但存在高压绝缘、含油爆炸、电磁干扰、二次输出开路、体积大、能耗高、成本高等缺点。

2）利用罗氏线圈或铁芯线圈的低功率小信号电流互感器，通过屏蔽双绞线将信号传送给二次设备。虽然解决了传统互感器体积大、能耗高、成本高的缺点，但仍存在抗干扰能力差、无法实现与高压系统的电气隔离等缺点。

3）利用法拉第效应的光学电流互感器，又称为无源电子式电流互感器。光学电流互感器又分为磁光电流互感器和全光纤电流互感器。磁光电流互感器在高压变电站的户外恶劣环境下，电场、温度、振动等对其性能影响很大，反映出随时间的长期漂移，磁光电流互感器的长期稳定性是影响其最终实用化的关键问题，也是一个至今未得到解决的问题。全光纤电流互感器除了测量稳定性、可靠性难以保证以外，还因其需要激光二极管、保偏光纤等昂贵的光学器件而难以得到推广使用。

4）有源电子式电流互感器，是实用化程度较高的互感器。采用大电流CT功能和小电流激光功能相结合的供电方式，并通过电子电路将模拟电流信号转换为数字信号，经光电转换为光脉冲，由光纤将数字信号传输至低压测。其低压测接收电路简单，可直接与计算机进行数据通信。但是其高压测的模数转换需要采样和时序控制，电路复杂、能耗高，需要激光供能，激光器件成本高，寿命短。输出的数字信号，受采样频率限制，频带受限，不利于故障信息监测。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，该电子式电流互感器测量准确、造价低廉，并且可以通过光纤实现模拟电信号的传输。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：包括：

光发送端，线路一次侧模拟电流信号接入光发送端的输入端，在光发送端内转换为光信号后由光发送端的输出端将光信号输出；

光接收端，其输入端与光发送端的输出端相连，接收光发送端发出的光信号，将接收到的光信号转换为电信号，将电信号进行补偿后输出；

以及光纤，用于连接光接收端输入端与光发送端的输出端。

优选的，所述的光发送端包括：

一电磁线圈，其输入端接入线路一次侧模拟电流信号；

一信号整合电路，其输入端与电磁线圈的输出端相连，将电磁线圈输出的模拟电流信号进行叠加；

一供电电路，其输入端同时与电磁线圈的输出端相连，其输出端与信号整合电路相连，用于对光发送端进行供电；

一电信号转换发射模块，其信号输入端与信号整合电路的输出端相连，其供电输入端与供电电路的输出端相连，其输出端连接光纤，将信号整合电路叠加后的信号进行转换、输出。

优选的，所述的信号整合电路包括：

一电流信号采集电路，其输入端与电磁线圈的输出端相连，用于获取电磁线圈输出的待传输的模拟电流信号并进行输出；

一标尺信号生成模块，生成与待传输的模拟电流信号相配合的标尺信号；

一信号混合电路，其输入端分别与电流信号采集电路以及标尺信号生成模块的输出端相连，其输出端与所述的电信号转换发射模块的输入端相连，将电流信号采集电路输出的待传输的模拟电流信号以及标尺信号生成模块生成标尺信号进行叠加，使之成为混合电信号；

