（控制理论与控制工程专业论文）电子式直流电压互感器信号传输处理技术研究.pdf

电子式直流电压互感器信号传输处理技术研究 学科：控制理论与控制工程 研究生签字：老产纬 指导教师签字： 彩影 摘要 目前，高压直流输电已经成为发展的趋势，但直流输电母线电压参数的测量仍采用电 压互感器( p t ) ，其测量原理是利用大量的线绕电阻串联组成分压器，对输电母线上的直 流电压进行分压，再将分压器低压臂的电压信号通过普通导线传输，在二次端利用高压光 电耦合器进行隔离，隔离后的信号送到输变电站控制中心。该方法存在着高压隔离性能差， 系统抗干扰能力低等缺点。 本文针对传统高压直流输电母线电压测量方法的缺点，提出了一种将数字信号处理 技术和光纤通讯技术应用到高压母线电压测量中的方法，即利用高压绝缘材料在高压输 电母线与地之间构建一个高阻小电流回路，采用i f 变换器将泄放电流模拟信号转换成脉 冲频率信号，通过光发送模块、光纤和光接收模块实现脉冲频率信号光纤传输功能，在 二次端利用d s p 对接收到的脉冲频率信号进行数据处理，同时以数字和模拟两路信号输 出，供电站使用。 实验结果表明，由光纤传输技术及数字信号处理技术组成的电子式直流电压互感器， 性能稳定可靠，测量精度高，有效地解决电压互感器的高压隔离问题，也为数字化变电站 的实施提供一种有效的方法。 关键词：i f 变换器；光纤传输；频率测量；数字信号处理 e l e c t r o n i cd i r e c tv o l t a g et r a n s f o r m e rr e s e a r c h i n go ns i g n a l t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y d i s c i p l i n e ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：( 认。p c i s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： ， ，：) 岭m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n to fh v d ch a sb e c o m et h em a i nt r e n d s h o w e v e r , p o t e n t i a l t r a n s f o r m e r ( p t ) i ss t i l lu s e dt om e a s u r ev o l t a g ep a r a m e t e r so f t h eh v d cb u s m e a s u r i n g p r i n c i p l ei su s i n go fav o l t a g ed i v i d e r ，w h i c hi sc o m p o s e do fal a r g en u m b e ro fw i r e w o u n d r e s i s t o r si ns e r i e sa n ds p l i tt h ev o l t a g ep r e s s u r eo fd cb u s ，a n dt h e nt r a n s m i tt h ev o l t a g es i g n a l o fl o wv o l t a g es i d eb yp l a i nc o n d u c t i n gw i r e i nr e c e i v e re n d ，t h ev o l t a g es i g n a li ss e g r e g a t e d b yh i g hv o l t a g ep h o t o c o u p l e ra n d t h es i g n a lw h i c hw a ss e g r e g a t e di ss e n tt ot h ec o n t r o lc e n t e r o fp o w e rs t a t i o n s o m ed i s a d v a n t a g e se x i s ti nt h i sm e t h o ds u c ha st h el o wa b i l i t yt or e s i s t d i s t u r b a n c ea n ds e g r e g a t eh i g hv o l t a g ei sw e a k ，e t c an e wm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra g a i n s tt h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lv o l t a g e m e a s u r i n gm e t h o di nh v d c b u s i ta p p l i e sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n