基于传能光纤的激光供能电子式电流互感器光电传输系统

刘宇，陈明阳，蒋毛毛

（江苏大学 机械工程学院，江苏镇江 212000）

近些年来，面对日益增加的用电需求，电网电压等级逐渐上升，显现出了电磁式互感器存在的大量缺点，因此，采用混合式光电互感器替代电磁式互感器。将二者从性能方面进行比较，混合式光电互感器具有更多的优势，其有源电路采样速度快，可与计算机进行互联通信，但混合式光电互感器的电源不稳定，采样准确度低[1-2]，因此设计激光供能电子式电流互感器光电传输系统。

而传统系统通过自具电源供电的方式对激光供能电子式电流互感器光电进行传输，但是该系统结构复杂，容易受母线电流的影响，使电流互感器不能持续、稳定工作，基于传统电流互感器光电传输系统出现的问题，该文设计了基于传能光纤的激光供能电子式电流互感器光电传输系统，该系统采用传能光纤技术，利用激光供能方式供电，设计的高压侧电路使电源结构更加简单，提高了电源输出质量，降低了光电传输系统的功耗，延长了系统的使用寿命，最后通过实验验证了该文系统的有效性。

1 系统硬件设计

该文设计的基于传能光纤的激光供能电子式电流互感器光电传输系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

1.1 单片机设计

该文设计的光电传输系统选择TI 公司研制的高性能、负载低、电压低的单片机TI7643，其片内含有4 kbytes 的可系统编程的flash 只读程序存储器，能够重复擦写软件程序，还能够擦写64 kbytes 的存储器，擦写效果好[3-4]。单片机结构如图2 所示。

图2 单片机结构

单片机内部采用特殊技术制造而成，该技术密度较高、结构简单且易失性较低，单片机芯片同样由TI 公司生产，芯片中配置了性能较好的存储设备以及16 位的微处理器，协助单片机处理电流互感器信号，存储电压和电流数据。单片机的时钟频率可设置为0，在运行过程中，根据电流互感器的工作状态设置睡眠时间，不仅能省电，还能在一定程度上延长单片机的使用寿命，单片机处于省电模式时，存储器会停止工作，时钟也会停止，利用定时器和UART 接口可以唤醒单片机，使其进入工作状态，单片机的所有功能都将恢复正常。单片机的工作电压控制在2.2～6.4 V 范围内，操作状态为动态，工作频率在0～32 MHz 之间，具有4 个8 位的I/O 口，4 个电源中断设置，内部设有4 个加密存储器，以便随时存储电流互感器的相关数据[5-6]。

1.2 采集器设计

ADB4264 采集器内部的A/D 转换器具有采样率高、分辨率好、微功耗等特点，因此该文设计的光电传输系统选用TD 公司生产的ADB4264 采集器，其最高采样频率可达200 kHz，在采样频率为200 kHz 时，采集器的最大功耗不超过6 mW，在采样频率为20 kHz 时，采集器的平均功耗小于2 mW。采集器结构图如图3 所示。

图3 采集器结构图

电流传感器信号在A/D 转换器中进行转换初始化，初始化采样时间持续3 min，电流传感器的外部信号由转换器的内部电容阵列采样，采样结果存储在采集器的内部存储器中，待光电传输系统运行时，再存储在系统内部的存储器内[7-8]。采集器的逻辑单元具有连续式互联结构，内核电压为3.5 V，内核电流为1.2 A，功耗较低，逻辑单元的电流引脚可以驱动1.2 A、1.8 A、2.4 A 器件，它可实现通用的逻辑功能，并提供2 024 bit 的数据存储空间。采集器的外围电路电压最高为3.3 V，最低为1.8 V，电流控制在0.8～1.2 A，整个外围电路为采集器及其他器件进行供电[9-10]。采集器电路图如图4 所示。

图4 采集器电路图

1.3 存储器设计

该文设计的存储器选择TD 公司最新推出的ADC7493 存储器，该存储器内部设有64 kB 的重复编程Flash、电压检测电路，集成度较高，功耗较小，功耗为电压检测电路的1/4，并设有睡眠模式和省电模式。为了能够存储较大容量的电流传感器数据，在存储器的外围设置了数据存储电路，该存储电路由4 片TI 公司的L8L3H04Y3N 闪存芯片组成，存储容量为8 kB，检测电路通过传感器信号在同一时间段对其中的两片L8L3H04Y3N 闪存芯片进行操作，4片闪存芯片中至少有一片存在无效块，对无效块进行备份，其冗余区设置在该芯片的内部，在这块芯片的内部提前预留出少量空间[11-12]。

存储器的外部设有外围电路，以便向存储器和其他器件供电，外围电路电压采用1.8 V 和3.3 V 的工作电压，电流传感器的电压为6 V，所以1.8 V 和3.3 V的电压需要通过转换而得到，为了提高电源的效率，采用TD 公司的RUY26000 电源模块，可将6 V 电压转换为3.3 V，电源转换率较高，选择三星公司的GI1839 电源转换芯片，将3.3 V 电压转换为1.8 V，存储器的结构图如图5 所示。

