CN1492234A - 同步采样的多相数字化光电式电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步采样的多相数字化光电式电流互感器，它由多个高压侧电路，多个传输光纤和一个低压侧电路组成，该数字化光电电流互感器的根本特征是采用低压侧时钟控制各相高压侧电路采样，在硬件上实现了A、B、C三相电流同时采样，基于统一时钟GPS的同时采样和跟踪电网频率的软件准同步采样，并可简易地将光电电流/电压量测组合在一起。能提高电力***电流量测的精度和优化二次输出的接口性能，适应电力计量和保护数字化、微机化和智能化发展的潮流。
Description
(一)技术领域
本发明属于电力***测量领域，特别涉及一种光电结合的数字化的电子式电流量测装置。
(二)技术背景
在电力***中，常规CT被用来测量电流已有一百多年的历史。它为电力***的计量、继电保护、控制与监视提供输入信号，具有非常重要的意义。随着电力***传输的电力容量越来越大、电压等级越来越高，常规CT因其传感机理而出现不可克服的问题：(1)绝缘技术要求复杂，体积大而重，成本高；(2)互感器铁芯故障状态下的饱和限制了CT的暂态响应速度和精度；(3)由于铁芯磁饱和及磁滞回线的影响，CT的暂态输出电流严重畸变，为克服这一畸变增加了继电保护装置的复杂性。
在电力***发生故障时，一次暂态电流的非周期分量会引起常规CT饱和，电流波形发生畸变。畸变的程度随CT饱和程度的不同而不同。因此，准确地实时判别CT饱和程度是非常困难的。二次电流波形畸变，将直接影响对故障的快速、准确判别，因而影响继电保护的快速性、灵敏性、选择性和可靠性，特别是对差动保护影响更大，甚至会出现误动。目前，基于常规CT的差动保护正确动作率相对于其他类型的保护来说是比较低的，中国电力科学研究院和国家电力调度通信中心对1998年全国继电保护运行情况作了统计分析，其中差动保护不正确动作率较高，其原因是多方面的，但有一点为大家所公认，即差动保护不正确动作与常规CT的饱和特性有关。克服电流互感器的上述缺点，研制实用的新型互感器十分必要。同时常规CT的二次接口扩容不便，数字化光电电流量测采用数字化的二次接口技术使得未来的二次设备可以模块化地现插现用。
国内外正在研制的光电式电流互感器OECT，具有较高的准确度。从目前发表的文献来看，光电式电流互感器OECTH由高端电路、传输光纤和低端电路组成，高端数据采样都是三相单独控制，每一相的采样控制时序由高电位侧每相采样板上的单片机产生，这样的结构数据误码率高。由于三相单独控制，三相采样不同步，低电位侧不能再现高压侧三相电流的波形。测量电力***三相功率时，需要三相同步采样，否则， 三相电量采样时刻不同，所测量功率误差大，甚至出现错误的结果。另外，如果电力***故障录波、高压线路故障定位***的电流采样三相不同步，会出现错误的结果。
(三)发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和存在的问题，而提出的一种同步采样的多相数字化光电式电流互感器，将高压侧的多相电流的波形无畸变地复原(包括频率、相位以及三相电流之间的相位相同，电流值(包括有效值和幅值)成线性比例)，无饱和，量测频率宽，精度高。
本发明的技术方案是：一种同步采样的多相数字化光电式电流互感器，它由多个高压侧电路，多个传输光纤和一个低压侧电路组成，高压侧电路——数据采集板(2)有电流取样元件(2.1)、数字光电量测电路(2.3)、电源供给电路(2.2)；低压侧电路(1)有数字光电量测控制(1.2)、接收及输出(1.1)装置(DOIU)；其特征在于：各相传输光纤(4)分为从高压侧电路向低压侧电路传输测量量的测量光纤(4.2)，和低压侧电路向高压侧电路传输采样控制信号的控制光纤(4.1)，各相控制光纤(4.1)一端连接数字光电量测电路(2.3)的串行A/D采样控制信号输入端，各相控制光纤(4.1)的另一端共同连接至低压侧电路的采样控制信号输出端。
