基于ro-gowski线圈和vfc的数据采集系统

基于ro-gowski线圈和vfc的数据采集系统

在电气系统中，经常发现侧面电流的测量，并且侧面电池电压的变化通常很大。例如对于额定电流为400A的电网系统,空载时电流会小到10A左右,而在发生短路故障时,电流会达到10倍以上的额定值(即4kA以上)。因此如何在大电流范围内高准确度地测量电网一次电流的幅值和相位,一直困扰着电力系统的科研工作者。论文提出了一种Rogowski线圈和VFC相结合的方法,较好地解决了这一难题。采用这种测量方法的光电式电流互感器(OECT),具有体积小、重量轻、成本低等特点,正在电力系统测量和数字式继电保护中获得越来越广泛的应用。1rogowski线圈Rogowski线圈和传统的铁芯电流互感器的主要区别在于二者所用的材料和阻抗特性不同。Rogowski线圈实质上是将一组导体线圈绕在一个非磁性芯上,它的二次侧负载一般是大电阻;而铁芯电流互感器是将一组导体线圈绕在一个磁性芯上,它的二次侧负载是一个很小的采样电阻。下面从数学上推导两种电流线圈的二次侧输出电压和一次侧电流的关系:图1是电流线圈等效电路图,设线圈比为1N,一次侧电流ip为恒流源,二次侧电流为is,励磁回路电感和内阻均折合到二次侧,分别为L0和r,二次回路漏感为L,负载为纯电阻R。线圈的基本方程式为对式(1)作拉氏变换并整理得取样电阻R上的电压为在稳态交流下式转化为对于铁芯电流线圈,负载R和漏感L很小,在线性工作段,励磁电感L0很大,即:所以:从式(3)可看出,铁芯电流线圈的二次侧电压输出和一次侧电流成正比,但是由于使用了铁芯材料,其励磁电感L0并非完全线性,特别是一次侧电流大到使铁芯出现饱和时,L0将急剧减小,这不仅使式(3)产生很大的非线性误差,而且输出波形也会严重失真。对于Rogowski线圈,由于采用了非磁性芯,所以励磁电感L0很小且完全线性,同时负载R很大甚至开路,即:所以:其中:为取样灵敏度。由式(4)可看出,Rogowski线圈的二次侧输出电压和一次侧电流的导数成正比。由于Rogowski线圈采用非磁性芯,所以在很宽的电流范围内,不会出现饱和现象,也不会带来非线性误差。但是它的输出电压是电流的导数,所以必须加上非线性的积分环节加以校正。论文利用压频变换(VFC)技术较好地解决了这个问题。由此可见,Rogowski线圈和铁芯线圈相比,具有很宽的电流测量范围和很好的测量准确度,可以用一个Rogowski线圈取代输电线上的传统测量和保护用的两个铁芯线圈。另外Rogowski线圈的重量很轻,便于安装。因此采用Rogowski线圈具有很好的经济和技术价值。2比较a-d和压频变换vbc的比较2.1采样频率的设置逐次逼近型A/D也称为奈奎斯特A/D,它的转换速度快准确度高而价格又比较便宜是使用最广泛的一种。它完成一次转换只须(n+1)个时钟脉冲(n为转换器的位数),转换时间只与位数有关,和输入信号的大小无关。逐次逼近型A/D的采样转换值是即时值,只要采样率满足采样定理,利用采样值就可以完全复现原始信号,频谱分量没有任何失真。假设采样输入电压为f(t),它的频谱函数为F(k),采样频率为ks.f(t)和F(k)满足:如果用ks的采样频率对f(t)进行采样,那么抽样信号fs(t)的频谱函数为:从式(5)可以看出,只要ks满足采样定理,就可以从Fs(k)中提取出F(k).2.2积分计数周期压频变换(VFC)主要是将模拟电压或电流转换成与逻辑电路兼容的脉冲串或者方波,其输出频率与输入模拟量呈精确的线性比例关系。输出频率连续跟踪输入信号,直接响应输入信号的变化而无须外部同步时钟。如果在给定的计数周期内,测量输入脉冲串或者方波的个数,就可以得到在这一计数周期内的平均频率,即这一计数周期内输入模拟量的平均A/D值。V/F变换型A/D的转换准确度较高,抗干扰能力较强。