技术领域
[0001] 一种用于电流互感器的
信号传输装置及方法，属于电气测量领域。
背景技术
[0002] 在电
力生产、电力传输系统及电力设备中，电流互感器是实现
电能测量及系统保护的重要设备。传统的电磁式电流互感器由于具有绝缘困难、易受
电磁干扰、体积大、成本高等自身难以克服的缺点而逐渐被新型的电流互感器所取代。在各种新型电流互感器中，
电子式互感器凭借其绝缘性能好、抗干扰能力强、尺寸小、造价低、测量动态范围宽、灵敏度高、运行安全等优势而逐渐成为传统电磁式电流互感器的理想替代品。
[0003] 电子式互感器基于电子技术和光纤传输系统，其基本原理是采用一次电流
传感器（如空心线圈或
铁芯线圈）将
母线电流根据线圈的
匝数比变换为小数值的模拟电流信号，再将该电流信号转换为模拟
电压信号，此后通过AD
采样将模拟电压信号转换为
数字信号，由CPU对数字信号进行编码后送入发光管驱动
电路通过电/光转换得到数字
光信号，利用光纤将光信号传输至二次侧电路，依次完成光/电转换、解码后得到母线电流大小的
数字量输出或解码后通过D/A转换输出反映母线电流
波形的信号。
[0004] 使用以上原理设计的电子式电流互感器具有如下缺点：（1）由于其一次侧存在AD转换环节，导致一次侧电路功耗较高，而电流互感器一次侧的供电问题也是目前电流互感器设计的难题之一。
[0005] （2）整个系统对信号的传输采用的是数字信号，因此AD采样时的采样
频率就限制了所要传输的信号的带宽，若采用较高的
采样频率，则系统功耗更大，因此实际系统的采样频率通常不能太大，使得电流中的高频谐波或故障时更高频的行波信号受采样频率的限制而无法传输至二次侧。而这些高频信号恰恰又是电能
质量分析或线路故障分析的重要信息，故而使电流互感器的作用受限。
[0006] （3）实际系统中，由于三相母线都要有电流互感器，因此在将表示母线电流大小的数字量送入电/光转换电路之前必须对各路的信号进行同步编码，以使二次侧接收的三路信号能够同步，因此在一定程度上增加了系统设计的复杂度。
[0007] 电子互感器中采用的发光管一般由电流驱动型器件如发光
二极管LED或
激光二极管LD实现，其发光功率的大小取决于流经发光管的电流，当流经发光管的电流增大至一定程度时，发光管的发光功率 与流过它的电流 呈线性关系。光电管在有光照时输出的电流 与受到的光照强度 也是线性关系。
[0008] 利用发光管及光电管的以上特性，在
现有技术中已存在有将一次侧进入发光管驱动电路前的模拟电压信号（即工频信号）直接调制发光管发光，即将该模拟电压信号直接变为模拟光信号送入光纤传到二次侧的光/电转换电路，则可以避开一次侧电路的AD采样环节，从而也就解决了一次侧电路功耗过高和传输信号频带受限的问题；同时，由于直接将
模拟信号调制传输，也无需对实际系统的三相数据进行同步，则可使系统设计的复杂度大大降低。故而也就解决了目前电子式电流互感器所存在的上述问题。
[0009] 在实际应用中，在一次侧使用模拟信号对光信号进行调制时，通常要提供一个固定大小的直流偏置电压信号，该信号也作为参考信号，通过该信号将模拟调制信号抬高至发光管的线性区，从而实现模拟光信号的传输，这是利用发光管实现模拟信号传输的基本原理。然而，光信号在传输过程中会因发光管与光纤连接器之间的耦合损耗、光纤传输损耗、光纤连接器与光电管之间的耦合损耗、发光管老化引起的发光功率下降等原因从而导致信号大小出现衰减，若要通过测量二次侧工频信号大小来计算一次侧工频电流信号的大小，必须知道工频信号的衰减，可以简单的将直流参考信号的衰减当作工频信号的衰减，但由于两个信号的衰减并不相等，因此用这种方法设计出的电流互感器的误差较大，该方法对于设计保护用的电流互感器是可行的，但将该方法用于设计高
精度的测量用电流互感器则是行不通的。
发明内容
[0010] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种简单方便、成本低廉、能精确计算一次侧工频电流信号大小，可应用到高精度的电流互感器的设计中的用于电流互感器的信号传输装置及方法。