如上所述的电流互感器，其特征在于低压侧电路接有GPS。
本发明去掉已有技术各项高压侧电路中的CPU，利用低压侧电路的同一CPU控制器通过光纤对各项高压侧的串行ADC(MAX187)进行采样控制，实现各相串行ADC同时采集数据和高速同步传输串行数据，从而实现将模拟电流信号转换为数字信号后通过光纤传送到低压侧，并通过DAC(MAX531)输出和通过数字接口传送到PC机，供计算机分析和处理。
软件模块构成包括控制时序生成程序，串行数据读入、判别程序，外触发、同步采样控制程序，自我诊断、监视程序及与PC机通讯的程序。
本发明具有以下优点和积极效果：
①从硬件上实现了各相电流同时采样，不用软件进行插值，对各相ADC进行多个通道扩展，则可实时了解高端运行状态信息；
②ADC工作由低端进行控制，可由外部授时时钟(如GPS)对采样时刻进行修正，实现在统一的时钟指挥下同时采样；
③各相ADC在低端控制下可实现跟踪电网频率进行等间隔采样，这对于要求进行电能质量分析的场合(如谐波分析)有时是必需的；
④高端电流采样的可控性使得最终可简易地将混合式光电电流/电压量测组合在一起，实现电流电压同时测量。
本发明采用同步采样技术，形成一代简单实用的新型互感器。罗柯夫斯基电流变换器没有铁芯，频带宽，失真少，不会出现饱和问题。在电力***故障情况下光电电流变换器能精确量测一次暂态电流，包含可以滤掉的二次电流中的非周期分量。因此该数字光电电流量测应用于继电保护的突出优点是：无饱和、无电流波形畸变、量测频率宽、精度高。这些特性对于继电保护的快速性、选择性和可靠性是十分有利的。同时电流变换器体积小、成本低。
研究表明以Rogowski线圈为基础的数字光电量测***具有很好的性能，如稳定、精度高、线性度好等，数字光电电流量测***适应了电力***二次***全数字化的要求。
(四)附图说明
图1，是本发明实施例的数字化光电式电流互感器单相原理框图。
图2，是图1中高压侧数据采集板原理框图。
图3，是图1中低压侧电路原理框图。
图4，是图3中模拟输出接口原理框图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的工作原理作进一步说明。
高压侧数据采集板(2)安装在输电线路(3)侧，数据采集板(2)上的电流传感元件(2.1)将载流导体(3)上的大电流信号变换为小电压信号输出，经过信号调理电路(2.3.1)传送到ADC(2.3.4)，各项ADC在控制光纤(4.1)传送上来的控制时序下对模拟信号进行同时采样(控制时序由低压侧电路(1)的波形逻辑单元(1.2.2)产生)，转换成数字信号后通过驱动电路(2.3.5)驱动发光二极管LED(2.3.6)发光，LED输出的光信号通过光纤(4.2)传送到低压侧电路，低压侧电路的控制器(1.5)解调此光信号获得载流导体中一次电流的数字量化值，进行变比折算和修正，实现模拟量输出(1.4)和数字量存储(1.3)、PC机波形显示分析等功能。采用线路上安装辅助速饱和电流互感器(2.2.1)通过整流电路(2.2.2)供能的方式为高端采集板提供工作电源。
当要求A、B、C三相一起工作时，低压侧电路通过3根光纤分别对各相ADC进行控制，因控制时序一样即实现三相ADC同时采样，当然***也可扩展为多于3相电流同时采样。
实现三相的同步采样的控制方法：
本光电式电流互感器采用一种简单实用的控制方法来实现三相的同步采样。控制时序由低压侧电路的控制板产生，一块控制板同时控制三相电流的采样。控制板上由单片机80C320(如图4的1.5模块)的T2定时器自动重装载模式定时溢出中断来产生控制时序CSAD，控制时序CSAD通过逻辑门74LS14(如图4的1.2.2.4模块)来产生三个相同的时序SRCLK1、SRCLK2、SRCLK3。其中SRCLK1用来控制三相的同步采样。SRCLK1时序和三相采样的使能信号ENVA、ENVB、ENVC通过可编程逻辑芯片GAL16V8A(如图4的1.2.2模块)控制高电位采样板的工作。