电流信号采集电路、标尺信号生成模块、信号混合电路均与所述的供电电路相连并由其供电。

优选的，所述的电信号转换发射模块包括：

一电光转换电路，其输入端与信号混合电路的输出端相连，将信号混合电路输出的混合电信号转换为光信号；

一光发射端口，用于连接电光转换电路与光纤，将电光转换电路转换得到的光信号进行输出；

电光转换电路以及电信号转换发射模块均与所述的供电电路相连并由其供电。

优选的，所述的标尺信号生成模块包括：直流标尺信号生成模块以及交流标尺信号生成模块；

交流标尺生成模块由正弦波发生器实现，用以生成交流标尺信号；直流标尺信号生成模块用于生成直流标尺信号。

优选的，所述的供电电路包括：

一取电电路，其输入端与电磁线圈的输出端相连，其内设置有整流电路以及稳压电路，将电磁线圈获取的电流源信号进行整流、转换得到电压源信号；

一储能元件，用于存储电能；

一稳压电源，其输出端与所述的电流信号采集电路、标尺信号生成模块、信号混合电路、电光转换电路以及电信号转换发射模块相连，用于输出其工作所需的电压。

优选的，所述的光接收端包括：

一光信号接收转换模块，其输入端通过光纤与光发送端相连，用于接收光发送端发出的光信号并将接收到的光信号进行转换；

一信号调理电路，其输入端与光信号接收转换模块的输出端相连，将接收到的信号进行分离、补偿、输出。

优选的，所述的光信号接收转换模块包括：

光接收端口，与光纤连接，通过光纤与光发送端相连；

光电转换电路，其输入端与光接收端口相连，将光接收端口接收到的的光信号转换为电信号并输出至信号调理电路。

优选的，所述的信号调理电路包括：

一信号分离电路，其输入端与光电转换电路的输出端相连，将光电转换电路输出的电信号进行分离，分离得到模拟电流信号以及标尺信号；

一增益控制电路，其输入端与信号分离电路的输出端相连，接收信号分离电路分离得到的标尺信号，并计算出标尺信号在传输过程中的衰减系数，并将衰减系数作为增益控制信号进行输出；

一信号跟踪电路，其输入端与信号分离电路的输出端相连，接收信号分离电路分离得到的模拟电流信号，信号跟踪电路同时接收增益控制电路输出的增益控制信号，通过增益控制信号对接收到的模拟电流信号进行补偿、输出。

优选的，在所述的光接收端内还设置有一标准信号输出电路，其输入端与信号调理电路的输出端相连。

本实用新型的关键在于工作电源直接取自线路电流，采用标尺信号对采集的电流信号进行校准，并通过光纤传输模拟信号，该模拟信号充分反应一次线路电流状态，保证被测电流有用的原始信息不失真不丢失。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

1、可通过光纤直接实现模拟电信号的传输，与数字信号传输相比更加完整的反映了线路电流的原始状态，保证被测电流有用的原始信息不失真不丢失，特别是对线路故障信息有较完整的保留，有利于对电信号进行分析。

2、采用自带的标尺信号对所采集电流信号进行校准，从而大大提高电流信号的测量精度。

3、光纤传输完全切断了一次线路和二次终端装置的电联系，解决了传统互感器存在的高压绝缘击穿风险。

4、在光发送端内设置有供电电路，将电磁线圈采集到的电流进行调理之后作为供电电源，解决了现有电子式互感器需要另外提供工作电源的缺陷。

5、只设置有光发送端、光接收端以及光纤，具有结构简单、成本低以及低耗能的优点。

附图说明

图1为采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器原理方框图。

图2为采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器光发送端原理方框图。

图3为采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器光接收端原理方框图。

其中：1、光发送端  2、光接收端  3、光纤。

具体实施方式

图1~3是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1~3对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，包括光发送端1、光接收端2以及连接光发送端1和光接收端2的光纤3。光发送端1用于实现一次侧模拟电流信号到光信号的转换及发送；光接收端2用于实现光信号到二次侧电流信号的接收、转换及补偿；光纤3用于实现光信号的传输，从而实现模拟电流信号从一次测到二次侧的传输。

光发送端1包括电磁线圈、信号整合电路、供电电路以及电信号转换发射模块，电磁线圈的输入端接入一次侧模拟电流信号，其输出端分别与信号整合电路以及供电电路相连，信号整合电路以及供电电路的输出端分别与电信号转换发射模块的信号输入端以及供电输入端相连，供电电路的输出端同时与信号整合电路的供电输入端相连。电信号转换发射模块的输出端连接光纤3。电磁线圈将接收到的一次侧模拟电流信号分别送至信号整合电路和供电电路。模拟电流信号送入供电电路后作为供电电路的输入电源，通过供电电路实现对信号整合电路以及电信号转换发射模块的供电。一次侧模拟电流信号送入信号整合电路之后，信号整合电路将一次侧模拟电流信号与其内形成的标尺信号进行整合形成混合电信号，然后将混合电信号送入电信号转换发射模块内转换为光信号，然后由电信号转换发射模块将光信号送入光纤3，由光纤3进行传输。

