專利名稱：電子式電流互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電力系統(tǒng)的電流互感器，尤其涉及一種采用羅氏
(Rogowski)線圈、壓頻變換電路和脈沖計數(shù)器的電子式電流互感器，適用 于高壓各個電壓等級電力系統(tǒng)的電流測量。
背景技術(shù)：
目前電力工業(yè)主要采用含有鐵心的電磁式電流互感器測量一次電 流。過大的被測電流以及故障電流中的非周期分量都容易使電磁式電流 互感器的鐵心飽和，造成互感器輸出波形畸變，進而很有可能引起繼電 保護裝置誤動或者拒動。而且，用于高壓的電磁式互感器大多采用油絕 緣，存在易燃易爆等安全隱患。同時，隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高， 越來越復(fù)雜的互感器絕緣設(shè)計也使互感器的成本急劇上升。另外，電磁 式互感器的模擬輸出難以與數(shù)字化的二次設(shè)備直接接口，不能適應(yīng)變電 站的數(shù)字化發(fā)展趨勢。
電子式電流互感器采用光學(xué)器件或者羅氏線圈等器件作為傳感元件 以獲取被測電流信號，并采用光纖傳送信號，從而從根本上克服了電磁 式電流互感器容易鐵心飽和、絕緣設(shè)計困難、不能直接數(shù)字化輸出的缺 點。電子式電流互感器一般由位于高壓側(cè)的傳感單元、位于低壓側(cè)的信 號處理單元以及連接兩者的信號光纖三大部分構(gòu)成。目前已有不同形式 的采用羅氏線圈作為傳感單元的電子式電流互感器投入運行或者試運 行。
羅氏線圈的輸出信號是被測電流的微分，為了得到被測電流信號，需要對羅氏線圈輸出信號進行積分還原。目前，采用羅氏線圈的電子式 電流互感器大多數(shù)利用模擬積分電路來實現(xiàn)積分功能，模擬積分電路雖 然對穩(wěn)態(tài)正弦電流具有良好的積分作用，但是卻不能準(zhǔn)確反映故障電流 的暫態(tài)過程，而且模擬積分電路自身就容易受環(huán)境溫度的影響，所以要 設(shè)計一個能長期穩(wěn)定工作并且能良好反映故障電流暫態(tài)過程的模擬積分
電路是比較困難的。專利號200520070558.3的"基于數(shù)字積分的空芯線圈 電流互感器"提出了利用具有數(shù)字積分功能的FPGA芯片來實現(xiàn)積分，能 獲得較好的長期穩(wěn)定性，但受到積分頻帶寬度的限制，仍然不能準(zhǔn)確反映 故障電流的暫態(tài)過程。
目前有人將壓頻變換(Voltage-to-Frequency Converter, VFC)電路應(yīng)用 于電子式電流互感器，但是目前的VFC電路都不能實現(xiàn)良好的積分功能。 專利號00265522.5的"一種電子式高壓電流互感器"采用羅氏線圈獲取被 測電流信號的微分波形，用積分放大電路對羅氏線圈輸出信號進行積分， 然后將積分放大電路的輸出信號通過VFC電路轉(zhuǎn)換為脈沖，并通過光纖 送至低壓側(cè)；由于該專利使用了積分放大電路，所以其VFC電路并無積 分功能和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,該專利僅僅只是利用VFC電路和光纖實現(xiàn)高壓 側(cè)和低壓側(cè)之間的絕緣隔離。
李芙英等作者在《清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》2000年第40巻第3 期第28至第31頁發(fā)表了文章《基于Rogowski線圈和壓頻變換的電流測 量方法》，聶一雄等作者在《繼電器》第2005年第33巻第6期第46至 第50頁發(fā)表了文章《電子式互感器模一數(shù)轉(zhuǎn)換方法的研究》，聶一雄等 作者在《汕頭大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》第2006年第21巻第2期第59至 第64頁發(fā)表了文章《電壓一頻率轉(zhuǎn)換器在電子式互感器中的應(yīng)用》，這 三篇文章研究了 VFC電路和脈沖計數(shù)器在電子式電流互感器中的應(yīng)用， 它們都是通過VFC電路將羅氏線圈輸出信號轉(zhuǎn)換為脈沖，然后對脈沖進 行計數(shù)。這三篇文章都指出，必須選取特定長度的脈沖計數(shù)周期。這種計數(shù)方法實質(zhì)上是一種短時間窗的計數(shù)，計數(shù)周期必定遠小于一個基波 周期，并沒有全頻帶的頻率響應(yīng)特性，其結(jié)果正如這三篇文章的結(jié)論所 說，這種計數(shù)方法對于奇數(shù)次諧波分量沒有幅度和相位的失真，但是將 完全濾掉偶數(shù)次諧波。然而實際電力系統(tǒng)的電流包含有豐富的奇數(shù)次和 偶數(shù)次諧波分量，所以，這種計數(shù)方法得到的輸出波形將會畸變。
