高压系统电流检测新技术的研究及电路设计.docx

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高压系统电流检测新技术的研究及电路设计

大连交通大学本科毕业论文

论文题目：

高压系统电流检测新技术的研究及电路设计

作者：

指导教师：

单位：

大连交通大学

论文提交日期：

摘要

电流互感器是电力系统中用于继电保护和电测量的重要设备，其精确度和可靠性对电力系统的安全、稳定和经济运行有着重要影响。

光电式电流互感器和传统的电磁式电流互感器相比有很多突出的优点，必将得到广泛的应用。

电子式电流互感器分为有源、无源两种类型，有源式电子电流互感器采用了先进的光电子技术和现代集成电子技术，发挥了高可靠、高精度、高稳定等特点，是目前最具实用前景的研究方向之一。

在研究和分析了各种电流互感器的工作原理及优缺点的基础上，本文采用了有源型结构中ADC式光电电流互感器设计方案。

完成从高压侧数据采集、数据处理、高低压间光纤数据通讯直至低压侧数据恢复的研究和设计。

鉴于CPLD/FPGA具有高集成度、高速度和高可靠性的特点，提出了高压侧以CPLD为控制核心、低压侧以FPGA为控制核心的整体设计方案，简化了相应硬件电路的设计过程，且有效率低了系统在强电磁干扰下测量产生错误的风险。

本文详细介绍了高压侧硬件系统的电路设计，高压侧数据异步通讯电路在CPLD/FPGA中的实现，芯片的选择以及各部分电路的设计实现与调试。

最后对整个系统进行了软件的仿真测试与硬件调试，验证系统的功能实现。

经验证该系统设计可以实现光电混合式电流互感器高压侧单元和数据通讯的预定功能。

可较好的满足电力系统中数据处理的高速度、高数据量、复杂运算等要求，并具有结构简单、方便修改的优点，具有一定的研究价值。

关键词：

电流互感器，CPLD/FPGA,数据异步通讯

Abstract

Electroniccurrenttransformerisveryimportantequipmentforsystemprotectionandelectricalmeasurementinelectricalpowersystem.Itsaccuracyandreliabilityhavesignificantimpactonsafety,stability,andefficiencyinpowersystem.Aphotoelectrichybridcurrenttransformerhasalotofobviousadvantagesoveratraditionalelectromagneticcurrenttransformer.Itwilldefinitelyfindmoreandmoreapplications.Thereareactiveandpassiveaboutelectroniccurrenttransformer.Theactiveelectroniccurrenttransformeradoptsthesophisticatedintegratedoptoelectronictechnologyandmodernelectronictechnology.Ithasplayedahigh-reliability,high-precisionandstabilization.Itisoneofthemostpracticalinfutureresearchdirections.

Onthebasisofresearchandanalysisprinciplesofvariouscurrenttransformers,thispapereventuallyadoptedtheADCactive-typeOpticalCurrentTransformer.Itmainlycompleteddatacollectionandprocessingofhighvoltageside,datacommunicationbetweenhighandlowvoltagesideandanalogwaveformrestorationatlowvoltageside.CPLD/FPGAhascharacterofhighintegrationdensity,highspeed,andhighreliability.Accordingsuperioritiesofthesedevices,thispaperuseCPLDastheCPUofthehighvoltagesideandFPGAastheCPUofthelowvoltageside,whichsimplifiedthedesignprocessofhardwarecircuitandeffectivelyreducedriskofmeasurederrorsinthestrongelectromagneticinterferenceenvironmentthispaperdescribesthedesignofhardwarecircuitsystemofthehighvoltagepart,highandlowvoltagesidedataasynchronouscommunicationcircuitrealizationinCPLD/FPGA,chipselectionandthecircuitimplementationanddebuggingofthevariousparts.Finallyitgivestheoverallsystemsimulation,testingandhardwaredebugging;verifythefunctionofthesystemimplementation.

Thetestresultshaveproventhattheproposedsystemdesignedcanperformtheexpectedfunctionalityofphotoelectriccurrenttransformerathighvoltagesideanddatacommunicationbetweenhighandlowvoltageside.Itcanbettermeetthepowersystem’srequirementsinthehigh-speeddataprocessing,largedataquantityandcomplexoperation.Italsohasmeritofbeingsimpleinstructureandeasierformodification.Itisworthforfurtherinvestigation.