当三相使能信号有效时，可编程逻辑芯片GAL16V8A如图4的1.2.2模块)输出三个相同的控制逻辑时序CSADA、CSADB、CSADC来分别控制三相同步采样。这种控制方法，既可以实现单相的采样又可以实现三相的同步样，运用灵活。控制逻辑时序CSADA、CSADB、CSADC通过光纤传到高压侧采样板后，采样板(如图4的1.2.2.1、1.2.2.2、1.2.2.3模块)上采用两个单稳态触发器，来实现串行A D芯片片选信号/CS和采用串行数据移位时钟SCLK的提取。从高压侧通过测量光纤(4.2)传下来的是串行数据，需要串并转换，时序SRCLK2用来实现串并转换的移位时钟。移位时钟与SRCLK1相同，和串行AD芯片的移位时钟是同步的，能把串行采样数据转换成并行数据而不会出现数据的错误。SRCLK3用来供模拟输出板D/A芯片的时序。
这种控制结构，可以简单地实现三相的同步采样。并且采样、数据的转换、模拟量还原输出能实现同步，由于高压侧采样板不需要产生控制时序的单片机，提高了采样速度，简化了采样板的结构，减小了采样板的功耗，缩小高压侧采样板和传感头部分的体积，简单实用，可以方便地改变低电位80C320的T2定时器重装值来改变T2定时时间的长短，从而改变控制时序脉冲的宽度，来改变高压侧的采样频率。
1、高压侧数据采集板说明：
高压侧数据采集板(2)由一次电流传感头(2.1)、信号条理器件(2.3.1)、多路开关(2.3.2)、时序控制逻辑(2.3.3)、ADC变换电路(2.3.4)、电源电路(2.2)和一对光纤收发对(2.3.9)构成。
电流传感头将一次导线的电流变换为小电压输出，经过前级信号调理电路，变换为符合ADC转换的模拟信号输入到多路开关；温度、电源电压、基准电压等信号量也经过相应的信号调理电路并行输入到多路开关；多路开关在时序逻辑的控制下进行周期性的切换；光纤收发对(2.3.9)接收控制光纤(4.1)从低压侧传送上来的光学数据流，将其转换为电子位流，并且经过信号整形电路变换为与TTL、CMOS相接口的电平逻辑，时序控制逻辑解调此控制信号生成控制多路开关循环切换的时序信号和ADC采样及串行移位输出的时序信号，ADC在解调获得的同步时钟的作用下输出的串行数据流经过光纤发送器LED的驱动电路，形成驱动LED的发光的电子位流，LED输出的光学数据流通过测量光纤(4.2)传输到低压侧的光检测器上，完成一次信号的采样工作。数据采集板基本参数：
●4路单端输入；
●输入通道数可选1、2或4路；
●12位数据分辨率；
●ADC最高采样率75kHz，采样频率低端可控；
●A/D转换时间小于8.5μs；
●串行传输最大速率4MHz，通用1.5-2.0MHz。数据采集板的基本功能：
1.两个电流信号输入通道；
2.可与Rogowski线圈或CT接口；
3.温度和电源电压监测，可用于测试结果的温度修正；
4.具有前向通道及ADC工作性能诊断功能；
5.适应较大范围采样频率调节(0～50kHz)。2、低压侧电路说明：
低压侧电路(1)由3对光纤接口电路(1.1.1、1.2.1)、波形逻辑电路(1.2.2)、串并转换电路(1.1.2)、单片机电路(1.5)、数据接口电路(1.3)及模拟输出电路(1.4)构成。
硬件电路的工作原理是这样的。波形逻辑电路(1.2.2)生成控制高压侧ADC采样的时序信号、串并转换的信号和DAC输出的信号；控制高压侧ADC采样的时序信号输入到三路光发送器LED的驱动电路(1.2.1)上，LED将其转换为光学数据流耦合进3路控制光纤(4.1)传送到高压侧，实现对高压侧ADC的采样控制；高压侧通过测量光纤(4.2)传送下来的表现ADC转换结果的光学数据流在光电检测器PIN(1.1.1)的作用下形成电子位流，输出到串并转换电路(1.1.2)和串行DAC输出电路(1.4.1)中，而串并转换电路(1.1.2)在同步移位时钟的作用下，将该串行数据转换成12位并行数据供单片机控制器(1.5)读取，另一路则输入到DAC输出模块(1.4.1)中，6路DAC芯片在波形逻辑电路提供的控制信号作用下将数字信号还原成阶梯状的模拟信号输出，通过后级平滑滤波器实现对高压侧模拟信号的复原；而单片机控制器将并行数据读入到内存中，做必要的检测、处理后又将其转存到数字接口的双口RAM中，该双口RAM的另一侧接口可与其他用户板或PC机相接口，实现PC机或其他用户板对采集到的数据的共享；