由于VFC的采样转换值是在采样周期内的平均值,即引入了一个积分环节,所以对信号中的高频分量有一定的衰减甚至丢失,数学推导如下:假设采样输入电压为f(t),它的频谱函数为F(k),积分计数周期为T,则f(t)和F(k)满足:采样转换值是积分计数周期T内f(t)的平均值,即如果以ks的采样频率对f1(t)进行采样,那么抽样信号f1S(t)的频谱函数为:只要采样频率ks满足采样定理,从式(7)可以看出,F1S(k)就是以ks为周期重复F1(k),二者只在幅度之间相差一个系数。因此我们在分析F1S(k)时,只需分析F1(k)就可以了。从式(6)可以看出,F1(k)和原始信号的频谱函数F(k)相比,多了一个因子。项是对每一个频谱分量作衰减,使它们表现出低通特性;而(ejkT-1)的影响更加严重,它使得满足:的频率分量衰减为零。因此在选取VFC时一定要注意积分计数周期的选取,否则就将造成频谱分量的丢失;但另一方面,如果适当地选取积分计数周期,也可以消除特定频率的噪声。同时由于VFC的低通滤波特性,使之具有较强的抗干扰能力。2.3原始信号的幅值和相位由以上分析可知,逐次逼近型A/D的采样值是被采样信号的即时值,只要采样频率符合采样定理,就能够从采样值完全复现原始信号,原始信号的幅值和相位都没有任何失真;VFC的采样值是被采样信号在积分计数时间内的平均值,由于引入了一个积分环节,使得它在和Rogowski线圈配合使用时,VFC中的积分环节和Rogowski线圈的微分环节相互抵消,消除了这些非线性环节,从而提高了系统的准确度。3vfc的配合使用Rogowski线圈的输出电压是电流的导数,由于多了一个微分环节,如果和逐次逼近型A/D配合使用,在Rogowski线圈的输出端就必须引入一个非线性的积分环节,而实现高准确度的积分电路是比较困难的,这就影响了整个系统的准确度,同时也增加了系统的复杂性;但是如果和VFC配合使用,相当于在系统中引入了一个数字积分环节,微分环节和积分环节相互抵消,从而保证了系统的线性度和准确度。数学推导如下:假设一次侧的电流为f(t),它的频谱函数为F(k),则Rogowski线圈输出的电压值为它的频谱函数为SjkF(k)。设积分计数周期为T,采样频率为s,则由采样转换得到信号的频谱函数为:在电力系统的的实际应用中,有时只对奇次谐波感兴趣,因而偶次谐波就变成了需滤去的噪声。通过适当地选取积分计数周期,可以不失真地保留奇次谐波,完全滤掉偶次谐波。设工频为k-,希望保留3k-,5k-,7k-…等频率分量,而滤掉直流2k-,4k-,6k-…等频率分量。从式(9)和(10)可看出,如果选取适当的积分计数周期T,不但可完全滤掉偶次谐波,而且对于奇次谐波分量无论幅度和相位都没有任何的失真。所以VFC与Rogowski线圈相结合的方法,能够实现大范围、高准确度的电流测量。4电流和准确度校核实际应用中,运用上面的原理完成的新型光电式电流互感器(OECT),可期望实现从10A到5kA范围内高准确度的电流测量。由于受到实验室条件的制约,对OECT进行了从10A到1.2kA的校准,具体数据见表1(标准值是0.2级的标准电流表读取,准确度的计算是按照相对误差的概念进行的)。用户的要求是在40A～1.2kA范围内实现0.5%的准确度。从实验数据来看,这台OECT很好地实现了用户的要求5rogowski工作原理基于Rogowski线圈和VFC的光电式电流互感器(OECT),具有测量范围广、准确度高、成本低和抗干扰能力强等优点。1)利用了Rogowski线圈不饱和的特性使之能够测量大范围的电流,同时又利用VFC的积分特性来抵消Rogowski线圈的微分特性,较好地消除了系统中的非线性环节,从而对电流进行高准确度的测量。2)通过选取适当的积分计数周期可以有效地滤除干扰噪声。3)成本低。基于其他测量方法的OECT必须用CPU来控制A/D的