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1、10申请公布号CN101937764A43申请公布日20110105CN101937764ACN101937764A21申请号201010282353722申请日20100915H01F38/28200601H01F38/30200601G01R15/26200601H02M7/02200601H02J17/0020060171申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市咸宁路28号72发明人何文林何月高乃奎刘晓辉74专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人朱海临54发明名称一种超声与感应混合供能的有源光电电流互感器57摘要本发明公开了一种超声与感应混合供能的有源光电电流互感。
2、器,包括一个混合供电系统,一个电流测量系统。混合供电系统以感应供电为主,当感应能量不足时用超声波供能实行后备供电。感应供电由取能线圈和一次感应电源处理单元组成,取能线圈从一次电流母线获取供电能量。后备供电由超声驱动电源、超声波传能供电单元和超声传能电源处理单元组成,利用超声波传送供电能量。超声波驱动电源从电流测量系统的二次处理系统获取母线电流信息,判断感应供电能量大小,控制驱动超声波进行后备供电,实现主后备供电的选择和切换。超声传能电源和一次感应电源处理单元都通过储能电源完成储能和对电流测量和光电传输系统供电。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5。
3、页附图3页CN101937765A1/2页21一种超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,其特征在于,包括一个混合供电系统、一个电流测量系统;所述混合供电系统包括一次电流感应供电子系统、储能电源单元和超声波后备供电子系统;超声波后备供电子系统包括低压侧的超声波驱动电源单元、高压侧的与储能电源相连接的超声传能电源处理单元、连接在超声波驱动电源单元和超声传能电源处理单元之间的超声波传能供电单元;超声波驱动电源单元的控制输入连接电流测量系统中的二次处理系统的输出,获取一次母线电流信息,并判断感应供电的能量大小,用以控制超声波驱动电源产生超声波进行后备供电,实现主后备供电的选择和切换;超声传能电源处理。
4、单元和一次电流感应供电子系统的一次感应电源处理单元都电连接储能电源单元,通过储能电源完成储能并对电流测量系统中的电流测量和光电信息传输单元供电;所述电流测量系统包括光纤、从一次母线获取电流测量信息并与电流测量和光电信息传输单元电连接的一个低功耗电流互感器或者ROGOWSKI线圈,电流测量和光电信息传输单元对电流测量信息进行处理和电光转换,并通过光纤把测量信息从高压侧传送到低压侧的一个二次处理系统,二次处理系统通过光电转换和处理还原电流信息,实现对高压电流的测量。2如权利要求1所述的超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,其特征在于,一次电流感应供电子系统包括一次感应电源处理单元及与其连接的取能。
5、线圈,取能线圈从一次电流母线通过电磁感应获取供电能量,一次感应电源处理单元把感应的交流电能转换为直流电能供给储能电源单元。3如权利要求2所述的超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,其特征在于,所述取能线圈的一次为电流母线穿心结构,二次有两个电磁感应线圈,一个为感应供电线圈,另一个为感应能量控制线圈;感应供电线圈和感应能量控制线圈都电连接一次感应电源处理单元,该单元监控感应供电线圈获取的供电电压大小,依据电压大小判断控制感应能量控制线圈的导通与断开,控制取能线圈的感应供电线圈获取的供电能量大小。一次感应电源处理单元把感应供电线圈获取的交流电通过ACDC电源变换器变换成直流电对电流测量和光电信息。
