光学电流互感器毕业设计.docx

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光学电流互感器毕业设计

摘要

本文通过对数字接口输出标准IEC60044-7/8中信息合并单以及通信协议IEC61850有关通信接口部分做了深入的分析,在满足光学电流互感器数字接口标准条件下,提出了遵循IEC61850协议的光学电流互感器的实现方案,将光学电流互感器分为,传感部分,高压侧数据采集部分,低压侧信息合并单元部分,以太网通信部分来实现.

在高压侧数据采集系统的设计过程中，通过对采集系统的分析，采用FPGA实现对A/D采样的控制,在低压侧合并单元部分，采用FPGA与DSP相结合的合并单元设计方案,FPGA实现高压侧传下来的数据的接收,校验还原,并保持各路采样的同步,采用DSP技术进行相应的数据处理，按IEC61850-9-1对数据进行打包,组帧并通过以太网传输数据.

关键词：

光纤电流互感器数据采集系统信息合并单元IEC61850以太网现场可编程逻辑门阵列（FPGA）数字信号处理（DSP）

ABSTRACT

ThisarticlethroughtothedigitalinterfacestandardIEC60044-7/8ofoutputinformationandcommunicationagreementwithsingleIEC61850oncommunicationinterfacepartdoathoroughanalysis,satisfyingopticalcurrenttransformerdigitalinterfacestandardconditions,andputforwardthefollowingIEC61850agreementopticalcurrenttransformer,willtheimplementationschemeofcurrenttransformerisdividedinto,opticalsensingpart,highvoltagesideoflowvoltagesideofdataacquisition,merger,EthernetunitofinformationcommunicationtorealizePart.

Inhighvoltagesideofdatacollectionsystemdesignprocess,throughtheacquisitionsystemanalysis,andtheFPGArealizingA/Dtothecontrolofthesampling,inlowvoltagesideoftheunit,withthecombinationofFPGAandDSPmergeunitdesignscheme,FPGArealizinghighvoltagesideofthehandeddowndatareceiving,verify,andkeepthereductionofsynchronoussampling,DSPtechnologyforthecorrespondingdataprocessing,accordingtoIEC61850-September1ofthedatapackage,groupframeandthroughtheEthernetdatatransmission.

Keywords:

opticalcurrenttransformer;data-acquisionsystem;mergingunit;IEC61850;Ethernet;fieldprogrammablegatearray;digitalsignalprocessing;

2.3.4光源驱动电路设计………………………………………………..17

CONTENTS

第1章绪论

1.1概述

互感器是电力系统中主要的保护和监控设备之一，随着电力系统向高电压、大容量发展，传统的基于电磁感应原理制成的电磁式电流互感器暴露出来越来越多的问题，这就有力地推动了电子电流互感器（ECT）的研究与应用。

电子电流互感器是指利用备有电子器件的光学器件或空心线圈（带有或没有内嵌积分器）或是带有集成负载的铁心线圈的,独立的或配有电子器件的电流一电压转换器。

其中利用光学器件对电流传感器的或传输信号的ECT称为光学电流互感器（OCT）。

对OCT可有不同的分类方法，按照高压区分工作单元是否需要供电，通常可分为有源型和无源型两大类；按照传感机理和传感头的具体结构,又可分为全光纤型（FOCT）,光学玻璃型（BGOCT）,混合型（HOCT）,磁场传感器型和其他传感机理型。

随着光电子和光纤通信的发展，有力的推动了新型光纤电流互感器的研究与应用。

与传统的电磁式电流互感器相比,光纤电流互感器有如下优点：

不含油,尺寸小,绝缘结构简单,不会有安全隐患[15]；不含铁芯,不会有磁饱和现象；测量带宽和精度高；使用光纤传输信号,可以有效地防止电磁干扰；易于与数字设备连接等。

