劉宇，陳明陽(yáng)，蔣毛毛

（江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

近些年來(lái)，面對(duì)日益增加的用電需求，電網(wǎng)電壓等級(jí)逐漸上升，顯現(xiàn)出了電磁式互感器存在的大量缺點(diǎn)，因此，采用混合式光電互感器替代電磁式互感器。將二者從性能方面進(jìn)行比較，混合式光電互感器具有更多的優(yōu)勢(shì)，其有源電路采樣速度快，可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)通信，但混合式光電互感器的電源不穩(wěn)定，采樣準(zhǔn)確度低[1-2]，因此設(shè)計(jì)激光供能電子式電流互感器光電傳輸系統(tǒng)。

而傳統(tǒng)系統(tǒng)通過(guò)自具電源供電的方式對(duì)激光供能電子式電流互感器光電進(jìn)行傳輸，但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受母線電流的影響，使電流互感器不能持續(xù)、穩(wěn)定工作，基于傳統(tǒng)電流互感器光電傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了基于傳能光纖的激光供能電子式電流互感器光電傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳能光纖技術(shù)，利用激光供能方式供電，設(shè)計(jì)的高壓側(cè)電路使電源結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，提高了電源輸出質(zhì)量，降低了光電傳輸系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的基于傳能光纖的激光供能電子式電流互感器光電傳輸系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的光電傳輸系統(tǒng)選擇TI 公司研制的高性能、負(fù)載低、電壓低的單片機(jī)TI7643，其片內(nèi)含有4 kbytes 的可系統(tǒng)編程的flash 只讀程序存儲(chǔ)器，能夠重復(fù)擦寫(xiě)軟件程序，還能夠擦寫(xiě)64 kbytes 的存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)效果好[3-4]。單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)內(nèi)部采用特殊技術(shù)制造而成，該技術(shù)密度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易失性較低，單片機(jī)芯片同樣由TI 公司生產(chǎn)，芯片中配置了性能較好的存儲(chǔ)設(shè)備以及16 位的微處理器，協(xié)助單片機(jī)處理電流互感器信號(hào)，存儲(chǔ)電壓和電流數(shù)據(jù)。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率可設(shè)置為0，在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)電流互感器的工作狀態(tài)設(shè)置睡眠時(shí)間，不僅能省電，還能在一定程度上延長(zhǎng)單片機(jī)的使用壽命，單片機(jī)處于省電模式時(shí)，存儲(chǔ)器會(huì)停止工作，時(shí)鐘也會(huì)停止，利用定時(shí)器和UART 接口可以喚醒單片機(jī)，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，單片機(jī)的所有功能都將恢復(fù)正常。單片機(jī)的工作電壓控制在2.2～6.4 V 范圍內(nèi)，操作狀態(tài)為動(dòng)態(tài)，工作頻率在0～32 MHz 之間，具有4 個(gè)8 位的I/O 口，4 個(gè)電源中斷設(shè)置，內(nèi)部設(shè)有4 個(gè)加密存儲(chǔ)器，以便隨時(shí)存儲(chǔ)電流互感器的相關(guān)數(shù)據(jù)[5-6]。

1.2 采集器設(shè)計(jì)

ADB4264 采集器內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換器具有采樣率高、分辨率好、微功耗等特點(diǎn)，因此該文設(shè)計(jì)的光電傳輸系統(tǒng)選用TD 公司生產(chǎn)的ADB4264 采集器，其最高采樣頻率可達(dá)200 kHz，在采樣頻率為200 kHz 時(shí)，采集器的最大功耗不超過(guò)6 mW，在采樣頻率為20 kHz 時(shí)，采集器的平均功耗小于2 mW。采集器結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 采集器結(jié)構(gòu)圖

電流傳感器信號(hào)在A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換初始化，初始化采樣時(shí)間持續(xù)3 min，電流傳感器的外部信號(hào)由轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電容陣列采樣，采樣結(jié)果存儲(chǔ)在采集器的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，待光電傳輸系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，再存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)部的存儲(chǔ)器內(nèi)[7-8]。采集器的邏輯單元具有連續(xù)式互聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)核電壓為3.5 V，內(nèi)核電流為1.2 A，功耗較低，邏輯單元的電流引腳可以驅(qū)動(dòng)1.2 A、1.8 A、2.4 A 器件，它可實(shí)現(xiàn)通用的邏輯功能，并提供2 024 bit 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。采集器的外圍電路電壓最高為3.3 V，最低為1.8 V，電流控制在0.8～1.2 A，整個(gè)外圍電路為采集器及其他器件進(jìn)行供電[9-10]。采集器電路圖如圖4 所示。