软件的实现是这样的。单片机软件主要有控制时序生成，串行数据读入、判别，外触发、准同步采样控制及与PC机通讯几种功能。
控制时序由控制器80C320的定时器T2的溢出中断服务程序生成。T2是具有多种功能的16位定时/计数器，将其设置为16位自动重装载和可外部触发重装载计数工作方式下，每次计数满溢出时将响应T2中断，在中断服务程序中完成ADC采样控制，实现周期性的采样控制。
串行数据读入是通过控制串并转换芯片实现的，串并转换芯片在同步移位时钟的作用下将高端通过光纤传送下来的串行数据流转换成并行数据锁存于并行输出端，单片机实现对并行数据的读入和调整，并依次存放于双口RAM中，供PC机读取。
与PC机通讯程序，被读入到单片机中的采样点被依次导出存入到双口RAM中去，4K字节的双口RAM被分成两部分，上半区地址为：000H-77FH，下半区地址为：781H-FEOH。当半个区存满时向PC发中断请求和置存满标志信息，以供PC机读取。其他通讯信息存于FE2H-FFFH单元中。
在没有外部触发信号时，控制器的T2按程序中设定好的运行周期控制采样工作；当有外部触发信号时，在触发脉冲下降沿将对T2的计数值进行重装载，使得T2计数值被脉冲沿强行同步一次，这样即实现了在外部触发作用下进行同时采样——外触发同时采样。当该触发信号为GPS信号时，各相ADC的采样即可在GPS时钟的指挥下进行同时采样，将三相同步采样数据打上相应的时标。
我们引入软件测频算法，通过低端对ADC的采样频率进行实时修正，实现采样频率和信号频率的基本同步，完成具有频率跟踪性能的准同步采样。高端ADC采样频率的控制是由控制器实现的，控制器中ADC控制程序则是由T2计数器的溢出中断服务程序来完成，而T2又工作于16位自动重装载方式下，所以只要对T2计数器的自动重装载值进行控制即可实现计数器溢出中断的发生频率，也即控制时序生成的频率，同时也是高端ADC的采样频率。
控制器参数及基本功能有：基本参数有：
1.3对在板光纤接口，光纤接口基本频率1.5MHz，最高频率10MHz；
2.4kBytes的双口RAM扩展存储器；
3.具有中断、查询和可编程功能的8位ISA总线扩展接口；
4.高性能80C320控制器，基本频率24MHz；
5.6路光电隔离串行12位DAC输出；
基本功能有：
1.可通过ISA总线或串口与PC机通讯功能；
2.复位ADC采样功能；
3.封锁或启用DAC输出功能；
4.多路同时同步数据采集功能；
5.采样数据监测、处理功能。
模拟输出板基本参数有：
1.高速光电隔离、DC/DC隔离；
2.6路12位串行DAC输出通道；
3.4.096V基准电压源；
4.双极性，增益、零位漂移可调输出；
5.优秀的集成二阶低通滤波器；
Claims (2)
1、同步采样的多相数字化光电式电流互感器，它由多个高压侧电路，多个传输光纤和一个低压侧电路组成，高压侧电路——数据采集板(2)有电流取样元件(2.1)、数字光电量测电路(2.3)、电源供给电路(2.2)；低压侧电路(1)有数字光电量测控制(1.2)、接收及输出(1.1)装置(DOIU)；其特征在于：各相传输光纤(4)分为测量光纤(4.2)和控制光纤(4.1)，各相控制光纤(4.1)一端连接数字光电量测电路(2.3)的串行A/D采样控制信号输入端，另一端共同连接至低压侧电路的采样控制信号输出端。
2、如上所述的电流互感器，其特征在于低压侧电路接有GPS。
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