df i b e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt ot h ev o l t a g em e a s u r e m e n to fh i g h - v o l t a g eb u s b a r t h r o u g ht h e o p t i c a lt r a n s m i t t e rm o d u l e ，o p t i c a lf i b e ra n do p t i c a lr e c e i v e rm o d u l e s ，i ta c h i e v e st h ef i b e r t r a n s m i s s i o nf u n c t i o no fp u l s e - f r e q u e n c ys i g n a lb yu s i n gah i g h - r e s i s t a n c ea n dl o wc u r r e n tl o o p w h i c hi sc o n s t r u c t e dw i t hh i g hv o l t a g ei n s u l a t i o nm a t e r i a l sb e t w e e nh i 曲v o l t a g et r a n s m i s s i o n b u sa n dg r o u n d ，a n di fc o n v e r t e rw h i c hc a nc o n v e r te l e c t r i cc u r r e n ta n a l o gs i g n a li n t o p u l s e - f r e q u e n c ys i g n a l i nr e c e i v e re n d ，d s pi su s e dt op r o c e s st h ef r e q u e n c ys i g n a l f i n a l l y a n a l o gs i g n a la n dd i g i t a ls i g n a lc a nb er e c e i v e d b o t hs i g n a l sa r ep r o v i d e dt ot h ep o w e r s t a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a te l e c t r o n i cd i r e c tv o l t a g et r a n s f o r m e rc o m p o s e do f f i b e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sa d v a n t a g e so fs t a b l ea n d r e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，h i g hm e a s u r i n ga c c u r a c yo nr e s e a r c ho fs i g n a l st r a n s m i s s i o na n d p r o c e s s i n g i ti se f f e c t i v ei nr e s o l v i n gt h eh i g h - v o l t a g ei s o l a t i o np r o b l e m o ft h ev o l t a g e t r a n s f o r m e r i ta l s op r o v i d e sae f f e c t i v ew a yf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a ls u b s t a t i o n k e yw o r d s ：i fc o n v e r t e r ；f i b e rc o m m u n i c a t i o n ；f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ；d s p 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公御学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 扦许 j 彦渲 日期： ops 6 l 学位论文独创性卢明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 新即 乏0 2 日期： dr5 i 6 2 1 绪论 1 1 直流输电发展概况 1 绪论 1 1 1 直流输电的发展 电力工业是重要的基础和支柱产业，在国民经济社会发展中具有举足轻重的作用，充 足、可靠和优质的电力供应已经成为现代文明社会的基础及重要标志之一。