一種自取能低功耗電子式電流互感器的設(shè)計(jì)

陳 昊

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一種自取能低功耗電子式電流互感器的設(shè)計(jì)

陳 昊

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

電子式電流互感器是電磁式電流互感器的升級換代產(chǎn)品。目前對基于電磁取能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的低功耗電子式電流互感器的研究，主要集中在解決小電流時的取能死區(qū)問題和大電流時的抗飽和問題，對電磁取能模式下測量的可靠性及穩(wěn)定性研究不夠。為此，本文設(shè)計(jì)了一種電磁取能結(jié)合蓄電池供電的低功耗電子式電流互感器，在高電位經(jīng)單片機(jī)及CPLD將一次被測電流信號轉(zhuǎn)換成FT3報文格式，經(jīng)光纖直接傳送到站控層。樣機(jī)具有0.1S級準(zhǔn)確度，功耗僅為41mW，已通過了國家級型式試驗(yàn)，目前正在掛網(wǎng)試運(yùn)行。

電磁取能；低功耗；高精度；相位誤差跳變；電子式電流互感器

隨著智能電網(wǎng)的推進(jìn)，對數(shù)字化產(chǎn)品的要求越來越高，數(shù)字變電站作為數(shù)字電力系統(tǒng)的重要組成部分，需要數(shù)字輸出的互感器，而且傳統(tǒng)互感器存在鐵磁諧振、磁飽和、動態(tài)范圍小、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及有油易燃、易爆炸等問題，這就催生了電子式互感器[1-4]。根據(jù)IEC 60044-8標(biāo)準(zhǔn)，電子式電流互感器（electronic current transformer, ECT）可分為光學(xué)電流互感器（optical current transducer, OCT）、空心線圈式電流互感器（rogowski coil current transformer, RCCT）和低功率電流互感器（low power current transformer, LPCT）3種[5-6]。其中，RCCT及LPCT的技術(shù)較為成熟，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)多，具有實(shí)用化優(yōu)勢[7]。國家電網(wǎng)曾經(jīng)推廣使用RCCT，但經(jīng)過一段時間的運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)故障率過高。2012年國家電網(wǎng)發(fā)布了《關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)電子式互感器運(yùn)行管理的通知》，要求全部RCCT退出運(yùn)行，說明其可靠性和安全性尚不能滿足實(shí)用要求。目前LPCT以其功耗低、絕緣性好、測量準(zhǔn)確度高以及智能化在中低壓的測量中逐漸涌現(xiàn)出來，而對LPCT的研究主要圍繞低功耗及取能寬范圍兩方面，忽略了互感器穩(wěn)定性、實(shí)用性及產(chǎn)品化的特性，鮮有應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品[8-10]。

因此，本文根據(jù)ECT原理設(shè)計(jì)了一種基于LPCT的低功耗電子式電流互感器，不僅具有低功耗及寬取能范圍的優(yōu)勢，而且能夠保證其實(shí)用性。取能方式采用高壓母線電磁取能與蓄電池配合的聯(lián)合供電方式，取能范圍能夠達(dá)到0%～120%額定輸入電流。系統(tǒng)電路功耗低于41mW，精度可達(dá)到0.1S級。系統(tǒng)在高壓端即完成數(shù)字化，輸出為通用報文協(xié)議信號，可直接連入電網(wǎng)站控層使用。高低壓端通過光纖連接無直接電氣聯(lián)系，絕緣可靠成本低，具備產(chǎn)品化能力。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)電磁取能引起數(shù)字化校驗(yàn)的相位誤差跳變現(xiàn)象，分析了跳變產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)的解決方案，保證了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下電子式電流互感器的數(shù)字化校驗(yàn)工作的正常進(jìn)行。

1 低功耗電子式電流互感器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的ECT由電磁取能模塊和基于LPCT的信號處理模塊兩部分構(gòu)成，兩個模塊均置于高壓端，以LPCT為高壓側(cè)傳感單元，電磁取能模塊為其數(shù)據(jù)處理電路供電，在高壓端進(jìn)行數(shù)字化后通過光纖將數(shù)字信號直接傳送至站控層。

1.1 電磁取能模塊設(shè)計(jì)