6、传输单元供电。4如权利要求1所述的超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,其特征在于,所述的超声波传能供电单元包含有与超声波驱动电源单元相连的电声换能器,该电声换能器的超声波发射端面固定连结在一个绝缘棒的低压侧端面上,绝缘棒的高压侧端面与声电换能器的超声波接收端面固定连结,声电换能器的输出电连接到超声波传能电源处理单元。5如权利要求1所述的超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,其特征在于,所述的超声波驱动电源单元包括一个超声电源和一个电源控制模块,超声电源与超声波传能供电单元的电声换能器相连,用于驱动电声换能器产生超声波,电源控制模块与低电压侧的电流测量系统的二次处理系统相连,从电流测量的二。
7、次处理系统获取一次母线电流信息,并判断感应供电的能量大小,以驱动电声换能器产生超声波进行后备供电。6如权利要求1所述的超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,其特征在于,所述的超声传能电源处理单元包括匹配电感、变压器和高频整流滤波电路,超声波传能供电单元的声电换能器连接匹配电感和变压器,变压器的输出连接高频整流滤波电路,把超声波供能的后备供电产生的高频交流电转换成直流电,供给储能电源单元。权利要求书CN101937764ACN101937765A2/2页37如权利要求1所述的超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,其特征在于,所述的储能电源包括一个储能电容、一个DCDC转换稳压器、分别与一次感。
8、应电源处理单元、超声传能电源处理单元的输出连接的两个单向二极管或门,DCDC转换稳压器输出稳定的直流电压对电流测量和光电传输单元供电。权利要求书CN101937764ACN101937765A1/5页4一种超声与感应混合供能的有源光电电流互感器技术领域0001本发明涉及一种有源光电式电流互感器。背景技术0002电流互感器在智能电网中的电能计量、安全保护、电力调度等方面起着十分重要的作用,是智能电网的一个核心设备。随着智能电网的快速发展,特别是超高压输电的发展,电力系统对电流互感器的要求越来越高,传统的电磁式电流互感器由于存在频率响应低、高压绝缘能力差、铁磁饱和、长期运行的可靠性差等多种因素,已。
9、经无法满足电力系统和智能电网的发展要求。开发高压绝缘能力强、频率范围宽、线性性能良好的新型电流互感器已经是电力系统和智能电网发展的迫切需要。光电电流互感器OCT具有测量精度高、动态范围大、频率响应范围宽、抗电磁干扰性能好。体积小重量轻,价格便宜,而且有与智能数字设备的统一接口标准。在智能电网中具有广泛的应用前景,已逐渐成为高压电流互感器的发展潮流。光电电流互感器主要有纯光学电流互感器无源光电互感器和光电混合式电流互感器有源光电互感器两种形式,纯光学电流互感器的性能受环境温度和震动等因素的影响很大,性能的稳定性差,困扰了其实用化,目前还没有进入实用化阶段;有源光电电流互感器利用低功耗电流互感器L。
10、PCT或者ROGOWSKI线圈的电磁测量原理测量电流,利用光纤通信技术传输电流测量信息,克服了无源光电电流互感器的稳定性差的技术难题。有源光电电流互感器良好的长期稳定性和精确的测量精度使其得到了快速发展,目前已经进入了实用阶段。但有源光电电流互感器高压侧的电流测量、数据处理和光电信息传输系统等需要供电电源,供电电源是困扰有源光电电流互感器发展的主要技术难题。有源光电电流互感器的供电电源目前主要有“一次电流电磁感应供电”、“激光供能供电”和“超声波供能供电”等供电方式。“超声波供能供电”供电能量比较大,能满足供电能量的要求,但长期连续工作的寿命和可靠性还不能满足电力系统的要求;“一次电流电磁感应。
11、供电”在一次电流比较小时存在供电能量不足,供电不稳定,而且会形成无法工作的“供电死区”,当一次电流很大和短路时又存在供电能量过大,对电路产生冲击的技术难题;激光供能供电虽然供电能量稳定,能很好的满足供电的稳定性要求,但供电能量比较小,对测量和光电传输系统的节能和抗干扰要求很高,而且价格太贵,长期运行的性能劣变和寿命都还不能满足电力系统的要求。有源光电电流互感器的高压侧供能供电是困扰其实用化的核心技术难题。发明内容0003针对有源光电电流互感器高电压侧供能供电所存在的问题,本发明提供了一种超声与感应混合方式供能的有源光电电流互感器,以一次母线电流电磁感应供电为主,当感应供电的能量不足时利用超声波。
