CN204945237U - 一种电压电流微分信号在线测量装置 - Google Patents

Abstract

一种电压电流微分信号在线测量装置，包括空心线圈、电压传感器，所述空心线圈通过低通滤波电路连接A/D转换器，空心线圈采集信号后输出母线电流的一次微分信号，该一次微分信号经过低通滤波电路消除高频干扰后，输送至A/D转换器。所述电压传感器通过低通滤波电路连接A/D转换器，电压传感器采集信号后输出母线电压的一次微分信号，该一次微分信号经过低通滤波电路消除高频干扰后，输送至A/D转换器。A/D转换器连接温度传感器。所述A/D转换器连接微处理器，微处理器连接合并单元，合并单元连接PC机。本实用新型测量后输出电路中的电压电流的一次微分信号，供给PC机进行故障测距或者计算过渡电阻，比传统的差值做商求微分的方法的准确度要高。

Description

一种电压电流微分信号在线测量装置

技术领域

本实用新型一种电压电流微分信号在线测量装置，用于测量电力系统中电压电流的一次微分信号。

背景技术

目前的电力系统中测量与保护装置的前端主要是互感器，用以测量电压电流信号，供给继保或者测量系统使用。作为得到逐步推广的电子式互感器，基于空心线圈的电子式电流互感器(ECT)和基于电容电流型原理的电子式电压互感器(EVT)传感头输出的信号为一次侧被测信号的微分值，为还原出被测电压电流信号，电子式互感器中普遍加入了积分环节，由此带来一定的时间延迟和相位偏移，并且会降低频响带宽和增加高压侧功耗。另外，无论是模拟积分还是数字积分，当前都存在着一定的缺陷。对于模拟积分技术，传统的模拟器件与理论值存在误差，运放的漂移、电容的泄露与损耗、时漂、温漂等问题都会影响着最后的精度，对模拟器件的研究是无法从根本上克服这些问题的。对于数字积分技术，当前的缺陷是高频响应较差，因此多用于工频信号短时测量。

空心线圈和电容传感器的输出均为微分信号，如果不加积分环节，直接利用其微分输出进行测控和保护，则可以在很大程度上提高测量精度和继电保护的准确性。目前有部分学者进行了相关方向的研究：其中，中国专利CN201210049142.8提出《一种基于微分信号的改进型R-L模型距离保护算法》，利用电压电流的一次微分值与电流的二次微分值即可实现精准的故障测距与距离保护功能。类似的微分信号用途也逐渐被广泛研究，如徐岩、王增平等人所提出的基于变压器电压电流微分波形特性的变压器保护，用作高压直流输电新路主保护的微分欠压保护依靠检测电压、电流微分值和电压幅值水平实现保护。对于基于微分方程的阻抗算法来说，直接获得微分信号可以省去重复迭代或者积分求解，既可以节省时间也可以提高测量精度，增加继保装置的灵敏性与准确性。

虽然对于微分信号的研究在逐步推广，但目前在工程中所需的微分信号du/dt，通常采用差值做商的原理，利用电压采样值做差，再与采样间隔时间做商，虽然可以通过降低采样间隔增加采样点数提高测量精度，但这种(u1-u2)/(t1-t2)的方式显然没有电子式互感器传感头输出的微分信号准确，精确度也受制于采样时间间隔，所以当前急需一种电压电流微分信号高精度在线测量装置。

发明内容

针对目前电压电流微分信号测量中存在的问题，包括缺乏一种可直接获取微分信号的高精度测量系统、采用差值做商法准确度较差、差值做商精度受采样时间间隔限制、用于保护算法的信号在测量中经过了积分环节存在误差等问题。本实用新型提供了一种电压电流微分信号在线测量装置，该装置测量后输出电路中的电压电流的一次微分信号，供给PC机进行故障测距或者求解过渡电阻，以进行保护动作，比传统的差值做商求微分的方法的准确度要高，也无需考虑积分环节带来的误差。所提供的微分信号可以有效的简化一些使用微分方程的故障测距或者距离保护算法，提高了继保装置的灵敏性与准确性；相比测量电压电流信号的电子式互感器结构要简单。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种电压电流微分信号在线测量装置，包括空心线圈、电压传感器，所述空心线圈通过低通滤波电路连接A/D转换器，空心线圈采集信号后输出母线电流的一次微分信号，该一次微分信号经过低通滤波电路消除高频干扰后，输送至A/D转换器。

