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一种新颖的基于DSP和FPGA

光电电流互感器研究和设计

李玉忠

中国 武汉大学电子信息学院 lyzycom@foxmail.com

摘要

一种基于数字调制的新型光电电流互感器取代传统的CT研究和设计，采用高精度微型CT和A / D调制实现高精度。介绍了光纤通信技术的优势和设计方案阶段为OECT编码。为了满足低功耗的设计要求，选择DSP芯片XCR3032XL，低能耗IC和EDA。DSP计算误差比OECT；数据处理的实时性也可以保证。通过在实验室的测试运行，实现了设计要求提出OECT，并详细分析了误差来源。

关键词：电流互感器、光电、相位编码、FPGA、DSP、EDA

1. 简介

电流互感器在电力设备中是非常重要的一部分，可以用于将大电流转换为可以计量的二级低电流，实现继电保护，操作控制，仪器测量等等。电流互感器是基于电磁原理，随着电力工业的不断进步和不断增加的栅极电压，传统的电磁感应式电流互感器的绝缘和饱和度的问题越来越明显，并很少满足实际测量精度需求。光学技术的应用在新型电流传感器中是一个重要的研究方向，使用光纤来测量输电线路的传感器可以分为光电电流互感器（OECT）和光学电流互感器（OTC）。与传统的电磁电流互感器相比，OECT有显著的有点：它没有由加油引起的可燃性爆炸危害和在低电压有开路高电压的危害，所以在安全性方面是非常优秀的；它的绝缘能力强，体积小，重量轻，成本低；它有较高的测量精度；它输出的是数字信号，适应了数字化、计算机化、自动化计量和保护的发展趋势。从电磁感应电流互感器到光学电流互感器，光电电流互感器是一个理想的方案。已经预见到将在随后的五到十年，OECT将大规模在不同等级的电网中安装，并且具有OECT具有非常好的发展前景。OECT主要包括有发光二极管（LED）和激光二极管（LD）在高压处的电流/电压转换、信号调制和光电转换；传输光纤；光电二极管（PD）或雪崩二极管（APD）的光电转换，信号调制和处理主要在低电压处；在高压电源方面如图（1）所示。

光纤

输出

图（1）光电电流互感器配置图

OECT的各种设计的方案的差异主要在于这些方面：在高压处的电流/电压转换和信号调制，并且在高压电源方面如表（1）所示。

表一 OECT的各种方案比较

目前，OECT的主要问题是它的测量精度基本上是0.5%左右，这并不适用于要求严格精确的测量。此外，无论是高压汇流条还是太阳能能源的供应，都很难获得稳定的电压源；因此，在高压处的感应电路的设计应遵循低能耗设计，但研究结果并不令人满意。针对OECT的研究现状和未来的发展趋势,基于目前的研究和比较各种设计方案，提出了一种改进的设计方案。根据这个方案，一个基于数字调制的新奇的OECT在实验室已经达到了电能计量的目的。FPGA（可编程逻辑门阵列）和DSP（数字信号处理）分别在高压侧和低压侧实现电子电路。本文的目的是实现完整的OECT系统但不包括在高压侧的电源，并在实验室执行运行演示其高精度和低功耗特点。

1. OECT系统的设计方案及架构

2.1、OECT系统的设计方案

在本文中，OECT测量汇流条的工作原理是电流采样在高精度微型CT与铁芯在高压侧将汇流条电流转换为小电流，然后小电流转换成数字信号，然后通过光纤传播到低电压处并处理。三个关键的方面如表（2）所示。

表（2） OECT设计方案

在OECT光纤传输系统中有两个重要功能，一个是高低电压之间的电气绝缘介质，另一个是从高压侧到低压侧实现电流采样数据的高速传输。光学通信应用程序解决中小电流互感器之间的绝缘问题，电压等级越高，优势越明显。在这个设计方案中，只有两个光纤从高压侧连接到低压侧，一个向下传输窄脉冲序列，其他向上传输能量激光束，即光纤作为电压绝缘数据链路和能源高压侧和低压侧之间的联系。如今在高压侧的电源的发展趋势倾向于从地面提供激光转换电源。为了延长激光设备和光电电池的寿命，激光转换电源必须减小，即电子在高压侧电路的功耗应该相当低。因此，为了延长光电设备的寿命，应在高压侧设计低功耗电子电路。

2.2、OECT系统的设计架构

OECT系统架构如图（2）所示。

1. 硬件实现高电压

在高压侧，将汇流条大电流转换成低电压信号的高精度微型CT可以采用成熟的铁芯线圈技术，所以电流的测量和信号调制方法可以达到非常高的配合精度。采用逐次逼近A/D IC MAX1246的方法来实现高速采样和数字调制，每个电源频率采取64个采样点，所以这种调制具有良好的实时性和完整的采样信号频谱。高压电的原理图如图（3）所示。

图（2） OTEC系统架构框图

图（3） OECT高压侧原理图

电流互感器的主要功能是传递和转换当前的精度，即精度等级是电流互感器的最重要的性能指标。OECT在电流测定的振幅误差主要是来自微型CT和A/D转换误差，微型CT的误差可以达到0.1级，MAX1246的量化误差为0.049%，因此，理论上OECT误差比率是0.149%，所以，高精度OECT可以在理论上保证其准确性。因为电子电路设计对当前阶段的影像相当小，所以OECT中的相位误差主要来自微型CT，如果采用高精度微型CT，那么相位误差可以达到等级要求。

