用于多路母线电流检测的电流互感器及其电流检测方法

摘要

本发明公开了一种用于多路母线电流检测的电流互感器，包括传感光源、快速光衰减器、信号调理模块和信号解调模块；传感光源的输出端与快速光衰减器的光输入端连接；快速光衰减器的电输入端与信号调理模块的输出端连接；快速光衰减器的光输出端与信号解调模块的输入端连接；信号调理模块包括工作点设置模块、第二加法器和n个并联的电流调理单元，信号解调模块包括光电接收机和n个并联的电流解调单元。该电流互感器具有低功耗的功效，且可以同时对多路母线电流进行准确测量。同时，还公开了该电流互感器的母线电流检测方法，该检测方法具有测量精度高的功效，可以同时对多路母线电流进行测量。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统监测和保护领域，具体来说，涉及一种用于多路母线电流检 测的电流互感器及其电流检测方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，对于电力的需求日益增长。电力系统在各个环节和不 同层次具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、 通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。测量电流是一种获取电力系 统信息的常规手段。目前电力系统中大量使用的传统电磁式电流互感器存在着磁饱 和、电磁干扰、动态范围小、频带范围窄以及易燃易爆等问题。同时，传统的电磁式 电流互感器使用模拟输出，与近年来快速发展的数字化电网不相匹配，这一切极大制 约了电力系统向网络化、智能化方向发展。

为了解决这一问题，人们开始研究电子式互感器(ECT)，电子式互感器具有电 磁式互感器所不具备的优点：优良绝缘性、体积小、价格低、无磁饱和现象、无高压 开路危险、频率响应宽、适应电力计量和保护数字化、智能化发展的潮流。

目前，电子式互感器分为全光型和混合型两种。全光型电流互感器无需高压供电， 简化了高压端的设计，但是灵敏度以及易受温度等因素影响，稳定性和可靠性存在问 题。同时，全光型电流互感器成本高，难以大规模应用。混合型电流互感器技术相对 比较成熟，具有广阔的应用前景，但是高压端需要供电，增加了系统复杂度。高压端 供电技术被国际少数几家大公司垄断，制约了国内电力行业的发展。

如何有效地降低高压端功耗是混合型电流互感器的一个发展方向。2001年，华中 科技大学提出了通过利用Rogowski线圈、积分器以及压频转换器的OCT方案，使用 的是传统的CT供能方案，但是由于压频转换器的功耗较大，OCT整体功耗降低不明 显。2005年，日本冈山大学提出了利用(TbY)IG晶体制作成条状磁畴结构，以此 来感应母线电流周围的磁场变化，继而得到母线电流的变化。此方案的缺点在于测量 装置易受到外界温度、磁场的干扰，测量精度不高。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于多路母线电流检测的电 流互感器，该电流互感器具有低功耗的功效，且可以同时对多路母线电流进行准确测 量。同时，还提供了该电流互感器的母线电流检测方法，该检测方法具有测量精度高 的功效，可以同时对多路母线电流进行测量。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种用于多路母线电流检测的电流互感器，该电流互感器包括传感光源、与传感 光源连接的快速光衰减器，以及分别与快速光衰减器连接的信号调理模块和信号解调 模块；所述的传感光源的输出端与快速光衰减器的光输入端连接；快速光衰减器的电 输入端与信号调理模块的输出端连接；快速光衰减器的光输出端与信号解调模块的输 入端连接；所述的信号调理模块包括工作点设置模块、第二加法器和n个并联的电流 调理单元，每个电流调理单元包括待测电流、第一加法器、直流偏量、乘法器和载波 信号，第一加法器的第一输入端与待测电流的输出端连接，第一加法器的第二输入端 与直流偏量的输出端连接，第一加法器的输出端与乘法器的第一输入端连接，乘法器 的第二输入端与载波信号的输出端连接，每个电流调理单元中的乘法器的输出端与第 二加法器的一个输入端连接，第二加法器的输出端与工作点设置模块的输入端连接； 每个电流调理单元中的待测电流为信号调理模块的输入端，工作点设置模块的输出端 为信号调理模块的输出端；n个电流调理单元中的载波信号的频率均不相同；n为大 于1的正整数；所述的信号解调模块包括光电接收机和n个并联的电流解调单元，每 个电流解调单元包括带通滤波器、包络检波器、交流直流分离模块、除法器和输出电 压，带通滤波器的输出端与包络检波器的输入端连接，包络检波器的输出端与交流直 流分离模块的输入端连接，交流直流分离模块的输出端与除法器的输入端连接，除法 器的输出端与输出电压的输入端连接，每个电流解调单元中的带通滤波器的输入端与 光电接收机的输出端连接，光电接收机的输入端与快速光衰减器的光输出端连接；光 电接收机的输入端作为信号解调模块的输入端，每个电流解调单元中的输出电压作为 信号解调模块的输出端；n个电流解调单元中的带通滤波器的带通截止频率均不相同。

