电力传输线路中电流测量系统的设计和实现

发布时间：2009-10-22 作者：刘增水

        1　光学电流互感器结构组成和工作原理
        1. 1　光学电流互感器结构组成
        本文采用自行研制的光学电流互感器(OCT) ,基 于法拉第磁光效应原理,如图1所示。光源驱动电路 直接驱动光源发出特定波长光信号,经过分光器,分成 两路相同的光信号,通过传输光纤传输至电力传输线 路的高压区,经准直透镜变为平行光,再经过起偏器变 为线偏振光,最终到达磁光晶体;由于电力线路中电流 产生的磁场作用,通过磁光晶体的线偏振光在该磁场 中发生了偏转,检偏器将偏转角度的大小转换为光照度信号,经耦合透镜和两路光纤传送到测量系统的地 电位侧,利用光电转换器件,把光照度信号变换成电信 号,再经过二次信号处理单元处理后,最终得到电力传 输线路中电流量值。

图1　光学电流互感器的结构组成

        1. 2　光学电流互感器工作原理
        在光学电流互感器结构中,采用了双光路的结构 设计形式,两束线偏振光以相反的光路方向,通过磁光 晶体,经过电力线路电流磁场的调制后,振动面的旋转 角大小相等,但方向相反;再利用差分方法对这两路光 信号进行处理,可提高测量系统的抗共模信号干扰能 力和电流测量精度。经过光电转换后,A和B两路输 出的光照度信号可表示为:
        IA =U (1 + X sin2πf t) , f = 50Hz (1)
        IB =V (1 - Y sin2πf t) , f = 50Hz (2)
        式中: U和V为光强的直流分量, X和Y为直接反映了 电力线路中待测量的电流值。
        2　电流测量系统设计和实现
        2. 1　电流测量系统组成框图
        电力传输线路电流测量系统框图如图2所示,两 路OCT信号IA 和IB ,首先经过低通滤波、预放大和直 流量自动增益均衡化处理; 再经过差分电路和信号放大电路处理,在微控制器的控制下,使用ADC模数转 换器,得到电流测量数据;最后由微控制器把测量数据 传送给后端电力测量系统低压侧的合并单元模块电 路,完成电流数据的分析、计量和显示等功能。合并单 元电路模块一般按照相应的国家标准进行设计和实 现,限于篇幅本文不作讨论。
      

        在图2测量系统中,电力线路中的电流信号频率 为50Hz。使用锁相电路,保证在每个20ms周期时间 内,ADC起始采样的时刻相同;与此同时,也保证在单 周期内,采样256个ADC数据,其采样时刻的准确性。
        2. 2　测量系统主要电路设计和分析
        2. 2. 1　光照度信号直流分量自动增益均衡化电路
        如何从式(1)和式(2)中分离出有效的交流分量, 是整个测量系统预处理电路的关键。由于耦合损耗、 光纤弯曲损耗、传输损耗等因素,会直接引起图1中A 和B 2路光照度信号的直流分量不同。本文采用了图 3直流量自动增益均衡化电路,电路的工作原理如下: U18A的输出信号经过R56 /C78和R97 /C74两级低通滤 波后,得到IA 或IB 信号中的直流分量Vd。U21是基 准电压源,产生- Vref电压信号,当Vd /R33 =Vref /R35时, 由U18B构成的积分电路中, C82电容电路无电流流 过,Q1控制极G的电压Vg 维持不变,此时电路处于平 衡状态。当A或B直流分量与基准电压不等时,U18B 积分电路输出电压升高或降低,从而改变U18A的放 大倍率,直至电路重新进入平衡状态。由于A和B信 号处理电路使用相同- Vref信号,经过图3 电路处理 后,式(1) 、(2)中的IA 和IB 变化为下式的IC 和ID :
        IC =W (1 + Z1 sin2πf t) , f = 50Hz (3)
        ID =W (1 - Z2 sin2πf t) , f = 50Hz (4)
        式(3)和式(4)经过差分电路处理,即可得到电力 线路电流量值为:
        I =W ( Z1 + Z2 ) sin2πf t, f = 50Hz (5) 式( 5 ) 电流信号I进行放大处理后, 最终完成 ADC模数转换。实际测量表明,该电路工作稳定可 靠。

        2. 2. 2　锁相电路的设计和说明
        如图4 所示,测量系统使用了锁相环集成芯片 CD4046,实现50Hz信号起始相位的锁定,对应图中 50Hz_Pulse信号; CD4046和二进制计数器CD4040组 合,生成单个20ms周期内的256点ADC采样时钟信 号,对应图中ADC_Samp le_Pulse信号。CD4046输入 所需要的方波信号50Hz_Signal由电流正弦信号通过 过零比较器转变得到,图中未绘出。

        在图5中,单片机利用PB0 / INT外部中断和PB7 端口电平变化中断端口,分别与图4 锁相电路中的 50Hz_Pulse单周期脉冲信号(20ms时间间隔)和数据 采样ADC_Samp le_Pulse周期信号( 20ms/256时间间 隔)相连接,以保证单周期起始采样、单周期内256个 采样时刻的准确性和响应速度。