第25卷第5期 电力自动化议备 Electric Power Automation EquipmentVol. 25 No. 5哑2005年5月May 2005混合式光电电流互感器相位补偿技术刘家芳’,2,刘霞忠2(1.邵阳学院电气信息工程学院,湖南邵阳422004;2.武汉大学电气工程学院, 湖北武汉430072)摘要:介绍了一种关于混合式光电电流互感器的相位补偿技术,阐述了传感头Rogowski线圈的测量原理,分析了积分相位补偿和时延相位补偿的工作机理和特性,并给出了电路原理图,实验测试结果证明了其有效性。关键词:混合式光电电流互感器;Rogowski线圈;相位补偿中图分类号:TM 452文献标识码:A 混合式光电电流互感器作为一种过渡型的传光型电子式电流互感器,运行稳定可靠,已经取得了比较满意的测量结果,目前已趋近实用化川。本文介绍了笔者在研究混合式光电电流互感器中所采用的一种相位补偿方法,包括积分相位补偿和由于信号传输处理等造成的时延相移补偿。对互感器而言是一个完整的相位补偿过程。1混合式光电电流互感器测量原理混合式光电电流互感器采用Ro gowski线圈(RC)做传感头,在高压端利用RC线圈的优良特性感应出与被测电流成一定关系的信号,然后经过一系列信号处理把信号经光纤传送到低压端,用于测量和保护等。混合式光电电流互感器的测量原理主要是传感头RC线圈的测量原理,下面简单介绍其测量原理。RC线圈由一环绕于非磁性材料上的导线组成, 用于电流测量主要基于安培环路定理和电磁感应定律。图1示出了一种RC线圈电流传感的原理结构。几导线电流it() ̄夕一卜d, 一a,a匝数为刃的圆形线圈 图1 Rogowski线圈测In原理图Fi g. 1 The measuring principledi agram of Rogowski coil 考虑一个理想的线圈模型,即假设在圆环截面积及线圈绕线均匀、导线直径、相邻线匝间距可忽收稿日期:2004-12-13;修回日期:2005 -02 -27万方数据文章编号:1006 - 6047 (2005 ) 05 - 0030 - 04略,当载流导线从线圈环心穿过,可得出闭合线圈感应电势。(t)与测量电流i(t)之间的对应关系为【2]。(‘)=一二did(t) -一【 l-to N (d,-d:一d I2‘,一 )禅平1(U‘I)式中M为线圈回路与一次导线回路之间的互感系 数;N为线圈总匝数;A。为真空磁导率;i(0为一次导线电流; d,为线圈的圆环直径;d:为线圈截面直径。 可见当N, d d:确定时,该线圈输出电压仅依赖于测量电流对时间的微分di/dt,测量i只要对。进行积分即可。2积分相位补偿2.1积分相位补偿从上一节可以知道, RC线圈的输出信号为被测量信号的微分,对于工频的余弦信号而言,输出与测量信号间有一个90“的相移,因此,对线圈输出信号进行积分不仅是对信号还原,而且也是一个相位补偿过程。因此,在设计积分电路时,应充分考虑积分电路的性能对测量的影响。笔者在研究中在RC线圈后加一个如图2所示的有源积分电路。T C,。2q 图2有源积分电路图Fi g.2 Circuityr of active integrator由图2得积分传递函数为G(s)=二子二U_ R2(C,RZS+2)U; R,(RZC,s+1)2(2)第5期刘家芳,等:混合式光电电流互感器相位补偿技术.幅频特性和相频特性曲线如图3所示。1 了r101L一一一J一一一一一l 0_, 10, 101 102 103 1扩。/(r ad-s 1)(a)幅频特性 一80-100 lo-, 100 10' 102 103 104“/(r ad-s') (b)相频特性 图3积分电路的幅频特性和相频特性曲线Fi g.3 Amplitude-frequency and phase- ferquency curves of integrator 设待测电流为I(s),线圈输出电压为E(s),有E(s)=一MSI(s),则线圈后接积分电路的线圈积分器组合传递函数为H(s)Uo(s) M s RZ(C, R, s+2)一I(s)R, (R2 C, s+1)(3)幅频和相频特性表达式为mag(。)=矿R 2。,(R呈ce2C; +4)斌(R孟召。2cv+1)2(4)phase(w)=arc‘二(-2MR2 (J)M R2 C1aretan2 RZ C, (d1一R呈C21(,02(5)当戒挤cwt }l时,化简式(5)相位差可近似表示为2 } 万32__ W 0R,&) C, (3+R 22 1)C{ (,)2一2 W3(rad) (6)式中。。=涯/( 凡C,),通过求解dmag(co)/dcd =0得到,即线圈积分器有最大比值差时的角频率值。由以上分析可见, 线圈积分器具有十分优良的幅频特性和相频特性,相位差与信号频率的三次方成反比,对于测量50 H:工频信号,假设要保证最大的相角差小于1.50,只要取fo =16 Hz, coo=2 7r fo =100.48 ( rad / s)即可。