CN204439712U - 基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器，包括电流传感模块、信号调理模块两部分；将A/D前置，减少了模拟信号的传输环节，从而提高了整体系统的抗干扰性能；在DSP数字信号单元中搭建积分器、闭环负反馈控制，积分器和环负反馈控制采用计数器、寄存器或/和乘法器的逻辑器件来实现，减小了比差和相差，采用闭环负反馈控制消除前面环节带来的直流分量。本实用新型解决了积分器在空心线圈电流互感器实际运用中的关键性问题，通过拓展了积分器型空心线圈电流互感器在实际工程中的运用，提高了空心线圈电流互感器的测量精度。该空心线圈电流互感器具有测量精度高、抗电磁干扰能力强的特点。

Description

基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器

技术领域

本实用新型属于智能电网运行状态在线监测领域，涉及的是一种基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器，不仅能够对线路电流进行高精度及时的采集，而且能够将模拟信号就地数字化后进行积分还原和负反馈调节，减小信号在传输与处理阶段产生的误差，从而实现对电流信号的高精度采集。

背景技术

随着科学技术的发展和人类社会的进步，电力系统正向着以测控技术、数字技术和通信技术等现代化技术为技术支撑的智能电网方向发展。数字化变电站是智能电网的重要组成部分，数字化变电站的关键设备之一，空心线圈电流互感器联系着高压电网和计量或继电保护系统，其测量的准确度对维持系统稳定性、电能计量等方面起至关重要的作用。

现有的空心线圈电流互感器主要采用的是对采集信号输入模拟器件后进行模拟信号处理，再将处理完的模拟信号进行数字化转换，该模数转换方式给整个测量系统引入了两方面的误差，一是模拟积分器件只能够逼近理想积分，但受制于器件的分散性和物理特性，无法完全做到理想积分效果；其次，由于A/D采集卡置于模拟积分输出之后，且和传感头一起位于高压侧，因此，在模拟积分中有源器件受外界电磁干扰产生的杂波成分以及供电电源引入的直流偏置也会被A/D采集卡读入，作为测量值的一部分，从而增大了整个测量系统的误差。

目前在空心线圈电流互感器中常采用的模拟积分器主要分为无源积分和有源积分两种。无源积分器一般由电阻、电容等元件构成，无需供电电源。无源积分器对输入信号有衰减效果，且由于输出阻抗较大，给测量带来误差，因此一般常采用有源积分器实现。有源积分器一般由运算放大器和电阻、电容等模拟元件构成，需要为运算放大器提供电源供电。理想积分电路很难在实际应用中得到预期的效果。目前一般采用在积分电容上并联一个阻值较大的反馈电阻，如图2a所示，当反馈电阻的阻值足够大时，此积分器的响应接近理想积分器。由于反馈电阻的存在，该积分器对低频信号的放大倍数非常大，可能达到工频信号放大倍数的很多倍，因此低频干扰信号可能会影响到积分电路的正常工作。带反馈电阻的积分电路的幅频响应曲线可以在整个频率范围与理想积分较 好的接近，但是存在的问题是低频增益过大，对于积分电路输入端极小的低频或直流信号，都会放大很多倍，导致积分电路输出饱和。为了抑制低频干扰，有学者对积分器进行了改进，如图2b所示，改进低频增益积分电路在频率较高时幅频特性曲线与理想积分吻合，在低频段增益比前两种积分电路有所降低，但是并没有完全消除低频段对积分电路带来的影响。另外，改进的两种电路在相频响应方面与理想积分相比效果不好，不像理想积分器那样刚好是90°的相位。也有研究人员设计了基于低通滤波器的积分电路，可明显改善积分器的低频特性，但却导致其相频响应曲线与理想积分差距增大，需要对相位进行调节。总而言之，模拟积分电路实现起来相对简单，但易受模拟器件分散性、温漂和零漂等因素的影响，尽管有一些改进的措施，但并不能从根本上解决这些问题，改进的积分电路性能也不是十分稳定。所以，采用传统模拟器件实现的积分器，在长时间的运行中很难达到高精度的要求。