光接收端2包括光信号接收转换模块、信号调理电路以及标准信号输出电路。光信号接收转换模块与光纤3相连，由光发送端1发出的光信号经光纤3传输后由光信号接收转换模块接收，光信号接收转换模块接收到光信号之后将光信号转换为混合电信号，然后将混合电信号送入信号调理电路。混合电信号进入信号调理电路中之后将混合电信号进行分离，分离出标尺信号和模拟电流信号。由于光信号在传输过程中会出现一定程度的衰减，因此由信号调理电路转换得到的混合电信号以及由该混合光信号分离出的标尺信号和传输电信号均存在相同程度的衰减。信号调理电路将分离得到的模拟电流信号进行补偿后，使之恢复为光发送端1中一次侧模拟电流信号并进行输出，完成模拟电流信号的光纤传输。

在图2所示的光发送端1的原理方框图中，黑色箭头用于表示模拟电流信号的传递方向，白色箭头用于表示供电信号的方向。上述的光发送端1中的供电电路包括：取电电路、稳压电源以及储能元件。电磁线圈的输出端与取电电路的输入端相连，取电电路包括全波整流电路以及与全波整流电路相连的稳压管，并设置有用于泄放多余大电流的大功率晶体管。通过取电电路将电磁线圈输出的交流电转换得到稳定的直流电压信号。取电电路的电压输出端与储能元件以及稳压电源的输入端相连。取电电路的电压输出端输出的电压加载到稳压电源上，通过稳压电源获得稳定的工作电压，同时对储能元件进行充电。在实际实施时，在取电电路与储能元件之间设置有现有技术中常见的充放电管理电路（图中未画出），通过充放电管理电路实现对储能元件的充电保护，防止其过充。在本采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器中，储能元件采用超级电容实现，也可采用其他形式的储能元件，如锂电池。

上述的光发送端1中的信号整理电路包括：直流标尺生成模块、交流标尺生成模块以及信号混合电路。供电电路中的稳压电源的电源输出端同时与直流标尺生成模块、交流标尺生成模块以及信号混合电路的供电输入端相连并为其供电。电流信号采集电路的输入端与电磁线圈的输出端相连，电流信号采集电路采用二次小互感线圈进行电流信号的采集，得到待传输的模拟电流信号（记为电信号I1）。直流标尺生成模块和交流标尺生成模块分别生成一个固定的直流标尺信号（记为电信号I2）和交流标尺信号（记为电信号I3）。在本采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器中，直流标尺信号生成模块采用直流输出芯片进行实现，如标准参考源芯片REF5020，交流标尺信号生成模块采用任意形式的正弦波发生器实现。

直流标尺生成模块和交流标尺生成模块生成的直流标尺信号、交流标尺信号以及电流信号采集电路采集得到的待传输的模拟电流信号一同被送入信号混合电路内。信号混合电路采用集成运算放大器实现，将直流标尺信号、交流标尺信号以及待传输的模拟电流信号进行叠加，叠加形成混合电信号（记为电信号I4），然后将混合电信号（电信号I4）送至电信号转换发射模块。

电信号转换发射模块包括：电光转换电路以及光发射端口，光发射端口与光纤3连接。信号混合电路的信号输出端与电光转换电路的信号输入端相连，将混合电信号送入电光转换电路内。电光转换电路内包括可见光发光管以及驱动可见光发光管工作的外围电路。混合电信号（电信号I4）进入电光转换电路之后，驱动可见光发光管发光，实现电信号-光信号的转换，转换得到光信号（记为光信号S1）。电光转换模块转换形成的光信号通过光发射端口，由与光发射端口相连的光纤3进行远距离传输。上述的稳压电源的电压输出端同时与电光转换模块的电压输入端相连并为其供电。

如图3所示，由光发送端1发出的光信号（光信号S1）经光纤3传输后送至光接收端2，传输后的光信号（记为光信号S1’）由光接收端2内的光信号接收转换模块接收得到。光信号接收转换模块包括光接收端口以及光电转换电路。光接收端口将接收到的光信号送至光电转换电路，在光电转换电路内完成光信号-电信号的转换，转换得到光接收端2的混合电信号（记为电信号I4’），光电转换电路采用光电管（如光电二极管或光电三极管）实现光信号-电信号的转换。光电转换电路将转换得到的混合电信号（电信号I4’）送入信号调理电路。