电力技术的发 展是从直流电开始的，早期的直流输电是不需要经过换流的直流输电，即发电、输电和用 电均为直流电。如1 8 8 2 年在德国建成的5 7 k m 向慕尼黑国际展览会送电的直流输电线路 ( 2 k v ，5 k w ) ；1 8 8 9 年在法国用直流发电机串联而得到高电压，从毛梯埃斯( m o u t i e r s ) 到里昂( l y o n ) 的2 3 0 k m 直流输电线路( 1 2 5 k v ，2 0 m w ) 等，均为此种类型。随着三相 交流发电机，感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代。同 时变压器又可方便地改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅速的发展，并很快 占据了统治地位。但在输电领域直流具有交流输电所不能取代之处，如远距离海底电缆或 地下电缆输电，不同频率电网之间的联网或送电等。 直流输电经历了汞弧阀换流时期、晶闸管阀换流时期、新型半导体换流设备的应用时 期三个时期。特另i j 是6 0 年代可控硅元件的出现，为换流器设备开辟了新的途径，高压直 流输电也出现了新的发展i j 景。从此以后，直流输电进入了高速发展阶段，各国都积极从 事直流输电技术的研究和工程建设，使直流输电技术得到了迅速的发展。随着可控硅元件 制造水平的不断提高、成本的不断下降，直流输电工程的发展速度更加迅速，工程规模也 越来越大。近三十年来，随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，使高压 直流输电技术也日趋完善，直流输电的建设费用和运行能耗也不断下降，可靠性也逐步提 高，直流输电越来越显示出它的重要性。目前在大功率远距离输电、海底电缆和交流系统 间异步联接等方面都得到了广泛的应用n ，。 1 1 2 直流输电在我国的应用现状 我国自2 0 世纪5 0 年代木就丌始直流输电技术的研究，6 0 年代在电力科学研究院建 立起汞弧阀模拟装置。7 0 年代在上海，完全依靠国内技术力量，利用报废的交流电缆线 路，建立起3 1 k v 直流试验线路，丌始了直流输电技术在我国的运用。但是我国的直流输 电发展曲折并且缓慢，而且从设计、运行及制造等方面来看，与世界先进水平还有相当大 的差距。目前，我国已经有多个高压直流输电工程投入运行。 1 ) 舟山直流输电工程。我国自己制造的第一项跨海直流输电试验工程，额定电压 l o o k v ，功率5 0 m w 。1 9 8 7 年1 2 月投入试运行，主要用于向舟山群岛供电。 2 ) 葛上直流输电工程是我国第一项大型直流输电工程。该工程的设计、设备制造由 两安i ：业人学硕+ 学位论文 瑞士a b b 公司和德国西门子公司承包。1 9 8 7 年底建成单极5 0 0 k v ，输送电力6 0 0 m w ；1 9 9 8 年建成双极5 0 0 k v ，输送电力1 2 0 0 m w 。 3 ) 天广直流输电工程额定直流电压5 0 0 k v ，额定输送功率1 8 0 0 m w 。三广直流输电 工程的建成，使南方电网成为我国第一个交直流并联输电系统。天广线采用的直流输电新 技术有直流有源滤波器、直流电流光检测元件、脉冲回声检测装置，以准确定位故障位置、 实时多处理控制保护系统( 西门子公司的s i n s d y n d 系统) 、局域网控制系统、运行人员操 作工作站和g p s 技术。 4 ) 嵊泗直流输电工程，是我国自己制造的另一项小功率跨海直流输电试验工程。该 工程采用双极海水回路，额定直流电压5 0 k v ，额定输送功率双极6 0 m w 。2 0 0 3 年正式投 入运行，主要用于向嵊泗岛宝钢矿石码头供电。 5 ) 三常直流输电工程，是我国在建的输电容量最大的直流工程之一。该工程从2 0 0 0 年开始建设，2 0 0 2 年底已建成单极5 0 0 k v ，输送电力l5 0 0 m w ；2 0 0 3 年5 月建成双极5 0 0 k v ， 输送电力3 0 0 0 m w ，输电线路全长8 9 0 k m 。采用的新技术有实时多处理控制保护系统( 瑞典 a b b 公司的m s r c h 2 系统) 、光纤通信、运行人员操作工作站的g p s 技术。 6 ) 三广直流输电工程。从2 0 0 1 年开始建设，2 0 0 4 年上半年建成双极5 0 0 k v ，输送 力3 0 0 0 m w ，是华中南方两大电网联络线。也采用了a b b 的m s r c h 2 实时多处理器控制 保护系统、光纤通信和检测、g p s 等多项新技术。 7 ) 贵广直流输电工程。从2 0 0 1 年开始建设，2 0 0 4 年建成单极5 0 0 k v ，输送电力15 0 0 m w ； 2 0 0 5 年建成双极5 0 0 k v ，输送电力3 0 0 0 m w ，输电线路全长9 0 0 k m ，是南方电网西电东送 的第2 条直流线路。采用了西门子公司的s i n a d y n d 实时多处理器控制保系统、g p s 直流 电流光检测元件和光纤通信等新技术。 8 ) 灵宝背靠背直流输电工程。