摘要：提出一種新型的電子式電壓互感器，它結(jié)合了光纖和電容式電壓互感器的優(yōu)點(diǎn)，一定程度上解決了高壓傳輸系統(tǒng)中的絕緣和抗電磁干擾等傳統(tǒng)難題。 
關(guān)鍵詞：雙CPU；光纖；電子式電壓互感器 

1 引言 

電壓互感器是電力系統(tǒng)中一次與二次電氣回路之間*的連接設(shè)備，其作用是實(shí)現(xiàn)一次、二次系統(tǒng)的電氣隔離，把一次側(cè)的高電壓變換成適合于繼電保護(hù)裝置和電氣測量儀表等工作的低電壓。隨著電力系統(tǒng)超高壓輸變電的發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器（PotentialTransformer，簡稱PT）的體積變得越來越大，造價高，存在鐵磁諧振等嚴(yán)重問題，給PT的防爆和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來困難，在高壓電力系統(tǒng)中PT逐步被電容式電壓互感器［1，2］（Capacitive Voltage Transformer，簡稱CVT）所取代。CVT相對電磁型電壓互感器，具有防鐵磁諧振、性能價格比較高以及運(yùn)行維護(hù)工作量較小等明顯優(yōu)勢，成為高電壓等級系統(tǒng)中的主要測量裝置。光學(xué)電壓互感器（Optical VoltageTransformer，簡稱OVT）是集晶體物理、光電子技術(shù)、光纖技術(shù)、高電壓技術(shù)和微機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，具有絕緣性能*、抗干擾能力強(qiáng)以及無鐵芯線圈等很多傳統(tǒng)互感器*的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于電力系統(tǒng)的微機(jī)化測量保護(hù)和無人值班電站，是新一代電壓互感器的主導(dǎo)研究方向。我國在80年代也參與OVT的開發(fā)和研制，并在電網(wǎng)中掛網(wǎng)運(yùn)行，取得了寶貴經(jīng)驗。但其實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化過程中仍存在一些工藝和技術(shù)的問題，其可靠性和穩(wěn)定性還有待于提高。本文提出了一種新型的易于實(shí)用化的電壓互感器——電子式電壓互感器（Electronic VoltageTransformer，簡稱EVT），它采用了成熟的電容分壓技術(shù)卻不含鐵芯線圈；充分利用了光纖的優(yōu)良特性，卻無需考慮復(fù)雜的工藝及穩(wěn)定性等問題，可以說，EVT集CVT和OVT的主要優(yōu)點(diǎn)于一身。 

2 電子式電壓互感器 

電子式電壓互感器采用了*的光纖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高低電壓之間真正的電隔離，巧妙地解決了高壓傳輸系統(tǒng)中傳輸與隔離的矛盾［3，4］。其基本設(shè)計思想是：采用光纖傳輸被測信號，使互感器一、二次側(cè)之間只有光的而無電的；采用成熟的電容分壓技術(shù)而去掉鐵芯單元，降低故障率；采用信息融合技術(shù)［5］等進(jìn)行軟件補(bǔ)償處理，提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。 

系統(tǒng)可分為三大部分：電容分壓器、室外電子單元、室內(nèi)主控裝置，如圖1所示。采用電容分壓器獲取信號，通過電容器串并聯(lián)組合將電網(wǎng)高電壓進(jìn)行分壓，降至100V以下，以便于高壓側(cè)電子單元對其進(jìn)行前端處理、采樣，zui后再通過電／光轉(zhuǎn)換耦合進(jìn)光纖。采用光纖實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)與低壓側(cè)的隔離，并將被測信號傳輸?shù)降蛪簜?cè)主控室，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)出被傳數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行軟件方面的補(bǔ)償處理。電容分壓器和高壓側(cè)電子單元都工作在室外，受溫度影響較大，所以系統(tǒng)同時把溫度信號通過光纖傳到主控室，將電壓信號和溫度值進(jìn)行融合處理，以補(bǔ)償溫度對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。同時系統(tǒng)留有兩種信號接口，既可以將數(shù)字量直接送到微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，也可對模擬式繼保裝置進(jìn)行控制，便捷快速地與繼電保護(hù)系統(tǒng)融為一體。

3 結(jié)構(gòu)簡介 

3．1 電容分壓器 

電容分壓器是系統(tǒng)的信號獲取單元，通過電容器串并聯(lián)組合將電網(wǎng)高電壓進(jìn)行分壓。這里主要考慮兩方面誤差：一是電容分壓器置于室外，大范圍的溫度變化會直接影響電容分壓器的分壓比，使其不穩(wěn)定，從而影響測量準(zhǔn)確度；二是電容器的分壓引入的相位差?？梢圆捎秒娙萜鞔⒙?lián)組合的方式來分壓，以減少溫度對分壓比的影響；軟件上把溫度作為系統(tǒng)中一個重要參數(shù)與電壓信號進(jìn)行信息融合，以消除溫度變化對整個系統(tǒng)的影響。 

