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1、外文翻译题目： 有源型电子式电流互感器的设计 作者姓名 杭学敏_指导教师 陈明军 副教授_ 专业班级 电气工程及其自动化 1202_学 院 信息工程学院_ 提交日期 2016 年 3 月 11 日一种基于 Rogowski 线圈的电子式电流互感器M. Faifer, R. Ottoboni Dipartimento di Elettrotecnica, Politecnico di MilanoPiazza Leonardo da Vinci 32 - 20133 Milano ITALY 摘要：针对解决配电网重构问在工业世界中，电能的质量正变得越来越关键。为了保证这一要求，新的测量系统应安装
2、在不同级别的功率网络内，能够在很宽的频率范围内测量具有适当精度的电流和电压谐波。在高电压电力系统中，使用传统的测量装置很难实现这一要求，主要是被这种传感器的带宽所限制。正因为此，在过去几年里，一些研究行动已经开始重点研究和开发新的高压网络测量系统。本文展示了一种基于 Rogowski 线圈的电流互感器，它可以实现电能质量分析所需要的功能。它所采用的基于数字处理技术的变压器结构，可以克服将 Rogowski 线圈作为电流互感器使用时遇到的典型问题。关键词：高压系统测量，非常规互感器，Rogowski 线圈，电流互感器，数字处理。1 引言每一个电气工程师都应该清楚地知道在电力系统中谐波污染和非谐波
3、污染问题的重要性。在过去的几年里，标准的制订、会议的讨论和大量的论文研究都集中在这个话题上，而且激烈的争论还在进行当中。不管怎么样，无可争议的是测量在这之中扮演了非常重要的角色。为此，一种相比于传统电磁测量互感器拥有更大带宽的新一代电压和电流互感器，已经在研究和开发当中。到目前为止，大部分的研究方向都在低压电力系统的测量方面。尽管如此，人们也有越来越多的兴趣去做高电压系统方面的研究。而在这个情况下，研究者所面临的一个基本问题就是需要有适当的电压和电流互感器。除了通常的对精度和带宽的要求外，这种器件还需要在输入和输出之间有非常好的电气隔离。因此，一些新的和非常有趣的研究已经被用于开发新型传感器的
4、高压应用1， 2，3 ，4 和5，一些商业用的传感器也已经被用在发电厂6，7，8和9 。如果考虑到当前关于测量研究者需要完成的任务，被讨论最多的是基于光学传感器和 Rogowski 线圈的非常规解决方案。这些方案可以解决许多基于磁芯的传统互感器碰到的典型问题。特别是，它们可以克服许多困难，例如带宽的限制，以及用非线性的、开放的方式来对高压线电流进行谐波监测。从分析使用 Rogowski 线圈的常见问题入手，本文的主要目的是提出一种基于 Rogowski 线圈新的非常规结构的电流互感器。这种互感器的额定电流为1000A，在大部分环境温度下能保持 0.1 级精度，而且它能够在 16Hz 到 780
5、Hz的频率范围内准确地测量电流。详见 IEEC60044-8 16。2 Rogowski 线圈的典型问题Rogowski 线圈是一种特殊类型的互感器，它由一个通常是环形形状的空心绕组组成。取决于设计的不同，这种线圈可以测量几安培到几百千安培的电流，频率可以从几赫兹到几百千赫兹17。用一个带电流 的载流导体穿过 Rogowski 线圈，它将会产生一个电压)(tI， 与它的互感系数 和电流 的导数成正比：)(tVoutouM)(tI(2-1)(tdtVou为了实现输出信号能和电流成正比，研究者需要整合线圈所提供的电压。这一步操作一般是通过高性能模拟电子线路实现的，但不幸的是，这一方式带有模拟电路的