对于外界的电磁干扰，目前的解决方法无外乎是被动的电磁干扰屏蔽措施，即做好外层的屏蔽装置，但完善屏蔽装置一是会造成互感器成本提高；二是增大了互感器的体积，这使得在现场安装过程中，增大了安装难度；三是完善屏蔽装置并不能够从根本上减小受干扰的范围。正是由于上述原因，高压侧的电磁场对空心电流互感器的干扰就非常大，导致测量的精度与稳定性都不高。

随着数字信号处理技术以及网络的发展，将电力系统运行状态监测手段向着数字化信息化方向改进也是智能电网未来的发展方向。作为监测电力系统运行状态的关键性设备，空心线圈电流互感器的测量精度对于后续的电能计量、继电保护、调度等等工作有着深远的影响。但是，由于现有的电流互感器大量采用模拟器件，也不能很好的处理电磁环境对采集器的干扰问题、积分问题等，因此并不能达到很高的精度和稳定性，基于上述的问题，本实用新型采用模拟器件构成信号调理电路，提出了一种基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器。

发明内容

本实用新型针对传统空心线圈电流互感器数字化程度并不高，大量采用模拟器件，不能很好的处理电磁环境对采集器的干扰以及积分器误差较大等问题，提出了一种基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器，该互感器能够比较好地解决现有互感器的抗电磁干扰能力弱、精度不高、稳定性差的问题，从而使得本实用新型不仅能够适应更加复杂的电磁环境，而且还能够提供较传统空心电流互感器更加准确的数据，间接提 高了整个电力系统的运行稳定性。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案为：

一种基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器，包括电流传感模块、信号调理模块两部分；其特征在于：电流传感模块包括电流传感头和A/D采集卡，信号调理模块主要包括DSP数字信号处理单元、电信号转换模块；电流传感头为空心线圈结构，安装在一次侧线路上，用于采集一次侧的电流信号，而A/D采集卡则紧跟在电流传感头之后，位于高压侧，用于该电流信号进行数字化处理，并且发送至信号调理模块；

A/D采集卡与信号调理模块的DSP数字信号处理单元相连，DSP数字信号处理单元通过电光转换模块将积分还原出的电信号转换为光信号传输给控制室监测系统的计算机，在DSP数字信号单元中搭建积分器、闭环负反馈控制。

所述的积分器和闭环负反馈控制采用计数器、寄存器或/和乘法器的逻辑器件来实现。

本实用新型采用A/D采集卡前置的结构，可以减少模拟信号在整个测量系统的传输距离，提高抗干扰能力。

信号调理模块主信号调理模块信号调理模块主要包括DSP数字信号处理单元相连、电信号转换模块；采用逻辑器件实现包括积分器、闭环负反馈控制在内的信号处理核心。本实用新型积分器是采用逻辑器件实现的，相较于传统积分器，该积分器在幅频和相频上都与理想的积分器更加接近，从而获得了更高的测量精度；闭环负反馈的主要作用是将由A/D等有源器件可能引入的直流偏置通过负反馈进行消除，从而保证积分器能够稳定的工作；外围电路主要包括逻辑器件正常工作所需的工作电源、时钟信号等部分。

本实用新型通过前移数字信号处理环节，在传感器后直接将信号数字化，尽可能的减少模拟信号在整个测量系统中的传输距离，从而既保证了测量精度不会随外界环境因素发生变化，更好地适应各种复杂的测量环境，极大地降低了空心线圈电流互感器安装的环境限制；通过采用新型的积分器，显著减小了原有积分器在幅值和相位上的误差；通过采用基于直流负反馈的PID控制，解决了有源器件引入的直流误差问题，从而保证了积分器的长期正常使用；并且，本实用新型还符合目前智能电网的智能化、数字化和信息化的要求。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2a、图2b分别为现有的典型有源模拟积分器电路图；

图3为理想积分器和Al-Alaoui积分器的幅值和相位响应；

图4a为本实用新型的积分器与原积分器之间的幅值误差图；

图4b为本实用新型的积分器与原积分器之间的相位误差图；

图5为本实用新型的基于直流偏移分析和负反馈控制的积分器结构示意图；

图6为整体装置的硬件结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方案作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图6所示，本实用新型提出的一种基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器。一种基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器，包括电流传感模块、信号调理模块两部分；其特征在于：电流传感模块包括电流传感头和A/D采集卡，信号调理模块主要包括DSP数字信号处理单元、电信号转换模块；电流传感头为空心线圈结构，安装在一次侧线路上，用于采集一次侧的电流信号，而A/D采集卡则紧跟在电流传感头之后，位于高压侧，用于该电流信号进行数字化处理，并且发送至信号调理模块；A/D采集卡与信号调理模块的DSP数字信号处理单元相连，DSP数字信号处理单元通过电光转换模块将积分还原出的电信号转换为光信号传输给控制室监测系统的计算机，在DSP数字信号单元中搭建积分器、闭环负反馈控制。所述的积分器和环负反馈控制采用计数器和寄存器的逻辑器件来实现。