将西北与华中联网。从2 0 0 3 年开始建设，双极1 2 0 k y ， 输送电力3 6 0 m w ，该直流工程设备完全国产化旺1 。 1 1 3 高压直流输电系统的特性 1 ) 直流输电技术特别适合于大功率、远距离输电。当输电距离超过6 0 0 - 9 0 0 k m 这个 等价距离后，采用直流输电比采用交流输电要经济得多。我国的西电东送工程，其输电距 离超过1 0 0 0 k l n ，输送容量达1 亿k w ，采用直流输电是最经济且合理的方案。 2 ) 输送相同功率时，线路造价低。 3 ) 线路有功损耗小。由于直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就没有无功损耗。 4 ) 直流线路的短路电流较小，直流联网后，短路容量基本没有增大，不会对被联交 流系统的短路电流水平产生影响，所以直流输电可以限制系统的短路电流。 5 ) 线路在稳态运行时没有电容电流，沿线电压分布比较平稳，线路部分不需要无功 补偿。 6 ) 调节速度快，运行可靠。直流输电通过晶闸管阀换流器能够快速、方便的调节直 流线路电流和功率，从而可实现各种调节和控制，不仅可以保证正常运行时稳定地输出功 2 l 绪论 率，也可以在事故情况下，提高系统运行的可靠【3 1 。 1 2 研究背景 随着电力设备电压等级的提高、装机容量的增大，对电力设备运行可靠性的要求越来 越高，相应地对电力设备检测与诊断技术提出了更高的要求。中国科学技术白皮书中国 科学技术中测指南提出的电力能源领域发展的战略目标是：“提高供电可靠性、质量和 经济性，建立设备和电网故障诊断和监测系统改进输电在线检测技术、城市供电技 术”。所以在现代测试技术的基础上，进一步提高电力设备的检测技术和水平，对确保电 力设备安全运行具有重要意义【4 】。 电力系统母线电压在线测量技术在理论研究方面已相对成熟，人们对它的可靠性、稳 定性、精确性等方面也有了更高的要求，高压直流输电母线上的正常电压波动范围是5 ， 突然的毛刺有可能会波动5 0 ，所以电压监测显得格外重要。在电力系统中，母线电压 的测量需要借助于电压互感器( p t ) 。然而，随着电力传输容量的不断增长和电网电压的 提高，传统的电压互感器( p t ) 已暴露出许多缺点，其主要缺点有：电压等级越高，其 制造工艺愈复杂，可靠性愈差，造价愈高，这些缺点难以满足当今电力系统的要求。 因此怎样利用新的技术来进行高压母线电压测量是一个急待解决的问题，围绕这个问 题，本论文在查阅并学习了大量国内外相关资料的基础上，充分利用数字化光纤传输的优 势，将它与传统的测量技术结合起来，设计了一套以d s p 处理器为核心的电子式直流电 压互感器系统。 1 3 选题意义 利用高压绝缘材料在高压输电母线与地之间构建一个高阻小电流回路，将泄放电流变 换成频率信号并通过光纤传输到二次端，再由d s p 对其进行处理，得到模拟信号和数字 信号各一路，供电站使用。 与传统信号测量和传输方式相比，基于数字信号处理技术和光纤通讯技术的电子式 直流电压互感器高压直流电压测量法，能够有效地解决电压互感器的高压隔离问题【5 1 ，大 大节约互感器的制造成本，系统测量精度高，误差小【6 】。采用i f 变换器将模拟信号转换 成脉冲频率信掣7 】，脉冲频率信号通过光纤进行数据传输的方法，大大简化了模拟信号光 纤传输系统的结构【8 。9 1 ，数据传输速率高，传输距离远，而且传输过程不受外界电磁场干 扰，特别适合于高压或超高压输电线路测量信号的传输【1 0 】。采用信号处理单元对频率信 号进行采集处理，最终得到一路模拟信号和一路数字信号，实时性好，有着较高的测量精 度 1j - 1 2 】，也为数字化变电站的实施提供一种有效的方法。 1 4 研究现状 目前，高压直流输电已经成为发展的趋势【 一4 1 ，但直流输电母线电压参数的测量仍 西安： 业人学硕七学位论文 采用电压互感器( p t ) ，其测量原理是利用大量的线绕电阻串联组成高准确度的分压器， 对输电母线上的直流电压进行分压，然后将分压器低压臂的电压信号通过普通导线传输， 在二次端利用高压光电耦合器进行隔离，隔离后的信号送到输变电站控制中心。随着输变 电电压等级的不断提高，高压隔离问题越显重要【l5 1 。 采用这样的方法测得的结果存在较大的误差，误差的主要来源包括电阻本身发热造成 阻值变化、电晕放电造成测量误差、绝缘支架的漏电造成测量误差印。除此之外，互感 器设备的弊端还有体积较大，制造成本较高、容易产生电晕、日常维护较为困难。为了消 除电晕，电压互感器内部采用变压器油或s f 6 气体进行绝缘，变压器油耐热性能较差，不 适于夏天使用；s f 6 气体分解物容易使得互感器锥体沿面电场畸变，容易发生互感器击穿事 故。 1 5 论文研究主要内容 本论文主要分为七章： 第一章是绪论部分，主要介绍了直流输电的发展状况、电子式直流电压互感器研究设 计项目的研究背景，同时分析了国内外直流电压互感器的研究现状。 第二章介绍了系统方案设计，主要介绍电子式直流电压互感器设计中信号传输和处理 技术的理论基础，频率测量技术原理，针对传统测量方法的不足进行思考，提出相应的解 决方案：把数字信号处理技术和光纤通讯技术应用到直流电压互感器电压测量问题中 去。 