[0011] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该用于电流互感器的信号传输装置，包括由光纤连接的一次侧和二次侧，其特征在于：在所述的一次侧中，连接母线的线圈的输出端连接信号调理单元的输入端，信号调理单元的输出端连接恒流驱动单元的输入端，恒流驱动单元的输出端连接所述光纤的一端；光纤的另一端连接二次侧内光电探测单元的输入端，光电探测单元的输出端连接信号提取单元的输入端，由信号提取单元的输出端进行信号的输出。
[0012] 优选的，所述的信号提取单元至少包括隔直电容及中央处理单元，所述的光电探测单元的信号分为两路：一路通过隔直电容与中央处理单元相连，另一路直接与中央处理单元相连。
[0013] 优选的，所述的光电探测单元至少包括：将光信号转换为电流信号的光电管以及将光电管转换得到的电流信号转换为电压信号的电流-电压转换电路。
[0014] 优选的，所述的信号调理单元至少包括：可生成直流参考电压的电压基准芯片，以及将所述线圈输出的工频信号以及参考电压进行混合的信号混合电路。
[0015] 优选的，所述的恒流驱动单元至少包括将信号调理单元输出的电压信号转换为电流信号的转换
电阻以及由转换电阻转换得到的电流信号进行驱动发光的发光管。
[0016] 优选的，所述的发光管为通讯用发光管。
[0017] 优选的，所述的转换电阻为负
温度系数的
热敏电阻。
[0018] 用于电流互感器的信号传输装置的信号传输方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，向恒流驱动单元输出多组数值不同的直流电压，驱动发光管以不同的功率发光，得到发光管的多组U-P数值；
步骤2，通过步骤1获得的多组U-P数值拟合得到发光管的发光功率-驱动电压的P-U关系曲线： ，并通过系数a、b，根据热敏系数测试方法计算得到恒流驱动单元中热敏电阻的温度系数；
步骤3，将步骤2中P-U关系曲线中的系数a、b以及由信号调理电路中的电压基准芯片产生的直流参考电压信号 的值存储于二次侧中信号提取单元的中央处理单元内；
步骤4，中央处理单元电路对光电探测单元输出的信号分别进行取样，计算出经光纤传输后衰减的直流参考信号值 的值和工频信号的有效值 ；
步骤5，根据工频信号计算公式计算得到一次侧线圈输出或由信号调理单元转换得到的工频信号 ；
步骤6，根据步骤5计算得到的工频信号 计算得到母线的有效值。
[0019] 优选的，步骤5中所述的工频信号计算公式为：其中，a、b分别为发光管的P-U关系曲线 的系数， 为信号调理单元
内使用电压基准芯片产生的直流参考电压， 、 分别为中央处理单元采样得到的衰减后的参考电压 和工频信号。
[0020] 优选的，步骤2中所述的热敏系数测试方法，包括如下步骤：步骤a，在常温T1下，向恒流驱动电路输出一个恒定的直流驱动电压；
步骤b，利用电位器代替热敏电阻并测出电位器的初始电阻值R1；
步骤c，记录发光管在温度T1下的发光功率P1；
步骤d，使用升温设备将发光管的
工作温度升高至T2，并记录在温度T2下的发光管的发光功率P2；
步骤e，保持发光管的工作温度为T2，并不断减小电位器的阻值，此时发光管2的发光功率开始升高，当发光管的发光功率上升至P1时，记录此时的电位器阻值R2；
步骤f，通过计算发光管的工作温度的差值 =T2-T1，以及电位器阻值的下降值=R1-R2，计算得到热敏电阻应具有的温度系数，根据该原理完成对热敏电阻的选择。
[0021] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：1、本发明在计算工频信号有效值时，不完全通过参考信号的衰减程度进行计算，因此可精确计算出一次侧工频信号有效值，可应用到高精度的电流互感器的设计中，同时具有简单方便，成本低廉的优点。
[0022] 2、在信号提取单元中，通过设置隔直电容和中央处理单元，可实现衰减信号的隔离和精确计算。