由于光纤电流互感器与传统互感器的输出形式有很大的不同,因此如何选择和设计过程层与间隔层保护测量二次设备之间的接口就成了要解决的关键问题。

为此,2002年国际电工委员会第38届技术委员会（IECTC38）专门负责制定了电子式电压、电流互感器制造标准IEC60044-7/8；同时,自2004年开始IECTC57又陆续推出了变电站通信体系和结构IEC61850国际标准协议,该标准面向未来,覆盖了变电站的所有接口,目的是有效地解决不同厂家生产的自动化系统的互操作性和互换性问题。

1.2背景及意义

随着我国电网容量的不断增大和电压等级的不断提高，传统的电磁式电流互感器暴露出了一系列的缺点，从本身的设计原理来看：

1.绝缘结构复杂，造价随着电压等级的升高而成指数增加；

2.动态测量范围小，带窄；

3.大都依赖绝缘油做绝缘，易燃易爆；

4.由于大容量超高压系统中的短路电流不仅数值很大，而且含有很大的非周期分量容易引起传统电流互感器铁心过度饱和，造成励磁电流增大几十倍至几百倍，从而引起电流互感器二次侧电流数值和波形严重失真，导致系统保护误动作；另一方面从目前间隔层与过程层之间的通讯方式来看，传统互感器采用的是电缆线点对点的连接方式，传送的是模拟量存在着二次接线复杂，维修困难的状况。

鉴于传统互感器所面临的种种问题，电力系统迫切需要能克服上述缺点的新型电流互感器来代替传统的电磁式互感器。

随着光纤技术，传感技术和电子技术的发展，光学电流互感器正逐渐成为研究的热点。

光学电流互感器是运用了光纤传感技术和电子技术对高压电缆上的电流信号进行测量和传输的新型互感器。

它有效解决了传统电流互感器中存在的问题[16]，可满足电力系统计量和继电保护中的应用要求，具有广阔的应用前景。

光学电流互感器的优点在于：

1.优良的绝缘性能，高压低压隔离，绝缘结构简单；

2.不含铁心，无磁饱和，铁磁共振和磁滞效应，暂态响应好，稳定性好；

3.抗电磁干扰性能好，低压侧无开路危险；

4.暂态响应范围大，测量精度高；

5.频率响应范围宽。

频率范围受后面的信号处理电路的限制；

6.没有因充油而有易燃易爆的危险；

7.适应了电力计量和保护数字化，微机化，自动化的发展潮流；

光学电流互感器的基本装置与电压等级无关，应用于不同的电压等级时只需改变设置参数和绝缘设施，电压等级的提高不会带来设备费用的大幅增加。

现在随着电子技术的发展，光纤电流互感器在整机性能可靠性和使用寿命等多方面都已经超过了传统的电流互感器。

虽然光学电流互感器有很多优点，但仍存在许多问题值得研究和改进，其中有全光纤型电流互感器的固有双折射难以处理。

普通硅光纤的维尔德常数较小，光线固有双折射会倾向于淹没法拉第旋转角。

增加传感光纤圈数可以提高灵敏度，但同时也会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射，所以就起不到增加灵敏度的效果。

光纤的固有双折射和维尔德常数海域温度有关，这样就更难于控制互感器的精度。

全光纤互感器自被提出近30年来，一直围绕这固有双折射和温度稳定性的问题进行研究。

1.3国内外光学电流互感器的发展状况

1.3.1国外发展情况

国外对光学电流互感器的研究于20世纪60年代开始，到了80-90年代，已经进入实用化和产品化的阶段，到目前大约有2000多台光纤电流互感器在挂网运运行。

在这方面技术的研究中美国比较领先。

美国五大电气公司各自在1982年左右成立了光学电流互感器专题研究小组在1986-1988年实现了161kV独立式光纤电流互感器，1987年161kV的以继电保护为主的以及1989年5月-1992年的345kV,20-2000A,0.3级计量与保护的光纤电流器的挂网运行成功,其中最具代表性的是：