具体运行方式如下，由空心线圈将电流信号传送至A/D采集卡模块，此时的信号为模拟量，而且正比于线路上的电流微分信号大小；信号在A/D采样后，由模拟信号转化为数字信号，此时的数字信号依旧是正比于线路上的电流微分信号，因此需要进行积分还原；将A/D采集卡与逻辑器件相连，采用逻辑器件实现了积分器，实现对电流微分信号的积分还原，此时的信号大小才正比于线路上电流信号的大小，最后经电光转换模块将数字电信号转化为光信号经由光纤传出。本实用新型提出一种积分器，对线路上电流的微分信号进行积分处理，从而实现输出信号正比于线路电流信号的要求。创新点有二，第一是改变A/D采集卡在整个空心线圈电流互感器系统中的位置，将其前置到传感头后方，对输出的电流微分信号进行数字化，然后将微分电流信号数字量传输给后 续数字信号处理部分；第二点是在采用的积分器，解决了传统积分器出现相频特性在0.577倍奈奎斯特频率时会有1.2°误差的问题，显著减小了积分器的幅值和相位误差。

具体地说，传统的电子式电流互感器大都采用模拟器件积分的方式实现从电流微分信号到真实电流信号的积分还原，使用该种方式的主要缺点是模拟器件的不稳定性，由于电子式电流互感器一般都工作在靠近高压大电流的线路处，一次侧的强电磁场对电子式电流互感器的模拟器件是很严重的影响，而且，电子式电流互感器周围还有许许多多的一次设备，这些设备也会引入电磁干扰源，处于这样复杂电磁环境中的模拟器件在长期运行过程中很难保持其稳定性，其次，模拟积分器还存在一个问题，由于积分器中反馈电容需要进行放电，因此在设计时一般都会并联一个放电电阻，此时，积分器的相频响应就不满足理想积分器刚好是90°的相位。针对上述问题，本实用新型提出了将空心线圈----模拟积分器----A/D采样这一传统结构改为空心线圈----A/D采样----积分器这种结构，并且对积分器进行了深入研究，在传统的积分器基础上提出了一种新型的积分器，采用逻辑器件进行实现，从而增加了积分环节对电磁干扰的抵抗能力，提高了测量精度。考虑到A/D转换或者信号调理电路可能会引入直流偏置，这对积分器长期稳定工作是非常不利的，直流量会在积分器中不断累加，从而造成非常大的误差，为克服直流分量对积分器的影响，又提出了一种基于直流负反馈原理的反馈结构，通过负反馈的方式消除积分器输入信号中的不变直流分量，从而减小积分器的误差，具体实施方式将在下面作详细说明。

上述前置A/D采集卡具体实施方式为：

图1中，一次侧导线上装有空心线圈传感头，传感头输出信号为正比于一次侧电流变化的微分电压信号，对于该微分信号，传统电子式电流互感器大都采用在输出信号之后紧接有源积分电路的方式来进行积分还原，然后将还原之后的信号进行A/D采样处理。本实用新型则是直接将A/D采样部分置于传感头之后，直接对输出的微分电压信号进行模数转换，这里采用的是高精度的24位A/D芯片ads1271，输出数字量按照ads1271内置通信协议进行串口发送。在图1中，A/D采集卡后则是逻辑信号处理单元，该单元首先对串口发送过来的数据进行解码，然后在逻辑器件中完成积分还原，用逻辑器件来替代模拟器件。

上述基于直流负反馈原理的本实用新型的积分器具体实施方式如下：

首先，目前使用的积分器都有或多或少的问题，以矩形积分器、梯形积分器和Simpon 积分器为例，它们的幅频特性在低频段与理想积分非常接近，但随着频率的增大，三种积分器的幅频特性与理想积分差距越来越大。对于相频特性，图3中可以看出，矩形积分器的相频特性曲线呈线性变化，只有在频率很小时才接近理想积分的相频特性。为此，本实用新型采用了逻辑器件实现了一种本实用新型积分器，对该积分器进行分析，可以得出该积分器的传递函数为：