第三章对一次设备的硬件设计作了较为详细的介绍。主要包括继电器控制电路、电 压比较器电路、继电器驱动电路、锂电池保护电路和供电方式选择电路。 第四章对二次设备的硬件设计的有关问题作了较为详细的介绍。对硬件设计的电路 组成按d s p 系统的工作特性作了说明。对d s p 系统的设计，c p l d 电路的设计、d a 转换单元设计和液晶显示电路的设计等作了详细的探讨，另外，还对硬件中有关内存接 口进行了简要介绍。 第五章是系统软件部分设计。本章从软件设计角度介绍了d s p 数据采集、数据处理 以及将处理以后的结果输出的整个过程。结合d s p 的特点，利用c 语言作为编程语言， 进行相关算法软件设计。并利用流程图介绍了主程序以及各个模块的实现过程。 第六章是对系统进行软硬件调试以及实验数据分析，以实现电子式直流电压互感器的 信号传输及处理技术，从理论研究上升到实际工程的应用。 第七章是总结和展望，主要是对论文工作的总结，对现有的方法进行分析，预见不足， 同时展望更加优越的方法。 4 2 系统方案设计 2 系统方案设计 电子式直流电压互感器由一次设备和二次设备两部分组成，两者之间通过光纤进行数 据传输。一次设备包括互感器本体单元、高精度i f ( 电流频率) 变换器单元、光信号发 送单元、一次设备系统供电单元；二次设备包括光信号接收单元、信号处理单元、d a 转 换单元和液晶显示单元。互感器本体将高压母线上的高压直流电压信号转换成小电流信 号；i f 变换器将直流电流信号线性的转换成脉冲频率信号，脉冲信号频率大小与其输入 直流电流大小成正比关系；光信号发送模块的功能是将脉冲频率信号变换成光信号通过光 纤进行传输7 。；一次设备供电单元为一次设备系统各单元供电；光信号接收单元的功能是 接收通过光纤传输来的光信号，并将光信号还原成脉冲频率信号；信号处理单元的功能是 通过由c p l d 组成的计数器对脉冲信号频率进行精确计数，d s p 读取计数器的计数值并 控制d a 转换器将数字信号还原成模拟信号供电站故障录波器使用，经d s p 处理后的数 据也可以通过数据接口输出，显示在液晶屏上，从而精确的测量出高压输电母线中电压的 数值8 | 。系统组成框图如图2 1 所示 一次设备 l 销；警卜悭封叫器i 电了瓦感器本体 型 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一jl 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 1 系统组成框图 2 1 频率测量方法研究 影响系统测量精度的主要原因有两个，一个是由绝缘材料构建的高阻抗小电流的泄放 回路所采用材料的非线性引起的测量误差，这个误差可以通过软件补偿的方法消除。第二 个因素是在二次设备中的信号处理阶段频率测量的误差，从而引起的系统的测量误差。所 以脉冲信号频率的测量方法是该系统研究的关键之一。 2 1 1 频率测量方法 频率测量主要有测频法和测周法两种【1 9 】。 测频法就是在确定的闸门时间丁内，记录被测频率信号的变化周期数( 或脉冲个数) 舭，则被测频率信号的频率为：f x = n x t 。测周法需要有标准频率信号的频率居，在被测 频率信号的一个周期戤内，记录标准频率信号的周期数m ，则被测频率信号的频率为： f x = f s n s ；在多个周期内，记录被测频率信号的变化周期数( 或脉冲个数) n x ，则被测频 两安+ i ：业人学硕十学位论文 率值为：f x = f sx n x n s 。这两种方法的计数值会产生1 个脉冲误差，并且测试精度与计 数器中记录的数值n x 或n s 有关。 常用的频率测量方案有直接测频法、多周期同步测频法、分频段测频法等等。 1 ) 传统的直接测频法是在确定的闸门时间内对输入频率信号的脉冲个数进行计数， 由于被测频率信号与闸门时间的不同步而存在1 的计数误差，在整个频率测量范围内特 别在被测信号频率较低时测频精度较低。 2 ) 采用多周期同步测频法( 等精度测频) 是将标准频率信号和被测频率信号分别输 入到两个计数器进行同步计数。一个位标准频率信号计数器，一个为被测频率信号计数器。 由于闸门时间是被测频率信号周期的整数倍，故存在标准频率1 计数误差，精度仅与闸 门时间和标准频率有关。 3 ) 采用分频段测量法就是用软件控制计数器的工作方式，从而实现高频段采用测频 法、低频段采用测周法的自动测频方法。 本文采用多周期同步测频法。 多周期同步测频法是在直接测频的基础上发展而来的，在目前的测频系统中得到越来 越广泛的应用。多周期同步法测频技术的特点在于测量过程中实际闸门时间不是固定的 值，而是被测频率信号周期的整数倍，即与被测频率信号是同步的，这样就可以消除对被 测信号计数时产生的1 个脉冲误差，不仅测量精度大大提高，而且实现了整个频段的等 精度测量1 2 。 多周期同步测频法的测频工作原理如下：由测量系统的核心器件( 或相应控制电路) 给出闸门开启信号，但此时计数器并没有开始计数，而是等到被测频率信号的上升沿到来 时爿开始计数。