1986年美国的田纳西州流域电力管理局在其所属的Chkamauga水坝电力编组站安装了第一台单相,高电压光学计量用的电流互感器,可靠运行两年多后拆除。

西州电力流域管理局在1987年第二次安装的光学计量系统是在其所属的Moccassin电站完成的,与1986年相比,扩展为三相计量。

经过六个多月的测量千瓦小时,全光学计量系统和传统互感器系统比较,相差不到1%。

西州电力流域管理局在它所属的Oglethorpe电站和石化燃烧站之间的电力编组站安装了第一个以光学电流互感器为基础的继电保护系统,到1990年9月报导之日为止,比较的结果是令人鼓舞的。

仅在1990年7月8日一天,光学电流互感器系统就正确地响应了由于雷暴雨而引起的6个故障[17]。

1991年6月,ABB电力T&D有限公司公布了用于计量和继电保护用的345kV电站的光学电流测量系统,并在运行四个月之后,与标准CT比较所展现出来的仅是0.4%的误差。

日本也早在1981年起组织了五大电气公司对光学电流互感器理论,材料,性能等进行了研究。

要求达到的l级,O.5级及零序保护级,以组合式为主,独立式为辅,现已基本达到研究目标。

1996年,日本日立公司电力工业系统研究开发小组,使用了块状玻璃OCS,用于400MW抽水蓄能电站,额定电流8000A。

1997年,该公司成功地开发出115kV、550kV、2000A组合式光电传感器和69kV、765kV、2000A组合式光电传感器。

如今,日本研制出了用于6.6kv传输线谐波分析的OCS[18]。

欧洲方面,英国利物浦大学电机系也在进行混合式光电电流互感器的研究,德国著名的传感器公司也在和德国大学联合开发无源式和有源式光电电流互感器。

欧洲方面,英国利物浦大学电机系也在进行混合式光电电流互感器的研究,德国著名的传感器公司也在和德国大学联合开发无源式和有源式光电电流互感器。

1991年6月ABB电力T&D有限公司公布了用于计量和继电保护用的345kV电站的OCT系统,并在运行四个月后,与标准CT相比较误差仅为0.4％。

1994年,ABB公司又推出了有源光电式电流互感器,电压等级为72.5kV-765KV,额定电流为600-6000A。

3M公司在1996年开发出用于138kV的全光纤电流测量模块,据称可用于500kV电压等级。

在光CT的研究上前苏联也有较大进展。

1973年苏联直流科学研究院与列宁格勒电器制造联合公司制造了750kV的频率脉冲调制式OCT,其被测电流的额定值为2000A,可提供一个测量仪表通道和三个继电保护通道。

1.3.2国内发展情况

我国OCT,OVT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,上海互感器厂,北方交通大学,华中科技大学等。

南开大学在利用干涉原理测电压和利用布拉格光栅测电流也做了深入研究，燕山大学曾在国内首次提出利用差分式Sagnac干涉原理测高压母线电流，并在原机械工业部基金赞助下完成了样机的试制。

由于差分式Sagnac干涉仪对由温度产生的热应力和外界震动产生的干扰有自动补偿功能，样机具有很高的稳定性。

后来又在河北省重点基金资助下，完成了有源式光学电流互感器的研制。

最早的产品是沈阳变压器厂和四平电业局共同研制的110kV的OCT，并于80年代在四平电业局挂网试运行。

1991年清华大学和中国电力科学研究院共同研制的110kV的OCT通过国家鉴定并挂网试运行。

1993年华中理工大学与广东新会供电局合作研制110kV的OCT在广东省新会供电局大泽变电站挂网运行，并在1994年通过原电力部鉴定，额定电流为100-300A，精度为O.3％。

现在我国的电力行业和部分高校正在加快这方面的研究工作，并已进入实用化阶段，将形成一个新的产业。

第2章光学电流互感器传感部分的设计

2.1传感基本原理

2.1.1光的偏振特性

光是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的，光波为横波，具有偏振特性，有偏振光，非偏振光，部分偏振光。