對于電磁取能的研究集中于小電流取能及大電流防飽和，且主要停留在理論仿真成果或者簡單實(shí)驗(yàn)層面上，而目前產(chǎn)品級高壓取能電源僅能夠?qū)崿F(xiàn)30A電流起動[11]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來ECT朝著低功耗方向邁進(jìn)，因此對取能模塊所提供的功率要求越來越低，而且隨著蓄電池耐高溫、大容量等方面技術(shù)的發(fā)展，取能小電流死區(qū)問題完全能夠通過電磁取能配合蓄電池的方案得以很好的解解決。因此本文提出了一種基于反激電路的電磁取能方法并與蓄電池進(jìn)行配合，能夠?qū)崿F(xiàn)零電流起動。

取能電路基于反激電路構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于高溫大容量蓄電池電壓的局限，因此設(shè)計(jì)取能電源為輸出電壓12V。反饋控制芯片NCP1234作為主控器接收輸出端光電耦合器LTV-357T的反饋信號調(diào)節(jié)輸出的PWM信號控制開關(guān)管IRFR220N的開斷，進(jìn)而控制輸出電壓穩(wěn)定在12V。而NCP1234控制IRFR220N開通時能量通過反激變壓器轉(zhuǎn)換成電磁能儲存起到電荷泵的作用，不僅所用器件少電路結(jié)構(gòu)簡單，而且可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的隔離。

無源充放電控制電路對蓄電池進(jìn)行控制，電路如圖2所示。光電耦合器TLP127將反激變壓器一次側(cè)輸入電壓情況反饋到二次側(cè)。當(dāng)一次側(cè)電壓高于基準(zhǔn)2.5V時光耦發(fā)射端無輸出、接收端斷開，輸出電能由一次側(cè)取能線圈提供并對蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)一次側(cè)電壓低于基準(zhǔn)2.5V時光耦發(fā)射端有輸出、接收端導(dǎo)通，取能模塊通過蓄電池提供電壓輸出。本文設(shè)計(jì)的取能模塊蓄電池放置于高壓端，無需長引線保證了供電的可靠性。蓄電池放置于高壓端環(huán)境溫度較低壓端高得多，因此選擇可承受溫度范圍-20℃～80℃的可充電高溫鋰電池，輸出電壓11.1V，容量30Ah。蓄電池充滿電時，能保證母線完全斷電時為后續(xù)電路持續(xù)供電4個月，增強(qiáng)了互感器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

圖1 取能模塊整體結(jié)構(gòu)

圖2 無源充放電控制電路

1.2 基于LPCT的信號處理模塊設(shè)計(jì)

信號處理模塊通過LPCT將母線上電流信息采集后傳送到后續(xù)采樣電路、數(shù)據(jù)處理及傳輸電路轉(zhuǎn)換成光信號輸出，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測量模塊結(jié)構(gòu)

測量模塊的精度及功耗決定著電流互感器的精度與功耗，因此對于測量模塊的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文考慮以下幾方面降低功耗：①減少各模塊的外部電路；②通過對內(nèi)部特別功能寄存器編程，不使用的功能模塊使其停止工作，減少系統(tǒng)無效功耗； ③一般運(yùn)放、單片機(jī)等電子器件的工作電壓越高，內(nèi)部晶體管在放大區(qū)的工作時間也越長，功耗也就越大，為了降低系統(tǒng)功耗，將工作電壓控制在1.8～5V范圍內(nèi)。

1）采樣電路

采樣電路由LPCT以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，主要用于采集母線上的電流信號。

LPCT將一次側(cè)的大信號轉(zhuǎn)換成小信號輸出，需要較高的測量精度與較寬的測量范圍，因此本文的LPCT鐵心材料選用微晶合金，匝比為1∶3000，準(zhǔn)確度可達(dá)0.02。采樣電阻sh參數(shù)與溫度有關(guān)，環(huán)境溫度變化會影響其阻值進(jìn)而影響互感器測量精度，因此選擇金屬箔特制的超低溫漂精密航空電阻，精度誤差為0.01%，溫度系數(shù)低于5×10-6。AD采樣芯片的選擇主要考慮功耗問題，選擇16位低功耗ADS8867芯片，功率消耗僅需0.7mW。

由于采樣電阻小得到的采樣電壓偏小直接測量很難保證測量精度，因此在輸入信號和AD采樣之間設(shè)置THS4531全差分放大器。其高輸入阻抗和低輸出阻抗在信號源和AD采樣之間提供了一個緩沖，且其差分信號輸出避免了共模信號的干擾及參考點(diǎn)電壓浮動的問題。全差分放大器輸出連接RC濾波器減弱來自AD采樣開關(guān)電容器輸入級的反沖噪聲，并且作為一個抗混疊濾波器限制了前端電路產(chǎn)生的寬頻帶噪聲。