12、供能实行后备供电,以克服一次电流电磁感应供能供电存在的“供电死区”、超声波供电的使用寿命不足、激光供能供电价格昂贵和寿命不足等缺陷。0004为达到以上目的,本发明是采取如下技术方案予以实现的说明书CN101937764ACN101937765A2/5页50005一种超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,包括一个混合供电系统、一个电流测量系统;所述混合供电系统包括一次电流感应供电子系统、储能电源单元和超声波后备供能子系统;0006超声波后备供能子系统包括低压侧的超声波驱动电源单元、高压侧的与储能电源相连接的超声传能电源单元、连接在超声波驱动电源单元和超声传能电源单元之间的超声波传能供电单元,超。
13、声波驱动电源单元的控制输入连接电流测量系统中的二次处理系统的输出;获取一次母线电流信息,并判断感应供电的能量大小,用以控制超声波驱动电源产生超声波进行后备供电,实现主后备供电的选择和切换;超声传能电源处理单元和一次电流感应供电子系统的一次感应电源处理单元都电连接储能电源单元,通过储能电源完成储能并对电流测量系统中的电流测量和光电传输单元供电。0007所述电流测量系统包括光纤、从一次母线获取电流测量信息并与电流测量和光电信息传输单元电连接的一个低功耗电流互感器或者ROGOWSKI线圈,电流测量和光电信息传输单元对电流测量信息进行处理和电光转换,并通过光纤把测量信息从高压侧传送到低压侧的一个二次处。
14、理系统,二次处理系统通过光电转换和处理还原电流信息,实现对高压电流的测量。0008上述方案中,一次电流感应供电子系统包括一次感应电源处理单元及与其连接的取能线圈,取能线圈从一次电流母线通过电磁感应获取供电能量,一次感应电源处理单元把感应的交流电能转换为直流电能供给储能电源单元。其中,取能线圈的一次为电流母线穿心结构,二次有两个电磁感应线圈,一个为感应供电线圈,另一个为感应能量控制线圈;感应供电线圈和感应能量控制线圈都电连接一次感应电源处理单元,该单元监控感应供电线圈获取的供电电压大小,依据电压大小判断控制感应能量控制线圈的导通与断开,控制感应供电线圈获取的供电能量大小。一次感应电源处理单元把取。
15、能线圈的感应供电线圈获取的交流电通过ACDC电源变换器变换成直流电对电流测量和光电信息传输单元供电。0009所述的超声波传能供电单元包含有与超声波驱动电源单元相连的电声换能器,该电声换能器的超声波发射端面固定连结在一个绝缘棒的低压侧端面上,绝缘棒的高压侧端面与声电换能器的超声波接收端面固定连结,声电换能器的输出电连接到超声波传能电源处理单元。0010所述的超声波驱动电源单元包括一个超声电源和一个电源控制模块,超声电源与超声波传能供电单元的电声换能器相连,用于驱动电声换能器产生超声波,电源控制模块与低电压侧的电流测量系统的二次处理系统相连,从电流测量的二次处理系统获取一次母线电流信息,并判断感应。
16、供电的能量大小,以驱动电声换能器产生超声波进行后备供电。0011所述的超声传能电源处理单元包括匹配电感、变压器和高频整流滤波电路,超声波传能供电单元的声电换能器连接匹配电感和变压器,变压器的输出连接高频整流滤波电路,把超声波供能的后备供电产生的高频交流电转换成直流电,供给储能电源单元。0012所述的储能电源包括一个储能电容、一个DCDC转换稳压器、分别与一次感应电源处理单元、超声传能电源处理单元的输出连接的两个单向二极管或门,通过电容储能和DCDC变换稳压实现对电流测量与光电传输系统无故障连续供电。0013本发明与现有技术相比,具有以下优点00141不受高压侧一次母线电流大小的限制,克服了感应。
