高压系统电流检测新技术的研究及电路设计正文大学学位论文Word格式文档下载.docx

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最后对整个系统进行了软件的仿真测试与硬件调试，验证系统的功能实现。

经验证该系统设计可以实现光电混合式电流互感器高压侧单元和数据通讯的预定功能。

可较好的满足电力系统中数据处理的高速度、高数据量、复杂运算等要求，并具有结构简单、方便修改的优点，具有一定的研究价值。

关键词：

电流互感器，CPLD/FPGA,数据异步通讯

Abstract

Electroniccurrenttransformerisveryimportantequipmentforsystemprotectionandelectricalmeasurementinelectricalpowersystem.Itsaccuracyandreliabilityhavesignificantimpactonsafety,stability,andefficiencyinpowersystem.Aphotoelectrichybridcurrenttransformerhasalotofobviousadvantagesoveratraditionalelectromagneticcurrenttransformer.Itwilldefinitelyfindmoreandmoreapplications.Thereareactiveandpassiveaboutelectroniccurrenttransformer.Theactiveelectroniccurrenttransformeradoptsthesophisticatedintegratedoptoelectronictechnologyandmodernelectronictechnology.Ithasplayedahigh-reliability,high-precisionandstabilization.Itisoneofthemostpracticalinfutureresearchdirections.

Onthebasisofresearchandanalysisprinciplesofvariouscurrenttransformers,thispapereventuallyadoptedtheADCactive-typeOpticalCurrentTransformer.Itmainlycompleteddatacollectionandprocessingofhighvoltageside,datacommunicationbetweenhighandlowvoltagesideandanalogwaveformrestorationatlowvoltageside.CPLD/FPGAhascharacterofhighintegrationdensity,highspeed,andhighreliability.Accordingsuperioritiesofthesedevices,thispaperuseCPLDastheCPUofthehighvoltagesideandFPGAastheCPUofthelowvoltageside,whichsimplifiedthedesignprocessofhardwarecircuitandeffectivelyreducedriskofmeasurederrorsinthestrongelectromagneticinterferenceenvironmentthispaperdescribesthedesignofhardwarecircuitsystemofthehighvoltagepart,highandlowvoltagesidedataasynchronouscommunicationcircuitrealizationinCPLD/FPGA,chipselectionandthecircuitimplementationanddebuggingofthevariousparts.Finallyitgivestheoverallsystemsimulation,testingandhardwaredebugging;

verifythefunctionofthesystemimplementation.

Thetestresultshaveproventhattheproposedsystemdesignedcanperformtheexpectedfunctionalityofphotoelectriccurrenttransformerathighvoltagesideanddatacommunicationbetweenhighandlowvoltageside.Itcanbettermeetthepowersystem’srequirementsinthehigh-speeddataprocessing,largedataquantityandcomplexoperation.Italsohasmeritofbeingsimpleinstructureandeasierformodification.Itisworthforfurtherinvestigation.

目录

第一章绪论

1.1课题的来源和意义

1.2国内外发展情况

1.3研究目标和研究目标

1.4本章小结

第二章光电电流互感器高压侧电路的研究

2.1光电电流互感器的基本原理

2.1.1有源型

2.1.2无源型

2.2整体设计方案

2.3本章小结

第三章光电电流互感器供能方案的研究

3.1系统供能电源设计基本原理

3.2高压侧电源系统的基本性能指标

3.3目前可行的供能方案的分析

3.4双电源供电方案

3.5本章小结

第四章高压侧传感器部分的理论及设计

4.1传统接头

4.2滤波器环节

4.3A/D转换器

第五章传输部分的理论分析和设计

5.1数据的电/光转换、发送/接收及光纤连接器

5.2光纤选择

5.3本章小结

第6章结论和成果

6.1总电路图

6.2仿真图

参考文献

致谢

1.1课题的来源及意义

近年来，伴随现代高压、超高压输电网络的建设，电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展，这就对电流测量装置提出了更高的要求。

传统的电流测量装置主要采用带有铁心的电磁式电流互感器，它的优点在于一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测电路中的负荷电流，而与二次电流大小无关；

电磁式电流互感器的二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，正常情况下接近短路状态运行，所以，一次侧电流I1等于二次侧的测量电流乘以额定互感比K1。

额定互感比近似等于二次侧和一次侧之间的匝数比Kk。

但它有很多的致命缺点使得其不能满足当代要求，随着电压等级的提高和传输容量的增大,电磁式电流互感器呈现出以下缺点:

1.绝缘结构复杂、尺寸大、造价高。

2.测量准确度无法满足。

3.设备安装、检修不方便,维护工作量大。

4.存在潜在的危险，存在突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素。

5.除此以外,传统的电磁式电流互感器还具有铁磁共振、磁滞效应等不利于测量的因素。

因而，其难以满足电力系统发展的要求，必须寻求基于其他传感机理的电流测量装置来取代之。

因此光纤式电流互感器应运而生，全光纤电流互感器的优点在于其具绝缘无油，五SF6或其他气体，腔内无任何机械装置。

无二次开路的危险。

无铁芯剩磁的问题。

成本低而且动态范围大，可测交直流，无磁饱和，频带响应宽，抗干扰能力强。

但是随着科技的发展，已不能满足当代对精度的更高要求和体积减小等问题。

所以这种互感器也终将退出历史舞台，从而迎接光电混合电流互感器的到来。

光电混合是目前很有潜力的互感器，它的发展和完善是进来电流检测新技术发展的杰出代表。

它的优点有：

优良的绝缘性能，造价低。

不含铁芯，消除了磁饱和，铁磁谐振等问题。

抗电磁干扰性能好，稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。

暂态响应范围大，测量精度高。

频率响应范围宽。

没有因充油而产生的易燃爆炸等危险。

体积小，重量轻。

适应了电力计量与保护数字化，微机化和自动化发展的潮流。

电流检测新技术这个课题是基于电流检测老技术基础上的。

时代的发展和对检测技术的新要求让电流检测新技术这个课题变得越来越重要，亟待我们的研究和设计。

光电式和光电混合式等的检测新技术的出现可以满足当前需要，但是新技术发展和进步需要我们不断的研究和设计。

尤其是光电混合式电流互感器具有更加安全可靠的性能，能给我家经济和利益带来极大的好处。

研究和设计新型的光电混合电流互感器符合国家发展战略，使这种新技术真正的造福国家和广大人民。

因此电流检测新技术这个课题的研究和设计有关国民经济和生活水平，具有很长远的国际战略等意义。

1.2国内外发展状况

国外利用Faraday磁光效应进行电流测量的工作于六十年代起步，到七十年代初涌现出了多种新型电流互感器，并在八十年代末九十年代的时候进行了实际应用。

美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出多种光电电≥电互感器样机，并在实际高压电站长期运行。

国外ABB、AI—stom、NxtPhase、Siemens等公司已经开发出一系列光电电流互感器产品并在世界各地挂网运行。

日本除研究500kV．1000kV高压电网计量用的光电电流互感器外，还进行500kV以下的直到6．6kV电压等级的零序电流互感器的研究。

1994年A8B公司推出有源式电流互感器，其电压等级为72．5—765kV，额定电流为600—6000A；

3M公司在19％年宣布已开发出用于138kV电压等级的全光纤型电流互感器，可用于SOOkV电压等级；

Photonies公司推出了一种用光推动的光电式电流互感器，即”光电混合式电流互感器”，他们曾于1995年至1997年期间在美国、英国、瑞典的超高压电网上试运行。

法国ALSTOM公司主要研究无源电子式电流互感器，目前已经研制出了123kV一756kv的光学电流互感器、光学电压互感器及组合式光学电流电压互感器等多种电子式互感器。

自1995年以来，ALSTOM公司的电子式互感器已经有多台在欧洲及北美运行。

在国内，直到上个世纪60年代初期，互感器的生产才逐步专业化，开始形成全国互感器行业。

基于光学原理的电子式互感器研究己经展开并取得了一些理论上的成果，但还没有在实际电力系统长期运行的光电互感器问世。

我国光电电流互感器的研究始于七十年代，以1982年在上海召开的“激光工业应用座谈会“为起步，主要研究单位有电子部26所和34所、清华大学、电力科学研究院、陕西电力局中心试验所j上海互感器厂、北方交通大学、华中科技大学、湖南大学等都在光电式电流互感器的研究中投入了很多人力和物力，也取得了一定的成果，但是其中大部分仅限于实验室探索阶段。

其中，清华大学和电力部电科院共同承担的国家“七五”攻关项目，研究出了”0kV光电电流互感器样机，但未长期挂网运行。

2001年，华中科技大学与广东某公司合作研制的”OkV光电电流互感器在梅州挂网试运行。

2002年，清华大学研制的110kVOECT样机在山东挂网试运行。

目前国内的光电电流互感器有以下三个特点：

1）光电电流互感器研究将在理论、实验和实用三个方面更紧密地结合。

2）数字化、智能化是光电电流互感器发展的必然趋势。

3）光电电流互感器的发展将促进磁、光、电材料的进—步开发。

国际电工委员会关于电子式电流互感器标准的出台，以及我国已经酝酿起草的电子式电流互感器国家标准，预示着电子式电流互感器的产品化应用己经初步具备了行业规范，为电子式电流互感器的市场化提供了基础平台。