所述电压传感器通过低通滤波电路连接A/D转换器，电压传感器采集信号后输出母线电压的一次微分信号，该一次微分信号经过低通滤波电路消除高频干扰后，输送至A/D转换器。A/D转换器连接温度传感器。所述A/D转换器连接微处理器，微处理器连接合并单元，合并单元连接PC机。

A/D转换器用于把模拟信号转为数字信号，经过光纤送至微处理器中，微处理器用于调整信号大小，根据温度传感器进行误差补偿，最后送至合并单元，由合并单元送至PC机使用。

所述微处理器由合并单元控制，微处理器连接一根同步光纤，用于接收同步信号；微处理器连接一根数据光纤，用于送出采集到的电压电流微分信号；微处理器连接一根电缆，由合并单元提供工作电源。

所述空心线圈为Rogowski线圈，具有测量范围宽，频率带宽高，体积小等优点。

所述电压传感器等效电路为：电容C₁串联电阻R接地，电阻R的阻值大小相对于电容C₁可以忽略，设母线L中的电压为u(t)，则电容C₁中流过的电流相当于电压u(t)的一次微分信号。

所述低通滤波电路的带宽设计为400Hz，在输入信号上叠加了直流电平，在滤波网络前加衰减网络，增加了A/D转换器的输入范围。

所述温度传感器使用TI系列中的TMP006，通过测量外部温度变化在微处理器中对信号进行误差补偿，从而有效抵抗因外界温度变化带来的误差干扰。

所述A/D转换器4选用A/D7685，精度为16位，接收到微处理器传来的控制信号后将2路模拟信号转换为数字信号输送给微处理器。

所述微处理器为DSP56200，微处理器用于接收由合并单元传来的采样脉冲信号，捕捉到采样脉冲上升沿之后，控制A/D转换器进行采样，将A/D转换器传来的2路数据按比例放大后组成规定的帧格式，然后通过电光变换模块，再传给合并单元。电光变换模块主要作用是将微处理器中的电信号转换为光信号，以供合并单元直接使用，微处理器由合并单元经过电缆供电，从数据光纤直接发送采集到的信号。

所述微处理器需要将两路数据按比例调整，所输出的微分信号均需按比例调整。电流一次微分信号需缩小的比例系数为空心线圈的互感系数M，电压一次微分信号需缩小的比例系数为RC₁。

所述合并单元用于接收多个微处理器的数据并进行处理，按照IEC61850-9系列格式传送给后续的PC机。合并单元发送采样脉冲信号控制微处理器发出同步信号给A/D转换器，同时将收到的信号发送给PC机。

一种电压电流微分信号在线测量方法，空心线圈和电压传感器作为一次侧传感头，测量并输出母线L中电压和电流的一次微分信号，低通滤波电路消除高频干扰信号，温度传感器将电流一次微分信号再次微分并输出，A/D转换器接收同步采集信号将两路模拟信号转换为数字信号后，输送到微处理器中进行比例调整、温度误差补偿，微处理器调整信号后，经过数据光纤送至合并单元，合并单元再进一步送给PC机。

本实用新型一种电压电流微分信号在线测量装置，技术效果如下：

1)、对于基于微分方程建立的继电保护算法如基于微分输出的改进R-L模型距离保护算法等，直接获得微分信号可以省去重复迭代或者积分求解，免去了积分环节带来的误差与延迟，既可以节省时间也可以提高测量精度，增加继保装置的灵敏性与准确性。

2)、相对于差值做商求微分的方法，所设计的电压电流微分信号在线测量装置精度更高，输出更准确，差值做商求微分需要两个时刻的值做一次减法一次除法运算，所设计的系统只需要在微处理器中做一次乘法运算，计算量更少。

3)、微处理器中三个比例系数：空心线圈的互感系数M、电压传感器的电容量C₁、高精度电阻的阻值R，受温度干扰都较小，另外又加入了温度传感器，通过测量温度变化在微处理器中实现对测量结果的温度误差补偿，因此所设计的装置可以抵抗一定程度的温度干扰，适宜户外使用。