[0023] 3、在信号调理单元中，设置可输出参考电压的电压基准芯片，一方面可使发光管处在线性输出范围内，另一方面可作为工频信号计算的参考。
[0024] 4、恒流驱动单元中的转换电阻为负温度系数的热敏电阻，弥补了温度升高引起的发光管发光功率下降，其P-U关系中的系数a、b可保持不变。
[0025] 5、在本用于电流互感器的信号传输装置中，可以将一次侧的工频模拟信号直接传输至二次侧，在一次测中无需设置采样环节，一次侧电路功耗更低，电路设计简单。
附图说明
[0026] 图1为用于电流互感器的信号传输装置原理方
框图。
[0027] 图2为用于电流互感器的信号传输装置信号提取单元原理方框图。
[0028] 图3为用于电流互感器的信号传输方法
流程图。
[0029] 图4为发光管驱动电流I-
发光效率P曲线图。
[0030] 图5为发光管输入电压U-发光功率P曲线图。
[0031] 图6为不同温度下输入电压U-发光功率P曲线图。
[0032] 图7为热敏电阻的热敏系数测试流程图。
[0033] 其中：1、一次侧 2、发光管 3、光纤连接器 4、光纤 5、光电管 6、二次侧。
具体实施方式
[0034] 图1~7是本发明的最佳
实施例，下面结合附图1~7对本发明做进一步说明。
[0035] 如图1所示，用于电流互感器的信号传输装置，包括由光纤4连接的一次侧1和二次侧6。一次侧1包括线圈、信号调理单元、恒流驱动单元。线圈的输入端与母线相连，其输出端连接信号调理单元的输入端，信号调理单元的输出端连接恒流驱动单元的输入端，恒流驱动单元的输出端通过一次侧1内的光纤连接器3连接光纤4的一端，二次侧6通过其内的光纤连接器3连接光纤4的另一端。二次侧6包括光电探测单元以及信号提取单元。光电探测单元的输入端连接二次侧6光纤连接器3，其输出端连接信号提取单元的输入端。
[0036] 线圈一般为空心线圈或铁芯线圈。在实际产品中，空心线圈通常通过内置的积分电路将母线电流变为模拟电压信号直接输出；铁芯线圈通常内置一个分流电阻将母线电流转换为模拟电压信号直接输出；也可采用传统的直接输出模拟电流信号的铁芯线圈实现，此时要在信号调理单元内设置相应的转换电阻将电流信号变为模拟电压信号。当线圈采用上述三种类型的任意一种进行实现时，其直接或间接输出的模拟电压信号记为 。在信号调理单元内设置有输出直流参考电压信号 的电压基准芯片，并通过信号调理单元通过其内的信号混合电路将直流电压信号 与模拟电压信号 进行混合后输出，作为恒流驱动单元的输入电压信号 ，即 ，信号混合电路可利用现有技术，通过集成
运算放大器实现两信号的混合。混合电压信号 被送入恒流驱动单元之后，通过恒流驱动单元转换为电流信号并驱动其内的发光管2发光。发光管2发出的光经光纤连接器3进入光纤4并送至二次侧6的光纤连接器3内。
[0037] 一次侧1发出的光信号被送入二次侧6后，首先进入光电探测单元内，经光电探测单元内的光电管5将光信号转换为电流信号，再经光电探测单元内的电流-电压转换电路将电流转化为电压信号 输出。电流-电压转换电路至少包括一个将电流信号转换为电压信号的反馈电阻以及集成
运算放大器。通过电流-电压转换电路得到的电压信号相比较电压信号 会因发光管2与光纤连接器3之间的耦合损耗、光纤传输损耗、光纤连接器3与光电管5之间的耦合损耗、发光管2老化导致的发光功率下降而导致衰减，因此 ， 和 分别为衰减后的参考电压信号 和模拟电压信号。电压信号 被送入信号提取单元内，如图2所示信号提取单元包括中央处理单元以及隔直电容，光电探测单元输出的电压信号 分为两路，一路经隔直电容送入中央处理单元，另一路直接送入中央处理单元。经隔直电容去掉直流电压信号 后保留模拟电压信号 ，中央处理单元根据两路送入的信号分别对 和 进行采样并进行计算，还原得到原始的模拟电压信号 。
[0038] 如图3所示，用于电流互感器的信号传输方法，包括如下步骤：步骤1，获取多组常温下的（U、P）数值。
[0039] 设备出厂前，在室温下，通过信号发生器向恒流驱动单元输出多组数值不同的直流电压信号Uc，通过不同的直流电压Uc恒流驱动单元驱动发光管2发光，并通过光功率计得到相应的多组功率值，得到发光管2的多组（U、P）数值。