经过门年的电网改造，电网的综合自动化水平得到了很大的提高，对相应的网络瞬态保护提出了更快速的要求。

随着电网的扩大，输电线路越来越长，传统的电流互感器己经无法满足距离保护的瞬态特性要求，预计在未来5～10年中，电子式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。

随着光电子学的发展和成熟，国内外很多大学和科研|初构不断投^精力和物力研究光电式电流互感器。

发展到现在，已经取得了很大进步，预计再过十几年，光电式电流互感器将全面走向工业化。

由于光电式电流互感器和传统的电磁式电流互感器相比有很多突出的优点，未来光电式电流互感器将会被广泛的使用。

1.3本课题的研究目标、研究内容

目标：

随着高压输电电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器的体积也不断增大，对绝缘的要求也越来越高，导致传统电磁式电流互感器非常的笨重建造成本高，不能满足日益提高的电压的要求。

选择设计一种电流互感器，解决传统电流互感器的体积和电流大小的问题。

内容：

一种新型的电流互感器的想法油然而生，它的体积不随电压等级的提高而增大,只要让二次侧与地面绝缘就可以了，为此可以使用光纤作为信号传输介质，传感头采用电磁式互感线圈从输电线感应出电流，在对电流信号进行处理，包括滤波、逻辑变换、AD转换、功率放大。

把电信号转换成光脉冲后，经由光纤传输到下方地面的接收器处理并读取数值。

此外，还需要另一个换线圈来提供电路部分的电源。

随着光电子技术的迅速发展，许多科技发达国家已经把目光转向利用光学传感技术和电子学方法来发展新型的电子式电流互感器，简称光电电流互感器。

光电电流互感的特点和工作原理能够很好的满足我国当前和未来的电力系统电流检测的需要，是电流检测新技术中发展前景特别好的一个方向。

由于光电式电流互感器和电磁式电流互感器相比有很多突出的有点，预计未来的50年中，光电式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。

除此之外，光电式电流互感器还可以用于一些其他场合，比如便携式电流互感器、高频电流测量、冲击大电流测量等。

所以本文选取光电混合式电流互感器作为研究和设计对象，选择合适的方式和设计来实现对高压电力系统中电流的检测。

2.1光线电流互感器的基本原理

光纤电流互感器从传感头有无电源供电可分为无源OCT和有源OCT两大类。

目前研究最具代表性的主要全光式光电电流互感器（MOCT）有源型光电电流互感器（HOCT）.

有源型又可称为混合型（简称为HOCT）。

所谓有源型光电电流互感器乃是高压侧电流信号通过采样传感头，将电信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递电压侧进行光电转换变成电信号输出。

有源型光电电流互感器的方框图如图2-1所示。

有源型光电电流互感器可以分为两种：

压频转换式和A/D转换式。

（1）压频转换式光电电流互感器结构框图如图2-2所示：

采样线圈将流过母线的电流转化为电压信号，通过压频转换电路，即V/F转换部分，经过V/F转换后电压的变化将转换为脉冲频率的变化。

电脉冲信号经过电光变换器件（E/O变换）后，变为光信号，经过光纤传到低压端，低压端的光电转换器件（O/E转换）将光信号还原成电信号，再经过频压转换电路即F/V转换部分通过信号处理单元最后进行显示。

压频式光纤电流互感器的主要优点是：

（1）结构简单

（2）精确度抗干扰性能比较高

（3）比较适合信号源距离传输

采用压频变换的方法可以减少低压端和高压端之间连接光线的数量。

目前的集成V/F和F/V变换电路，比如AnalogDevice公司的ADVFC32芯片能够通过引脚连接方式不同实现V/F变换或者用于F/V变换，精确度也不错（再10KHz的条件下最大的误差为0.01%）。

但是该芯片正常工作功耗比较大（25mA左右），这将需要更大的功率来支持高压侧电子线路的工作，势必带来高压侧电源设计的复杂性，同时使整个系统的起始工作的最小电力母线电流变大，减小了系统的测量范围。

（2）A/D转换式光电电流互感器

A/D转换式光电电流互感器的结构框图如图2-3所示：

整个系统分为高压子系统和低压子系统两个部分。

两个系统用光纤连接起来，高压子系统包括传统线圈、积分电路、高压端供电电源、A/D转换器、时序协调电路和E/O、O/E转换器。

低压子系统包括O/E、E/O转换器、D/A转换器时序发生电路和信号处理电路。

在高压子系统中才用传统线圈取得电流信号送入电子转换电路中，电子转换电路将这一正弦电流信号调制为数字脉冲信号，再驱动发光元件转换成光信号，通过光纤光信号就被传送到地面监控室中。