全差分放大器選用低功耗、低失真、低噪聲的THS4531A，令3=4=5=6=1.5kW，放大器增益v=1。利用TINA軟件對AD采樣電路進(jìn)行仿真，仿真電路如圖4所示，仿真中使用ADS8881代替ADS8867，其所得到電路仿真效果相同。

圖4 全差分放大及AD采樣仿真電路

電路仿真結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)⒏】盏妮斎腚妷盒盘柌皇д娴貍鬟f給AD采樣芯片，并且輸出的采樣信號能將輸入的模擬信號很好地還原。

圖5 AD采樣電路仿真結(jié)果

AD采樣芯片在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中需要穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，而基準(zhǔn)電壓的抖動會嚴(yán)重影響互感器的數(shù)字化準(zhǔn)確性，誤差關(guān)系為

式中，in為輸入電壓；ref為電壓基準(zhǔn)理想值；為電壓基準(zhǔn)噪聲；為AD采樣位數(shù)。

在一次側(cè)電流大小為額定電流1%時，電壓基準(zhǔn)的噪聲造成的誤差如圖6所示，最高可達(dá)到0.13%。另外，在小信號情況下，測量易受到外界信號的干擾，為了保證測量精度，使用5V電壓基準(zhǔn)，相比于3V的電壓基準(zhǔn)，功耗增加0.2mW，但能夠保證互感器的精度。

圖6 電壓基準(zhǔn)抖動誤差

為了避免由于電壓基準(zhǔn)的抖動造成模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差，本文利用標(biāo)準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)結(jié)合超低功耗驅(qū)動濾波器OPA333對電壓基準(zhǔn)噪聲進(jìn)行濾波，電路如圖7所示。

圖7 電壓基準(zhǔn)濾波器

OPA333使用專有自動校準(zhǔn)技術(shù)，能夠提供極低的失調(diào)電壓，2和2引入雙反饋生成一個比低通濾波器設(shè)定頻率低10倍的截止頻率，對電壓基準(zhǔn)的電壓抖動進(jìn)行補(bǔ)償。3和3構(gòu)成低通濾波器能夠減少AD采樣芯片的寬頻帶噪聲。通過設(shè)置電壓基準(zhǔn)濾波器能夠控制電壓基準(zhǔn)噪聲小于1/2LSB。

2）數(shù)據(jù)處理與傳輸電路

AD采樣獲得的采樣數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理與傳輸電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理形成FT3報文數(shù)據(jù)發(fā)出。使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理能夠使系統(tǒng)功耗降低，但若使用單片機(jī)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理以及數(shù)據(jù)的合并時，則在數(shù)字傳輸過程中易受到采集過程的影響導(dǎo)致時序紊亂進(jìn)而造成測量誤差[12-14]。因此本文將兩個過程分立，選擇小容量的CPLD作為合并單元，而僅使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理。利用CPLD內(nèi)部穩(wěn)定的時序控制功能調(diào)節(jié)單片機(jī)的時序，降低因時間抖動造成的誤差。

本文選擇微功耗STM32L053型單片機(jī)；CPLD采用Altera公司生產(chǎn)的低功耗、低成本EPM570T100C5N；電光轉(zhuǎn)換采用高速、低功耗、線性HFBR-1414TZ型號器件。

單片機(jī)、CPLD通過程序配合完成數(shù)據(jù)的采樣及處理，程序流程如圖8所示。單片機(jī)在CPLD產(chǎn)生的4K采樣脈沖下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過同步串行方式將16位數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)。CPLD的固定頻率喚醒單片機(jī)，一旦完成數(shù)據(jù)采集后單片機(jī)，即進(jìn)入休眠狀態(tài)能使功耗降低85%。單片機(jī)獲得采樣數(shù)據(jù)后，利用I/O口將數(shù)據(jù)并行輸出至CPLD，CPLD內(nèi)部的發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)按IEC 60044-8規(guī)定的FT3固定長度幀格式經(jīng)CPLD的I/O口輸出驅(qū)動電光轉(zhuǎn)換器，輸出幀波特率為2.5Mbit/s。電光轉(zhuǎn)換器將接收到的報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)光纖傳輸?shù)秸究貙?，其中微功耗超高亮LED和靜態(tài)電流為0.05mA的微功耗運(yùn)放使得光電模塊的功耗僅1mW。在數(shù)據(jù)采樣及報文發(fā)送過程中，每一幀報文發(fā)送完畢需要100ms，因此采樣脈沖間隔設(shè)置為250ms，保證在報文發(fā)送完成后進(jìn)行下一個周期的數(shù)據(jù)采樣。

