有源电子式电流互感器高压侧电路设计的改进

有源电子式电流互感器高压侧电路设计的改进

阳光1，刘欣荣2

（1．烟台大学光电信息科学技术学院，山东省烟台市2005；

2．山东工商学院电子工程系，山东省烟台市2005）

IMPROVEMENTS ON CIRCUIT DESIGN FOR HIGH-VOLTAGE SIDE OF ACTIVE POWER ELECTRONIC CURRENT TRANSDUCE R

YANG Guang1，LIU Xin-rong2

（1．School of Information Technology and Photo-electronics，Yantai University，Yantai 2005，Shandong Province，China；2．Department of Electronics Engineering，Shandong Institute of Business and Technology，Yantai 2005，Shandong Province，China）

ABSTRACT：A new design scheme of circuit design for high voltage side of active electronic current transducer is proposed. By means of modifying traditional integrated circuit and appropriately choosing the parameters of elements, the low frequency amplitude characteristic of integrated circuit is improved. Through adjusting the included angle between the input and output signals, the phase compensation is realized while the low frequency interferences are restrained. The power source of high voltage side of the current transducer is directly acquired from the high voltage busbar and the voltage comparing/regulating circuit and automatic backup battery switching circuit are added into power supply circuit, the output voltage and the reference voltage are compared in the comparing/regulating circuit and the regulating signal is produced, then the regulation of output voltage is implemented. The input voltage from power source is detected by automatic battery switching circuit, when input voltage is lower than specified value, the backup battery will be put into use by automatic switching circuit. In corresponding software the quasi-synchronous algorithm is applied to reduce the synchronous error. Actual measuring results show that the improved design scheme possesses good anti-interference ability and higher measurement accuracy.

KEY WORDS：Electronic current transducer；Integrated circuit；Power supply；Power electronics；Power system

摘要：提出了一种新的有源电子式电流互感器的高压侧电路设计方案。通过改进传统积分电路并适当选取元件参数改善了积分电路的低频幅值特性，并通过调整输入与输出信号之间的夹角，在抑制低频干扰的同时实现了相位补偿。高压侧电路的供电电源直接取自母线，在供电电路中设计了电压比较调节电路和备用电池自动投切电路，通过比较调节电路使输出电压与基准电压相比较产生调节信号，完成了对输出电压的调节；通过备用电池自动投切电路检测供电电路的电压输入，在电压输入低于给定值时将备用电池投入使用。软件系统中采用准同步算法以减少同步误差。实测表明，该设计方案抗干扰性能良好，准确性较高。

关键词：电子式电流互感器；积分电路；供电电源；电力电子；电力系统

1 引言

电子式电流互感器被认为是一种具有广泛应用前景的新型电流测量设备，与传统电流互感器（CT）相比，它具有绝缘简单可靠、无磁饱和、无二次开路危险、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、安装运输方便等优点。但由于存在运行稳定性差、高压侧电路供电难于实现等问题，目前虽已研制出一些实用化的产品，仍不能大范围地普及应用[1]。合理设计光电系统，进一步改善其性能已成为目前备受关注的研究课题。文献[2,3]提出了一种以光学元件作为传感器的设计方案，通过基于法拉第电磁感应原理的传感头完成信号采集，但传感头的光路复杂，受外界温度、振动的影响较大；文献[4]采用空心线圈作为电流传感器，对温度和外界磁场的影响进行了讨论，但没有考虑低频干扰和相位误差问题；文献[5]提出了用数字积分器代替模拟积分器来实现相位补偿，但电路较为复杂，实现起来有一定的难度；文献[6]对电子式电流互感器高压侧电路的供能方法进行了分类论述，但没有提出具体的实现方案；文献[7]提出高压侧电路的悬浮互感器供电方式，这种供电方式结构简单、成本低廉，但存在死区，即母线负荷较小时不能正常供电。

本文对有源电子式电流互感器的高压侧电路进行改进，提出了一种新的设计方案，对电路的软硬件具体实现方案进行了详尽的论述。该设计方案能够克服低频干扰，进行相位补偿，并使高压侧供电电路在电网大电流和空载小电流下保持稳定的电压输出。

2 电子式电流互感器的工作原理

电子式电流互感器通过光学传感头将一次高压侧的大电流转换成光信号，再通过光纤传递到二次低压侧，在二次低压侧做一定的处理后再以模拟量或数字量形式输出供测量和保护使用。一次电流传感器可采用光学元件，也可采用空心线圈。

