【導(dǎo)讀】IEC61850有關(guān)通信接口部分做了深入的分析,在滿足光學(xué)電流互感器數(shù)字接口。標(biāo)準(zhǔn)條件下,提出了遵循IEC61850協(xié)議的光學(xué)電流互感器的實(shí)現(xiàn)方案,將光學(xué)。電流互感器分為,傳感部分,高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集部分,低壓側(cè)信息合并單元部分,以。在高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)采集系統(tǒng)的分析，采用FPGA. 采樣的同步,采用DSP技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，按IEC61850-9-1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行。打包,組幀并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù).現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列數(shù)字信號(hào)處理

　　

【正文】 圖 24 偏振態(tài)變化過(guò)程圖 接收單元 電路的設(shè)計(jì) 接收單元由光電二極管和運(yùn)放組成 ,圖為接收單元電路，該光檢測(cè)電路是有放大器 A,B和反饋電阻 RF和反饋電容 CF組成，其交流輸出電壓為 U=SPRF （ 214） 其中 S為光電二極管靈敏度， P為入射光功率，在檢測(cè)弱光信號(hào)時(shí)，為提高增益RF盡量取的大一些，放大器的輸入偏置電流和輸入偏置電壓對(duì)輸出的電壓影響分別為 IRF V(1+RF/RS) (215) 17 RS為光電二極管內(nèi)阻，由公式可以看出減小 FRY可以減小以上的影響，但是同時(shí)會(huì)減小電路的增益，解決這個(gè)問(wèn)題只好選用偏置電流和失調(diào)電壓均很低的運(yùn)算放大 器，這里選用的 OPA111型的高精度運(yùn)算放大器，其偏置電流約為 ，輸入失調(diào)電壓約為 100μ V，經(jīng)計(jì)算 RF在幾百 MΩ 時(shí)上述影響可忽略，提高了精確度。 ++ABCR FC FC+交 流 輸 出C FR F光 電 二 極 管光 電 二 極 管A光纖耦合器輸出光B光纖耦合器輸出光 圖 25 光接受 單元電路 光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后經(jīng)運(yùn)算放大器放大，對(duì)輸出的電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行處理之后可以得到被測(cè)電流的大小。 光源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 圖為光源的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路中利用穩(wěn)壓管 Dz在反向工作狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)壓特性來(lái)穩(wěn)定運(yùn)算 放大器的反相輸入端電壓，圖中 Ra主要用來(lái)為穩(wěn)壓管分壓， Fry是運(yùn)放的平衡電阻， Rh,Rc及可調(diào)電阻 Rb和二極管 D組成了一個(gè)溫度漂移的補(bǔ)償電路，該電路利用二極管 PN結(jié)正向壓降的負(fù)溫度系數(shù) (約 2mv/℃ )，來(lái)補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電路的溫度漂移，由電工學(xué)知識(shí)可得： 18 2031e zdR IUURI??? ? ????? (216) 由式 (216)可以看出，只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)使 Uo與 Uz成線性關(guān)系，當(dāng) Uo恒定時(shí)，三極管的集電極就會(huì)產(chǎn)生恒定的電流，從而是 LED穩(wěn)定的發(fā)光，在實(shí)際 的應(yīng)用過(guò)程中，環(huán)境的溫度變化會(huì)影響運(yùn)算放大器的輸出電流和三極管集電極電流變大，導(dǎo)致 LED發(fā)光變強(qiáng)，由于電路采用了溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)溫度升高時(shí)，式 (216)中 I2變小使輸出電壓 Uo變小，這樣就減小了溫度變化對(duì)電路的影響，使 LED發(fā)光對(duì)溫度的變化不敏感，可通過(guò)調(diào)節(jié) Rb來(lái)控制補(bǔ)償?shù)某潭取? 