圖8 程序流程

2 性能測試

2.1 整機(jī)實(shí)驗(yàn)

按照上述兩個模塊搭建了一臺適用于110kV電力網(wǎng)絡(luò)的低功耗電子式電流互感器樣機(jī)，樣機(jī)如圖9所示。所有電路均放置于高壓端，電磁環(huán)境惡劣，為了提高系統(tǒng)的電磁兼容性，將系統(tǒng)安裝在屏蔽盒內(nèi)，樣機(jī)輸出端僅經(jīng)過光纖連接，減少與外界接觸。實(shí)驗(yàn)中由GDSL-82-600A大電流發(fā)生器提供一次側(cè)額定300A電流，測量得到的數(shù)據(jù)通過光纖經(jīng)絕緣傘輸出至NT705電子式互感器校驗(yàn)儀后與HL-53SC精密電流互感器得到的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，在上位機(jī)顯示實(shí)時測量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測得樣機(jī)平均功耗低于41mW，光纖中通信波特率可達(dá)2.5Mb/s。

圖9 低功耗電子式電流互感器樣機(jī)

2.2 相位誤差跳變實(shí)驗(yàn)

電磁取能是一個非線性的能量轉(zhuǎn)換過程，文獻(xiàn)[15-16]提出在實(shí)驗(yàn)室條件下，當(dāng)含有自取能裝置的ECT作為一個大電流發(fā)生器的惟一負(fù)載時，這種非線性取能會引起一次電流的波形畸變，而這一現(xiàn)象不會對測量信號產(chǎn)生干擾。

本文所設(shè)計(jì)的含自取能的ECT，在實(shí)驗(yàn)過程中同樣出現(xiàn)了一次電流波形輕微畸變現(xiàn)象，如圖10所示。而在使用電子式互感器校驗(yàn)儀對ECT進(jìn)行數(shù)字化高精度校驗(yàn)的過程中，一次畸變的電流引起ECT校驗(yàn)結(jié)果的相位誤差出現(xiàn)跳變，如圖11所示，影響測量工作的準(zhǔn)確性。

圖10 一次電流波形畸變

圖11 相位誤差跳變測量結(jié)果

大電流發(fā)生器的基本原理如圖12所示，自耦變壓器進(jìn)行調(diào)壓輸出接入一個功率變壓器。根據(jù)功率守恒定則11=22，輸入功率變壓器的功率等于輸出功率變壓器的功率，因此通過設(shè)置功率變壓器一次側(cè)匝數(shù)多、二次側(cè)匝數(shù)少來降低輸出電壓以獲取大的輸出電流[17-18]。

圖12 大電流發(fā)生器的原理圖

實(shí)驗(yàn)所使用的GDSL-82-600A大電流發(fā)生器額定輸出電流600A、額定輸出電壓6V。

大電流發(fā)生器為電流源，根據(jù)式（2）可知其實(shí)際輸出電壓o及實(shí)際輸出功率o與其輸出所接負(fù)載即所連接的大電流導(dǎo)線阻值L有關(guān)。為了在額定600A輸出電流時獲得額定6V輸出電壓就要求輸出端接入阻值為10mW、可承受3600VA以上功率的大電流導(dǎo)線。而實(shí)驗(yàn)測得截面積160mm2、額定電流800A的標(biāo)準(zhǔn)大電流導(dǎo)線線阻0.4mW，大電流發(fā)生器輸出功率僅為額定輸出功率的1/25，幾瓦的非線性取能對電流源的影響無法忽略，導(dǎo)致一次側(cè)電流波形產(chǎn)生輕微畸變。

波形出現(xiàn)非線性失真是非線性取能的真實(shí)反映，因此需要電流源具有大的輸出功率以保證非線性取能不會對其電流波形造成影響，而在真實(shí)電網(wǎng)上電流波形完全取決于大規(guī)模的用戶負(fù)載電流，其線路能夠提供的功率極大，幾瓦的微小取能不會影響電流的波形[15-16,19]。因此，針對實(shí)驗(yàn)室電流源功率不足導(dǎo)致校驗(yàn)過程中相位誤差異常的問題，可通過以下方案進(jìn)行改進(jìn)：①通過增加大電流發(fā)生器的輸出電阻，提高輸出電壓進(jìn)而增加輸出功率，但該方法受限于所增加電阻的額定功率使得其輸出電流可調(diào)節(jié)范圍較?。虎谕ㄟ^兩套電流源設(shè)備將測量與取能分離，排除取能對測量系統(tǒng)的影響。對所述方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中一次電流波形如圖13所示為標(biāo)準(zhǔn)正弦波未發(fā)生波形畸變，且測量系統(tǒng)的校驗(yàn)過程無相位誤差跳變現(xiàn)象發(fā)生，校驗(yàn)工作能夠正常 進(jìn)行。