信号调理电路包括：信号分离电路、信号跟踪电路以及增益控制电路。光电转换电路的输出端与信号分离电路的输入端相连，将转换得到的混合电信号（电信号I4’）送入信号分离模块内。信号分离模块接收到混合电信号（电信号I4’）之后，对该混合电信号（电信号I4’）进行分离，分离得到三个模拟电流信号：模拟电流信号（记为电信号I1’）、直流标尺信号（记为电信号I2’）和交流标尺信号（记为电信号I3’）。信号分离电路可有源带通滤波器实现。

如上所述，光发送端1生成的光信号（光信号S1）在传输过程中出现了一定程度的衰减，衰减为光接收端2接收到的光信号（光信号S1’），衰减的原因包括光源的发光效率、光纤连接器、光纤衰减、光电检测器的效率等多个方面。因此，相比较光接收端2内转换得到的混合电信号（电信号I4’），在光发送端1内转换得到的的混合电信号（电信号I4’）在传输之后与光发送端1生成的光信号（光信号S1）出现了相同程度的衰减。进一步的，在光发送端1内得到或生成的待传输的模拟电流信号（电信号I1）、直流标尺信号（电信号I2）和交流标尺信号（电信号I3）在传输后也出现了相同程度的衰减，即由信号分离电路分离得到的模拟电流信号（电信号I1’）、直流标尺信号（电信号I2’）和交流标尺信号（电信号I3’）。

混合电信号（电信号I4’）在经过信号分离电路分离之后，得到的模拟电流信号（电信号I1’）被送入信号跟踪电路，信号分离电路根据实际需要将分离得到的直流标尺信号（电信号I2’）和/或交流标尺信号（电信号I3’）被送入增益控制电路。由于光发送端1内生成的直流标尺信号（电信号I2）和交流标尺信号（电信号I3）的参数已知，因此增益控制电路内的MCU通过对衰减前后的直流标尺信号和交流标尺信号进行检测即可计算出直流标尺信号和交流标尺信号在传输过程中的衰减系数。由上述可知，模拟电流信号（电信号I1）在传输过程中出现了与直、交流标尺信号相同程度的衰减，即可通过直、交流标尺信号的衰减程度对模拟电流信号（电信号I1’）进行补偿，使之恢复为待传输的模拟电流信号（记为电信号I1）。增益控制电路根据传输前后的直、交流标尺信号的幅值的比值计算出直、交流标尺信号在传输过程中的衰减系数，然后增益控制电路将计算出的直、交流标尺信号的衰减系数作为增益控制信号送至信号跟踪电路中。信号跟踪电路根据增益控制电路送入的增益控制信号，对已由信号分离电路送入的模拟电流信号（电信号I1’）进行补偿，使之恢复为电流信号采集电路采集得到的待传输的模拟电流信号（电信号I1），在本采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器中，信号跟踪电路采用四象限模拟乘法器，以实现对模拟电流信号（电信号I1’）的跟踪及增益调节，信号跟踪电路也可以通过增益可调放大器实现。信号跟踪电路的输出端与标准信号输出电路的信号输入端相连，信号跟踪电路将补偿后得到的模拟电流信号（电信号I1）送入标准信号输出电路，由标准信号输出电路对补偿得到的模拟电流信号（电信号I1）进行再次调理，可根据现场的实际需要，将模拟电流信号（电信号I1）调理为满足现场实际需求的模拟电流信号或模拟电压信号，然后由标准信号输出电路进行输出。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：包括：