偏振光是指光波电矢量方向按一定的规律变化，矢量端点在空间有规则的轨迹的光。

非偏振光是光波的电矢量方向在空间没有规则的轨迹不显示任何方向的光。

部分偏振光世介于两者之间的光，用检偏器去检验这种光，随着检偏器角度的变化透射光的强度成交替性变化，最小透射强度不会为零，可以看作是偏振光与非偏振光的叠加。

假设光沿X方向传播，因为光波是横波所以Ez=0，偏振光电矢量的大小可用Y,Z轴上的两个分量来表示的合成来表示。

（2-1）式

（2-2）

式中，ω—光的角频率；λ—光波长；

，

分别为Y，Z方向上的最大振幅；

，

分别为X,Y分量的相位。

当

，

的相位差为0或者π时为线偏振光，当相位差为π/2或-π/2且

=

时为圆偏振光，如果

比

引前称为左圆偏振光，反之称为右圆偏振光，相位差为任意值并且两个分量不相等的时候为椭圆偏振光，椭圆偏振光的参数包括椭圆度，方位角和旋向。

2.1.2法拉第效应

1845年，法拉第发现磁场作用于玻璃时，当一束线偏振光沿磁场方向通过玻璃时，其偏振面发生了旋转[19]，法拉第效应告诉我们线偏光振动平面的旋转角大小与磁场强度及光与磁场相互作用的距离成正比。

即

（2-3）

式中，

—透明介质的磁光旋转率，

—偏振面旋转的角度，L—通过的路径，H—北侧电流在dl产生的磁场。

安培定律讲了电流与该电流产生的磁场的一圈环路积分之间的关系

（2-4）

式中，

是导线的根数，I是每根导线通过的电流强度，假设只有一根导线，对于环绕N圈的光纤的闭合回路，法拉第效应表示为，

（2-5）

再结合安培定律有

（2-6）

由此可知，通过光纤的线偏光振动平面的偏转角的大小，与光纤环路的匝数及通过导线的电流强度成正比。

这就是法拉第效应光纤电流互感器的基本工作原理，法拉第磁光效应。

2.2光学互感器光路设计

传感基本原理讲完了，接下来是传感光路的设计，图2-1为传感光路的示意图。

图2-1传感部分结构原理图

反射结构的全光纤电流互感器。

起偏器的方向相对于双折射光纤的双折射轴x和y成45度角。

因此，两束正交的线偏振光传向传感线圈。

在进入到传感线圈前，由作为延迟器的光纤λ/4波片转变为左旋和右旋的圆偏振光。

在线圈尾端，圆偏振光被反射后第二次通过线圈。

通过反射，偏振方向转换，例如左旋变右旋反之亦然。

λ/4波片延迟器再将返回的光转变为正交线偏振光。

相比于传过来了线偏振光，新的偏振方向也交换了，例如沿着X和Y轴的前向偏振变为沿着X和Y的反向偏振。

最终，两束正交光在光纤偏振器出发生干涉。

作为偏振交换的结果，光路径上的干扰相互抵消为0。

电流引起的非互易相位跳变在Sagnac反射型中加倍。

（2-7）

是给出的

，

是熔融硅光纤的维尔德常数，N是光纤的圈数，I是电流。

2.3光学互感器光路的工作过程

2.3.1传感部分主要元件的选择

1.光源

在光纤电流互感器中光源有很重要的作用，互感器光源有几个很重要的特性。

（1）辐射的几何特性。

光源有一定的输出功率，也就是说送入传感部分的光通量的最大值，这个量的大小与光源的波长和入射光纤的光通量的综合作用，光纤的光通量与纤芯面积和光纤的数值孔径有关，就是与光纤的几何特性有关[20]，对光纤系统来说高亮度光源是很重要的，在实际中特别注意光纤的几何特性，以实现最佳功率传输。