圖13 一次側(cè)電流波形

2.3 取能實(shí)驗(yàn)

將取能裝置單獨(dú)套接在電流源輸出大電流導(dǎo)線上，輸出接2kW電阻負(fù)載，分別測量取能裝置接入蓄電池與未接蓄電池兩種情況下負(fù)載電阻的輸出電壓，測試結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①當(dāng)一次側(cè)電流低于6A時，輸出由蓄電池提供；②當(dāng)一次側(cè)電流高于6A時，輸出由電磁取能提供，輸出電壓基本穩(wěn)定在12V，電源輸出功率不少于5W。在15天的測試運(yùn)行中，蓄電池與電磁取能配合良好未出現(xiàn)斷電情況。

表1 取能模塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 性能試驗(yàn)

樣機(jī)在中國電力科學(xué)研究院武漢電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心進(jìn)行了型式試驗(yàn)如圖14所示，試驗(yàn)內(nèi)容包括基本準(zhǔn)確度試驗(yàn)、一次端工頻耐壓試驗(yàn)、局部放電測量及雷電沖擊試驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)的低功耗電子式電流互感器按照GB/T 20840標(biāo)準(zhǔn)的誤差要求，在0～120%額定電流范圍內(nèi)對樣機(jī)進(jìn)行了準(zhǔn)確度試驗(yàn)，圖15為樣機(jī)試驗(yàn)誤差曲線。

圖14 試驗(yàn)現(xiàn)場

圖15 樣機(jī)試驗(yàn)誤差曲線

由圖15可見，所設(shè)計(jì)的樣機(jī)比差及相位誤差都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上下界限范圍內(nèi)，樣機(jī)滿足0.1S級準(zhǔn)確度要求。

工頻耐壓試驗(yàn)、局部放電測量及雷電沖擊試驗(yàn)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，樣機(jī)絕緣安全可靠。

2.5 掛網(wǎng)試運(yùn)行

目前樣機(jī)已在110kV變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行，現(xiàn)場測量結(jié)果誤差小于0.02%，樣機(jī)無噪聲及發(fā)熱現(xiàn)象，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測量準(zhǔn)確度滿足0.1S準(zhǔn)確級。

圖16 掛網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)場

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種自取能的低功耗電子式電流互感器，將一次電流信號在高電位進(jìn)行數(shù)字化，并在高壓端直接獲得FT3報文信息輸出，可直接連入電網(wǎng)站控層使用。供電采用電磁取能結(jié)合蓄電池方式，能夠?qū)崿F(xiàn)零電流起動，有效提高了取能范圍，并解決了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下電子式電流互感器數(shù)字化校驗(yàn)過程中的相位誤差跳變問題。通過試驗(yàn)及掛網(wǎng)試運(yùn)行驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的電流互感器精度可達(dá)0.1S準(zhǔn)確級，系統(tǒng)功耗低于41mW，絕緣耐壓性能可靠，具備產(chǎn)品化能力。

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Design of low power electronic current transformer with self energy harvesting

Chen Hao

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

The electronic current transformer is the upgrading product of the electromagnetic current transformer. At present, the research of low power electronic current transformer based on electromagnetic energy harvesting technology is mainly focused on solving the problem of the dead zone of small current and anti-saturation of large current, and not enough research on the reliability and stability of the measurement under the electromagnetic energy acquisition mode. In this paper, a low power electronic current transformer, which is powered by electromagnetic energy harvesting and battery, is designed, which converts a measured current signal into a FT3 message format through a single chip computer and CPLD, and transmits directly to the station control layer through the optical fiber. The prototype has 0.1S class accuracy and power consumption is only 41mW. It has passed the national test and is now testing running on the power grid.

electromagnetic energy harvesting; low powe; high precision; phase error hopping; electronic current transformer

2018-06-23

陳 昊（1993-），男，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)電壓電流傳感器研究。