发表于：2010/2/24 10:37:15
#0楼
摘 要：为提高电子式互感器的测量准确度，研究了其系统中的误差特性。在对其中噪声特点进行分析的基础上，对前级放大器、A/D转换器以及低压侧信号处理系统等单元的误差特性进行了研究．指出了影响系统测量准确度的关键环节。在此基础上，给出了元件选择和系统设计的参照原则，并研制出220 kV电压等级电子式电流互感器样机。试验结果表明；该互感器满足IEC 0．2级测量准确度要求，并且在-30℃～+70℃范围内，测量比差小于±0．1％，角差小于±2’。验证了误差分析的有效性。
关键词：电流互感器；误差分析；噪声；信号处理；温度影响准确度
传统电磁式互感器以其固有的体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小和频带窄等缺点，已经难以满足电力系统自动化、数字化等的发展需要。随着光纤技术和光电子学的发展，各种基于光学和光电子学原理的电子式互感器得到了迅猛的发展，其中，有源电子式互感器是目前研究和应用的重点。本文所介绍的内容主要针对有源电子式互感器。
电子式互感器实际上是对高压系统中电流、电压信号的传感、变换、传输及处理的系统。除传感单元外，还有高压侧信号处理电路和低压侧信号处理电路，这些电路均是由模拟电路和数字电路构成的相对复杂的混合电路。在电子式互感器的工作过程中，总会受到一些信号干扰，例如，高压侧电源纹波在高压侧信号处理电路中引入的干扰、信号处理电路中数字电路对模拟电路的干扰和信号处理电路中放大器部分引入的干扰等等。这些干扰噪声的存在都会影响电子式互感器的性能。
随着研究的不断深入，电子式互感器正逐步走向实用化。为了提高其运行准确度和可靠性，有必要对其系统中误差情况进行分析。本文主要针对有源电子式互感器的噪声及误差特性进行了分析，并提出一些设计原则和性能改善措施。
1 电子式互感器系统中噪声的特点
电子式互感器信号处理部分的噪声问题与一般的光电系统有所不同，有其鲜明的特点，主要表现在以下几点：
1)系统测量准确度要求高。
对电流互感器而言，一般在5％～120％额定一次电流变化范围内对其测量通道的准确度有严格的要求；对于5P20级保护通道，在100％～2 000％额定一次电流变化范围内的准确度有要求。一般的信号处理系统很难实现在全电流范围内的准确测量；特别是在小信号时，由于信噪比减小，如果不采取相应措施，则很难实现高准确度测量。对于电子式电压互感器，由于系统电压在系统运行时变化不会很大，其测量范围一般为额定电压的80％～120％，所以，从抗噪声的角度讲，电压互感器比电流互感器的要求要弱一些。
2)噪声主要来源多样化。
从噪声干扰的来源讲，主要有2方面。
a)来自电子式互感器外部。电子式互感器的高压侧传感头处于高电压、大电流的强电磁环境内，其干扰源主要来自于周围的各种电气设备，如附近的变压器、高压开关等。电磁干扰的途径主要是电磁辐射。对其高压侧的电磁兼容设计必须从切断干扰途径和增强其自身的抗扰度上入手。
b)来自电子式互感器内部。这部分主要是器件本身的噪声。该噪声一般都是随机过程，既不能预知其精确程度及规律，也不能将其完全消除，但可知其遵循的统计规律，通过一些措施予以控制与减少。另外，对放大器来说，还存在输入电压、电流失调及其温度漂移、有限开环增益和有限共模抑制比等引起的误差。
3)噪声频带窄，频率低。由于被测信号的有用信息为基波(50Hz)及其13次以下谐波的几个分散频点，频带窄、频率低；在此频带范围之外的噪声均可通过硬件滤波的方法加以抑制，对此频带以内的噪声也有可能通过数字滤波等方法加以处理。
2 电子式互感器信号处理部分的误差分析
2．1 高压侧信号处理部分误差分析
一种电子式电流互感器高压侧信号处理部分的内部结构示意图见图1。
在图1中，差分放大器输入侧的R是其平衡电阻，RG是其外置增益调整电阻。由于输入信号幅值各不相同，所以RG实际上也是各不相同的，其阻值依据对该路输入信号的放大倍数而定。
1)前级放大器的设计。
图1中的4路输入信号来自高压侧传感单元的输出，这些信号在幅值上各不相同，在进入A／D转换器之前，都需要进行放大调理，将传感单元输出的幅值各不相同的信号调理成适合A/D转换的电压范围，所以在进入A/D转换前要增加一级增益放大单元。由于高压侧传感单元都有一定的内阻，所以选用的放大器必须具有较高的输入阻抗，实际中可以采用差分放大器，见图1。