6、典型问题。首先就是电子器件的成本问题。为了保证合适的性能，研究者必须使用高质量的主动和被动元件。此外，由于其性质，模拟电路需要一个非常昂贵的校准系统。最后，模拟电路还存在长期使用的稳定性问题，以及对环境条件变化反应过于敏感的问题。正如大家所知道的，所有这些问题都会在这个应用过程中被放大。实际上，在高精度集成电路的设计中，偏置电流、电压输入偏置、热漂移等效应更为关键。除此之外，高电压和高电流的存在会带来强电磁干扰问题，因此还需要特别注意电磁兼容问题。此外，模拟电路的设计必然需要非常可靠，因为它很难进行现场维护和定期校准。这种传感器的另一个典型问题是它对温度的依赖性。一个 Rogowski 线圈可
7、以由一系列的电阻 ，电感 和电动势 （电动势）组成一个模型来表示，它cRcLE们都与温度有关。事实上，温度变化不仅会导致电阻值 的改变，而且会引起cR绕组面积的变化，从而引起电感 的变化。电感 变化，而线圈和导体之间的ccL互感系数 不变，所以载流变化，从而产生电动势 的变化。M最后，这种传感器的另一个典型的问题是它对外部磁场的敏感性。事实上，根据安培定律，一个理想的 Rogowski 线圈应该能提供一个信号，与导体穿过线圈时的电流成比例。但是，任何真正的 Rogowski 线圈都不完全排斥在外导体中流动的电流产生的磁场。3 提出的解决方案这项工作的主要目的是研究开发基于 Rogowski 线
8、圈的电流互感器，希望可以用它取代传统的互感器，克服上述的所有问题。本节介绍了此目的的解决方案，所提出的电流互感器的电子部分基于一个模拟/数字转换和数字/模拟转换的电子系统，数字部分用 FPGA 来实现。这样的方案充分利用了数字信号处理的优点，而选择 FPGA 技术则是看重了它的灵活性和计算能力。电流互感器的整体架构设计将在第四节中描述。a. 信号集成通过模拟信号到数字集成的转换，大部分模拟信号积分相关的问题可以被解决。一个模拟集成电路可以被替换成一个数据采集链和一个数字信号处理单元。由 Rogowski 线圈提供的模拟信号经过了采样、转换和处理。使用 FPGA或 ASIC 技术，能够以高效和高
9、性价比的方式整合数字信号。遵循这种方法，为了实现一个适当的数字集成，某些方面必须要考虑。首先，显然不可能实现一个完全理想的整合。如果输入信号的平均值为零，则可实现该方案的输出，否则集成的输出信号是发散的。这个问题可以通过除去输入信号整合之前的平均值来解决，或者使用在所需频率范围内一阶低通滤波器的积分。如果采用后者解决方案，那么输入信号中的直流分量会导致输出信号中存在直流分量。积分过程中的另一个典型问题是信号的未知初始条件的影响。事实上，即使是一个周期性的信号，平均值被认为是零，当信号不为零时，在积分过程的初始阶段，输出也将受到直流分量的影响。既然直流元件不携带关于测量电流的信息，那么就应该将它
10、们去除掉。但事实上，整体的直流分量产生的原因是数据采集链的电子器件的非理想性，以及数值积分过程中的未知初始条件。数值处理的过程完成后，就要考虑数学模型的问题了。这里应当正确评估由于数值逼近产生的错误，以保证测量过程的准确性。根据所做的分析，固定点格式是一个很好的解决方案。可以使用一个带有模数转换器的简单接口，同时，一部分更容易实现的数学运算，例如除法，可以用一个简单的移位寄存器来实现。还要非常注意内部寄存器的大小避免它溢出。寄存器的长度取决于处理过程和输入信号的特性。特别是，信号的平均值是需要控制的主要参数。这种方法可以减少硬件资源的消耗，同时保证一个适当的整合过程的准确性。根据上述的分析，本
11、文已经实现了一个完整的过程，其中包括数字格式转换器，积分估值器和平均值估计器（图 1）。图 1：集成过程框图一个 16 位的 AD 转换器提供了一个输出串行数据流的单极码。格式转换器将数据转换为并行的、带有符号格式的固定点代码。数据流由截止频率为0.2Hz 的一阶低通巴特沃斯滤波器组成的集成块详尽阐述。选定 16Hz 这个频率，是为了即使在较低的频率范围内也能获得一个合适的相位和比例误差。实现的滤波器的 Z 变换：（3-1）13131)247609()( zzH为了能用 FPGA 实现该滤波器，用递归的方式将方程（2）重写：（3-2）31131312)47609(nnnn yxy实现的乘法器具