（2）频谱特性。

主要体现为中心波长，频谱宽度。

中心波长应选在光纤的低损耗传输窗口，使传输损耗最小，光谱宽度由带宽决定。

光谱的噪声电平也很重要，光源的最低噪声电平有散粒噪声决定，在许多光源中供给光源的电源都包含噪声，经过光电转化后电噪声变成光噪声。

光源内还有谐振效应，在一些频率上产生附加频率噪声，震荡媒质结构的不规则会引起不规则的光产生，造成光源的不稳定，导致实际噪声会更大，相干性对于光源来说是一个关键参数，相干性对于干涉仪的使用有较大影响。

（3）电光转换特性。

光源的电源对光的输出有影响，是多方面的。

输出光功率的大小随着激励电源的增加而增加，同时器件的温度也随着升高，这就使许多光电变换器的输出功率比恒温时要低，而且光的频率也会发生变化，所以输出强度和频率都是电源的函数。

（4）环境特性。

大多数半导体光源随着使用时间的增长光输出功率开始劣化，并且受温度的影响很大，对于光源的失效机理很多人还不太清楚，在光源的设计中光源的亮度，光谱特性，电光转换特性之间的关系需要考虑，要求光源有足够大的功率，以保证传输中光的质量，确保足够大的信噪比，此外光源的稳定性，可靠性，使用寿命，几何尺寸价格等要考虑。

光源的性能直接影响到光纤传感器的质量，常用的光源有白炽灯，激光器，半导体光源，适合用作光源的是半导体光源，半导体光源利用PN结把电能转换为光能的器件，具有体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，寿命长的特点，与光纤兼容性很好，半导体光源分为半导体发光二极管，半导体激光二极管，半导体激光二极管存在着一些缺点，如温度特性较差，工作一段时间后会退化影响稳定性和寿命，易损坏，寿命短，价格比较高，而发光二极管的寿命较长，而且输出光功率-电流特性线性非常好，使用简单。

因此，这里用惠普公司的HFBR1414型LED，发射功率高，带有AT推荐的ST插座，可通过ST连接器与多模光纤相连。

2.λ/4波片

波片的作用主要是改变光的偏振态，实现线偏振光与圆偏振光之间的转换，光纤λ/4波片是通过取1/4拍长的双折射光纤和传输光纤的光轴成45°做成的。

在光纤电流互感器中偏振光在保偏光纤中传输受双折射的影响，会产生相位延迟，当入射光为线偏振光时，偏振光的偏振态变化为；线偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-椭圆偏振光-线偏振光。

利用这一特性只要取合适长度的光纤就可以做λ/4波片，当一束线偏振光与与波片的主轴成45°入射时，两个主轴分量就会有一定的相位延迟，理想情况下相位延迟为90°就是圆偏振光。

因为包括λ/4在内的光纤传感环是放在室外的，温度变化较大而且处在高压区，不能采取恒温措施，如果随着温度的变化相位延迟也较大[21]，那么系统的精度会受影响，因此选择温度特性较好的几何双折射光纤λ/4波片以提高系统的精度。

3.相位调制器

相位调制是光调制的一种，调至的是光波的相位，频率，振幅，偏振态和波长，以达到传递信息信号的目的，常用的是光纤相位调制，光纤本身属玻璃需用机械方法改变光纤的折射率，长度及一些物理参数，但是在光纤内直接调制光信号消除了光的耦合，减少器件的插入损耗，易于连接，便于实现，价格低等优点。

4.传感光纤

传感光纤也是光纤电流互感器重要的组成部分，传感光纤的线性双折射会使得整个传感系统的相位噪声增加，影响测量的精确度，近年来主要采用扭转，退火，拉丝的方法来制作传感头的传感光纤。

扭转光纤可以减小光纤内剩余应力引起的内在的线性双折射，退火光纤可以减小由于弯曲导致的线性双折射可以将两种方法结合起来，将扭转光纤经过退火处理制作的传感头，拉丝光纤这种光纤在生产的时候早期采用光纤旋转，为了形成超低双折射而抗弯曲，因此传感光纤要采用能够抗弯曲，抗温度变化的圆保偏光纤，