2)A/D转换器(以下简称ADC)的误差分析。
ADC的噪声会引起2种类型的误差：一类是其进行模拟信号到数字信号转换过程中的量化噪声引起的量化误差；另外一类是从ADC外部的电子系统输入的噪声。对外部噪声，可以通过合理设计电路、合理布置PCB以及采用必要的滤波措施等方法，将干扰带来的影响降到最低。在ADC中，最大的量化误差可以表示为
式中Ufs是N位精度ADC的满刻度输入范围。
每一个采样点的量化误差e，是一个均值为o、不规则分布在±q／2内的随机变量，其方差为
如果A／D转换器的输入(即高压侧传感单元的输出)为理想的标准正弦信号，那么，从式(6)可以看出：该输入信号越接近Ufs，因A／D转换而引起的误差就越小；同时，ADC的位数N越高，误差也越小。
显然，为了提高小电流时的测量准确度，仅依靠增加ADC分辨率的方法是不现实的。比较实际的解决方法是，在ADC前端对传感单元输出的信号进行放大预处理，在信号噪声放大与量化噪声之间取得最佳方案，以减弱因ADC量化误差而引起的测量误差的增加，进而实现电子式电流互感器大动态范围内的高准确度测量。
以上是以电子式电流互感器为例进行分析的，对于电压互感器，因为其只要求80％～120％额定电压范围内的准确度，所以采用信号处理电路实现起来相对要容易的多。
高压侧电源系统对互感器系统的影响主要反映在其自身性能，如纹波系数等。由于高压侧电源系统可以采用一些商品化的模块电源，在实际应用中，如选用性能优良的电源模块，加上相应的滤波处理，其对信号处理电路的影响可以不予考虑。
2．2 低压侧信号处理系统的误差分析
一种电子式电流互感器低压侧信号处理单元的内部结构示意图见图2。
图2中，光纤传输系统输出的数字化的光信号U，(n)直接进入低压侧信号处理系统。根据它们幅值的大小分别乘以相应的倍数(M1～M4)将之调整至DAC芯片的满量程。信号处理完成后，分别将它们送至相应的D／A转换单元转换成模拟信号，再经过相应的低通滤波器输出Uo1(t)～Uo4(t)。
1)光电转换单元的噪声。
光电转换部分一般采用暗电流温度系数较小、灵敏度高的硅PIN结构光电二极管。PIN结构是指在普通光电二极管的PN结之间加一个本征层(I层)，故称为PIN光电二极管，又称为耗尽型光电二极管。它们是利用半导体PN结光伏效应制作的光电探测器。要减少PIN的噪声影响，应从器件材料及制造工艺角度考虑，尽量选用暗电流小(零偏电阻大)的PIN，并使其工作在短路工作方式。一般选用硅PIN。
2)D／A转换和低通滤波单元的误差分析。
本文选用的D/A转换单元的精度为14 b，线性度误差最大为±2 LSB，其中LSB为最小有效位。图2中，在DAC之前的信号处理单元侧，已将数字量的幅度进行调整，以便充分利用DAC的量程，这样能够有效地减小DAC芯片的积分线性误差，使D／A转换器本身带来的误差降到最低。此外，通过合理设计、布局D/A转换单元的电路，也可将外部干扰带来的误差降到最低。
3 试 验
由于电子式电流互感器在实际中对信号处理部分的测量准确度要求比电压互感器要高，所以实验中以电流互感器为例。分别对基于上述信号处理电路的一种电子式电流互感器进行了准确度试验和温度影响准确度试验。
1)准确度试验。
图3为电流互感器二次侧带20 kΩ负载时测量通道的比差和角差曲线图。从中可以看出电流测量通道满足0．2级电子式电流互感器的要求。
由于试验中升流器的最大输出电流的限制，在对保护通道的准确度校验中，仅测量了额定电流下保护通道的比差和角差，其中二次侧带20 kΩ负载时比差测量结果为0．12％，角差为9＇。保护通道满足5P级要求。
2)温度影响准确度试验。
对0．2级电子式互感器，其因温度变化而导致的比差变化应在±0．2％内，角差变化应小于±10。
在温度影响准确度试验中，需要将待测电子式电流互感器放置在温控箱内，调节温度变化从-30℃到+70℃，测量得系统比差和角差随温度变化曲线如图4所示。
从图4中可以看出，该电子式电流互感器在-30～+70℃的温度范围内，系统比差变化小于±0．1％，角差小于±2＇。温度特性满足0．2级电子式电流互感器的要求。
4 结 论
