基于新型直流負反饋積分器的空心線圈電流互感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于智能電網(wǎng)運行狀態(tài)在線監(jiān)測領(lǐng)域，涉及的是一種基于新型直流負 反饋積分器的空心線圈電流互感器，不僅能夠?qū)€路電流進行高精度及時的采集，而且能 夠?qū)⒛M信號就地數(shù)字化后進行積分還原和負反饋調(diào)節(jié)，減小信號在傳輸與處理階段產(chǎn)生 的誤差，從而實現(xiàn)對電流信號的高精度采集。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人類社會的進步，電力系統(tǒng)正向著以測控技術(shù)、數(shù)字技術(shù) 和通信技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)為技術(shù)支撐的智能電網(wǎng)方向發(fā)展。數(shù)字化變電站是智能電網(wǎng)的重 要組成部分，數(shù)字化變電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，空心線圈電流互感器聯(lián)系著高壓電網(wǎng)和計量 或繼電保護系統(tǒng)，其測量的準確度對維持系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能計量等方面起至關(guān)重要的作用。
[0003] 現(xiàn)有的空心線圈電流互感器主要采用的是對采集信號輸入模擬器件后進行模擬 信號處理，再將處理完的模擬信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，該模數(shù)轉(zhuǎn)換方式給整個測量系統(tǒng)引入 了兩方面的誤差，一是模擬積分器件只能夠逼近理想積分，但受制于器件的分散性和物理 特性，無法完全做到理想積分效果；其次，由于A/D采集卡置于模擬積分輸出之后，且和傳 感頭一起位于高壓側(cè)，因此，在模擬積分中有源器件受外界電磁干擾產(chǎn)生的雜波成分以及 供電電源引入的直流偏置也會被A/D采集卡讀入，作為測量值的一部分，從而增大了整個 測量系統(tǒng)的誤差。
[0004] 目前在空心線圈電流互感器中常采用的模擬積分器主要分為無源積分和有源積 分兩種。無源積分器一般由電阻、電容等元件構(gòu)成，無需供電電源。無源積分器對輸入信號 有衰減效果，且由于輸出阻抗較大，給測量帶來誤差，因此一般常采用有源積分器實現(xiàn)。有 源積分器一般由運算放大器和電阻、電容等模擬元件構(gòu)成，需要為運算放大器提供電源供 電。理想積分電路很難在實際應(yīng)用中得到預(yù)期的效果。目前一般采用在積分電容上并聯(lián)一 個阻值較大的反饋電阻，如圖2a所示，當反饋電阻的阻值足夠大時，此積分器的響應(yīng)接近 理想積分器。由于反饋電阻的存在，該積分器對低頻信號的放大倍數(shù)非常大，可能達到工頻 信號放大倍數(shù)的很多倍，因此低頻干擾信號可能會影響到積分電路的正常工作。帶反饋電 阻的積分電路的幅頻響應(yīng)曲線可以在整個頻率范圍與理想積分較好的接近，但是存在的 問題是低頻增益過大，對于積分電路輸入端極小的低頻或直流信號，都會放大很多倍，導(dǎo)致 積分電路輸出飽和。為了抑制低頻干擾，有學者對積分器進行了改進，如圖2b所示，改進低 頻增益積分電路在頻率較高時幅頻特性曲線與理想積分吻合，在低頻段增益比前兩種積分 電路有所降低，但是并沒有完全消除低頻段對積分電路帶來的影響。另外，改進的兩種電路 在相頻響應(yīng)方面與理想積分相比效果不好，不像理想積分器那樣剛好是90°的相位。也有 研宄人員設(shè)計了基于低通濾波器的積分電路，可明顯改善積分器的低頻特性，但卻導(dǎo)致其 相頻響應(yīng)曲線與理想積分差距增大，需要對相位進行調(diào)節(jié)。總而言之，模擬積分電路實現(xiàn)起 來相對簡單，但易受模擬器件分散性、溫漂和零漂等因素的影響，盡管有一些改進的措施， 但并不能從根本上解決這些問題，改進的積分電路性能也不是十分穩(wěn)定。所以，采用傳統(tǒng)模 擬器件實現(xiàn)的積分器，在長時間的運行中很難達到高精度的要求。
[0005] 對于外界的電磁干擾，目前的解決方法無外乎是被動的電磁干擾屏蔽措施，即做 好外層的屏蔽裝置，但完善屏蔽裝置一是會造成互感器成本提高；二是增大了互感器的體 積，這使得在現(xiàn)場安裝過程中，增大了安裝難度；三是完善屏蔽裝置并不能夠從根本上減小 受干擾的范圍。正是由于上述原因，高壓側(cè)的電磁場對空心電流互感器的干擾就非常大，導(dǎo) 致測量的精度與穩(wěn)定性都不高。