在低压子系统将接受到的光信号反变换成电信号，经过放大送入仪器仪表。

A/D转换式光电电流互感器的主要优点是：

（1）目前A/D、D/A转换器的转换精度很高，可以通过寻用合适的A/D转换器来满足系统对精确度的要求。

（2）高压部分的功耗较小

（3）低压端具有模拟信号和数字信号两种输出，与光通信系统兼容，给未来的电力通信带来良机。

有源型光电电流互感器优点是长期稳定性好，在现代电子器件可靠行高、性能稳定的条件下易于实现精度高、输出大的实用型产品。

有源型光电电流互感器的技术难点是：

（1）传感头去信号绕组的制作。

（2）积分器的设计。

（3）供电电源的设计。

所谓无源型光电电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源，传感头一般基于法拉第效应原理，即磁滞光旋转效应，当一束线偏振光通过放置在磁场中的法拉第旋光材料后，若磁场方向与光的传播方向平行，则出射线偏振光的偏振平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号对偏振光波进行调制。

无源型光电电流传感器系统框图如图2-4所示：

无源型结构今年来比较盛行。

其优点是结构简单，且完全消除了传统的电磁感应元件无磁饱和问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是在高压侧不需要电源器件使高压侧设计简单化，互感器运行寿命有保证。

其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度不容易达到，尤其是此种电流互感器受费尔德（Verdet）常数和线性双折射影响严重，而且前尚没有更好的方法能解决Verdet常数随温度变化和系统的线性双折射问题，所以很难实现高精度测量。

全光纤型光电电流互感器实际上也是无源型的，只是传感头即是光纤本身（而无源型光电电流互感器的传感头一般是磁光晶体，不同于全光纤型的传感器是特殊绕制的光纤传感头），其余与无源型完全一样。

其系统框图如图2-5所示：

全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单，比无源的容易制造，精度和寿命与可靠性比无源型要高。

但是光纤技术现在还没有达到用于互感器环境的要求，传感光纤对环境具有十分敏感的线性双折射现象，影响测量精度及稳定性。

虽然有的提出了校正时的数值。

此后采用一种螺旋型光纤结构显著地降低了光纤双折射，但是此螺旋光纤会逐渐变质难以长期使用。

另外光纤材料的费尔德常数不够大且随温度变化较大，也影响测量的准确性。

在实现挂网过程中还存在长期稳定性的问题，因此在实际挂网之前需要更深入的研究。

综合2.1节，因为有源型光电电流互感器的制作难点在电子学上易于克服，而无源型光电电流互感器的双折射现象及费尔德常数问题目前还没有找到解决的途径，因此本文决定采用有源型光电电流互感器作为本文设计的目标。

有源型光电电流互感器中，基于V/F变换的电流互感器需要非常大的电源来驱动V/F变换，而目前所设计的电源很难达到要求，因此本文决定采用A/D转换式光电电流互感器。

高压侧电路主要有传统线圈、过滤器、A/D转换等，在互感器低压侧，灵活的电路设计，除了从光数字信号中恢复出数字电流信号外，还可以通过数字信号电路的处理，便于与微机保护装置、计算机测量和控制装置及其它数字仪表进行通信和电流数字信号的传送，也可以输出模拟电流信号，以便与传统的仪器仪表对接，利用数字信号处理电路还可以组成光电式电压和电流的复合式互感器，以及将保护和控制集成在一起，也有利于向智能化互感器方向发展。

本章系统而简明的介绍了光电电流互感器的概念和分类，并给出了本文设计的总方案。

供能电源是电子电路工作的基本保障。

随着电子电路日趋集成化和节能化，电源技术也在不断地发展。

实际上，电源电路的设计已经成为电路设计中关键的一环。

电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。

随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。

目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。

它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。

安全、稳定、可靠地运行是电子式电流互感器应该达到的基本要求，同时，这也是对电子式电流互感器高压侧电源系统的最基本要求，因为电源使正常工作的必要条件。

除了这些要求外，电子式电流互感器高压侧的电源系统还应具备以下性能指标：

（1）一定的输出功率

（2）较短的启动时间

（3）较小的启动电流或电压

（4）输出电压质量好和自身功耗低

（5）极端情况下的防护能力

目前可行的供能方案主要有母线电流取能供电、电容电流取能供电、激光供电、太阳能供电、蓄电池供电等。

3.3.1母线电流取能供电

母线电流取能供电是利用电磁感应原理，由普通铁磁式互感器从高压母线上感应得到交流电电能，然后经过整流滤波、稳压后为高压侧电路供电。

其供电的能量来自高压母线电流，取能是通过一个套在母线上的磁感应线圈来完成的，母线环周围存在磁场，通过磁场来获取能量。

此功能方式体积小、结构紧凑、绝缘封装简单、使用安全；

供电比较可靠、成本低。

设计难点在于电力系统负荷变化很大，母