4)、所设计的装置可以同时测量并输出电压的一次微分信号与电流的一次微分信号，相比单独测量并计算出两个微分信号成本要低，构造要简单。

5)、空心线圈和电压传感器输出的是电流与电压的一次微分值，相对于实际工程中差值做商的求微分方法，直接测量的微分信号因为不存在积分环节所以精度更高，对于基于微分方程建立的继电保护装置，直接获得微分信号可以省去重复迭代或者积分求解，既可以节省时间也可以提高测量精度，增加继保装置的灵敏性与准确性。添加的温度传感器可以根据温度变化在微处理器中对测量结果进行误差补偿，因而使得装置具有抵抗温度变化干扰的作用。本实用新型一种电压电流微分信号在线测量装置，可以直接输出被测电压电流的一次微分信号，在电气测量与继电保护方面具有重要作用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中低通滤波电路原理图。

具体实施方式

一种电压电流微分信号在线测量装置，结构如图1所示：包括空心线圈1、电压传感器2，所述空心线圈1通过低通滤波电路3连接A/D转换器4，空心线圈1采集信号后输出母线电流的一次微分信号，该一次微分信号经过低通滤波电路3消除高频干扰后，输送至A/D转换器4。

所述电压传感器2通过低通滤波电路3连接A/D转换器4，电压传感器2采集信号后输出母线电压的一次微分信号，该一次微分信号经过低通滤波电路3消除高频干扰后，输送至A/D转换器4。

A/D转换器4连接温度传感器6。温度传感器6测量温度后在微处理器5中对信号进行有关温度的误差补偿。使用了温度传感器6来监测温度，根据温度变化进行实时补偿，从而在最大程度上避免温度干扰，因此适宜于户外使用。

所述A/D转换器4连接微处理器5，微处理器5连接合并单元7，合并单元7连接PC机8。A/D转换器4用于把模拟信号转为数字信号，经过光纤送至微处理器5中，微处理器5用于调整信号大小，根据温度传感器6进行误差补偿，最后送至合并单元7，由合并单元7送至PC机8使用。

空心线圈1和电压传感器2作为一次侧传感头，测量并输出母线L中电压电流的一次微分信号。空心线圈1测量后输出的是母线电流的一次微分信号，电压传感器2测量后输出的是母线电压的一次微分信号，两个微分信号在微处理器5中按比例调节大小，并实现对温度变化的误差补偿。

所述微处理器5由合并单元7控制，微处理器5连接一根同步光纤9，用于接收同步信号；微处理器5连接一根数据光纤10，用于送出采集到的电压电流微分信号；微处理器5连接一根电缆11，由合并单元7提供工作电源。合并单元7控制微处理器5发出同步信号，控制2路A/D转换器4进行同步采样。微处理器5需要对2路采集的数字信号按照比例调整，以保证输出信号为所需的电压电流微分值。

所述空心线圈1为Rogowski线圈，具有测量范围宽，频率带宽高，体积小等优点，设母线L中的电流信号为i(t)，空心线圈互感器系数为M，则输出的信号为：

$u_1\left(t\right)=-M\frac{di\left(t\right)}{dt}---\left(1\right)$

所述电压传感器2等效电路为：电容C₁串联电阻R接地。设母线L中的电压为u(t)，则电阻R的阻值大小相对于电容C₁可以忽略，电容C₁中流过的电流相当于电压的一次微分信号，所以电阻R上的电压输出为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{RC}}_1\frac{du\left(t\right)}{dt}---\left(2\right)$

所述低通滤波电路3的带宽设计为400Hz，在输入信号上叠加了直流电平，在滤波网络前加衰减网络，增加了A/D转换器4的输入范围，电路图如图2所示。

所述温度传感器6使用TI系列中的TMP006，通过测量外部温度变化在微处理器5中对信号进行误差补偿，从而有效抵抗因外界温度变化带来的误差干扰。

所述A/D转换器4选用A/D7685，精度为16位，接收到微处理器5传来的控制信号后将2路模拟信号转换为数字信号输送给微处理器5。

所述微处理器5为DSP56200，微处理器5用于接收由合并单元7传来的采样脉冲信号，捕捉到采样脉冲上升沿之后，控制A/D转换器4进行采样，将A/D转换器4传来的2路数据按比例放大后组成规定的帧格式，然后通过电光变换模块，再传给合并单元7，微处理器5由合并单元7经过电缆11供电，从数据光纤10直接发送采集到的信号。电光变换模块采用HFBR1414元件，实现电光变换。所述微处理器5需要将两路数据按比例调整，由公式(1)、(2)可知，所输出的微分信号均需按比例调整。电流一次微分信号需缩小的比例系数为空心线圈1的互感系数M，电压一次微分信号需缩小的比例系数为RC₁。