目前電子式電流互感器在高壓側(cè)的傳感單元一般采用逐次逼近式模 數(shù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，這就要求傳感單元從低壓側(cè)的 信號處理單元獲取采樣同步信號。由于需要滿足高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的
絕緣隔離和嚴格的采樣同步精度要求，專利號03125398.9的"同步采樣的 多相數(shù)字化光電式電流互感器"和專利號200620031571.2的"基于GPS同 步的光供能高壓光電電流互感器"分別提出了當(dāng)前兩種主要的傳送采樣 同步信號的裝置，這些裝置都比較復(fù)雜，降低了電子式電流互感器的可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提供一種電子式電流互感器，該互感器利用羅氏線圈感 應(yīng)被測電流，并通過VFC電路、脈沖計數(shù)器和微處理器的配合，對羅氏 線圈輸出的電流微分信號進行積分還原得到被測電流信號，解決當(dāng)前電 子式電流互感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以準(zhǔn)確測量暫態(tài)故障電流、長期穩(wěn)定性差 的問題，以提高測量精度。
本實用新型的一種電子式電流互感器，包括位于高壓側(cè)的傳感單元、
位于低壓側(cè)的信號處理單元以及連接兩者的信號光纖；其特征在于
所述高壓側(cè)傳感單元包括以電信號順序連接的羅氏線圈、取樣電阻、 低通濾波電路、放大電路、壓頻變換電路、電光轉(zhuǎn)換電路；通過羅氏線 圈和取樣電阻獲取的瞬時變化電流的微分信號，經(jīng)過低通濾波電路、放 大電路進行信號調(diào)理，再由壓頻變換電路轉(zhuǎn)換成反映瞬時變化電流微分信息的電脈沖信號，電脈沖信號經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成光脈沖信號， 送入信號光纖；
所述信號光纖將光脈沖信號傳送給信號處理單元； 所述信號處理單元由光電轉(zhuǎn)換電路、脈沖計數(shù)器和微處理器組成， 光電轉(zhuǎn)換電路將信號光纖的光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，送至脈沖計 數(shù)器，微處理器初始化并啟動脈沖計數(shù)器后，脈沖計數(shù)器對電脈沖信號 進行計數(shù)，微處理器對計數(shù)值進行數(shù)據(jù)處理，從而獲得被測電流的數(shù)字 采樣值序列。
所述的電子式電流互感器，其特征在于
所述微處理器初始化過程為根據(jù)所需采樣率計算出每周波采樣次 數(shù)預(yù)定值，置當(dāng)前周波積分初值變量^為零，置微處理器輸出波形偏移 量6為零，脈沖計數(shù)器初值預(yù)置為零； 初始化過程結(jié)束，啟動脈沖計數(shù)器； 所述微處理器對計數(shù)值進行數(shù)據(jù)處理包括下述步驟
(1) 在每個采樣時刻，讀取一次脈沖計數(shù)器的計數(shù)值A(chǔ)^t)，對計數(shù) 值按下式進行數(shù)據(jù)處理
/s(" = i X(,-/ox("-,o)) + /s0 式中，微處理器輸出的第A個被測電流采樣值aW，單位為A; 輸出采樣值序號A:;
標(biāo)度變換系數(shù)/ ，用于將脈沖個數(shù)轉(zhuǎn)換為電流大小，單位為A/個; 脈沖計數(shù)器第A個計數(shù)值iV(Q，單位為個；
與VFC芯片內(nèi)自帶偏置電壓對應(yīng)的脈沖頻率/c)，單位為Hz; 與第A個采樣值對應(yīng)的時間值&，單位為秒； 脈沖計數(shù)的時間起點f。，單位為秒； 本周波積分初值"，單位為A;
(2) 當(dāng)本周波采樣次數(shù)達到每周波采樣次數(shù)預(yù)定值時，保存微處理器當(dāng)前輸出值/s(Q作為下一個周波的積分初值!'sC，清零脈沖計數(shù)器；判 斷本周波是否為程序開始后的第一個周波，是則順序進行，否則轉(zhuǎn)步驟 (1);
