CN204439713U - 基于新型直流隔离积分器的空心线圈电流互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的一种基于新型直流隔离积分器的空心线圈电流互感器，包括电流传感模块和信号调理模块，通过将A/D采集卡模块前置，减少了模拟信号在测量系统中的传输距离和处理环节，从而提高了整体系统的抗干扰能力。通过采用计数器、寄存器或/和乘法器的逻辑器件构建积分器来处理A/D输出的数字信号，从而提高了积分还原的准确性，减小了比差和角差；不仅如此，本实用新型还提出了一种基于积分衰减和输出直流隔离的积分器结构，将数字积分中的直流量进行了滤除；基于这两点，本实用新型解决了数字积分器在空心线圈电流互感器实际运用中的关键性问题，提高了空心线圈电流互感器的测量精度。

Description

基于新型直流隔离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隔离积分器的空心线圈电流互感器。

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，传统空心线圈电流互感器存在的主要问题就是其采用模拟器件对线圈采集信号积分还原，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2(a)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2(b)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，模拟积分器在长时间的运行中很难达到高精度的要求。

数字积分器是较好的能够解决模拟积分器所存在缺陷的一种方式，其核心是采用各种不同的数字积分算法，使得积分器的频谱响应与理想积分器尽可能的接近，目前的数字积分器在频谱特性上与理想积分器十分接近，但是从测量的角度来说，精度并不是很高，因此，也需要对其进行改进。

不仅如此，数字积分器需要前置的A/D采集卡，模拟积分器需要有源运放存在，所以，无论是采用数字积分器还是模拟积分器，都会在系统中引入直流偏置，虽然该偏置量很小，但是在积分器的长时间积累下，微小的偏置量也会累加至很高的水平，影响测量。因此，如何滤除积分器中直流偏置量也是需要考虑的问题。

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，无论是模拟器件的积分器还是数字积分器，目前都还存在着诸多缺陷亟待解决，正是基于上述的缺陷，本实用新型提出了一种基于新型直流隔离数字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，测量结果受外界环境条件局限依旧很大这一问题，提出了一种基于新型直流隔离数字积分器的空心线圈电流互感器该互感器具有抗电磁干扰能力强，精度高和稳定性好的特点，并且，针对目前积分器的缺陷，在Al-Alaoui积分器基础上加以改造，采用逻辑器件搭建了一种新型积分器，该新型积分器具有比传统积分器精度高的特点，并且对测量系统中可能引入的直流分量能够进行滤除。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案为：

一种基于新型直流隔离积分器的空心线圈电流互感器，包括电流传感模块和信号调理模块；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和前馈控制。

所述积分器和前馈控制采用计数器、寄存器或/和乘法器的逻辑器件来实现。

电流传感模块包括空心线圈电流传感头和A/D采集卡，其主要作用是将线路电流信息准确及时的进行采集，并且实时发送给后续数字信号处理部分进行信号处理。其中，空心线圈电流传感头装在一次侧线路上，通过非接触测量的方式采集线路上的电流信号，由于空心线圈结构所限，采集到的是电流的微分信号。A/D采集卡中采用16位A/D，目的是将空心线圈输出电压模拟信号经A/D采集卡转化为数字信号，一是减少模拟信号在传递过程中可能发生的波形畸变，二是为后续数字信号的处理做好数据准备。

数字信号处理部分主要包括积分器和前馈控制，所述的积分器和前馈控制采用计数器、寄存器或/和乘法器的逻辑器件来实现。

新型积分器是针对目前积分器存在的问题进行的相应改进，使得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，同时，对于输入积分器的直流偏置，该积分器可以通过内置的积分衰减因子，使得直流量不会无限累加，而是稳定下来，在保证测量和精度的同时也方便后面前馈结构进行滤除处理；前馈控制的主要作用是将由A/D等有源器件可能引入的直流偏置通过直流含量分析，然后通过前馈控制进行消除，从而保证积分器能够输出正比于一次侧电流大小的电压信号。

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，同时，针对前移A/D引入的直流偏置量，本实用新型也提出了前馈控制结构，并且改进了积分器，使得输出信号中并不含有直流偏置。