进一步，所述的工作点设置模块包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第 三电阻、第四电阻和基准电压，第一电阻的一端为工作点设置模块的输入端，第一运 算放大器的输出端为工作点设置模块的输出端，第一电阻的另一端分别与第二电阻的 一端和第三电阻的一端连接，第二电阻的另一端接地，第三电阻的另一端分别与第四 电阻的一端和第一运算放大器的反相端连接，第四电阻的另一端与第一运算放大器的 输出端连接，第一运算放大器的同相端与基准电压连接。

进一步，所述的包络检波器包括第一检波二极管、第五电阻和第一电容，第一检 波二极管的一端作为包络检波器的输入端，第一电容的一端作为包络检波器的输出 端；第一检波二极管的另一端分别与第五电阻的一端和第一电容的一端连接，第五电 阻的另一端接地，第一电容的另一端接地。

进一步，所述的交流直流分离模块包括第六电阻、第七电阻、第二电容、第三电 容、第二运算放大器和第三运算放大器，第六电阻的一端作为交流直流分离模块的输 入端，第二运算放大器的输出端作为交流直流分离模块交流分量的输出端，第三运算 放大器的输出端作为交流直流分离模块直流分量的输出端；第六电阻的一端与第二运 算放大器的同相端连接，第六电阻的另一端分别与第二电容的一端和第七电阻的一端 连接，第二电容的另一端与地连接，第七电阻的另一端分别与第三电容的一端、第二 运算放大器的反相端和第三运算放大器的同相端连接，第三电容的另一端与地连接， 第三运算放大器的反向端与第三运算放大器的输出端连接。

一种利用上述用于多路母线电流检测的电流互感器的电流检测方法，该检测方法 包括以下步骤：

第一步：将m路母线中q路母线同时接入电流互感器的电流调理单元中，q个电 流调理单元分别与一路母线连接，各路母线产生的待测电流分别和一个电流调理单元 中的第一加法器的输入端连接，在每个电流调理单元中，待测电流产生的待测电流信 号传输至第一加法器，待测电流信号与直流偏量相加产生带有直流偏量的待测电流信 号，将带有直流偏量的待测电流信号传输至乘法器，带有直流偏量的待测电流信号与 载波信号相乘产生调制待测电流信号，将q个电流调理单元产生的调制待测电流信号 传输至第二加法器中，第二加法器对q个调制待测电流信号相加后，传输至工作点设 置模块中，进行工作点设置，得到满足快速光衰减器输入量程的驱动信号；m和q均 为正整数，且m≥q，n≥m；

第二步：利用传感光源产生传感光，传感光经过光纤传输至快速光衰减器中，利 用第一步产生的驱动信号对传感光进行电光调制，将调制后的光信号利用光纤传输至 光电接收机中，光电接收机对调制后的光信号进行光电转换，得到待分离信号；

第三步：将第二步得到的待分离信号传输至信号解调模块中的每一个电流解调单 元中，在每个电流解调单元中，利用带通滤波器对待分离信号进行带通滤波，得到与 带通滤波器带通截止频率相对应的待检波信号，将待检波信号传输至包络检波器中进 行包络检波，得到待交直流分离的信号，将待交直流分离的信号传输至交流直流分离 模块中进行交流、直流分离，得到交流分量和直流分量；将交流分量和直流分量传输 至除法器中进行相除，得到输出电压。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明中的信号调理模块包含多个电流调理单元，一个电流调理单元可以 对一路母线电流进行调理，经过调理之后的信号通过加法器和工作点设置模块合并传 输至快速光衰减器进行电光调制，调制后的光信号再分别由信号解调模块中的多个电 流解调单元进行解调，得到多路与母线电流成正比的输出电压，实现了母线电流的多 路检测。多路检测可以共用一个快速光衰减器，大大简化了光路结构，节约了光器件 成本。

(2)本发明中的电流互感器为混合型电流互感器，耗能器件仅为超低功耗快速 光衰减器、超低功耗运算放大器和超低功耗乘法器，可以有效降低高压一次端供电需 求。本发明中的电流互感器结构简单，大大提高了电流互感器的可靠性。同时，多路 电流的测量可以使用同一快速光衰减器，降低了功耗。