[0006] 隨著數(shù)字信號處理技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將電力系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測手段向著數(shù)字 化信息化方向改進也是智能電網(wǎng)未來的發(fā)展方向。作為監(jiān)測電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的關(guān)鍵性設(shè) 備，空心線圈電流互感器的測量精度對于后續(xù)的電能計量、繼電保護、調(diào)度等等工作有著深 遠的影響。但是，由于現(xiàn)有的電流互感器大量采用模擬器件，也不能很好的處理電磁環(huán)境對 采集器的干擾問題、積分問題等，因此并不能達到很高的精度和穩(wěn)定性，基于上述的問題， 本實用新型采用模擬器件構(gòu)成信號調(diào)理電路，提出了一種基于新型直流負反饋積分器的空 心線圈電流互感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本實用新型針對傳統(tǒng)空心線圈電流互感器數(shù)字化程度并不高，大量采用模擬器 件，不能很好的處理電磁環(huán)境對采集器的干擾以及積分器誤差較大等問題，提出了一種基 于新型直流負反饋積分器的空心線圈電流互感器，該互感器能夠比較好地解決現(xiàn)有互感器 的抗電磁干擾能力弱、精度不高、穩(wěn)定性差的問題，從而使得本實用新型不僅能夠適應(yīng)更加 復(fù)雜的電磁環(huán)境，而且還能夠提供較傳統(tǒng)空心電流互感器更加準確的數(shù)據(jù)，間接提高了整 個電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。
[0008] 為解決上述問題，本實用新型的技術(shù)方案為：
[0009] 一種基于新型直流負反饋積分器的空心線圈電流互感器，包括電流傳感模塊、信 號調(diào)理模塊兩部分；其特征在于：電流傳感模塊包括電流傳感頭和A/D采集卡，信號調(diào)理模 塊主要包括DSP數(shù)字信號處理單元、電信號轉(zhuǎn)換模塊；電流傳感頭為空心線圈結(jié)構(gòu)，安裝在 一次側(cè)線路上，用于采集一次側(cè)的電流信號，而A/D采集卡則緊跟在電流傳感頭之后，位于 高壓側(cè)，用于該電流信號進行數(shù)字化處理，并且發(fā)送至信號調(diào)理模塊；
[0010] A/D采集卡與信號調(diào)理模塊的DSP數(shù)字信號處理單元相連，DSP數(shù)字信號處理單元 通過電光轉(zhuǎn)換模塊將積分還原出的電信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸給控制室監(jiān)測系統(tǒng)的計算機， 在DSP數(shù)字信號單元中搭建積分器、閉環(huán)負反饋控制。
[0011] 所述的積分器和閉環(huán)負反饋控制采用計數(shù)器、寄存器或/和乘法器的邏輯器件來 實現(xiàn)。
[0012] 本實用新型采用A/D采集卡前置的結(jié)構(gòu)，可以減少模擬信號在整個測量系統(tǒng)的傳 輸距離，提高抗干擾能力。
[0013] 信號調(diào)理模塊主信號調(diào)理模塊信號調(diào)理模塊主要包括DSP數(shù)字信號處理單元相 連、電信號轉(zhuǎn)換模塊；采用邏輯器件實現(xiàn)包括積分器、閉環(huán)負反饋控制在內(nèi)的信號處理核 心。本實用新型積分器是采用邏輯器件實現(xiàn)的，相較于傳統(tǒng)積分器，該積分器在幅頻和相頻 上都與理想的積分器更加接近，從而獲得了更高的測量精度；閉環(huán)負反饋的主要作用是將 由A/D等有源器件可能引入的直流偏置通過負反饋進行消除，從而保證積分器能夠穩(wěn)定的 工作；外圍電路主要包括邏輯器件正常工作所需的工作電源、時鐘信號等部分。
[0014] 本實用新型通過前移數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)，在傳感器后直接將信號數(shù)字化，盡可能 的減少模擬信號在整個測量系統(tǒng)中的傳輸距離，從而既保證了測量精度不會隨外界環(huán)境因 素發(fā)生變化，更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的測量環(huán)境，極大地降低了空心線圈電流互感器安裝的 環(huán)境限制；通過采用新型的積分器，顯著減小了原有積分器在幅值和相位上的誤差；通過 采用基于直流負反饋的PID控制，解決了有源器件引入的直流誤差問題，從而保證了積分 器的長期正常使用；并且，本實用新型還符合目前智能電網(wǎng)的智能化、數(shù)字化和信息化的要 求。
【附圖說明】：
[0015] 圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2a、圖2b分別為現(xiàn)有的典型有源模擬積分器電路圖；
[0017] 圖3為理想積分器和Al-Alaoui積分器的幅值和相位響應(yīng)；
[0018] 圖4a為本實用新型的積分