也就是说，当控制信号出现后，由随后到来的被测频率信号的第一个脉冲 的上升沿打丌两个计数器的闸门，计数器a 和计数器b 分别对被测频率信号和标准频率 信号进行计数。当测量核心器件( 或相应控制电路) 给出闸门关闭信号后，两个计数器并 没有立即停止计数，而是要等到被测频率信号的下一个上升沿到来的时刻才停止计数。其 最大差值不超过标准频率信号的一个周期。 多周期同步测量方法工作波形如图2 2 所示。预置闸门时间为t7 ，实际闸门时间为 t 。当被测频率信号上升沿到来，打开实际闸门，定时到预置闸门时间t 后，下一个被 测频率信号的上升沿到来时刻关闭实际闸门。在实际闸门时间内对被测频率信号和标准频 率信号进行计数，这样就可以求出被测频率值。 6 2 系统方案设计 预置闸门信号f 二= = 二= 二二_ f 二= = = 习 实际闸门信号 被测频率信号f x 标准频率信号f s t 厂 厂 厂 厂 厂 图2 2 多周期同步测量方法工作波形 设n x 、n s 分别为计数器a 和计数器b 的数值，r 为两个计数器的闸门开启时间，则： n x = t x f x ( 2 1 ) n s = 丁巾( 2 2 ) 丘= 篙声 ( 2 3 ) 计数器a 的计数脉冲与闸门的开闭是完全同步的，因而不存在1 个脉冲的计数误 差，由上式对n s 微分可得： 够一警椭 ( 2 4 ) d n s = 1 ( 2 5 ) 因此可得到测量的精度为： 警= 上tx f s ( 2 6 ) a p 7 测量的误差为： 万= 掣1 0 0 ( 2 7 ) 由测量精度公式( 2 6 ) 可以看出，测量精度与被测频率的大小无关，仅与取样时问及标 准频率有关，可以实现被测频率带内的等精度测量。取样时间越长，标准频率越高，误差 越小，测量的精度也就越高。多周期同步测频法与传统的测频法比较，测量精度明显提高。 2 1 2 多周期同步测频法误差分析 多周期同步测频法实现了从低频到高频的等精度测量，克服了一般计数式频率计低频 测量精度低，高频测量精度高的缺点【2 l 】。但是，由多周期同步法测量原理分析可知，这 种方法仍然存在对标准频率信号计数的1 个脉冲的误差。从图2 2 可知，由于实际闸门 信号与被测信号同步，而与标准频率不同步，从闸门丌启时刻到脉冲到来的时刻有延迟时 7 西安：i ：业人学硕+ 学位论文 间厶f ，从时基信号的最后一个脉冲到闸门关闭时刻有延迟时间厶t 2 。这两个误差使得这 种方法精度指标不能满足高精度测频的要求，其应用受到限制。要提高测量精度，在采用 多周期同步法测量的同时，必须配合其它测量方法，通常对厶f 、厶纪进行进一步测量的 方法有内插法和游标法，但这两种方法硬件电路复杂，调试困难，成本高，不便于产品化， 而且这些方法本质上的不足之处在于依靠电路技术对信号之间的微小差别进行扩大后测 量来达到提高精度的目的，己经不适应技术进步的要求。因此，虽然多周期同步法存在着 标准频率的计数误差，但是通过提高标准频率信号的频率方法，可以尽量减小由于标准频 率信号带来的误差【2 2 1 。 由测量精度公式( 2 6 ) 可以看出，测量频率的精度与被测频率信号的大小无关，仅与闸 门时间和标准频率有关。闸门时间越长，标准频率越高，测频的精度就越高。 2 2 基准的选择原理 预置闸门周期的选取：按照系统要求，有一路模拟信号输出到故障录波仪进行波形输 出，为了在录波仪上显示一个较为清楚的周期波形，这就要求一个完整的波上至少需要 3 2 个点来描述，这意味着闸门信号的控制时间要在这个波周期内至少检测3 2 次。高压直 流输电母线上存在着谐波等交流信号，工频为5 0 h z ，周期0 0 2 s ，所以每一个预置闸门信 nn l d 号周期t i - 竺= 6 2 5 9 s 。 3 2 i f 变换器的选取：泄放小电流的范围为0 1 m a 3 m a ，正常情况下为2 m a ，若l m a 对应的转换频率为2 0 k h z ，则正常情况下，2 m a 对应4 0 k h z ，在一个预置闸门之内能捕 获2 5 个脉冲信号，能够较为明显的记录脉冲个数。由此可选定i f 变换器的型号。 计数器位数的选取：由前面的叙述可知多周期同步法的测量法存在着误差，为了减小 误差提高标准频率信号的频率是一种可行的方法。我们将基准频率的值定为1m h z ，由 公式( 2 2 ) 可知，基准脉冲个数为n s = t xf s = 6 2 5 10 - 6 s 1 m h z = 6 2 5 ，所以选取1 2 位 的计数器完全可以满足系统要求。 2 3 本章小结 本章首先介绍了系统的整体设计方案，进而对系统方案中的频率测量原理进行了详 细阐述，并对多周期同步测频法的误差进行分析。此外还对预置闸门周期的选取、i f 变 换器的选取、计数器位数的选取进行了介绍，为后文软硬件的具体设计奠定了基础。 3 一次设备单元电路设计 3 一次设备单元电路设计 系统的硬件包括一次设备单元电路、光纤传输单元电路和二次设备单元电路三个部 分。系统硬件设计的方案直接关系到系统软件的设计以及编程的复杂程度，因此硬件设计 是系统设计中关键的一步。 3 1 电子互感器本体设计 电子互感器本体没计的研究路线：电子互感器我们采取与西电高压开关厂合作的方式 来实现。本体包括互感器外壳、传导头电阻、铝屏蔽件、环氧树脂。 