光发送端（1），线路一次侧模拟电流信号接入光发送端（1）的输入端，在光发送端（1）内转换为光信号后由光发送端（1）的输出端将光信号输出；

光接收端（2），其输入端与光发送端（1）的输出端相连，接收光发送端（1）发出的光信号，将接收到的光信号转换为电信号，将电信号进行补偿后输出；

以及光纤（3），用于连接光接收端（2）输入端与光发送端（1）的输出端。

2.根据权利要求1所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：所述的光发送端（1）包括：

一电磁线圈，其输入端接入线路一次侧模拟电流信号；

一信号整合电路，其输入端与电磁线圈的输出端相连，将电磁线圈输出的模拟电流信号进行叠加；

一供电电路，其输入端同时与电磁线圈的输出端相连，其输出端与信号整合电路相连，用于对光发送端（1）进行供电；

一电信号转换发射模块，其信号输入端与信号整合电路的输出端相连，其供电输入端与供电电路的输出端相连，其输出端连接光纤（3），将信号整合电路叠加后的信号进行转换、输出。

3.根据权利要求2所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：所述的信号整合电路包括：

一电流信号采集电路，其输入端与电磁线圈的输出端相连，用于获取电磁线圈输出的待传输的模拟电流信号并进行输出；

一标尺信号生成模块，生成与待传输的模拟电流信号相配合的标尺信号；

一信号混合电路，其输入端分别与电流信号采集电路以及标尺信号生成模块的输出端相连，其输出端与所述的电信号转换发射模块的输入端相连，将电流信号采集电路输出的待传输的模拟电流信号以及标尺信号生成模块生成标尺信号进行叠加，使之成为混合电信号；

电流信号采集电路、标尺信号生成模块、信号混合电路均与所述的供电电路相连并由其供电。

4.根据权利要求3所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：所述的电信号转换发射模块包括：

一电光转换电路，其输入端与信号混合电路的输出端相连，将信号混合电路输出的混合电信号转换为光信号；

一光发射端口，用于连接电光转换电路与光纤（3），将电光转换电路转换得到的光信号进行输出；

电光转换电路以及电信号转换发射模块均与所述的供电电路相连并由其供电。

5.根据权利要求3所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：所述的标尺信号生成模块包括：直流标尺信号生成模块以及交流标尺信号生成模块；

交流标尺生成模块由正弦波发生器实现，用以生成交流标尺信号；直流标尺信号生成模块用于生成直流标尺信号。

6.根据权利要求2~4任一项所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：所述的供电电路包括：

一取电电路，其输入端与电磁线圈的输出端相连，其内设置有整流电路以及稳压电路，将电磁线圈获取的电流源信号进行整流、转换得到电压源信号；

一储能元件，用于存储电能；

一稳压电源，其输出端与所述的电流信号采集电路、标尺信号生成模块、信号混合电路、电光转换电路以及电信号转换发射模块相连，用于输出其工作所需的电压。

7.根据权利要求1所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：所述的光接收端（2）包括：

一光信号接收转换模块，其输入端通过光纤（3）与光发送端（1）相连，用于接收光发送端（1）发出的光信号并将接收到的光信号进行转换；

一信号调理电路，其输入端与光信号接收转换模块的输出端相连，将接收到的信号进行分离、补偿、输出。

8.根据权利要求7所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：所述的光信号接收转换模块包括：

光接收端口，与光纤（3）连接，通过光纤（3）与光发送端（1）相连；

光电转换电路，其输入端与光接收端口相连，将光接收端口接收到的的光信号转换为电信号并输出至信号调理电路。

9.根据权利要求7或8所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：所述的信号调理电路包括：

一信号分离电路，其输入端与光电转换电路的输出端相连，将光电转换电路输出的电信号进行分离，分离得到模拟电流信号以及标尺信号；

一增益控制电路，其输入端与信号分离电路的输出端相连，接收信号分离电路分离得到的标尺信号，并计算出标尺信号在传输过程中的衰减系数，并将衰减系数作为增益控制信号进行输出；

一信号跟踪电路，其输入端与信号分离电路的输出端相连，接收信号分离电路分离得到的模拟电流信号，信号跟踪电路同时接收增益控制电路输出的增益控制信号，通过增益控制信号对接收到的模拟电流信号进行补偿、输出。

10.根据权利要求7所述的采用光纤传输模拟信号的电子式电流互感器，其特征在于：在所述的光接收端（2）内还设置有一标准信号输出电路，其输入端与信号调理电路的输出端相连。