17、供电的“供电死区”能提供十说明书CN101937764ACN101937765A3/5页6分稳定和连续的供电能量。00152供电能量稳定,能提供比较大的供电能量,对电流测量和光电传输系统的节能要求低,增强了电流测量和光电传输系统的信号强度,提高了互感器的抗干扰能力。00163供电系统采用以一次电流感应供电为主,当感应电量不足时用超声波供能实行后备供电的主备用工作方式,相互互补和双重备用,提高了供电系统的可靠性和长期工作的稳定性。00175利用低功耗电流互感器LPCT或者ROGOWSKI线圈测量电流,避免了环境温度和振动等因素对互感器长期工作的稳定性影响,提高了互感器的测量精确度和长期工作的稳定。
18、性。附图说明0018图1为本发明的超声与感应混合供能的有源光电电流互感器结构框图。0019图2为图1中的一次电流感应供电子系统的结构框图。0020图3为图1中的超声波驱动电源的结构框图。0021图4为图1中的超声波传能供电单元的结构图。0022图5为图1中的超声传能电源处理单元的结构框图。0023图6为图1中的储能电源单元的结构框图。0024图7为图1中的电流测量及光电信息传输单元的一种功能结构框图。0025图8为图1中的“二次处理子系统”的一种功能结构框图。0026图9为图1中的电流测量及光电信息传输单元的另一种功能结构框图。0027图10为图1中的“二次处理子系统”的另一种功能结构框图。具。
19、体实施方式0028下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。0029参考图1,一种超声与感应混合供能的有源光电电流互感器,包括一个混合供电系统、一个电流测量系统;所述混合供电系统包括一次电流感应供电子系统、储能电源单元和超声波后备供能子系统;供电系统以一次母线电流电磁感应供能供电为主,当感应供电的能量不足时利用超声波供能实行后备供电。0030超声波后备供电子系统包括低压侧的超声波驱动电源单元、高压侧的与储能电源相连接的超声传能电源处理单元、连接在超声波驱动电源单元和超声传能电源处理单元之间的超声波传能供电单元,超声波驱动电源单元的控制输入连接电流测量系统中的二次处理系统的输出;获取一次母。
20、线电流信息,利用电流信息判断感应供电的能量大小,当判知感应供电的能量不足时,控制超声波驱动电源进入工作状态,产生超声波进行后备供电,实现主后备供电的选择和切换;超声传能电源处理单元和一次感应电源处理单元都电连接储能电源单元,通过储能电源完成储能并对电流测量系统中的电流测量和光电传输单元供电。0031电流测量系统包括光纤、从一次母线获取电流测量信息并与电流测量和光电信息传输单元电连接的一个低功耗电流互感器或者ROGOWSKI线圈,电流测量和光电信息传输单元对电流测量信息进行处理和电光转换,并通过光纤把测量信息从高压侧传送到低压侧的一个二次处理系统,二次处理系统通过光电转换和处理还原电流信息,实现。
21、对高压电流说明书CN101937764ACN101937765A4/5页7的测量。0032参考图2,一次电流感应供电子系统由取能线圈和一次感应电源处理单元组成,利用取能线圈从一次电流母线电磁感应获取供电能量,取能线圈电连接一次感应电源处理单元,该电源处理单元把取能线圈感应的交流电能转换为直流电能供给储能电源。取能线圈的一次为电流母线穿心结构,二次有2个电磁感应线圈,一个为感应供电线圈,另一个为感应能量控制线圈。用感应供电线圈通过电磁感应获取供电能量,用感应能量控制线圈调节和控制感应供电线圈通过电磁感应获取的供电能量大小。感应供电线圈和感应能量控制线圈都电连接一次感应电源处理单元,一次感应电源处。
22、理单元监控感应供电线圈获取的供电电压大小,依据电压大小判断控制感应能量控制线圈的导通与断开,控制感应供电线圈获取的供电能量大小。感应能量控制线圈电连接一次感应电源处理单元中的固态继电器开关电路,固态继电器开关电路的导通或断开由感应能量控制模块控制,感应能量控制模块通过感应供电线圈获取的供电电压大小,判断感应供电线圈获取的能量大小,控制固态继电器开关电路的导通和断开,从而控制感应能量控制线圈短路导通或开路断开,控制感应供电线圈所获取的供电能量大小。一次感应电源处理单元还把感应供电线圈获取的交流电通过ACDC电源变换器变换成直流电对电流测量和光电信息传输单元供电。0033参考图3、图4、图5,超声。