电子式互感器系统中各部分信号处理电路是影响其整体测量准确度的关键。在误差特性分析结果的基础上，本文研制出220 kV电子式电流互感器样机，准确度试验和温度特性试验结果验证了该样机满足IEC 0．2级测量准确度要求，并且具有较好的温度特性。本文中的误差分析方法与结果对电子式互感器系统的研制与开发具有一定的借鉴意义。
关键词：电流互感器；误差分析；噪声；信号处理；温度影响准确度
传统电磁式互感器以其固有的体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小和频带窄等缺点，已经难以满足电力系统自动化、数字化等的发展需要。随着光纤技术和光电子学的发展，各种基于光学和光电子学原理的电子式互感器得到了迅猛的发展，其中，有源电子式互感器是目前研究和应用的重点。本文所介绍的内容主要针对有源电子式互感器。
电子式互感器实际上是对高压系统中电流、电压信号的传感、变换、传输及处理的系统。除传感单元外，还有高压侧信号处理电路和低压侧信号处理电路，这些电路均是由模拟电路和数字电路构成的相对复杂的混合电路。在电子式互感器的工作过程中，总会受到一些信号干扰，例如，高压侧电源纹波在高压侧信号处理电路中引入的干扰、信号处理电路中数字电路对模拟电路的干扰和信号处理电路中放大器部分引入的干扰等等。这些干扰噪声的存在都会影响电子式互感器的性能。
随着研究的不断深入，电子式互感器正逐步走向实用化。为了提高其运行准确度和可靠性，有必要对其系统中误差情况进行分析。本文主要针对有源电子式互感器的噪声及误差特性进行了分析，并提出一些设计原则和性能改善措施。
1 电子式互感器系统中噪声的特点
电子式互感器信号处理部分的噪声问题与一般的光电系统有所不同，有其鲜明的特点，主要表现在以下几点：
1)系统测量准确度要求高。
对电流互感器而言，一般在5％～120％额定一次电流变化范围内对其测量通道的准确度有严格的要求；对于5P20级保护通道，在100％～2 000％额定一次电流变化范围内的准确度有要求。一般的信号处理系统很难实现在全电流范围内的准确测量；特别是在小信号时，由于信噪比减小，如果不采取相应措施，则很难实现高准确度测量。对于电子式电压互感器，由于系统电压在系统运行时变化不会很大，其测量范围一般为额定电压的80％～120％，所以，从抗噪声的角度讲，电压互感器比电流互感器的要求要弱一些。
2)噪声主要来源多样化。
从噪声干扰的来源讲，主要有2方面。
a)来自电子式互感器外部。电子式互感器的高压侧传感头处于高电压、大电流的强电磁环境内，其干扰源主要来自于周围的各种电气设备，如附近的变压器、高压开关等。电磁干扰的途径主要是电磁辐射。对其高压侧的电磁兼容设计必须从切断干扰途径和增强其自身的抗扰度上入手。
b)来自电子式互感器内部。这部分主要是器件本身的噪声。该噪声一般都是随机过程，既不能预知其精确程度及规律，也不能将其完全消除，但可知其遵循的统计规律，通过一些措施予以控制与减少。另外，对放大器来说，还存在输入电压、电流失调及其温度漂移、有限开环增益和有限共模抑制比等引起的误差。
3)噪声频带窄，频率低。由于被测信号的有用信息为基波(50Hz)及其13次以下谐波的几个分散频点，频带窄、频率低；在此频带范围之外的噪声均可通过硬件滤波的方法加以抑制，对此频带以内的噪声也有可能通过数字滤波等方法加以处理。
2 电子式互感器信号处理部分的误差分析
2．1 高压侧信号处理部分误差分析
一种电子式电流互感器高压侧信号处理部分的内部结构示意图见图1。
在图1中，差分放大器输入侧的R是其平衡电阻，RG是其外置增益调整电阻。由于输入信号幅值各不相同，所以RG实际上也是各不相同的，其阻值依据对该路输入信号的放大倍数而定。
1)前级放大器的设计。
图1中的4路输入信号来自高压侧传感单元的输出，这些信号在幅值上各不相同，在进入A／D转换器之前，都需要进行放大调理，将传感单元输出的幅值各不相同的信号调理成适合A/D转换的电压范围，所以在进入A/D转换前要增加一级增益放大单元。由于高压侧传感单元都有一定的内阻，所以选用的放大器必须具有较高的输入阻抗，实际中可以采用差分放大器，见图1。
2)A/D转换器(以下简称ADC)的误差分析。