(3)計算本周波微處理器輸出值的平均值，將計算結(jié)果作為微處理 器輸出值的偏移量6，并按下式修正下一個周波的積分初值
= " - 6
修正完畢，轉(zhuǎn)步驟(1)。
所述的電子式電流互感器，其特征在于所述高壓側(cè)傳感單元包括 高壓側(cè)電源模塊，高壓側(cè)電源模塊為低通濾波電路、放大電路、壓頻變 換電路及電光轉(zhuǎn)換電路提供電源；光供能模塊通過功率光纖連接高壓側(cè) 電源模塊，為其提供光能量。
本實用新型通過壓頻變換電路、脈沖計數(shù)器和微處理器的配合實現(xiàn) 積分功能。記放大電路輸出信號為"o(O，壓頻變換電路輸出脈沖串具有 頻率XO，則有
/(,) = MxMo(,) (1) 式(1)中M為VFC電路的壓頻變換系數(shù)，單位為Hz/V。 脈沖串通過電光轉(zhuǎn)換電路和信號光纖被送到低壓端的信號處理單 元，光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖串和壓頻變換電路輸出的脈沖串將具有同 樣的頻率/;確定好計數(shù)的時間起點&后，對光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖串進 行持續(xù)的計數(shù)。記時段A^&r&，當(dāng)A^時段內(nèi)"o(0為穩(wěn)恒電壓時，則該 時段內(nèi)XO為恒定值，從時間起點/。直至?xí)r刻t的計數(shù)值A(chǔ)^可表述如下
7V = t/("xA,t (2) 當(dāng)"0(/)變化時，yO)也變化，根據(jù)微分原理，可將式(2)變換為下式
根據(jù)式(l)和積分原理，從式(3)可進一步得到如下公式W = ZMxw00t)x<i/:=M》0(,4)x^ = Af 了 (4)
因此，從A)至^對脈沖串持續(xù)計數(shù)的結(jié)果與這一時間段內(nèi)對iA)(f)的定 積分成正比例關(guān)系。所以，微處理器每隔一個采樣時間間隔讀取一次計 數(shù)值，然后按照式
= i x (7V(" - /0 x-/。)) + " (5) 處理計數(shù)值即可得到對"。(f)積分的信號波形。
因此，上述方法能實現(xiàn)對"oW的積分，而w。W是輸電線上的被測電流 信號的微分，所以，本實用新型最終可以獲得被測電流的信號波形。
同時，從上述分析可見，本實用新型在對脈沖進行計數(shù)的過程中，
就實現(xiàn)了對"O(O的模數(shù)轉(zhuǎn)換，而且本實用新型無需像逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換 那樣用復(fù)雜的方法從低壓側(cè)獲取采樣同步信號。在每個需要輸出采樣值 的時刻f,本實用新型讀取的計數(shù)值都是從&開始直至f對"()W持續(xù)計數(shù)的 結(jié)果，所以，本實用新型在具體實施中可以獲得高達10kHz的采樣率，而 且通過對VFC電路輸出的脈沖進行持續(xù)的計數(shù)，可以獲得較高的分辨率。
為了給高壓側(cè)信號處理電路提供工作電源，本實用新型采取激光供 能方法，即通過大功率光纖將光供能電路提供的光能量傳送到高壓側(cè)， 由高壓側(cè)電源模塊將光能量轉(zhuǎn)換為電能量，供給高壓側(cè)信號處理電路。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點
1. 提高了電流互感器工作的穩(wěn)定性和輸出結(jié)果的精度。本實用新 型沒有采用模擬積分電路，通過壓頻變換電路、脈沖計數(shù)器和微處理器 的配合實現(xiàn)理想積分器的功能，能正確反映故障電流的暫態(tài)過程，同時 具有高分辨率和高采樣率,從根本上克服了模擬積分電路容易受環(huán)境溫度 影響、不能準(zhǔn)確測量暫態(tài)故障電流的缺點。
2. 具有抗高頻干擾的能力，大大提高電流互感器輸出結(jié)果的可靠
性。通常的逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出的符號位或者權(quán)重較大的數(shù)據(jù)位若因脈沖干擾而變位，就有可能使這一次模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)重大錯誤。 而本實用新型壓頻變換若受到脈沖干擾，僅僅是成千上萬個脈沖里多幾 個或者少幾個脈沖，對互感器輸出結(jié)果的影響微乎其微。
3. 位于高壓側(cè)的傳感單元無需采樣同步信號，極大地簡化了電路 設(shè)計，提高了電流互感器裝置的可靠性。