目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1课题的来源和意义

1.2国内外发展情况

1.3研究目标和研究目标

1.4本章小结

第二章光电电流互感器高压侧电路的研究

2.1光电电流互感器的基本原理

2.1.1有源型

2.1.2无源型

2.2整体设计方案

2.3本章小结

第三章光电电流互感器供能方案的研究

3.1系统供能电源设计基本原理

3.2高压侧电源系统的基本性能指标

3.3目前可行的供能方案的分析

3.4双电源供电方案

3.5本章小结

第四章高压侧传感器部分的理论及设计

4.1传统接头

4.2滤波器环节

4.3A/D转换器

第五章传输部分的理论分析和设计

5.1数据的电/光转换、发送/接收及光纤连接器

5.2光纤选择

5.3本章小结

第6章结论和成果

6.1总电路图

6.2仿真图

参考文献

致谢

1.1课题的来源及意义

近年来，伴随现代高压、超高压输电网络的建设，电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展，这就对电流测量装置提出了更高的要求。

传统的电流测量装置主要采用带有铁心的电磁式电流互感器，它的优点在于一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测电路中的负荷电流，而与二次电流大小无关；电磁式电流互感器的二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，正常情况下接近短路状态运行，所以，一次侧电流I1等于二次侧的测量电流乘以额定互感比K1。

额定互感比近似等于二次侧和一次侧之间的匝数比Kk。

但它有很多的致命缺点使得其不能满足当代要求，随着电压等级的提高和传输容量的增大,电磁式电流互感器呈现出以下缺点:

1.绝缘结构复杂、尺寸大、造价高。

2.测量准确度无法满足。

3.设备安装、检修不方便,维护工作量大。

4.存在潜在的危险，存在突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素。

5.除此以外,传统的电磁式电流互感器还具有铁磁共振、磁滞效应等不利于测量的因素。

因而，其难以满足电力系统发展的要求，必须寻求基于其他传感机理的电流测量装置来取代之。

因此光纤式电流互感器应运而生，全光纤电流互感器的优点在于其具绝缘无油，五SF6或其他气体，腔内无任何机械装置。

无二次开路的危险。

无铁芯剩磁的问题。

成本低而且动态范围大，可测交直流，无磁饱和，频带响应宽，抗干扰能力强。

但是随着科技的发展，已不能满足当代对精度的更高要求和体积减小等问题。

所以这种互感器也终将退出历史舞台，从而迎接光电混合电流互感器的到来。

光电混合是目前很有潜力的互感器，它的发展和完善是进来电流检测新技术发展的杰出代表。

它的优点有：

优良的绝缘性能，造价低。

不含铁芯，消除了磁饱和，铁磁谐振等问题。

抗电磁干扰性能好，稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。

暂态响应范围大，测量精度高。

频率响应范围宽。

没有因充油而产生的易燃爆炸等危险。

体积小，重量轻。

适应了电力计量与保护数字化，微机化和自动化发展的潮流。

电流检测新技术这个课题是基于电流检测老技术基础上的。

时代的发展和对检测技术的新要求让电流检测新技术这个课题变得越来越重要，亟待我们的研究和设计。

光电式和光电混合式等的检测新技术的出现可以满足当前需要，但是新技术发展和进步需要我们不断的研究和设计。

尤其是光电混合式电流互感器具有更加安全可靠的性能，能给我家经济和利益带来极大的好处。

研究和设计新型的光电混合电流互感器符合国家发展战略，使这种新技术真正的造福国家和广大人民。

因此电流检测新技术这个课题的研究和设计有关国民经济和生活水平，具有很长远的国际战略等意义。

1.2国内外发展状况

国外利用Faraday磁光效应进行电流测量的工作于六十年代起步，到七十年代初涌现出了多种新型电流互感器，并在八十年代末九十年代的时候进行了实际应用。

美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出多种光电电≥电互感器样机，并在实际高压电站长期运行。

国外ABB、AI—stom、NxtPhase、Siemens等公司已经开发出一系列光电电流互感器产品并在世界各地挂网运行。

日本除研究500kV．1000kV高压电网计量用的光电电流互感器外，还进行500kV以下的直到6．6kV电压等级的零序电流互感器的研究。

1994年A8B公司推出有源式电流互感器，其电压等级为72．5—765kV，额定电流为600—6000A；3M公司在19％年宣布已开发出用于138kV电压等级的全光纤型电流互感器，可用于SOOkV电压等级；Photonies公司推出了一种用光推动的光电式电流互感器，即”光