变电站电路小信号采集处理设计及应用

【摘 要】针对变电站微机保护弱电模拟信号采集存在噪声及电磁干扰等的问题，在比较常见隔离电路优缺点后，拟采用高线性度模拟光耦HCNR201设计弱电流信号隔离采集电路。阐述其工作原理，分析信号变换过程、理论依据和参数选择。具有较高的采集精度，在对稳定性、测量精度要求较高的场合具有较广的应用前景。

【关键词】变电站；小信号采集；光电藕合器隔离；设计

1 引言

数字化变电站应用技术是变电站自动化技术发展中具有里程碑意义的一次变革，对变电站自动化系统的各方面将产生深远的影响。我国微机保护在原理和技术上已相当成熟，常规变电站发生事故的主要原因在于电缆老化接地造成误动、CT特性恶化和特性不一致引起故障等。这些问题在数字化变电站中都能得到根本性的解决。数字化变电站中采用电子式互感器根本性地解决了CT动态范围小及饱和问题，从源头保证了保护的可靠性。

2 小信号采集电路方案比较分析

数字化电站35kV及以下电压等级系统电子式互感器输出为小信号，针对数字化电站35kV及以下电压等级CT、PT小信号，如何进行可靠处理上送，对此就提出要求。在数字化变电站中，信号处理扰环境下进行数据采集，各种干扰信号都会随着被测信号进人到采集和测量系统，一方设备与高压开关设备安装相对比较紧凑，高压设备工作时容易相互产生电磁干扰。在强干面这些信号叠加在有用的被测信号上会影响测量精度；另一方面，高电压大电流的干扰信号窜人处理器电路（如MCU、DSP等），轻则造成系统不稳定，重则对这些器件造成毁坏。

为了减小环境噪声对采集电路的影响，提高系统稳定性并确保测量结果准确，往往将被测电路和测试电路在电气上进行隔离。通常有下面几种方案：

（1）可采用专用的高精度隔离运放，常见如TI的ISO124，能够在4～20mA电流输入 0～50KHZ的频率内提供0.010%的线性度，这种隔离器件原理是内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。内部结构原理如下：

集成的隔离放大器内部电路较为复杂，成本较高，不利于大规模应用。

（2）是对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用，另外隔离变压器占用空间体积较大，不利于数字化电站对分散就地安装采集装置小型化需求。典型应用图如下：

（3）是采用光电藕合器隔离；光电藕合器隔离是一种较理想的选择。普通光藕适合开关量的隔离传输，但是对于模拟量不能保证传输的精度。

3 HCNR200模拟光藕进行电流小信号隔离采集的设计

HCNR200是Agilent公司生产的一种高线性度的模拟光藕，使用它实现的多种光电隔离电路可满足模拟信号隔离对稳定性、线性度和带宽的需要。

3.1 HCNR200的主要结构和工作原理

3.1.1 HCNR200的主要结构

模拟光藕HCNR200由三个光电元件组成，其结构原理如图1所示

图1 HCNR200结构原理

一个高性能的铝稼砷发光二极管LED和两个光敏二极管PD1、PD2紧密匹配，其中LED和PD1位于光藕的输人端，PD2位于光藕的输出端。电流IF流过LED时，LED发出的光藕合到PD1和PD2上。PD1吸收LED发出的一部分光，产生控制电流（输人电流）IPD1，该电流用来监控LED的光强度输出，从而使之稳定，消除LED的非线性和漂移特性；PD2输出光敏电流IPD2，该电流与LED的光强度输出呈严格线性关系。由于采用了先进的半导体封装工艺对三个光电元件进行了精密匹配，确保了光藕具有很好的线性度和稳定的增益。

IF、IPD1、IPD2之间满足如下线性关系： IPD1=K1*IF；IPD2=K2*IF；K=IPD2/ IPD1.式中：K1、K2分别为输入、输出光敏二极管的电流传输比，其典型值均为0.5%，K为传输增益，对于每一只HCNR200来说是恒定的，其值在1士0.15之间