當(dāng) Uo恒定時(shí)，三極管集電極會(huì)產(chǎn)生恒定電流，只要調(diào)試得當(dāng)電路的工作非常的穩(wěn)定，滿足 LED發(fā)光穩(wěn)定的要求， LED驅(qū)動(dòng)電流表示為 。 01 1BEgUUI R ???? ? (217) V c cL E DI1T1U oU zI2DR aR bR cR dR eR fR g+I3D zR hH F B R 1 4 1 4 1 5 . 8 d B m光 功 率 圖 26 光源驅(qū)動(dòng)電路 式中 UBE為基極與發(fā)射極間的電壓， β 為三極管的放大倍數(shù)。 HFBR是高功率，高穩(wěn)定性的光發(fā)射機(jī)，具有 ST,SMA,SC,FC四種連接頭可選，工作波長(zhǎng) 820nm，滿足協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，他的高耦合效率可以在很低的驅(qū)動(dòng)電流下正常工作，在 60mA直流驅(qū)動(dòng)時(shí)，耦合進(jìn)光纖的功率可達(dá)到 ，適合中長(zhǎng)距離傳輸。 19 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)式互感器數(shù)字接口的一個(gè)部分，主要對(duì)傳感元件輸出的電流，電壓信號(hào)同步采樣并對(duì)型號(hào)編碼成光信號(hào)進(jìn)行傳輸。 根據(jù)硬件電路功能的不同可分為信號(hào)處理電路， FPGA采樣邏輯控制，編碼電路兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集需要合并單元的同步信號(hào)控制。 信號(hào)處理電路F P G A采樣控制編碼電路電光轉(zhuǎn)換同 步 采 樣 信 號(hào)模 擬 信 號(hào) 輸 入A / D轉(zhuǎn) 換電 路 圖 31 數(shù)據(jù)采集框圖 信號(hào)處理電路 濾波電路 為了提高測(cè)量的精度 ，消除噪聲的影響，需要對(duì)測(cè)量的輸入信號(hào)濾波。常用的低通濾波器有巴特沃斯濾波器，車(chē)比雪夫 濾波器，貝塞爾濾波器。巴特沃斯濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶內(nèi)有最大的平坦度，但通帶到阻帶的衰減較慢， 20 車(chē)比雪夫?yàn)V波器能迅速衰減，但誤差值在通帶內(nèi)波紋性變化，貝塞爾濾波器只滿足相頻特性，而不考慮幅頻特性，可得到相位失真較小的波形。所選濾波器的階數(shù)不宜太高，容易導(dǎo)致電流電壓通道的移相誤差變大。 設(shè)計(jì)中采用的是 巴特沃斯 二階低通濾波器。 +R 1 R 2ViV0c 2c 1R 3VbR 4 圖 32 濾波電路 濾波電路的傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?? ? ? ?2 00222 1b oHHi HHHvs A A AAsv s B ssssQ Q?? ???? ? ? ????? ?????? (31) 1H RC? ? (32) 13vFQ A? ? (33) 21 4031vFRAA R? ? ? (34) 令 HSs??∕ 則 ? ?02 1AAs ss Q? ?? (35) 由二階巴特沃斯多項(xiàng)式 ? ? 212B s s s? ? ? (36) 可得 12Q?∕ R4=0,同時(shí)令 R3等于無(wú)窮，即 R3開(kāi)路得到單位增益的低通濾波器， 由于 50HZ的干擾信號(hào)較強(qiáng)，故采用電通濾波器濾除 30HZ以上的信號(hào)，這樣就能消除 30HZ以上信號(hào)的干擾，所以有濾波范圍可得 C1= f， C2= F，可解得 R1=7860Ω ,R2=14648Ω ,對(duì)電阻取標(biāo)稱值，所以濾波器的參數(shù)為 C1= F，C2= f,R1=7860Ω ,R2=14648Ω . 積分電路 模擬積分器主要有高性能的運(yùn)算放大器構(gòu)建，常用的積分器電路。 E0E sRC+ 圖 33理想積分器 22 積分器的時(shí)域表達(dá)式為 ： ? ?0 1 dse t e tRC?? ?； (37) 頻域變換： ? ? ? ?? ?0 1SejHj e j j R C?? ??? ? ?； (38) 得幅頻特性，相頻特性分別為： ? ? ? ?20 20A L g R C L g?? (39) ? ? 01 90j?? ???? ? ?????208。 (310) 理想積分器 是有條件的， 限大 實(shí)際上各種原因不能實(shí)現(xiàn)積分功能。 改進(jìn)積分器電路原理圖。 E0EsCR2+ 圖 34 改進(jìn)積分器 改進(jìn)積分器采用直流反饋穩(wěn)定其工作點(diǎn)，就是在積分電路上并聯(lián)一個(gè)放電電阻 R2， R2為緩慢變化的積分漂移電壓構(gòu)成了反饋通路，有效的抑制了積分漂移，R2通 常取的很大。 