[0040] 发光管2（如LED）是电流型器件，其驱动电路使用恒流驱动，即其发光功率 由流过它的电流I决定。发光管2完整的P-I关系曲线如图4所示，由于发光管2在发光时死区电压的存在，使得该曲线关系接近二阶多项式的关系而并非是完全线性关系。然而随着流经LED电流的不断增大，其P-I关系则逐渐呈现良好的线性关系。如图4所示，电流I从I1之后其P-I关系即为线性关系。
[0041] 在实施本电流互感器的信号传输方法时，可通过
硬件电路（如控制直流偏置电压的大小或恒流驱动电路中热敏电阻的大小）控制工作电流的范围在 和 之间，则该段的P-I关系自然也是线性的。实际系统中，由于本发明应用的LED驱动电路为恒流驱动，因此流经LED的电流I与该恒流驱动单元的输入电压U只是一个电阻R的倍数关系，因此在应用时，只需要测量该LED所用的恒流驱动单元的P-U关系而不需测量P-I关系。其原因是恒流驱动单元前的信号调理单元的实际输出就是一个模拟电压信号而非电流信号。
[0042] 步骤2，得到发光管功率-驱动电压曲线。
[0043] 通过步骤1获得的多组（U、P）数值拟合得到发光管功率-驱动电压的P-U关系曲线，P-U关系曲线满足公式： 。在实际实施中，由于信号调理单元输出端输出的电压值为直流电压信号 与模拟电压信号 进行混合后电压值 ，因此混合后电压值 同样符合上述公式，得到公式（1）：公式（1）
如图5所示，对于一个特定型号的通信用LED（如
波长为650nm的红色可见光LED），在P-U关系线性度良好的（U1，U2）区段，其P-U关系符合公式（1）： ，其中 。
对应的a、b值可以通过对该LED的恒流驱动单元利用信号发生器施加若干个（U1，U2）区间的直流电压信号，相应的测出各个电压信号对应的发光功率值，利用
软件（如Matlab）对这些点进行曲线拟合即可得到a、b的值。对发光管2的发光功率的测量使用光功率计实现。
[0044] 本发明应用于电流互感器时，电力系统中当母线电流较大时会导致电流互感器内部的温度升高，进而导致发光管2温度的升高。发光管2的发光功率会随温度的升高而下降，这将导致P-U关系中系数a和b的值发生变化。
[0045] 如图6所示，经实际测试可知：在25℃和70℃时，在（U1，U2）区段，其P-U关系都是线性的，但25℃时的系数a、b及70℃时的系数a’、b’却不相等，即P-U关系对应的系数a和b是会随温度变化而变化的，这不利于本电流互感器的信号传输方法的实施。为了保证在温度升高时，所用恒流驱动单元P-U关系的系数a和b不变，可以在温度升高时相应增大流经发光管2的电流。具体实施方法是在恒流驱动单元中，将电压Ui转化为发光管2驱动电流所用的电阻R使用负温度系数的热敏电阻（NTC），该类热敏电阻在温度越高时其电阻值会越低，从而使得流经发光管2的电流自动增大，对电压Ui来说，也就弥补了温度升高引起的发光管2发光功率下降，其P-U关系中的系数a、b可几乎保持不变。由此保证在温度变化时，使用本方法依然能够实现高精度测量。
[0046] 热敏电阻选择时要根据发光管2对温度的敏感程度，若发光管2的发光功率对温度敏感程度大，则选择电阻温度系数较大的热敏电阻，否则选择电阻温度系数较小的热敏电阻。如图7所示，在进行热敏电阻的热敏系数测试时，包括如下步骤：
步骤a，在常温（如25℃）T1下，向恒流驱动电路输出一个恒定的直流驱动电压。
[0047] 步骤b，利用电位器代替热敏电阻并测出电位器的初始电阻值R1。
[0048] 步骤c，记录发光管2在温度T1下的发光功率P1。
[0049] 步骤d，使用升温设备（如加热箱）将发光管2的工作温度（以发光管焊盘的温度作为发光管温度）升高至T2，并记录在温度T2下的发光管2的发光功率P2。
[0050] 步骤e，保持发光管2的工作温度为T2，并不断减小电位器的阻值，此时发光管2的发光功率开始升高，当发光管2的发光功率上升至P1时，记录此时的电位器阻值R2。