利用环氧玻璃布棒3 8 4 0 作为传导头电阻材料，经过特殊加工后的铝材作为铝屏蔽件， 将它们串接起来，使其在高压输电母线与地之间构成一个高阻小电流泄放回路，并将高精 度i r 变换器串接在该回路中。互感器外壳采用电阻率为1 0 h 的高压电瓷材料，腔体内部 空间用环氧树脂灌封。互感器外壳与传导头电阻属于并联关系，二者之间的阻值差至少要 有四个数量级。电子互感器本体的总电阻为环氧玻璃布棒电阻与i f 变换器的电阻之和 心驯。若环氧玻璃布棒总电阻为r 。，i f 变换器输入电阻为r 。，高压输电母线上直流电压为 v ，则高阻小电流泄放回路中电流i 为： i = v ( r i + r 0 )( 3 1 ) 进而根据电阻率可以算出长度，直径等参数。 需要注意的几个问题： 1 ) 传导头电阻长期工作不能有过热现象，温升不超过7 0 k 。 2 ) 铝屏蔽件的分布要均匀，以达到均匀分压的目的。 3 ) 屏蔽件、传导头电阻、环氧树脂三种材料热膨胀系数差别要尽量小，尽量趋于一 致，发热引起的变化对互感器本体的影响不大。 4 ) 互感器本体长期工作引起的阻值变化对分压比的影响不能超过卜2 。 9 西安i ：业大学硕士学位论文 图3i 电子式直流电压互感器结构示意囤 3 2 高精度i f 变换器设计 高精度的i f 变换器设计也是系统设计的关键部分，它能够将输入直流信号线性地转 换成脉冲频率信号o ”，其函数关系为： f = k l 。 ( 32 ) 式中，i 。为输入电流，k 为变换系数，f 、为输出脉冲信号频率。 j 丁h 11i m c 型高精度i f 变换器，能够将输入电流线性地转换成频率信号输出，使用 简单方便，当i f 变换器从i 。输入o 5 m a 时，通过调节电位器的值对应输出系统需要的 脉冲信号频率，其信号电平为”l 标准。由于口h 1 l i m c 型i f 变换器内部具有恒温控制 电路，所以在一5 5 + 8 5 温度范围内，其转换线性误差6 0 0 3 。, t i l l l l m c 正常工作 时，需要三路电源和输入一路高稳定度时钟信号。三路电源中，1 5 v 两路电源为模拟信 号电源，+ 5 v 电源为数字信号电源，时钟信号频率为5 1 2 k h z 。电路如图3 2 所示。 图3 2i f 变换器电路 3 3 光纤通信 本系统设计的光纤传输系统具有两个重要作用，一是作为一次设备和二次设备之间数 3 一次设备单元电路设计 据传输介质，实现数据无干扰的传输功能，二是实现一次设备与二次设备之f n j 的高压隔离 功能。 光纤传输原理如图3 9 所示。光纤由高折射率的纤芯和一般折射率的包层组成，当光 线通过纤芯到达包层的交界面时，根据完全内反射原理，光在交界面反复全反射，向终端 传送光信掣2 5 1 。 图3 9 光纤传输原理 光纤通讯具有极强的抗干扰能力，在超长距离工业测控系统中具有广阔的应用前景。 光纤传输系统主要由光发送器、光缆、光接收器组成。基本的光纤通讯系统原理为：一个 l e d 发射器将电信号转变成光信号，并将其耦合进入传输光纤中，光信号通过光纤到达 光接收器，它把接收到的光信号恢复成原来的电信号输出。 典型的光纤收发电路图如图3 3 所示。 图3 3 典型光纤收发电路 3 3 1 光信号发送单元 光信号发送单元的功能就是将具有t t l 电平的脉冲频率信号转换成光信号，再通过 光纤进行传输。光信号发送单元由信号驱动电路和光发送模块组成。脉冲频率信号f x 经 过两级反向器7 4 0 6 整形及驱动后，输入到三极管b g l 的基极，三极管b g l 驱动光发送 模块l e d 3 s 4 0 工作。光发送模块l e d 3 s 4 0 是l e d 芯片，按照标准1 4 脚双列直插式集成 电路形式封装，带有尾纤及f c 光纤活动连接器，工作波长1 31 0 n m ，工作电流4 5 m a ， 数据传输速率为1 4 0 m b s 。光信号发送单元如图3 4 所示。 西安工业大学硕十学位论文 图3 4 光信号发送单元电路 3 3 2 光信号接收单元 光信号接收单元由光接收模块p f w m 9 3 1 、射随器和电压比较器三部分组成。光接收 模块p f w m 9 3 1 完成光电转换功能，该模块带有尾纤及f c 光纤活动接口，可以与光发送 模块l e d 3 s 4 0 的光纤直接相连，可接收光信号的波长范围为1 1 0 0 - 1 6 5 0 n m ，具有增益自 动控制功能。经过光电转换后的脉冲信号从p f w m 9 3 l 的7 脚输出，其信号幅值约为1 2 v 左右，该信号经过由b g 2 组成的射随器后，输入到由l m 3 1 9 组成的高速电压比较器进行 整形，比较器的输出信号则为标准的t t l 电平信号。光信号接收单元如图3 5 所示。 3 4 一次设备供电电路设计 图3 5 光信号接收单元电路 一次设备电路的供能问题是电子式直流电压互感器研究工作中的关键问题。由于泄放 电流信号需要经过i f 转换和光信号发送单元，就必须设计相应的电子电路，因而也就带 来了电路的供能问题。在一次设备的低压侧，我们可利用的是电站场用电提供的个肚3 a 的变化电流信号。