电子式电流互感器可根据传感头部分是否需要电源分为有源型和无源型两类。本文研究的有源电子式电流互感器的高压侧电路的具体工作原理如图1所示。高压侧包括罗果夫斯基（Rogowski）线圈、积分电路、模/数（A/D）转换芯片、主控CPU、供电电路。电流信号通过Rogowski线圈获取；A/D芯片采用了具有16位转换精度的逐次逼近型高速A/D MAX1166；主控CPU采用Intel公司的87C51单片机；高压侧电路的电源从电网母线上取得。逐次逼近型A/D的采样转换值是即时值，电子式电流互感器的高压侧通过单片机87C51来启动A/D转换，并通过串行通信口将读出的转换值利用光纤传输系统传送到低压侧。第3节将分别讨论积分电路、电光转换和高压侧供电电路。

低压侧

图1有源电子式电流互感器的高压侧电路工作原理图Fig. 1 Principle diagram of circuit at high voltage side of active power electronic current transducer

3 高压侧电路的硬件设计

3.1 改进的积分电路

在有源电子式电流互感器中，作为一次电流采样传感头的元件，Rogowski线圈是将导线均匀地绕在一个非磁性材料的骨架上制作而成的空心线圈（如图2所示），没有磁饱和、动态范围小等问题。载流导线从Rogowski线圈中心穿过，导线上有电流通过时线圈两端的感应电势为

()d()/d

e t M i t t

=−(1) 式中M为Rogowski线圈的互感。

i(t)

e(t)

图2 Rogowski线圈

Fig. 2 Rogowski coil

Rogowski线圈的输出信号均为源信号的微分，因此必须将微分信号还原才能得到被测的电流信号。被测电流信号可表示为

()[()d]/

i t e t t M

=−∫(2) 传统的积分电路中，积分电路对低频信号的放大倍数有可能是工频信号的很多倍，低频干扰信号常会影响积分电路的正常工作；此外，在后续信号处理过程中也可能引入新的相移，因此积分

后还要考虑移相[8]。为使积分电路在整个低频段的增益都很小，且积分电路还能起到相位补偿的作用，本文对基本积分电路进行了改进，采用了如图3所示的新型积分电路。

Fig. 3 Diagram of improved integrated circuit

新型积分电路的传递函数为

2

o0

22

i00

U

K

U s s

ω

αωω

=

++

(3)

式中

343

()/

K R R R

=+；1/2

0121

()

R R C C

ω−

=；

43

(/)

R R

α=⋅1

121110121

()()

R C R C R C R R CC

ω−

++⋅。

新型积分电路归一化后的幅频特性和相频特性曲线如图4、5所示。假定ω0=100π，新型积分电路可实现对工频信号的积分，由图4、5可见，积分电路的低频特性有了较明显的改善。通过调整ω0的大小（改变R2、R1、C1、C），积分电路就可方便

图7软件程序流程图

Fig. 7 Flowchart of software for high-voltage side of active power electronic current transducer

实际应用中电网的频率不一定稳定在50Hz，采样中或多或少地会带来同步误差，即采样间隔不恰好等于信号周期的整数倍。为减小同步误差和提高准确度，采用准同步算法进行软件补偿。理论分析和实际应用表明，在电网频率为50Hz和偏差小于0.50%的情况下，准同步算法能够有效减少由非同步采样带来的误差[10]。

5 实验测试

本文对采用上述软、硬件设计的有源电子式电流互感器进行了实际测试。在一次额定电流为200A、电流比为200:1时进行了线性度测试。与一个0.01%精度的标准电流互感器的比较结果列于表1。由表1可见，本文的设计方案有良好的线性度，根据IEC60044-8的误差要求，精度等级可达0.2级。

表1实验结果

Tab. 1 Measurement results

测试点/% 比差/% 相差/(º) 测试点/% 比差/% 相差/(º)

5 0.154830 0.15 100 −0.079857 −0.11

20 0.026541 0.01 120 −0.087231 −0.09

40 −0.045032 −0.06 200 −0.0923 −0.12

60 −0.060548 −0.07 300 −0.097432 −0.11

80 −0.070783 −0.09 400 −0.104963 −0.12

6 结论

（1）对传统积分电路进行改进后有效地克服了低频干扰并进行了相位补偿。

（2）通过设计高压侧供电电路的比较调节电路和电池自投切电路，使供电电路能够在母线大电流和空载小电流下仍能正常工作，提供稳定的输出电压。

（3）在软件中采用的准同步测量算法能够减小采样中的同步误差，提高了采样精度。参考文献

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收稿日期：2005-03-26。

作者简介：

阳光（1969-），男，硕士，讲师，从事电力系统新技术方面的研究工作；

刘欣荣（1976-），女，硕士，讲师，从事仪器仪表分析与控制方面的研究工作。