所述合并单元7通过发送采样脉冲信号来控制微处理器5，使其发出同步信号给A/D转换器4，同时将收到的信号发送给PC机8。合并单元7起到连接传感头与后续PC机8的作用，供电和发送同步信号给微处理器5，同步光纤9发送同步信号，数据光纤10接收转换来的信号。

本实用新型装置主要用于测量前端信号，用于故障测距、求解过渡电阻等用途，所以可以统一在PC机8中另外编写程序进行后续运算。

一种电压电流微分信号在线测量方法，空心线圈1和电压传感器2作为一次侧传感头，测量并输出母线L中电压和电流的一次微分信号，低通滤波电路3消除高频干扰信号，温度传感器6将电流一次微分信号再次微分并输出，A/D转换器4接收同步采集信号将两路模拟信号转换为数字信号后，输送到微处理器5中进行比例调整、温度误差补偿，微处理器5调整信号后，经过数据光纤10送至合并单元7，合并单元7再进一步送给PC机8。由于A/D转换器4直接采集一次传感头输出的微分信号，不含有积分等环节，所以输出信号具有高精度，可以运用在以微分方程为基础的多种继电保护算法中，有效简化各种保护算法，也可以直接作为继电保护或者故障测距装置的一部分使用。温度传感器测量并在微处理器5中进行误差补偿，可以让装置一定程度上抵抗温度干扰，因此本实用新型装置适宜于户外使用。

合并单元7：MergingUnit，简称MU。对一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔层设备使用的装置。合并单元7是电子式电流、电压互感器的接口装置。合并单元7在一定程度上实现了过程层数据的共享和数字化，它作为遵循IEC61850标准的数字化变电站间隔层、站控层设备的数据来源。具体型号有：南瑞继保PCS-221和南自PSMU602等。

Claims (7)

1.一种电压电流微分信号在线测量装置，包括空心线圈(1)、电压传感器(2)，其特征在于，所述空心线圈(1)通过低通滤波电路(3)连接A/D转换器(4)，空心线圈(1)采集信号后输出母线电流的一次微分信号，该一次微分信号经过低通滤波电路(3)，输送至A/D转换器(4)；所述电压传感器(2)通过低通滤波电路(3)连接A/D转换器(4)，电压传感器(2)采集信号后输出母线电压的一次微分信号，该一次微分信号经过低通滤波电路(3)消除高频干扰后，输送至A/D转换器(4)；A/D转换器(4)连接温度传感器(6)；所述A/D转换器(4)连接微处理器(5)，微处理器(5)连接合并单元(7)，合并单元(7)连接PC机(8)；A/D转换器(4)用于把模拟信号转为数字信号，送至微处理器(5)中，微处理器(5)用于调整信号大小，根据温度传感器(6)进行误差补偿，最后送至合并单元(7)，由合并单元(7)送至PC机(8)使用。

2.根据权利要求1所述一种电压电流微分信号在线测量装置，其特征在于，所述微处理器(5)由合并单元(7)控制，微处理器(5)连接一根同步光纤(9)，用于接收同步信号；微处理器(5)连接一根数据光纤(10)，用于送出采集到的电压电流微分信号；

微处理器(5)连接一根电缆(11)，由合并单元(7)提供工作电源。

3.根据权利要求1所述一种电压电流微分信号在线测量装置，其特征在于，所述空心线圈(1)为Rogowski线圈。

4.根据权利要求1所述一种电压电流微分信号在线测量装置，其特征在于，所述电压传感器(2)等效电路为：电容C1串联电阻R接地。

5.根据权利要求1所述一种电压电流微分信号在线测量装置，其特征在于，所述低通滤波电路(3)的带宽设计为400Hz，在输入信号上叠加了直流电平，在滤波网络前加衰减网络。

6.根据权利要求1所述一种电压电流微分信号在线测量装置，其特征在于，所述温度传感器(6)为TI系列中的TMP006，温度传感器(6)用于通过测量外部温度变化在微处理器(5)中对信号进行误差补偿。

7.根据权利要求1所述一种电压电流微分信号在线测量装置，其特征在于，所述微处理器(5)为DSP56200，微处理器(5)用于接收由合并单元(7)传来的采样脉冲信号，捕捉到采样脉冲上升沿之后，控制A/D转换器(4)进行采样，将A/D转换器(4)传来的2路数据按比例放大后组成规定的帧格式，然后通过电光变换模块，再传给合并单元(7)，微处理器(5)由合并单元(7)经过电缆(11)供电，从数据光纤(10)直接发送采集到的信号。