图5 存储器结构图

1.4 传输器设计

光电传输系统的传输器选择三星公司的SXM624，该传输器主板控制芯片为TI 公司的TUE 24F402，具有32k RAM，256k Flash，50 引脚封装技术，传输器的工作温度范围在-1～80 ℃，传输器CPU 的检测电压控制在2.5～4.8 V，USB 接口的驱动电压为3 V，在传输器内部设有全速控制器，功耗较低，拥有两种低功耗模式：省电模式和休眠模式。SXM624 系列的传输器性能好、成本低，拥有嵌入式应用内核，工作频率在48～86 MHz，在传输器芯片TUE24F402 上集成了高速处理器，并设有丰富的外设和大量的通信接口，通信接口包括USB 接口、UART 接口和I/O 接口，这些接口可连接传输器的处理器、放大器等外设，通过内部总线与设备连接。

传输器的电源为内置电源，采用蓄电池为其供电，内置电源的优点是效率高，体积较小，电压控制在3.8～6.4 V 范围内，采用USB2.0 接口作为传输器的USB 接口，其传输速度最高可达960 Mbps[13-14]。

2 系统软件设计

传能光纤也叫做能量传输光纤，具有很多优点，如芯径大、柔韧性好、强度高、传输损耗低，其芯层是纯折射率涂层，传输功率最高可达4.8 kW，可用于制造光纤传感器、照明设备、光纤激光器等，应用非常广泛。该文设计的激光供能电子式电流互感器光电传输系统采用了传能光纤，主要利用其较高的传输功率这一功能，传输电流互感器光电信号，从而提升光电传输系统的效率和可靠性[15-16]。

该文设计的基于传能光纤的激光供能电子式电流互感器光电传输系统软件流程图如图6 所示。

图6 系统软件流程图

首先，根据光电传输系统能耗情况调整激光供能的输出功率。光电传输系统的采集单元上电稳定开启工作模式后，中心控制单元向激光电源发出开始指令，激光电源按照预先设定好的速度输出功率，待输出时间持续2 min 后，输出功率达到系统的最大功率，这时系统的采集单元开始采集电流传感器的数据。采集工作完成后，由传输单元把采集结果传输至激光电源，如果合并单元把高压取能线圈合并至采集端，这一合并过程会产生一定的能耗，所以需要采集单元快速降低激光供能的输出功率，直到控制单元能在待机模式下正常工作。

然后，通过计算机实时监控激光电源的输出功率以及CPU 的运行状态。当控制单元在待机模式下正常工作后，采集单元不再维持采集状态，而是切换到功能状态，对CPU 温度进行监测，分析变化幅度，如果变化幅度较大，记录变化电能指数，实现频率分析，如果频率超出额定频率，对供能回路进行冲击发射。在系统运行时，为了防止激光电源功率超出限制，通过使用计算机对其进行在线监测，在计算机内添加输出功率超限与报警功能，当供能路径出现拥塞，激光电源功率输出出现异常，这时合并单元由于需要继续运行会请求向其传送功率，为了防止激光电源的CPU 过热而出现损坏情况，计算机的监测单元会发出警告信息，所有的单元将恢复初始化状态，但恢复之前会自动保存运行数据。

最后，由光电传输系统的显示单元记录激光电源的运行数据。激光电源调节的频度和计算机发出的警报信息，会由合并单元全程进行记录，如果激光电源出现供能故障，则可通过查看运行记录确定原因是供能链路问题还是警告信息延时问题，确认完毕后由显示单元显示激光电源运行的所有数据和信息。

3 实验研究

为了验证该文设计的基于传能光纤的激光供能电子式电流互感器光电传输系统的有效性，通过与传统光电传输系统进行对比，验证其有效性。混合式电流传感器采样准确度低，在电流为1.2 A～30 kA范围内对电流互感器的采样准确度进行了实验，图7为实验稳定性曲线。

图7 实验稳定性曲线

由图7 可知，该文系统的稳定性更高，所以该文系统的采样准确度优于传统系统，具有更高的采样准确性。除此之外，传统光电传输系统存在电流死区，激光电源结构复杂，容易受母线电流的影响，而该文设计系统采用了稳定的光电技术和激光供能方式，不仅提高了电流传感器的电磁兼容性，还提升了整个光电传输系统的可靠性。通过采集器快速采集电磁信号、自动调节激光电源的输出功率，使激光电源结构更加简单，采用传能光纤技术，不仅降低了激光电源的供能损耗，还使系统能够长时间持续运行，综上所述，该文系统优于传统的光电传输系统。

4 结束语

该文基于传统光电传输系统出现的采样准确度低、容易受母线影响、抗干扰能力差、结构复杂不易实现等问题，设计了基于传能光纤的激光供能电子式电流互感器光电传输系统。该系统具有很好的传输性能，更适合于实际应用。