(3)本发明中的母线电流检测方法基于信号调制、解调。利用调制、解调的方 法将多路测量信号分别调制到不同频率的载波上，使得测量信号的频谱发生搬移，实 现测量的多路复用，提高快速光衰减器的频带利用率，同时能够提高测量信号的抗干 扰、抗衰减能力。对包络检波之后的信号进行交直流分离相除的方法，降低光纤抖动 带来的误差，提高检测精度。

附图说明

图1是本发明中电流互感器的结构示意图。

图2是本发明中工作点设置模块的电路图。

图3是本发明中包络检波器的电路图。

图4是本发明中AC/DC分离模块的电路图。

图中有：待测电流1、第一加法器2、直流偏量3、乘法器4、载波信号5、第二 加法器6、工作点设置模块7、快速光衰减器8、传感光源9、光电接收机10、带通滤 波器11、包络检波器12、交流直流分离模块13、除法器14、输出电压15、第一运算 放大器A1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一检波二极 管D1、第五电阻R5、第一电容C1、第六电阻R6、第七电阻R7、第二电容C2、第 三电容C3、第二运算放大器A2、第三运算放大器A3。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的用于多路母线电流检测的电流互感器，包括传感光源9、 与传感光源9连接的快速光衰减器8，以及分别与快速光衰减器8连接的信号调理模 块和信号解调模块。传感光源9的输出端与快速光衰减器8的光输入端连接；快速光 衰减器8的电输入端与信号调理模块的输出端连接；快速光衰减器8的光输出端与信 号解调模块的输入端连接。信号调理模块包括工作点设置模块7、第二加法器6和n 个并联的电流调理单元，每个电流调理单元包括待测电流1、第一加法器2、直流偏 量3、乘法器4和载波信号5，第一加法器2的第一输入端与待测电流1的输出端连 接，第一加法器2的第二输入端与直流偏量3的输出端连接，第一加法器2的输出端 与乘法器4的第一输入端连接，乘法器4的第二输入端与载波信号5的输出端连接， 每个电流调理单元中的乘法器4的输出端与第二加法器6的一个输入端连接，第二加 法器6的输出端与工作点设置模块7的输入端连接；每个电流调理单元中的待测电流 1为信号调理模块的输入端，工作点设置模块7的输出端为信号调理模块的输出端。 工作点设置模块7的输出端与快速光衰减器8的电输入端连接。n个电流调理单元中 的载波信号5的频率均不相同。信号解调模块包括光电接收机10和n个并联的电流 解调单元，每个电流解调单元包括带通滤波器11、包络检波器12、交流直流分离模 块13、除法器14和输出电压15，带通滤波器11的输出端与包络检波器12的输入端 连接，包络检波器12的输出端与交流直流分离模块13的输入端连接，交流直流分离 模块13的输出端与除法器14的输入端连接，除法器14的输出端与输出电压15的输 入端连接，每个电流解调单元中的带通滤波器11的输入端与光电接收机10的输出端 连接，光电接收机10的输入端与快速光衰减器8的光输出端连接。光电接收机10的 输入端作为信号解调模块的输入端，每个电流解调单元中的输出电压15作为信号解 调模块的输出端；n个电流解调单元中的带通滤波器11的带通截止频率均不相同。n 为大于1的正整数。在图1的示例中，n为3。

由于快速光衰减器8的驱动电压信号必须是正电压，且驱动不能超过一定的限值， 因此，工作点设置模块7的作用是将调制后信号转换为适用于快速光衰减器8的驱动 信号，即保证驱动信号是正信号且满足一定限值，同时，快速光衰减器8的光衰减率 在此驱动点附近具有较好的线性度。

如图2所示，工作点设置模块7包括第一运算放大器A1、第一电阻R1、第二电 阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和基准电压，第一电阻R1的一端为工作点设置模 块7的输入端，第一运算放大器A1的输出端为工作点设置模块7的输出端，第一电 阻R1的另一端分别与第二电阻R2的一端和第三电阻R3的一端连接，第二电阻R2 的另一端接地，第三电阻R3的另一端分别与第四电阻R4的一端和第一运算放大器 A1的反相端连接，第四电阻R4的另一端与第一运算放大器A1的输出端连接，第一 运算放大器A1的同相端与基准电压连接。

在工作点设置模块7中，采用第一电阻R1、第二电阻R2构成分压电路，将调制 后信号适当缩小，采用第一运算放大器A1构成反向放大电路，将分压后的调制后信 号反向放大并加入直流偏置，得到驱动信号驱动快速光衰减器8。