3．2高壓側(cè)電子單元 

高壓側(cè)的電子單元是整個系統(tǒng)的“外核”，如圖2所示。主要包括信號預(yù)處理模塊、A／D轉(zhuǎn)換、一片*先出存儲器（FIFO，IDT7203）、兩個單片機(jī)（AT89C51）及光發(fā)射模塊等。為提高采樣精度，選用BB公司的16位高速AD采樣芯片ADS7805，每周期（1／50Hz）采樣64個點(diǎn)。為提高系統(tǒng)實(shí)時性，采用了兩個單片機(jī)，其中一個專門負(fù)責(zé)采樣，并將數(shù)據(jù)暫存在FIFO中；而另一個單片機(jī)專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，其主要任務(wù)是把FIFO中的數(shù)據(jù)快速地通過光纖傳輸給主控室，同時它還要控制溫度傳感器，并把溫度信號傳輸?shù)街骺厥摇榱吮ＷC（準(zhǔn)）實(shí)時性，要滿足在*個單片機(jī)采樣一周期（0．02s）的時間內(nèi)，第二個單片機(jī)要傳完一周期所采的64個數(shù)據(jù)（16位），同時還要兼顧溫度傳感器的測量及溫度值傳輸。溫度傳感器采用DS18B20，該芯片采用一線技術(shù)，接線簡單，轉(zhuǎn)換速度快，測量結(jié)果直接就是數(shù)字信號（溫度值）。整個單元工作在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，因而不但要滿足處理的速度和精度，同時還要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3．3 低壓側(cè)主控室 

低壓側(cè)主控室主要接收光信號，進(jìn)行光／電轉(zhuǎn)換，并對測量數(shù)據(jù)（電壓和溫度）進(jìn)行處理，包括濾波、相位補(bǔ)償、電壓信號和溫度值的融合處理等，以降低溫度對系統(tǒng)的影響，補(bǔ)償分壓產(chǎn)生的相位差，提高系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。zui后根據(jù)有效值定義進(jìn)行計算，給出計量值及被測電壓波形。同時通過數(shù)字和模擬兩種接口，便捷快速的與繼電保護(hù)系統(tǒng)融為一體。這部分的主CPU采用TI公司的數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320F240，該芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、有硬件乘法器、運(yùn)算速度快，接口便捷、編程簡單、穩(wěn)定性高，在數(shù)字化控制方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。 

3．4 光纖傳輸 

光纖的物理特性決定了其具有絕緣性能好、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，恰好為解決高壓傳輸系統(tǒng)中傳輸與隔離的矛盾提供了新途徑。光纖傳送的是攜帶被測電壓信息和溫度的數(shù)字式光信號，從而實(shí)現(xiàn)了高低電壓之間真正的電隔離，提高了安全保障。采用單模光纖、高靈敏度光接收組件，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。光源光功率的穩(wěn)定性是影響光纖傳輸性能的一個重要因素，因而在光發(fā)射模塊引入一個光功率自動控制電路，如圖3所示。電路的主要功能是使激光器的輸出光功率在一定功率水平上并保持穩(wěn)定，來確保光纖傳輸?shù)目煽啃浴?nbsp;

光源采用的是三星DL47B3A激光發(fā)射器，內(nèi)置激光器LD、PIN探測器和熱敏電阻。如圖3所示，LD、PIN探測器和光功率控制電路形成負(fù)反饋環(huán)路，激光器組件中的PIN管用來監(jiān)測從激光器發(fā)光管LD背向透射出來的光功率的大小，這個背向透射出來的光功率與激光器輸出光功率有一定的比例關(guān)系，同時也受溫度影響，所以采用一個負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻提供參考電壓來做補(bǔ)償?；具^程是當(dāng)LD的輸出光功率降低，PIN光電流減小，則比較放大器的輸出端電位升高，從而使驅(qū)動OPA547的輸出電流增加，LD的輸出光功率就增加；反之亦然，從而達(dá)到自動光功率控制的作a使LD的輸出光功率保持穩(wěn)定。

3．5 電源 

高壓側(cè)電子單元的工作電源從電網(wǎng)上直接取得，這是一個特殊設(shè)計的電源［6］，其特點(diǎn)就是高壓側(cè)線路部分的電源*由高壓側(cè)感應(yīng)產(chǎn)生，低端不必采用復(fù)雜的能源供給設(shè)備將電能傳輸?shù)礁邏簜?cè)。 

同時為保證當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)異常情況時，該電源也能提供穩(wěn)定的電力，加入了蓄電池作為備用電源。 

4 結(jié)論 

電子式電壓互感器結(jié)合了光纖和電容式電壓互感器的優(yōu)點(diǎn)，集光纖、通信、微機(jī)技術(shù)于一體，一定程度上解決了一些傳統(tǒng)難題（如絕緣和電磁干擾等）；采用數(shù)字信號處理技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)，提高了電壓互感器的測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站。同時相對于光學(xué)電壓互感器而言工藝簡單，符合當(dāng)前的技術(shù)工藝水平，易于實(shí)用化生產(chǎn)。作為電容式電壓互感器的換代產(chǎn)品，有巨大的市場潛力。