ADC的噪声会引起2种类型的误差：一类是其进行模拟信号到数字信号转换过程中的量化噪声引起的量化误差；另外一类是从ADC外部的电子系统输入的噪声。对外部噪声，可以通过合理设计电路、合理布置PCB以及采用必要的滤波措施等方法，将干扰带来的影响降到最低。在ADC中，最大的量化误差可以表示为
式中Ufs是N位精度ADC的满刻度输入范围。
每一个采样点的量化误差e，是一个均值为o、不规则分布在±q／2内的随机变量，其方差为
如果A／D转换器的输入(即高压侧传感单元的输出)为理想的标准正弦信号，那么，从式(6)可以看出：该输入信号越接近Ufs，因A／D转换而引起的误差就越小；同时，ADC的位数N越高，误差也越小。
显然，为了提高小电流时的测量准确度，仅依靠增加ADC分辨率的方法是不现实的。比较实际的解决方法是，在ADC前端对传感单元输出的信号进行放大预处理，在信号噪声放大与量化噪声之间取得最佳方案，以减弱因ADC量化误差而引起的测量误差的增加，进而实现电子式电流互感器大动态范围内的高准确度测量。
以上是以电子式电流互感器为例进行分析的，对于电压互感器，因为其只要求80％～120％额定电压范围内的准确度，所以采用信号处理电路实现起来相对要容易的多。
高压侧电源系统对互感器系统的影响主要反映在其自身性能，如纹波系数等。由于高压侧电源系统可以采用一些商品化的模块电源，在实际应用中，如选用性能优良的电源模块，加上相应的滤波处理，其对信号处理电路的影响可以不予考虑。
2．2 低压侧信号处理系统的误差分析
一种电子式电流互感器低压侧信号处理单元的内部结构示意图见图2。
图2中，光纤传输系统输出的数字化的光信号U，(n)直接进入低压侧信号处理系统。根据它们幅值的大小分别乘以相应的倍数(M1～M4)将之调整至DAC芯片的满量程。信号处理完成后，分别将它们送至相应的D／A转换单元转换成模拟信号，再经过相应的低通滤波器输出Uo1(t)～Uo4(t)。
1)光电转换单元的噪声。
光电转换部分一般采用暗电流温度系数较小、灵敏度高的硅PIN结构光电二极管。PIN结构是指在普通光电二极管的PN结之间加一个本征层(I层)，故称为PIN光电二极管，又称为耗尽型光电二极管。它们是利用半导体PN结光伏效应制作的光电探测器。要减少PIN的噪声影响，应从器件材料及制造工艺角度考虑，尽量选用暗电流小(零偏电阻大)的PIN，并使其工作在短路工作方式。一般选用硅PIN。
2)D／A转换和低通滤波单元的误差分析。
本文选用的D/A转换单元的精度为14 b，线性度误差最大为±2 LSB，其中LSB为最小有效位。图2中，在DAC之前的信号处理单元侧，已将数字量的幅度进行调整，以便充分利用DAC的量程，这样能够有效地减小DAC芯片的积分线性误差，使D／A转换器本身带来的误差降到最低。此外，通过合理设计、布局D/A转换单元的电路，也可将外部干扰带来的误差降到最低。
3 试 验
由于电子式电流互感器在实际中对信号处理部分的测量准确度要求比电压互感器要高，所以实验中以电流互感器为例。分别对基于上述信号处理电路的一种电子式电流互感器进行了准确度试验和温度影响准确度试验。
1)准确度试验。
图3为电流互感器二次侧带20 kΩ负载时测量通道的比差和角差曲线图。从中可以看出电流测量通道满足0．2级电子式电流互感器的要求。
由于试验中升流器的最大输出电流的限制，在对保护通道的准确度校验中，仅测量了额定电流下保护通道的比差和角差，其中二次侧带20 kΩ负载时比差测量结果为0．12％，角差为9＇。保护通道满足5P级要求。
2)温度影响准确度试验。
对0．2级电子式互感器，其因温度变化而导致的比差变化应在±0．2％内，角差变化应小于±10。
在温度影响准确度试验中，需要将待测电子式电流互感器放置在温控箱内，调节温度变化从-30℃到+70℃，测量得系统比差和角差随温度变化曲线如图4所示。
从图4中可以看出，该电子式电流互感器在-30～+70℃的温度范围内，系统比差变化小于±0．1％，角差小于±2＇。温度特性满足0．2级电子式电流互感器的要求。
4 结 论
电子式互感器系统中各部分信号处理电路是影响其整体测量准确度的关键。在误差特性分析结果的基础上，本文研制出220 kV电子式电流互感器样机，准确度试验和温度特性试验结果验证了该样机满足IEC 0．2级测量准确度要求，并且具有较好的温度特性。本文中的误差分析方法与结果对电子式互感器系统的研制与开发具有一定的借鉴意义。