3.1 地面的激光转换电源供应

因为电力线路电流不稳定，波动范围很大，所以需要双电源的供应。在高压侧的电子电路主要有电力线路功能。感应交流电压由带铁芯的微型CT从电源线产生，然后由整流电路转换为直流电压，成为浮动供电。同时，激光束通过光纤从地面传输到高压侧，然后转化为电力的光电池阵列作为辅助电源。当输电线路电流波动超出了限制，辅助电源将会顺利开启。电源芯片MAX1759将双电源输出的直流电压转换成3.3V的标准电压。

3.2 A/D转换

MAX1246有四通道单端和两通道差动输入，可由软件配置单极性或者双极性，一个频道的信号是CT二次输出，另一个是浮动供电监控信号。MAX1246的分辨率是12位的，每一个电源频率周期采样64个点。A/D定时控制和相位编码是由FPGA芯片XCR3032XL实现的，XCR3032XL的输入时钟频率是307.2kHz，XCR3032XL提供给A/D芯片MAX1246的输入时钟频率是76.8kHz。如图（4）所示为外部时钟模式转换机。

图（4） 外部时钟模式转换时序图

MAX1246和XCR3032XL的界面如图（5）所示。

图（5） MAX1246和XCR3032XL的界面

3.3 A/D输出相位编码

为了满足在高压侧的低功耗要求，本文将给出相位编码。A/D输出数据将由FPGA芯片XCR3032XL进行相位编码。图（6）通过一个二进制序列0011000100111000解释了相位编码的规则。在每一位开始的时候，稳态变化一次，也就是说，如果稳态是“1”那么它就会变成“0”，如果稳态是“0”，那么它就会变成“1”。如果位是“1”，那么稳态会在上述持续时间的中再次变化，如果位是“0”，那么稳态在持续的时间中间不会发生变化。如图（6）所示，任何一位的信号取决于前一位；与此同时，当前位、前一位和后一位都将参与低电压侧的解码操作，在光纤传输中提供一个错误检查方法可以有效的防止随机误差的产生。然后，XCR3032XL输出的数字信号由单稳态IC 74121转换为典型的0.1us脉冲信号，因此，窄脉冲序列传输到光电发射器，因此A/D时钟不需要通过光纤来传输，并且总信号传输功率可以大大降低。

图（6） 相位编码示例

在FPGA芯片XCR3032XL中，编码是通过改变时钟和多选择器来实现的。晶体振荡器输出连续时钟频率是307.2kHz，然后转换成为153.6kHz的非连续的时钟频率，这种频率可以在32个时钟周期的两部分中保持16个稳定的时钟周期。非连续的153.6kHz的时钟信号可以在双D触发器下生成76.8kHz的非连续时钟信号，这种信号可以在16个时钟周期的两部分中保持8个稳定的时钟周期。当输入为“1”时输出153.6kHz的时钟信号；当输入为“0”是输出76.8kHz的时钟信号。多选择器的输出通过双D触发器生成D输出信号，D输出信号即图（6）的编码信号。图（7）说明了信号之间的关系。

图（7） 多选择器的输入输出时序图

此外，低功耗设计的另一个方法是选择低电压和低功耗器件，因此总功耗在高压侧会明显下降。FPGA芯片XCR3032XL在高压侧是电子电路的关键部分；基于EDA（电子设计自动化）可以将完整的电路系统集成到一个简单的芯片上，避免单独的组件之间的随机噪声的转移，提高抗强磁场的干扰能力，同时在实现相同功能的前提下器件功耗小于单组件的功耗。相位调制后，传输信号有窄脉冲序列组成，持续时间通常为0.1us；因此，驱动LED的总电源实际上是减小的。

4 光纤传输系统

本文中光纤通信技术应用于OECT的提出，这是一个在一次侧和二次侧之间解决电流互感器绝缘问题的更好的方案，并且电压水平越高，这种优势越明显。光纤通信在OECT中有两个重要的作用；一个是高压侧和低压侧之间的绝缘介质，另一个是高压侧的电流采样数据通过高速传输路径到低压侧。

5 低压侧的硬件实现

提出的OECT的低压侧系统包括时钟检索电路和DSP处理电路，主要通过高压侧实现数据通信，相位编码，计算电流有效值（均方根），和汇流条的实时动态显示波形。低压侧的电子电路是基于TI公司DSP芯片TSM320C203，并且它的逻辑图如图（8）所示。

5.1 时钟检索

如图（9）所示，时钟恢复电路有可再次触发单稳态74HC123和锁相环4046组成，检索时钟的频率是A/D的两倍。在低压侧由光电接受器转换的电脉冲，可以在应用双D触发器后生成开关信号。

图（8） OETC低压侧框图

图（9）获取时钟创建开关信号

5.2 相位编码

开关信号和时钟检索信号被传送到TMS320C203的同步串口部分，同步串口把开关信号写入速率为153.6kHz的五位移位寄存器。每两个周期，TMS320C203根据表（3）的解码原则执行相位解码。

表（3） 相位编码解码原理

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