23、波供能的后备供电子系统由超声波驱动电源、超声波传能供电单元和超声波传能电源处理单元组成,利用超声波从低电压侧向高电压侧传送供电能量。实现超声波后备供电。0034参考图3,超声波驱动电源单元包括一个超声电源和一个电源控制模块。超声电源与超声波传能供电单元的电声换能器相连,用于驱动电声换能器产生超声波,超声电源的工作状态由电源控制模块进行控制。电源控制模块与低电压侧的电流测量的二次处理系统相连,从电流测量的二次处理系统获取一次母线电流信息,利用一次母线电流信息判断感应供电的能量大小,当判知感应供电的能量不足时,电源控制模块就发出控制信号,控制超声波驱动电源进入工作状态,驱动电声换能器产生超声波进行。
24、后备供电。0035参考图4,超声波传能供电单元主要由电声换能器超声波发射器、绝缘棒、声电换能器超声波接收器等组成,超声波电声换能器的发射超声波能量的端面与绝缘棒的低电压侧端面紧密连接和固定固化;超声波声电换能器的接收超声波能量的端面与绝缘棒的高电压侧端面紧密连接和固定固化。绝缘棒可选用具有良好的超声波传输能力的各类绝缘棒,如玻璃棒,环氧复合棒,塑料棒等。连接时对各端面要进行精密抛光加工和严格的密封固定和固化,尽量避免连接间隙,降低超声波能量在连接处的反射引起的耦合损失,连接时也可使用耦合剂来提高超声波的传送效率。超声波传能供电单元固化好后安装在空心复合绝缘子中间的空心管内。实现利用超声波以电气。
25、绝缘方式传输能量供电。0036参考图5,超声传能电源由声电换能器的匹配电感、变压器和高频整流滤波电路等组成。超声波供电单元的声电换能器与超声传能电源处理单元连接,声电换能器的输出电连接匹配电感和变压器,变压器的输出连接有高频整流滤波电路,把超声波供能的后备供电产生的高频交流电转换成直流电,供给储能电源。0037参考图6,储能电源单元由单向二极管或门、储能电容、DCDC变换稳压器组成,超声波后备供电的超声传能电源处理单元和一次电流感应供电的一次感应电源处理单元都电连接储能电源,通过电容储能和DCDC变换稳压实现对光电互感器的电流测量与光电传说明书CN101937764ACN101937765A5。
26、/5页8输系统无故障连续供电。0038参考图7和图8,电流测量系统的实现方法之一是把电流测量获取的电流信息经过采样和A/D模/数变换转换成数字信号,对数字信号进行数据处理和编码,再经过电/光转换为光信息,用光纤发送到低电压侧的二次处理系统。二次处理系统接收光信息,把光信息转换成电信号,再进行解码和数据处理获得代表电流量的数字信号;把数字信号进行D/A转换获得代表电流量的模拟电压信号。0039图7和图8中的数据处理部分可以采用FPGA、CPLD、DSP等嵌入式数据处理器实现。0040参考图9和图10,电流测量系统的实现方法之二是把电流测量获取的电流信息经过V/F电压/频率变换转换成频率信息,频率。
27、信息再转换为光信息,用光纤发送到低电压侧的二次处理系统。二次处理系统接收光信息,把光信息转换成电信号,再把频率信号进行F/V频率/电压变换获得代表电流量的模拟电压信号,把频率信号进行F/D频率/数据变换获得代表电流量的数字式信号。0041本发明的超声波供能的后备供电能实现从低电压侧依电气绝缘的方式向高电压侧的电气设备等供电。利用超声波把供电能量通过绝缘棒从低压侧传送到高压侧,在高压侧把超声波能量又转换成电能。这样一来供电系统的高电压和低电压两侧之间是完全电气隔离的,这种供电系统的高压绝缘能力极强,传输的供电能量大,性能稳定,不受环境因素影响和限制,而且对高压侧的测量和数据处理系统等产生的电磁干扰影响小。本发明的一次母线电流电磁感应供能供电成本低,技术上便于实现。利用超声波后备供电对一次母线电流电磁感应供能的供电性能进行互补,既克服了一次电流电磁感应供能供电存在的“供电死区”,又延长了超声波供能供电的使用寿命。可以实现长期的无故障连续供电,提高了供电系统的稳定性和可靠性,提高和改善了有源光电互感器的性能。说明书CN101937764ACN101937765A1/3页9图1图2图3说明书附图CN101937764ACN101937765A2/3页10图4图5图6图7说明书附图CN101937764ACN101937765A3/3页11图8图9图10说明书附图CN101937764A。