摘 要

为了提高电力系统的自动化水平，实现配电、变电的数字化，电子式电压互感器以其体小质轻、没有铁磁谐振、绝缘性能好、频带宽等优点，被认为是传统电磁式电压互感器的良好替代品，具有广大的应用前景。目前国内外研究者在电子式电压互感器的理论研究上获得了较多成果且取得了很大的进展，有一些产品已经问世并投入到电网中运行，不过这些互感器工作原理基本都是通过一次侧分压后对模拟信号转换为数字信号，通过光电隔离，使用光纤将信号传播到二次侧再还原为模拟信号进行数据监测。虽然数字信号处理的互感器能保证宽频域和高精度，但是这会使得整个系统的控制结构更加复杂，功耗大，数模转换的同时会产生量化误差。

本文针对电压互感器一次侧电压分压器与二次侧电压检测部分之间的电气隔离电路，输入信号为模拟信号，通过光纤传递信号，输出仍为模拟信号；针对光电转换的非线性，结合自动控制理论，介绍了一个低成本的线性化光隔离的方法，在实现电气隔离水平的同时保证了带宽和测量精度，将控制理论和电路设计相结合，以完善电压互感器中电气隔离的设计部分，常规元件的使用使得电路经济且结构简单。

本文对整个电路进行了仿真和电路板的实际测试，对仿真结果和测试结果进行分析和总结，并提出了该电路中仍需进一步完善的不足之处。

关键词：电子式电压互感器；模拟信号；光电隔离

Abstract

Electronic Voltage Transformer (EVT) has a variety of advantages, it is small, light, non-ferromagnetic, has a good insulation performance and a wide frequency response range. Therefore, EVT has been considered a good substitute for traditional electromagnetic voltage transformer, it has a broad application prospects with the development of power system automation and digital substation. Researchers at home and abroad have gained many achievements and made great progress in the theories and applications of EVTs, and there have been several products used in practice. However their operating principle is almost converting the analog signal into a digital signal after the voltage divider, realizing the electric isolation through the optical fiber, and restore to the analog signal to data monitor. Although digital signal can guarantee high precision and broad bandwith, this will make the control of the entire system more complex and power-hungry, and A/D D/A conversion will produce quantization error.

In this thesis, aiming at the signal processing circuit between the voltage divider and the voltage detector, a low cost method for linearization of the optocouple isolation is introduced, based on an optical insulation with analog communication, realizing the electric isolation, at the same time, ensuring the bandwidth and accuracy. Commercial components are used to keep the circuit simple and budgetary requirement low.

Finally, the entire circuit design, simulation and realization are presented, the experimental results have been analyzed and the thesis put forward the issued further researched.

Key Words: Electronic Voltage Transformer; Analog signal; photoelectric isolation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 电子式电压互感器的类型和基本原理 2

1.2.1 无源型电子式电压互感器 2

1.2.2 有源型电子式电压互感器 2

1.3 电子式电压互感器的研究现状和实际运用中存在的主要问题 4

1.4 本章小结 5

第2章 模拟信号光传输部分的设计原理与研究 6

2.1 电-光-电信号转换部分的线性化方法 6

2.2 基于线性方法设计电气隔离电路 7

2.2.1 一次电压转换部分 8

2.2.2 电气隔离部分 9

2.2.3 二次电压转换部分 9

2.3 本章小结 10

第3章 模拟信号光传输部分的仿真 11

3.1 暂态分析 11

3.2 幅频响应及相频响应 12

3.3 本章小结 13

第4章 模拟信号光传输部分的实验及数据分析 14

4.1 使用器件规格介绍 14

4.1.1 元器件规格介绍 14

4.1.2 实验装置和实验办法 16

4.2 LED线性工作区的参数优化 17

4.3 去除直流偏置的原理分析 18

4.4 暂态分析和线性度测试 18

4.5 幅频响应 20

4.6 温度测试 21

4.7 本章小结 22

结 论 23

参考文献 24

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

为了保证电力系统运行的安全性和可靠性，需要随时准确地测量电力系统的电参数，以监测系统的运行状况，其中对电压和电流的测量是电量测量的基础。由于电力系统自动化程度越来越高，现代配电、用电系统都需要提高在计量、监测、控制和保护等方面的智能化。为了保证设备和操作人员的安全，测量和保护装置不能直接接到高电压、大电流的高压侧上，而需将这些一次侧的电气参数按一定数学变化，经过电气隔离然后变换成二次侧的参数后，才能接到测量仪器上，实现这个数学变化过程的装置，就是电力互感器或仪用变压器。电压互感器和电流互感器是电力系统中用于测量、保护和控制的基本设备，在生产电能、变换电能、传输电能的各个过程中，电力互感器都是不可或缺的重要环节，所以它的正确测量和稳定工作与电力系统的安全、可靠、经济运行密切相关^[1][2]。随着电力系统的发展，电力互感器作为数据测量链的第一步，面临着新的挑战。

目前电力系统广泛采用的是电磁感应式互感器，使用电磁感应原理实现降压与电气隔离，其工作原理与变压器相似；经过长时间不断地改进，电磁式电压互感器目前已经发展得比较完善了；然而电磁式互感器因为其传感原理和设计结构，主要存在一些不可避免的问题：体积大，暂态范围小、频带窄，铁磁谐振、磁饱和，安全系数低等，难以满足电力系统向自动化数字化发展和电能质量分析所需的测量要求。随着数字化技术、现代传感技术、微机技术和光通信技术的快速发展和综合应用，电子式互感器应运而生，电子式互感器是由一次电压或电流传感器、一次转换器、传输系统和二次转换器组成，用于传输与被测量成一定比例的信号，供给测量仪器仪表和保护或控制装置，其中信号的处理、传输依赖于电子技术^[3][4]。

图1.1 单相电子式接地电压互感器通用框图