为了确保一次设备的正常工作，必须提供稳定、安全和可靠的工作电源。 目前常用的供能方式主要有：利用电流互感器( c t ) 或从母线上取电能、激光供能、太 阳能供电及蓄电池供电等。 1 2 3 一次设备单元电路设计 小c t 取能的方法是利用特制的电流互感器从母线上感应电流，通过整流、滤波、稳 压等后续电路处理后，提供给高压侧电子电路所需的电源。采用这种方法面临两个困难： 当母线电流处于空载等小电流状态时，如何保证电源的正常供应；而当母线处于超过额定 电流的大电流状态，甚至是短路故障电流时，如何给予电源板足够的保护。 激光供能的方法是采用激光或其他光源，从低压侧通过光纤将光能量传送到高压侧， 再由光电转换器件如光电池，将光能量转换为电能量，经过d c d c 变换后提供稳定的电 源输出。这种方法存在的不足是，由于受激光输出功率的限制，该方法提供的能量有限， 因此对高压侧电路提出了微功耗设计的要求，这样就加大了电路设计的难度。 太阳能电池供能，由于其输出电压易受光强、外界环境温度变化、季节变化等囚素的 影响，为了获得稳定的电源输出，必须与二次电池构成组合电源系统。采用该方法的不足 之处在于电源的不稳定性，这是由太阳能电池固有的缺陷决定的。另外，太阳能电池的转 换效率较低，使得该方法提供的能量有限。 蓄电池采用化学供能方式，其能量来自高压母线电流。安装在母线上的经过特殊设计 的电流互感器或电容分压器构成蓄电池的交流充电电源，经过稳压、整流后对电池进行充 电。采用这种方法的优点是结构简单，实现起来比较容易。但是蓄电池的寿命比较短，且 由于放在高压侧，更换比较困难，因此在实际应用中很少被单独采用。 鉴于目前所有的供能方法在应用中均存在一些问题，因此组合供能的方法得到了人们 的关注。组合供能方法取长补短以提高供电电源的性能，是目前比较理想的供电方式。 本设计采用电站场用电和锂离子充电电池兼容的供电方式来为一次设备电子电路提 供稳定、可靠的电源。 当电站场用电输入正常时，我们采用继电器控制电路输出的电压供电，当电站场用电 输入出现异常时，我们采用锂电池供电。图3 6 是一次设备供电电路结构框图。 图3 6 高压单元供电系统 3 4 1 继电器控制电路 根据用户用电时问段、拥挤程度的不同，在一次设备的低压端电站场用电提供的电流 为1 0 0 m a 3 a ，( 例如早上用电少，晚上为用电高峰期) ，为方便使用，我们将其转化为o 4 0 v 的电压信号。供电部分所需的是5 v 的稳压电源，由此我们选用输入电压为7 v 4 0 v 两安下业大学硕十学位论文 的稳压集成电路l m 2 5 7 5 t - 5 0 经过稳压后输出+ 5 v 电压。为保证稳压集成电路的正常工作， 我们必须保证其输入电压7 v v i n m h ch c n cn c n cn c 图4 2t p s 7 3 h d 3 1 8 芯片组成的双电源电路 4 1 3 时钟电路 v c 5 4 0 2 的时钟发生器由内部振荡器和锁相环( p l l ) 电路两部分组成，它要求有一 个参考时钟输入，可以由两种方式提供，一种是利用d s p 芯片内部所提供的晶振电路， 在d s p 芯片的x l 和x 2 c l k i n 之间接一晶体可启动内部振荡器。另一种是将一个外部 时钟信号直接加到x 2 c l k i n 引脚上，x l 悬空。这样利用d s p 内部的p l l 将外部输入 时钟信号进行倍频【2 9 1 。本系统选择外部晶振频率为1 0 m h z ，内部p l l 倍频为5 倍的工 作模式。本设计采用外部振荡器获取时钟源信号的硬件电路如图4 3 所示。 图4 3d s p 振荡电路接口 2 0 4 二次设备单元电路设计 4 1 4j t a g 接口 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是一种国际标准测试协议( i e e el1 4 9 1 兼容) ，主要用 于芯片内部测试。j t a g 最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一 个t a p ( t e s ta c c e s sp o r t 测试访问口) 通过专用的j t a g 测试工具对进行内部节点进行测 试。j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链，能实现对 各个器件分别测试。现在，j t a g 接口还常用于实现i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e 在线编 程) ，对f l a s h 等器件进行编程。 j t a g 编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程，再装到板上。 现简化的流程为先固定器件到电路板上，再用j t a g 编程，从而大大加快工程进度。j t a g 接口可对d s p 芯片内部的所有部件进行编程。标准的j t a g 接口是4 线：t c k 、t m s 、 t d i 、t d o ，分别为测试时钟、模式选择、数据输入和数据输出线。 t c