本實用新型通過VFC電路、脈沖計數(shù)器和微處理器的配合工作從而 具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能和理想積分器功能，能忠實地反映進入VFC芯片的信 號所含的諧波分量，是一種理想的全頻帶積分器。傳感單元無需模擬積 分電路或者數(shù)字積分電路，而且無需采樣同步信號，從而大大簡化了互 感器的設(shè)計，提高了裝置的可靠性。


圖l為本實用新型的電路框圖，圖中標(biāo)記輸電線l，羅氏線圈2，取 樣電阻3，低通濾波電路4，放大電路5，壓頻變換電路6，電光轉(zhuǎn)換電路7， 信號光纖8，光電轉(zhuǎn)換電路9，脈沖計數(shù)器IO，微處理器ll，光供能模塊 12，功率光纖13，高壓側(cè)電源模塊14。
圖2為微處理器處理程序流程圖3(a)為電阻分流器對穩(wěn)態(tài)正弦電流的測量結(jié)果；
圖3(b)為測量穩(wěn)態(tài)正弦電流時從本實用新型放大電路輸出并即將進 入VFC電路的信號"^
圖3(c)為本實用新型對穩(wěn)態(tài)正弦電流的測量結(jié)果；
圖4(a)為電阻分流器對暫態(tài)故障電流的測量結(jié)果；
圖4(b)為測量暫態(tài)故障電流時從本實用新型放大電路輸出并即將進 入VFC電路的信號t^
圖4(c)為本實用新型對暫態(tài)故障電流的測量結(jié)果。
具體實施方式

如圖1所示，本實用新型包括位于高壓側(cè)的傳感單元、位于低壓側(cè) 的信號處理單元以及連接兩者的信號光纖8;高壓側(cè)傳感單元包括以電信
號順序連接的羅氏線圈2、取樣電阻3、低通濾波電路4、放大電路5， 壓頻變換電路6、電光轉(zhuǎn)換電路7;信號處理單元由光電轉(zhuǎn)換電路9、脈 沖計數(shù)器10和微處理器11組成。
高壓側(cè)電源模塊14為低通濾波電路4、放大電路5、壓頻變換電路6 及電光轉(zhuǎn)換電路7提供電源；光供能模塊12通過功率光纖13連接高壓 側(cè)電源模塊14，為其提供光能量。
選取精密運算放大器OP177構(gòu)成低通濾波電路4、放大電路5;選取壓 頻變換芯片AD7742構(gòu)成壓頻變換電路6，選取光學(xué)發(fā)射器HFBR-1414T構(gòu) 成電光轉(zhuǎn)換電路7,信號光纖8采用62.5iam/125拜多模通信光纖，選用光學(xué) 接收器HFBR-2416T構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換電路9，脈沖計數(shù)器10采用8254-2。
壓頻變換芯片AD7742輸入信號的范圍大小是-2.5V到+2.5V，所以首 先要將取樣電阻3上的信號大小調(diào)整到-2.5V到+2.5V之內(nèi)，才能送入 AD7742。在輸入信號最高電壓+2.5V時，AD7742輸出脈沖有最高頻率 2.77MHz。由電光轉(zhuǎn)換電路8、信號光纖9和光電轉(zhuǎn)換電路10構(gòu)成光纖傳輸 系統(tǒng)，該傳輸系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)比特率為32Mbps，能可靠地將脈沖傳送至脈 沖計數(shù)器ll的輸入端。
與AD7742芯片內(nèi)的偏置電壓對應(yīng)的壓頻變換輸出脈沖頻率為 1.536MHz，微處理器12讀取計數(shù)值時，需要將計數(shù)值減去計時時間內(nèi) 1.536MHz所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。
在計數(shù)開始時，很難找到被測電流的過零點并從此時刻開始計數(shù)。 在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，在任何時刻開始的一個整周波內(nèi)電流的平均值 將會為零，本實用新型的微處理器輸出也應(yīng)該如此。但是從被測電流的 非過零時刻開始計數(shù)，微處理器輸出波形將會整體上升或者下降某一大
10小，即一周波內(nèi)波形的平均值非零。對此可以先計算出微處理器輸出的 第一個整周波輸出波形的平均值，微處理器以后的輸出只要減去此平均 值，就能得到正確的信號。
微處理器處理程序流程圖如圖2所示。