$H_{N1}\left(z\right)=\frac{5}{8}\×\frac{{7z}^{-2}+{8z}^{-7}+z^{-12}}{{1-z}^{-10}}$

对该传函进行分析发现，该积分器比现有的Al-Alaoui积分器无论是相频还是幅频误差都显著减小了，图4a、图4b为本实用新型的积分器频谱特性。

在本实用新型的积分器的基础上，本实用新型又提出了基于直流负反馈原理的直流偏移控制器。图5中，e₁(t)为A/D转换器的输入信号，其中可能含有直流分量。e₂(t)为积分器的输出信号，由于输入信号中直流分量的影响，积分器输出中的直流分量会累加，导致e₂(t)中的直流分量远大于e₁(t)中的直流分量。e₃(t)为积分器输出信号中的直流分量，可通过低通滤波器提取出来。e₄(t)为最终消除了直流分量影响的输出信号。

首先将本实用新型的积分器输出信号进行低通滤波，采用IIR低通滤波器和直流含量分析模块，提取出其中的稳定的直流分量；然后将该直流分量通过PID(比例-积分-微分)调整之后，反馈至本实用新型的积分器的输入端，将输入信号中的直流分量减去。该反馈结构的目的是为了消除由于电路自身原因产生的不变直流分量，在PID调节稳定后，本实用新型的积分器的输入则没有直流分量，本实用新型的积分器能对Rogowski线圈输出交流信号进行积分，以还原一次侧被测信号波形。而对于输入信号中本身可能会含有的暂态衰减直流分量，例如系统短路时含有的衰减直流分量，由于该衰减直流分量不属于稳定的直流分量范围，该反馈结构不会将其滤除，而会通过逻辑器件准确地还原被测暂态波形。图6为装置的硬件结构图，装置主要采用了计数器、寄存器和乘法器的逻辑器件，对A/D采集卡得到的数字信号进行了积分处理。处理过程主要是采用计时器作为寄存器的触发源，对输入信号进行不同时长的延时处理，然后采用乘法器对寄存器输出信号进行不同倍数的乘法(如图6所示，有7倍的乘法器和8倍的乘法器，图中有个7的表示乘法器中的乘数为7，图中有个8的表示乘法器中的乘数为8，)所示运算，最后通过一个加法器将所有的信号进行累加处理，得到输出信号。整个硬件结构所实现的传递函数为：

$H_{N1}\left(z\right)=\frac{5}{8}\×\frac{{7z}^{-2}+{8z}^{-7}+z^{-12}}{{1-z}^{-10}}$

负反馈环节则是将输出信号引入IIR低通滤波器中，获取直流分量，对采集到的直流分量则运用PID负反馈控制器进行闭环控制，以达到控制输出信号不含直流偏置这一目的。其中的IIR低通滤波器采用常规巴特沃斯滤波器算法实现，负反馈中的PID控制采用常规PID算法实现，其传递函数为：

$H_{\mathrm{PID}}\left(z\right)=\frac{1}{7200}+\frac{z}{4(z-1)}+\frac{z-1}{20z}$

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器，包括电流传感模块、信号调理模块两部分；其特征在于：电流传感模块包括电流传感头和A/D采集卡，信号调理模块主要包括DSP数字信号处理单元、电信号转换模块；电流传感头为空心线圈结构，安装在一次侧线路上，用于采集一次侧的电流信号，而A/D采集卡则紧跟在电流传感头之后，位于高压侧，用于该电流信号进行数字化处理，并且发送至信号调理模块；

A/D采集卡与信号调理模块的DSP数字信号处理单元相连，DSP数字信号处理单元通过电光转换模块将积分还原出的电信号转换为光信号传输给控制室监测系统的计算机，在DSP数字信号单元中搭建积分器、闭环负反馈控制。

2.根据权利要求1所述基于新型直流负反馈积分器的空心线圈电流互感器，其特征在于：所述的积分器和环负反馈控制采用计数器、寄存器或/和乘法器的逻辑器件来实现。