改進(jìn)積分器的傳遞函數(shù) 23 0 21 2 11 1 11se Re R R C s R C s? ? ? ? ?? (311) 由 傳遞函數(shù)可以看出 ， 電路的幅頻特性特點(diǎn)是幅值變化與頻率成反比，電路對(duì)低頻信號(hào)的放大是工頻信號(hào)的很多倍，因此易受低頻信號(hào)的影響。 在設(shè)計(jì)積分電路時(shí)，希望積分器在整個(gè)低頻段的增益都很少，并且能夠起到相位補(bǔ)償?shù)淖饔?，因此，新型積分電路是很好的選擇。 +R 4R 1R 2R 3CC 1U0UiI 圖 35 新型積分器 積分電路的傳遞函數(shù)； 2002200iU kU S a s???? ?? (312) 343RRk R?? ； 01 2 11R R C C? ? ； ? ?? ?4 3 1 2 1 1 10 1 2 1R R R c R c R ca R R c c? ??? ∕ ； (313) 改變 0? 的 大小，積分電路就可以改變 工頻輸入， 輸出信號(hào)間的夾角，即完成積分移相功能。在調(diào)節(jié)電路元件參數(shù)是要考慮其對(duì) 0? 的影響大小 ，也要考慮對(duì) a的 影響。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況靈活選取電路元件參數(shù)。 24 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部分，不同的轉(zhuǎn)換電路原理有很大的差別，性能也差別很大，轉(zhuǎn)換電路的種類非常多，按原理分可以分為：并行比較型，分級(jí)流水型，逐次逼近型，積分型，壓頻轉(zhuǎn)換型 [14]。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) ： 1. 分辨率 模數(shù)轉(zhuǎn)換編碼位數(shù)越多引入的量化誤差越小，分辨率越高。 2. 量程 能轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。 3. 精度 分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。 4. 輸入極性 入信號(hào)的極性，直流或是交流。 5. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 不同的輸入幅度可能引起的轉(zhuǎn)換時(shí)間的差異。 6. 功耗 不同采樣之下的能量消耗。 ADS5102是一種低功耗 CMOS工藝的 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用 電， 10位并行輸出總線提供三態(tài)輸出， ADS5102具有靈敏的供電系統(tǒng)，提供了一個(gè)省電模式，可以將功耗降低到 336181。W，使用外部參考電壓時(shí)內(nèi)部 VREF電路可以斷電，常用模式下， ADS5102的微分模擬輸入提供了出色的噪音抑制功能和更好的表現(xiàn)性。 ADS5102主要性能特點(diǎn)： 1. 高速性能，轉(zhuǎn)換速率達(dá) 60Ms/s。 2. 差分輸入。 3. 。 4. 數(shù)字輸出與 。 5. 信噪比為 58Db. 6. 偽自由動(dòng)態(tài)范圍為 71dB。 7. 電源功耗 105mW，斷電模式下功耗為 336181。W。 25 時(shí) 序 電 路1 0 位 A D C采 樣 保 持三 態(tài) 輸 出 緩沖內(nèi) 部 參 考 電 路C MD VD DD RD DA VD DC L KA I N +A I NN CR B L A SN CA G N DB GP D R E FR E FR E F B C M L D R G N DD [ 0 . . 9 ]sT B YOE 圖 36 ADS5102內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 引腳功能介紹 ： AVDD 模擬電源 CLK 時(shí)鐘輸入 AGND 模擬地 DGND 數(shù)字地 REFT 基準(zhǔn)電壓輸入（頂） DVDD 數(shù)字電源 REFB 基準(zhǔn)電壓輸入（低） DRDD驅(qū)動(dòng)數(shù)字電源 CML 共模電平輸出，正常情況下為 D[0..9] 數(shù)字信號(hào)輸出 BG 帶隙耦合端 DRGND驅(qū)動(dòng)數(shù)字地 PDREF 電源參考 AIN+ 差分模擬輸入正極 RBIAS 偏執(zhí)電阻 AIN 差分 模擬輸入負(fù)極 OE 數(shù)據(jù)輸出使能 NC 空腳 sTBY 電源模式選擇 26 A n a l o gC L KD [ 0 9 ]1 24 56 7 8 91 03T d( l a t e n c y )T ( e n ) Td ( o )td i ss 1s 2 s 3s 1 s 2 s 3 圖 37 ADS5