2.2实验测试实验中取积分电阻R, =R3=10 kf ,凡=20 MO,C,=q= 0.1萨,RC线圈输出信号经过积分器后的输出波形由数字示波器录制,如图4所示。从图中可以看出,积分器不仅很好地完成了积分加相移的万方数据_11114!‘!1}11‘1}!!几月}.1!n一川1!r}-m}1月!1}!冬‘m曰L1>弊喇一幢碳黔味一…1二,1…f,,.,卜‘一2>封鲜一撇一,.1二了二有二,1.产三1)Chl:l00mVolt 5ms三巍-F2)Ch2:50mVolt 5ms任一,11『Li.1I曰1.I】11.L-.1-图4积分器实验测试波形 Fig.4 Experimental waveforms of integrator功能、还原出了原信号,还产生了超前相位,这对后面的由于时延造成的相移补偿是有利的。图中的毛刺是由于RC线圈受到外界干扰引起的,与积分器的性能无关。3时延造成的相移补偿 由于传统的电磁式互感器都是模拟输出,为了使电子式电流互感器能和传统的系统兼容,电子式电流互感器标准IEC 60044一8规定电子式电流互感器除了带有数字输出接口外,还应该有模拟输出接口[’」。 设计的混合式光电电流互感器,由于电路中存在传输延迟、信号处理、滤波等环节,必然会产生相位移动,对相位进行校正来达到规定的标准是电子式电流互感器模拟输出必备的环节。对这种相位的校正可采用滤波器、选频网络等方法,最终的目的是改变获得信号的相位,尽可能实现和被测量信号一致。笔者在设计中采用的是全通滤波器后加一级反向器的方法。 全通滤波器(即移相滤波器)由于理论上在全部频率范围内的幅频响应是一个常数,可以用来对相位进行连续调节,并且不会因为相位调节带来幅值的变化,非常适合于相位调节。由于通常在设计混合式电流互感器时滤波器都采用二阶低通滤波器,为了尽可能补偿低通滤波器带来的相移,笔者选用典型的二阶全通滤波器实现本部分的相位调节。电路如图5所示。图5全通滤波器电路图 Fi g.5 Circuityro f all-pass filter选择C,=q二C,凡/4R = 4R, /R2,其传递函数为H(;)=Kr.一()Q/OW s+端+(Q/.)& S+。z(1))((7)1_1{RZC丫R2R,v二下「‘ 勺/,石一n,舀电力自动No=万,万R二二。R4 Q"3丁"`4 1十一下QZ其幅频特性和相频特性表达式为 mag。)=气(8)phase。)=一2arctan(w)Q/, ww。一田一2 arctan S l 1/{L。{\田wo一&j田o/'J11)(9)考虑到测量的是工频电流,而且全通滤波器在 品质因素Q二1时,在0o。附近具有很好的灵敏度,而且线性度很好,所以本设计选择品质因素Q=1,在coo =104 7r处相位移一1800, C,=C2=0.1 wF,R,=15.3 kfl,R3=R,=110 W, R2为150 k。的可调精密电位器,当选择到R2=61 kfl时滤波器具有很好的相位特性。 由式(9)可知全通滤波器在50 Hz的频率处有一个约一170“的相位,设计中在滤波器输出后接一级反相器,就可实现一个约10“的超前相位对时延相位差进行补偿。而且此全通滤波器可以通过调节不同的RZ值进行相位补偿调节。其幅频特性和相频特性如图6所示。10, ,100 州10-1 10-2‘to' 102 103 1o^。/(r ad-s ')(a)幅频特性90 一20 宁一130幕一240一350 一460‘10` 1护1护1伊‘/(r ad-s-')(b)相频特性 图6全通滤波器的幅频特性和相频特性曲线Fig.6 Amplitude一frequency and phase一frequency curves of all-pass filter4综合实验测试 前面介绍的2种相位补偿功能不同,在混合式电流互感器中的应用也不同。积分相位补偿应用在RC线圈输出之后,在系统的高压采样端;全通滤波相位补偿应用在系统的低压控制端的模拟输出部分。笔者对这两种补偿效果做了一个整体性的实验测试,从采样板上接人90 Hz的正弦信号,整个互感器测量电子线路输人和模拟输出用数字示波器录制波形如图7、图8所示。从波形重合展开图8可以看万方数据化议备第25卷一‘1.r.1!1二1,1111111}TTT-T}匕纤 ̄\ ̄/长建今罐一、、勺、气1、、.飞、、勺1卜1,、贬、.,产一!’IJll.1’I”.’I’曰.尸.”-一,”’I”t’r’111”‘’1”‘公;一\、/碑一>\创/飞三1r 2) ) ChlCh2::2Vo2Vol于模拟翰出任lt t 2.2.5ms三5ms I一rl.I二,ili u.I.1二1.1.0一1111二,.1二,.1.1,.W.