带通滤波器11具体操作如下(为了说明的方便，此处假设待测电流为两路，多 路的情况可以参照此操作)：假设第一路待测电流的带宽为f_H1，第二路待测电流的 带宽为f_H2，第一路载波信号的带宽为f_c1，第二路载波信号的带宽为f_c2，第一路带 通滤波器的中心频率为f₁，第二路带通滤波器的中心频率为f₂，第一路带通滤波器的 带宽为B₁，第二路带通滤波器的带宽为B₂，则必须满足 $f_{c1}-f_{H1}>f_1-\frac{B_1}{2},f_{c1}+f_{H1}<f_1+\frac{B_1}{2},f_{c2}-f_{H2}>f_2-\frac{B_2}{2},f_{c2}+f_{H2}<f_2+\frac{B_2}{2}.$

如图3所示，包络检波器12包括第一检波二极管D1、第五电阻R5和第一电容 C1。第一检波二极管D1的一端作为包络检波器的输入端，第一电容C1的一端作为 包络检波器的输出端。第一检波二极管D1的另一端分别与第五电阻R5的一端和第 一电容C1的一端连接，第五电阻R5的另一端接地，第一电容C1的另一端接地。通 过第一检波二极管D1可以将载频分量和上边带提取出来，经过低通滤波之后，可以 将载波过滤，剩下的信号便是待交直流分离的信号。

包络检波器的工作过程如下：带检波信号传输至第一检波二极管D1，由于二极 管具有开关特性，只有正向的信号才能通过第一检波二极管D1，因此经过第一检波 二极管D1后的信号只保留载频分量和上边带。载频分量的频率高于上边带的频率， 经过第一电阻R1和第一电容C1组成的低通滤波器后载频分量被滤除，上边带被保 留下来，上边带为待测电流信号和直流偏量。当待测电流信号为多路输入时，由于载 波信号的频率各不相同，因此调制待测电流信号的频率也各不相同，当调制待测电流 信号的各个频率分量分别位于各路带通滤波器的带通截止频率中时，各路带通滤波器 将快速光衰减器的驱动信号中对应频率的调制待测电流信号提取出来，从而实现各路 信号互不干扰地解调。

如图4所示，交流直流分离模块13包括第六电阻R6、第七电阻R7、第二电容 C2、第三电容C3、第二运算放大器A2和第三运算放大器A3。第六电阻R6的一端 作为交流直流分离模块的输入端，第二运算放大器A2的输出端作为交流直流分离模 块交流分量的输出端，第三运算放大器A3的输出端作为交流直流分离模块直流分量 的输出端。第六电阻R6的一端与第二运算放大器A2的同相端连接，第六电阻R6的 另一端分别与第二电容C2的一端和第七电阻R7的一端连接，第二电容C2的另一端 与地连接，第七电阻R7的另一端分别与第三电容C3的一端、第二运算放大器A2的 反相端和第三运算放大器A3的同相端连接，第三电容C3的另一端与地连接，第三 运算放大器A3的反向端与第三运算放大器A3的输出端连接。

交流直流分离模块的工作过程如下：包含交流、直流分量的信号经过第六电阻 R6、第七电阻R7、第二电容C2、第三电容C3组成的二阶低通滤波器后得到直流分 量，直流分量经过由第三运算放大器A3组成的电压跟随器输出；同时交流、直流分 量与直流分量利用第二运算放大器A2组成的减法器进行减法运算，得到交流信号输 出，从而实现交流与直流的分离。

利用上述结构的电流互感器的母线电流检测方法，包括以下步骤：

第一步：将m路母线中q路母线同时接入电流互感器的电流调理单元中，q个电 流调理单元分别与一路母线连接，各路母线产生的待测电流1分别和一个电流调理单 元中的第一加法器2的输入端连接，在每个电流调理单元中，待测电流1产生的待测 电流信号传输至第一加法器2，待测电流信号与直流偏量3相加产生带有直流偏量的 待测电流信号，将带有直流偏量的待测电流信号传输至乘法器4，带有直流偏量的待 测电流信号与载波信号5相乘产生调制待测电流信号，将q个电流调理单元产生的调 制待测电流信号传输至第二加法器6中，第二加法器6对q个调制待测电流信号相加 后，传输至工作点设置模块7中，进行工作点设置，得到满足快速光衰减器8输入量 程的驱动信号；m和q均为正整数，且m≥q，n≥m。本步骤中，通过工作点设置， 得到符合快速光衰减器8工作特性的驱动信号，提高系统的动态范围和线性响应度。