3.1.2 HCNR200的典型应用电路及工作原理

用HCNB200实现的一个简单隔离放大电路如图2所示

图2 HCNR200结构原理

从模拟光藕的工作原理得知：运放A1在PD1和LED之间形成一个

反馈，实现IPD1对IF的调节。由理想运放特性可得出，IPD1=；输出端运放A2将PD2产生的电流IPD2转换成电压VOUT输出，即

IPD2=。由上述两个关系式联合可得出输入输出电压之间的关系：

=K*（）

由上述公式可见，成线性关系，通过调节R1，R2两电阻值，即可改变该隔离电路的增益。

3.2 电流小信号隔离硬件电路设计

3.2.1 指标要求和方案框图

电子式互感器输出0～200mA工频交流信号，对被测电流实现零阻抗输入，经光电隔离放大后转换为动态范围在±10V的电压信号被模数转换器采样，并送入微处理器计算处理。

根据上述要求，有如图3设计方案：由电流电压装换、光电隔离、虑波、A/D装换、处理器等部分组成。本文重点介绍A/D装换前的信号调理和广电隔离电路。

图3 隔离采集硬件框图

光电隔离电路硬件

在设计中，除使用两只线性光藕HCNR200 外，使用了四运放及周围的阻容元件构成如图4所示电流信号光电隔离电路：

图4 电流信号光电隔离部分电路图

由HCNR200数据手册得知，LED驱动电流的工作范围在1～20mA，光敏二极管的工作电流IPD1在5nA～50?A， 输人电流不能直接加在PD1两端，这里采用了先将电流小信号转换成电压再接入PD1两端方案。因输入信号为双极性，需分别处理正负半波，正负半波各用一HCNR200。

信号进人HCNR200光藕隔离部分，将LED静态工作点设定表10mA 左右。根据式（1）可得出IPD1的静态工作点，并依此选择电阻R4、R5的阻值。在各参数选择恰当后，光藕稳定工作，PD2产生线性反映IPD1的电流IPD2。

式（1） IPD2=K*IPD1

N2运放把光耦输出端PD2上产生的电流变换成电压信号（N2A1脚输出，假定为U2）

U2=IPD2*（R6+R7）

C1～3为反馈电容，用于提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，可有效降低电路的输出噪声。D1，2为信号阻断极性二极管。由图4可见，信号最后经过一个压控电压源二阶低通滤波电路，用来滤除信号在传输、隔离过程中产生的高频噪声。该电路的特点是既有较宽的通频带，又有较大的衰减频率。选择R11= R12=3.9K，C5=0.1uf，计算得f0=1/2∏RC≈400Hz（截止频率略大于f0）。选择R13=21.5K，R14=12.7K，其通道增益为A=1+ R13/ R14≈2.7，若以dB值表示，则为20 logA =20 log2.7≈8（dB）， 输入频率3200Hz为截止频率400Hz的8倍，由于输入讯号的频率每上升8倍时，该低通主动滤波器的增益将下降8dB（-8dB），故当输入讯号的频率为3200Hz时，其电压增益已降为0dB（8-8=0）。

需要注意的是光藕的前向通道和后向通道之间要做好电源和地的隔离，以防止干扰信号通过电源和地窜人光藕的后向通道。

实际电路调试和结果分析

针对不同的输入电流，对输出电压进行多次采样测量，取得12组样本，在MATLAB中

使用ployfit（x，y，n）拟合出一条一次曲线，应用该一次曲线计算线性度，得出γ=0.092%。由此得出该采集隔离电路线性度教好，完全满足设计要求。

4 结束语

本文给出应用高线性度模拟光耦进行电流小信号隔离采集的硬件电路，分析其工作原理。工程实际应用中，合理选择电路阻容参数，保证控制电流IPD1在5nA～50?A范围内，可使HCNR200内部光电元件稳定运行，可确保整个系统具有较高的线性度，能有效解决了变电站设备中强干扰环境下小信号隔离采集问题，可广泛应用于对稳定性、测量精度要求较高的模拟隔离应用中。

此外，相对于采用的高精度隔离运放综合成本而言，可节约近2/3成本；对隔离变压器方案而言，综合成本也有一定优势。

参考文献：

[1]童诗白，华成英，模拟电子技术基础[M]第四版，北京：高等教育出版社，2001.

[2]邱吉冰，电流小信号隔离采集板的设计与实现.自动化仪表，2007（4）.

作者简介：

王剑琴（1974-），女，江苏邳州人，南京工程学院毕业，工程师，电网调度自动化厂站端调试检修技师。 研究方向为电力系统自动化装置的开发与调试。