[0051] 步骤f，通过计算发光管2的工作温度的差值 =T2-T1，以及电位器阻值的下降值 =R1-R2，计算得到热敏电阻应具有的温度系数，根据该原理完成对热敏电阻的选择。
[0052] 步骤3、将一次侧1参数存储于二次侧6。
[0053] 将P-U关系中的系数a、b以及直流参考电压信号 存储于二次侧6中信号提取单元的中央处理单元内。
[0054] 步骤4，计算得到二次侧直流电压参考值以及工频信号有效值。
[0055] 设备在现场工作时，二次侧6中信号提取单元内的中央处理单元电路对光电探测单元输出的直流参考信号值和工频信号采样后，计算出衰减后的直流参考信号值 的值和工频信号的有效值 。
[0056] 步骤5、计算得到一次侧1工频信号有效值。
[0057] 如图1所示，假设发光管2发出的光功率为P，发光管2发出的光依次经过光纤连接器3（如FC
接口）耦合进入光纤4（如塑料光纤），经光纤4完成传输后进入光电探测器电路的光电管5。在上述的光信号的传输中，每个环节都要造成光功率的衰减。假设最终耦合进入光电管5的光功率为P’，则P’与P的关系满足公式（2）： ，其中 。
[0058] 光电探测器电路实质是一个“电流—电压”转换电路，其中的光电探测器（光电管5）将接收到的光信号转化为电流信号，再利用反馈电阻将电流转化为电压信号Uo输出。通过选用低偏置电流的运算放大器、线性度良好的“光-电”特性的光电探测器以及“零偏置电压模式”的电路设计方法可使得该光电探测器电路的输入光信号P’和输出的电压信号Uo之间符合公式（3）： 。
[0059] 根据公式（1）~公式（3）： 、 和 可以推出公式（4）：。其中a和b由发光管2的P-U特性决定，并通过使用热敏电阻的
设计使得a和b的值保持不变； 则代表了光纤4对光信号的衰减、耦合衰减以及发光管2的发光老化影响； 是一个常数，其包含了光电探测器的转换效率、电流-电压转换电路的反馈电阻的大小。
[0060] 本实际应用中，若只对 恒流驱动单元输入一个直流参考信号 ，则由公式（4）得公式（5）： 。其中a、b、 为已知数， 可以在二次侧6的信号提取单元中测量得到，由此可以求出公式（6）
公式（6）
如图5所示，对恒流驱动单元而言，其实际输入端输入的电压信号为 。
可由硬件方式实现产生（如使用电压基准芯片REF5025输出一个2.5V的直流参考信号），相应的发光管2的发光功率也以 为基准，随着 信号的变化而变化，变化范围（U1，U2）根据电流互感器所要测量的母线的最大电流决定；若所测量的母线的电流工作范围较大，可提高 的值，即提高电路的静态工作点，同时在恒流驱动电路中的热敏电阻选择时，选择阻值较小的热敏电阻。电流互感器的二次侧6中光电探测器电路
输出电压值Uo为 ， 、 均可在二次侧6的信号提取单元中先采样，再利用中央处
理单元计算得到。根据公式（5），得到公式（7）：
，公式（7）与公式（5）相减得到公式（8）： ，其中a为已知， 由公式（6）得到， 在二次侧6中通过信号提取单元中的中央处理单元测量得到，于是得到公式（9）：
公式（9）
通过上述公式（9）即可求出线圈输出的模拟电压信号 。
[0061] 步骤6，计算得到一次侧1的母线电流有效值。
[0062] 由步骤5中分析得出的公式（9）计算得到的模拟电压信号 与流经线圈（铁芯线圈或空心线圈）的母线电流的大小仅是一个倍数关系，该倍数的大小取决于所用线圈初次级绕组的匝数比以及采用上述的三种不同线圈实现时对应的以下情况中的任意一种：空心线圈积分电路的设计或铁芯线圈分流电阻的大小或传统铁芯线圈在信号调理电路中的转换电阻的大小。根据公式（9）计算得到的模拟电压信号 ，位于二次侧6内信号提取单元中的中央处理单元将 乘上该倍数即能算出母线电流的大小。根据二次侧设备的需要，中央处理单元从而可将母线电流的大小以数字量的形式输出至二次侧的合并单元再接二次设备；中央处理单元也可将信号提取单元输出的模拟的 信号进行程控放大后直接供给测量仪器或继电保护装置。
[0063] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