12、有 32 位长度。使用合适的内部寄存器可以解决上述饱和问题。对这些寄存器的长度的定义，基于在 AD 转换前电子器件带来的总直流分量的合理的最大值（在我们的情况下是小于 400 LSB），并且要考虑到最坏的信号初始条件。在信号集成结束后，将剩余直流分量叠加到输出信号中，然后除去。此操作基于平均值估计。估值器是由一系列的三阶低通巴特沃斯滤波器组成的，它们的截止频率为1Hz。这一解决方案已经被采纳，来用于实现三分之一阶低通滤波器的等效性能，滤波器的系数长度有 32 位，并且没有直接合成滤波器带来的稳定性问题。实现的滤波器的 Z 变换：（3-3）13131)68427()( zzH用递归的形式重新书写
13、：（3-4）31131312)(2nnnn yxy从优化硬件资源消耗和算法精度的角度来看，合理的乘法系数应当被应用在制定中。为了评估该过程的正确性，所有的算法之前都已通过 MathWorks 公司的 Simulink 软件工具进行过模拟。特别是，所有的参数（寄存器的长度，乘法器系数，操作流程中的策略等）都已被选择和测试，来验证在任何可能的频率范围内的输入信号下，最终的输出信号的误差都低于输出分辨率（16 位）。b. 热漂移补偿从上述讨论中可以得出，Rogowski 线圈的一个特征是对温度的内在依赖性，这是由绕组面积的修正和电参数的变化导致的。一般在几赫兹到几千赫兹的频率范围内，相比于电阻值，电
14、抗值几乎可以忽略不计（例如，我们使用的线圈的参数是： = 3.316 H和 = 97.5），所以可以除去电感来简化模型（图cLcR2）。最后的模型中所有参数都与温度有关。而且，可以证明得到，在可取值的很大一部分区间内，它的值可以被看成与温度成正比18。图 2：带补偿电阻的 Rogowski 线圈的电气模型从这方面考虑，或许可以利用线圈电阻的变化，来减小输出电压的温度依赖性18。事实上，如果用一个非常低的温度漂移的电阻对线圈输出，可以利用电阻和电阻之间的分配效应来减小电动势。分析清楚 E 跟 R 的关系后，就可以找到与温度相关的 R 的最佳值。实际上：（3-5）)()(TRETVcout 用温度
15、来表示 的灵敏系数：out（3-6）TRTT ccct )()()()( 2为了得到在温度条件下的 电压常数，此导数应该等于 0：outV（3-7）0Tout TREcc)(1)(（3-8）Tcc)()(规定：， （3-9）)(TEK)(TRKc将（3-9 ）代入（3-8 ），得到： （3-10）RbcEKT)(最后得到的电阻的最佳值为：（3-11）)1(ERc表示 在额定温度下的值（即 20）。CR)(Tcc. 外磁场抑制人们通常采用补偿电阻来防止外部导体的电流流动导致 Rogowski 线圈发生磁场倒转19 。这种技术允许串扰抑制，虽然可以被认为适用于大多数的应用程序，但残余的串扰效应会构成对高精度测量应用程序的限制13。这里做了一个简单的改进，使用两个相同的线圈，并且采用平衡的配置。这样，每个线圈上由内导体电流感应产生的信号被作为差模信号处理，而外部导体电流产生的信号会导致共模信号产生，它可以用差分放大器进一步解决。这个方案的一个明显的缺点是增加了成本和复杂性。不管怎么样，这种设置得到的线圈输出信号的振幅，是单线圈结构的两倍。它可以延长测量范围，也可以减小电流振幅。4 电流互感器结构本文所提出的解决方案的原型已经实现，研制的电流互感器实际上基于两个商业刚性 Rogowski 线圈（ Rocoil 模型 sx150 17），并且采用平衡的配置。正