本實用新型裝置制作完畢后，為方便起見，在調(diào)試階段可以采用正 弦穩(wěn)態(tài)正弦電流確定標(biāo)度變換系數(shù)i ，具體方法如下用本實用新型裝置 測量有效值為^的穩(wěn)態(tài)正弦電流，預(yù)置及=1，此時本實用新型微處理器將 輸出一個穩(wěn)態(tài)正弦電流/s，計算得4的有效值為B，則根據(jù)下式重新確定標(biāo) 度變換系數(shù)A
及J 5
為證明本實用新型測量電流的正確性，采用電阻分流器和本實用新 型同時測量同一個電流以進行對比，由于電阻分流器是電阻性元件，因 此電阻分流器獲得的被測電流信號波形將是真實可靠的。圖3(a)、圖3(b)、 圖3(c)的橫坐標(biāo)都是秒(s)。記被測電流為z'p，圖3(a)是電阻分流器測得的穩(wěn) 態(tài)正弦電流/p，縱坐標(biāo)單位為安培(A);圖3(b)是從本實用新型放大電路輸 出并即將進入VFC電路的信號"o，"G正比于被測電流的微分,縱坐標(biāo)單位為 伏特(V);圖3(c)是本實用新型微處理器輸出結(jié)果4，縱坐標(biāo)單位為安培 (A)。從圖3(a)和圖3(c)對比可見，本實用新型對穩(wěn)態(tài)正弦電流有良好的測 量性能。
圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)的橫坐標(biāo)都是秒(s)。圖4(a)是電阻分流器測得 的暫態(tài)故障電流/p，縱坐標(biāo)單位為安培(A);圖4(b)是從本實用新型放大電 路輸出并即將進入WC電路的信號"o，"o正比于被測電流的微分，縱坐標(biāo)單 位為伏特(V);圖4(c)是本實用新型微處理器輸出結(jié)果/s，縱坐標(biāo)單位為安 培(A)。從圖4(a)和圖4(c)對比可見，本實用新型對暫態(tài)故障電流有良好的 測量性能。
權(quán)利要求1. 一種電子式電流互感器，包括位于高壓側(cè)的傳感單元、位于低壓側(cè)的信號處理單元以及連接兩者的信號光纖；其特征在于所述高壓側(cè)傳感單元包括以電信號順序連接的羅氏線圈、取樣電阻、低通濾波電路、放大電路、壓頻變換電路、電光轉(zhuǎn)換電路；通過羅氏線圈和取樣電阻獲取的瞬時變化電流的微分信號，經(jīng)過低通濾波電路、放大電路進行信號調(diào)理，再由壓頻變換電路轉(zhuǎn)換成反映瞬時變化電流微分信息的電脈沖信號，電脈沖信號經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成光脈沖信號，送入信號光纖；所述信號光纖將光脈沖信號傳送給信號處理單元；所述信號處理單元由光電轉(zhuǎn)換電路、脈沖計數(shù)器和微處理器組成，光電轉(zhuǎn)換電路將信號光纖的光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，送至脈沖計數(shù)器，微處理器初始化并啟動脈沖計數(shù)器后，脈沖計數(shù)器對電脈沖信號進行計數(shù)，微處理器對計數(shù)值進行數(shù)據(jù)處理，從而獲得被測電流的數(shù)字采樣值序列。
2. 如權(quán)利要求l所述的電子式電流互感器，其特征在于所述高壓 側(cè)傳感單元包括高壓側(cè)電源模塊，高壓側(cè)電源模塊為低通濾波電路、放 大電路、壓頻變換電路及電光轉(zhuǎn)換電路提供電源；光供能模塊通過功率 光纖連接高壓側(cè)電源模塊，為其提供光能量。
專利摘要電子式電流互感器，屬于電力系統(tǒng)的電流互感器，適用于高壓各個電壓等級電力系統(tǒng)的電流測量，解決當(dāng)前電子式電流互感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以準(zhǔn)確測量暫態(tài)故障電流、長期穩(wěn)定性差的問題。本實用新型的高壓側(cè)傳感單元和低壓側(cè)信號處理單元通過信號光纖連接，傳感單元包括羅氏線圈、取樣電阻、低通濾波電路、放大電路、壓頻變換電路、電光轉(zhuǎn)換電路；信號處理單元由光電轉(zhuǎn)換電路、脈沖計數(shù)器和微處理器組成。本實用新型兼具模數(shù)轉(zhuǎn)換功能和理想積分器功能。傳感單元無需模擬或者數(shù)字積分電路，無需采樣同步信號，大大簡化互感器的結(jié)構(gòu)和硬件電路，提高了電流互感器的可靠性。
文檔編號H01F38/32GK201262889SQ200720088399
公開日2009年6月24日 申請日期2007年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者尹項根, 哲 張, 偉 李, 衛(wèi) 陳, 陳德樹 申請人:華中科技大學(xué)