拉丝光纤的制作成本很高而且制作困难，所以本系统的采用扭转光纤为传感光纤，加工成本低，制造工艺简单，将一根普通的单模光纤用外力加以旋转，在力的作用下纤芯中产生的切向应力能部分消除由于制造工艺不均匀而引起的线性双折射，是的扭转光纤具有弱圆双折射特性扭转光纤的扭转率为：

（2-8）

N为扭转圈数，扭转切应变力产生的圆形双折射率n与扭转率α成正比，表示为：

（2-9）

其中n0为纤芯的折射率，p1和p2为扭转时两个相反方向上的光弹系数，若扭转光纤以具有线性双折射率A，在扭转圈数很少的情况下线性双折射起主要作用，在扭转全数不是很多的时候大约是n等于A的时候，光纤中线性双折射和圆双折射共同作用成椭圆双折射，光的偏振态变为椭圆偏振态，偏振规律是很复杂的，在扭转圈数多的情况下，有扭转产生的折射率起主要作用，原有的线性双折射率近乎不起作用，此时光纤对入射的线偏振光具有偏振面旋转的作用与旋光物质的作用类似，不同的扭转光纤有不同的光纤磁光系数，是物质特性常数且与波长有关，是能充分反映光学电流互感器传感环性能的重要参数，在法拉第效应下要求材料经可能的降低双折射和尽可能的长度[22]，如果在光纤上绕S圈通电线圈，则：

（2-10）

可以看出增加光线圈数和导线的缠绕圈数可以增加旋转角从而提高心痛的灵敏度。

5.光电探测器

光电探测器是以很重要的部分，特的性能指标直接影响着传感器的性能，光电探测器的作用是将光纤传来的光信号转变成电信号，实现光电转化的原理为光电效应，就是物质在光的作用下释放出电子的现象，光子打在物质表面上光子的能量被电子吸收之后改变了电子的运动规律，电子发生了跃迁运动，处于低能级的电子受激励后克服阻力脱离物质表面发生的光电效应为外光电效应，也有物质在受激励后本身的电阻发生改变称为内光电效应。

光电管和光电倍增管就是利用外光电效应原理，外光电效应的电子逸出功表达式为：

（2-11）

其中m—为电子质量，v—为逸出电子的速度，h—普朗克常数，V—为入射光的频率，pa为逸出功，产生电子的能量与光强度无关与光的频率有关，当产生电子的动能为零时对应的光子频率为：

（2-12）波长为：

（2-13）

C为真空中的光速，

产生外光电效应的最大波长。

内光电效应包括广电导效应，光生伏特效应，光导管和光敏电阻是基于光导效应的光电探测器，光电池和光电二极管是利用光生伏特效应的光电探测器，这里采用的是PIN光电二极管，，对于光电系统的光电探测器系统要求其响应时间小于10-8s，这样PN型光电二极管就不满足要求，PN的响应时间为10-7s，PIN光电二极管是在PN光电二极管基础上使N区与P区之间隔了一层本征层，改善了特性，相对N区和P区来说本征层为高阻层，外加反向电压降大部分在这里，使耗尽区加宽，增加了光电转换的有效工作区，提高了器件的灵敏度，是击穿电压不受基体材料的限制，这样光电转换主要发生在本征层和一定的扩展长度内，本征层工作在反向可以对少数电子起到加速的作用，PIN光电二极管通常工作在较高的反向电压下，它的耗尽区非常的宽，结电容很小，响应时间很短。

6.耦合器

光纤耦合器的主要功能是分光，其原理是将耦合区的光波分成两个模态的光波，对称模态和反对称模态，这两种模态的光在光纤中的传播速度有差异从而达到分光的效果，分光的效果与耦合区的长度有关，

用熔融拉锥的技术制造光耦合器是将两端剥出包层的光纤平行的贴