第二步：利用传感光源9产生传感光，传感光经过光纤传输至快速光衰减器8中， 利用第一步产生的驱动信号对传感光进行电光调制，将调制后的光信号利用光纤传输 至光电接收机10中，光电接收机10对调制后的光信号进行光电转换，得到待分离信 号。

第三步：将第二步得到的待分离信号传输至信号解调模块中的每一个电流解调单 元中，在每个电流解调单元中，利用带通滤波器11对待分离信号进行带通滤波，得 到与带通滤波器11带通截止频率相对应的待检波信号，将待检波信号传输至包络检 波器12中进行包络检波，得到待交直流分离的信号，将待交直流分离的信号传输至 交流直流分离模块13中进行交流、直流分离，得到交流分量和直流分量；将交流分 量和直流分量传输至除法器14中进行相除，得到输出电压15。本步骤降低连接快速 光衰减器8和光电接收机10之间的光纤抖动带来的干扰。当该光纤扰动发生时，交 流分量和直流分量会同时衰减且衰减指数相同，因此将交流分量除以直流分量可以消 去衰减指数，减小光纤扰动带来的影响。

在上述检测方法中，待测电流调制过程如下：待测电流与直流偏量相加，相加得 到的信号与载波信号相乘就可以待测电流信号调制到载波上进行传输。算法过程如 下：假设待测电流信号为m(t)，直流偏量为A，载波信号为cos(w_ct)，则调制待测 电流信号时域表示式为s_AM(ω)＝[A+m(t)]cosω_ct＝Acosω_ct+m(t)cosω_ct,假设待测电 流信号m(t)的频谱为M(ω)，则调制待测电流信号的频谱为 $S_{\mathrm{AM}}\left(\omega \right)=\mathrm{\pi A}[\sigma (\omega +{\omega }_c)+\sigma (\omega -{\omega }_c)]+\frac{1}{2}[M(\omega +{\omega }_c)+M(\omega -{\omega }_c)].$σ表示阶跃信号，ω表 示待测电流信号的角频率，ω_c表示载波信号的角频率，M(ω+ω_c)表示待测电流信号的频谱向 右搬移ω_c，M(ω-ω_c)表示待测电流信号的频谱向左搬移ω_c。因此，待测电流信号的频谱 搬移到了载波信号处，当待测电流信号有多路时，由于各路使用的载波信号频率不同， 因此实现了各路待测电流信号互不干扰地调制和传输。

在上述母线电流检测方法中，包络检波过程如下：待解调信号经过带通滤波器后 得到与带通滤波器带通截止频率一致的待检波信号，待检波信号通过半波整流得到载 频分量和上边带，再经过低通滤波滤除载频分量后得到上边带即待测电流信号和直流 偏量。算法过程如下：假设待检波信号表示式为s_AM(t)＝[A+m(t)]cosω_ct，f_H是待 测电流信号的最高频率，f_c是载波信号的频率，当RC(RC为低通滤波使用的电阻 与电容的乘积)满足时，由于检波二极管的开关特性，只有正向的 信号才能通过检波二极管，因此待检波信号经过二极管后得到载频分量和上边带。载 频分量的频率高于上边带的频率，经过电阻和电容组成的低通滤波器后载频分量被滤 除，因此上边带信号即包络检波器的输出为s_d(t)＝A+m(t)，就实现了待测电流信号 与载波信号的分离。当待测电流信号为多路输入时，由于载波信号的频率各不相同， 因此调制待测电流信号的频率也各不相同，当调制待测电流信号的各个频率分量分别 位于各路带通滤波器的带通截止频率中时，各路带通滤波器将快速光衰减器的驱动信 号中对应频率的调制待测电流信号提取出来，从而实现各路信号互不干扰地解调。

本发明的电流检测方法，利用直流偏量3、第一加法器2、载波信号5和乘法器4 对待测电流1进行调制；利用第二加法器6对每一路调制待测电流信号进行合并，合 并后信号传输至工作点设置模块7产生驱动信号，用于驱动快速光衰减器8；利用带 通滤波器11、包络检波器12对待分离信号进行滤波、解调，利用交流直流分离模块 13和除法器14进行光纤抖动消除。

该电流互感器使用超低功耗、高带宽的快速光衰减器，具有低功耗、高带宽和绝 缘性好的功效。基于该母线电流检测方法包括利用信号调理模块对电流信号进行调 制；利用信号解调模块对调制后信号进行解调；利用交直流分离相除方法消除光纤抖 动影响；利用混频的方法实现一个快速光衰减器对多路待测电流的测量。该方法精度 高，功耗小，成本低。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本 发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改 和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。