厂图790 Hz时系统输入/输出比较图Fig.7 Diagram of the comparison betweeni nput and output of system in 90 Hz_曰二i.lllljll‘llllJI曰1匕三于‘’.’d_xx:.端丫8.37 N.i”””’s任兰鑫绍少砷叫荞三1) 到adx:艾摹嘿25.767 1 p#}.sl}出一于2) 三3) Ch2:Chl:2VoRefA:2Vollt 500mVolt 110l0ELs三t止i,sl一0ps三一1二.h…1,,11!二1.i「1.一 图8 90 Hz时系统输入/输出重合展开图Fi g.8 Outspread both input andout put of system in 90 Hz出在90 Hz时,系统滞后的时间约为6 R,s,约滞后为0.19440。经测试,此补偿方法在工频50 Hz左右能保证相位差在0.3“以内。可见,相位补偿器能很好地完成相位补偿作用。5结论 电子式电流互感器发展到今天,技术已日趋成熟,许多研制中的难点都已经找到相应的解决办法,相信不远的将来国内就会有成熟的产品面市〔’〕。本文针对电子式电流互感器信号处理的要求,提出了一个完整的从积分相位补偿到信号传输时延相位补偿的方法,给出了电路原理图,分析了其性能,经过实验测试,结果表明了该方法的有效性,不失为一个有效的相位补偿方法。参考文献:川Fiber Optic Sensors Working Group. 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Two phase compensationsare analyzed in their working mechanism and characteristics:integral phase compensation and time-delayphase compensation. Their circuitries are provided. The experiment results prove its validity.Key words: hybrid optoelectronic current transformer; Rogowski coil; phase compensation(上接第29页continued form page 29)Comput ers, 1991,40(12):1320一1336.[2〕顾戍戎.锅炉水位、温度自动控制系统及运行经验【J].[5〕SRINIVASAN D, TAN S S, CHENG C S, et al. Parallel neu-电力自动化设备, 2004,24(7): 92 -93. ral network-fuzzy expetrs ystem strategy for short-term loadGU Shu-arng. Boiler automatic control system and its opera-f orecasting: System implementation and performance evalua-t ional experience[ J ].Electric Power Automation Equip-t ion [ J ].IEEE Trans. on Power Systems, 1999,14(3):ment, 2004,24(7):92一93.1100一1106. [ 3 ] KHOSLA R, DILLON T. 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To avoid air-blowing confusion during the random search of genetic algorithm,theoptimization seeking is processed of-line and the optimal results are fed to experts ystem, with which ex-petrs ystem decides the optimal air blowing quantity. The system operations normaly on site and enhancesthe heat efficient by 2.6%.This project is supported by the Beijing Municipal Commifssionof Education Co-build Key LaboratoryFoundation( SYS 100070417).Key words:boiler combustion;air blowing quantity; expetrs ystem; neural network;genericalgorithm万方数据