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为基于直流偏移分析和前馈控制的新型积分器结构示意图；

图6为本实用新型的新型积分器硬件结构设计图。

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隔离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；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和前馈控制。所述的积分器和前馈控制采用计数器、寄存器和乘法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采集卡后，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；采用逻辑器件构成新型积分器，实现对电流微分信号的积分还原，此时的信号大小正比于线路上电流信号的大小。本实用新型提出了一种新型积分器，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，第一点是在积分器上有了突破性的创新，提出了一种新型的积分器，对传统的积分器进行改进，使得其幅值误差和相位误差都有了极大的降低，解决了其相频特性在0.577倍奈奎斯特频率时会有1.2°误差的问题；同时，该积分器针对可能引入的直流偏置设置了积分衰减环节，使得直流偏置量并不会无限制的累加，而是会通过衰减稳定下 来。第二点是在积分器中引入了一个前馈结构，该前馈的主要目的是消除由于A/D采集卡可能引入的直流偏置，避免直流量在后续的数字积分器中被不断累加，从而确保测量值的准确。

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°的相位要求。针对上述问题，本实用新型提出了将空心线圈----积分器----A/D采集卡这一传统结构改为空心线圈----A/D采集卡----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积分器。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，又提出了一种基于积分衰减和输出直流隔离的改进Al-Alaoui新型积分器，通过前馈的方式消除积分器输出信号中的不变直流分量，从而减小积分的误差，具体实施方式将在下面作详细说明。

上述新型积分器的具体实施方式为：

矩形积分算法、梯形积分算法和Simpon积分器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。而梯形积分器和Simpson积分器的相频特性与理想积分一致。另外，将数字积分器的相频特性和图3中模拟积分器的相频特性比较可以看出，理想模拟积分的相移为90°，而理想数字积分的相移为-90°。这是因为常用模拟积分电路为反相积分电路的缘故。

矩形积分器、梯形积分器和Simpon积分器在低频时的性能比高频时要好。为了改进数字积分在高频时的性能，不少学者做了研究。如图3所示，比较Al-Alaoui数字积分器和理想积分器可以看出，Al-Alaoui数字积分器的幅频特性非常接近理想数字积分的幅频特性，但是相频特性在0.577倍奈奎斯特频率时会有1.2°的误差。由于1.2°的相 位误差对校验系统而言是比较大的，我们希望积分器的相频特性与理想积分尽量一致。因此，在Al-Alaoui积分器的基础上进行了改进，本实用新型积分器的传递函数可以表示为：

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

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。

采用所示的传递函数构建的积分器虽然在幅频和相频的响应上相较于原积分器都有了很大的提高，但是，该积分器还是会对输入的直流偏置量有不断累加的操作，在长时间运行下，还是会导致互感器工作故障，故而还需对其加以改造，引入衰减系数K。

如图5所示，当e_2-DC(T)-Ke_2-DC(T-10)＝10e_1-DC(T)时，衰减系数K引起的输出直流分量的衰减等于输入信号的直流分量时，设计的新型积分器输出直流偏移将达到稳定值，不会继续增加到无穷。

上述基于输出直流隔离的新型积分器设计具体实施方式如下：

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)为数字积分器的输出信号，由于输入信号中直流分量的影响，数字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。e_2-DC(t)为数字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。e₃(t)为最终消除了直流分量影响的输出信号，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、8倍的乘法器和65000倍的乘法器，图中的7表示乘法器中的乘数为7，图中的8表示乘法器中的乘数为8，图中的65000表示乘法器中的乘数为65000)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，其中的IIR低通滤波器采用常规滤波器方法，在该硬件装置图中，K＝0.9988。

上述前馈控制环节的具体实施方式如下：

首先将积分后的信号进行低通滤波，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，此时的直流偏移为：

e_2-DC(T)＝e_1-DC(T)/(1-K)

然后将该直流分量通过比例调整之后，前馈至新型积分器的输出端，将输出信号中的直流分量减去。

e₃(kT)＝e₂(kT)-e_2-DC(kT) 

该前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，在前馈调节稳定后，新型积分器的输出则没有直流分量，新型积分器能对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，该前馈结构不会将其滤除，而会通过数字积分准确地还原被测暂态波形。

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隔离积分器的空心线圈电流互感器，包括电流传感模块和信号调理模块；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和前馈控制。

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