圖4 采集器電路圖

1.3 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器選擇TD 公司最新推出的ADC7493 存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器內(nèi)部設(shè)有64 kB 的重復(fù)編程Flash、電壓檢測(cè)電路，集成度較高，功耗較小，功耗為電壓檢測(cè)電路的1/4，并設(shè)有睡眠模式和省電模式。為了能夠存儲(chǔ)較大容量的電流傳感器數(shù)據(jù)，在存儲(chǔ)器的外圍設(shè)置了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，該存儲(chǔ)電路由4 片TI 公司的L8L3H04Y3N 閃存芯片組成，存儲(chǔ)容量為8 kB，檢測(cè)電路通過(guò)傳感器信號(hào)在同一時(shí)間段對(duì)其中的兩片L8L3H04Y3N 閃存芯片進(jìn)行操作，4片閃存芯片中至少有一片存在無(wú)效塊，對(duì)無(wú)效塊進(jìn)行備份，其冗余區(qū)設(shè)置在該芯片的內(nèi)部，在這塊芯片的內(nèi)部提前預(yù)留出少量空間[11-12]。

存儲(chǔ)器的外部設(shè)有外圍電路，以便向存儲(chǔ)器和其他器件供電，外圍電路電壓采用1.8 V 和3.3 V 的工作電壓，電流傳感器的電壓為6 V，所以1.8 V 和3.3 V的電壓需要通過(guò)轉(zhuǎn)換而得到，為了提高電源的效率，采用TD 公司的RUY26000 電源模塊，可將6 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，電源轉(zhuǎn)換率較高，選擇三星公司的GI1839 電源轉(zhuǎn)換芯片，將3.3 V 電壓轉(zhuǎn)換為1.8 V，存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖

1.4 傳輸器設(shè)計(jì)

光電傳輸系統(tǒng)的傳輸器選擇三星公司的SXM624，該傳輸器主板控制芯片為T(mén)I 公司的TUE 24F402，具有32k RAM，256k Flash，50 引腳封裝技術(shù)，傳輸器的工作溫度范圍在-1～80 ℃，傳輸器CPU 的檢測(cè)電壓控制在2.5～4.8 V，USB 接口的驅(qū)動(dòng)電壓為3 V，在傳輸器內(nèi)部設(shè)有全速控制器，功耗較低，擁有兩種低功耗模式：省電模式和休眠模式。SXM624 系列的傳輸器性能好、成本低，擁有嵌入式應(yīng)用內(nèi)核，工作頻率在48～86 MHz，在傳輸器芯片TUE24F402 上集成了高速處理器，并設(shè)有豐富的外設(shè)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，這些接口可連接傳輸器的處理器、放大器等外設(shè)，通過(guò)內(nèi)部總線與設(shè)備連接。

傳輸器的電源為內(nèi)置電源，采用蓄電池為其供電，內(nèi)置電源的優(yōu)點(diǎn)是效率高，體積較小，電壓控制在3.8～6.4 V 范圍內(nèi)，采用USB2.0 接口作為傳輸器的USB 接口，其傳輸速度最高可達(dá)960 Mbps[13-14]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳能光纖也叫做能量傳輸光纖，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如芯徑大、柔韌性好、強(qiáng)度高、傳輸損耗低，其芯層是純折射率涂層，傳輸功率最高可達(dá)4.8 kW，可用于制造光纖傳感器、照明設(shè)備、光纖激光器等，應(yīng)用非常廣泛。該文設(shè)計(jì)的激光供能電子式電流互感器光電傳輸系統(tǒng)采用了傳能光纖，主要利用其較高的傳輸功率這一功能，傳輸電流互感器光電信號(hào)，從而提升光電傳輸系統(tǒng)的效率和可靠性[15-16]。

該文設(shè)計(jì)的基于傳能光纖的激光供能電子式電流互感器光電傳輸系統(tǒng)軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

首先，根據(jù)光電傳輸系統(tǒng)能耗情況調(diào)整激光供能的輸出功率。光電傳輸系統(tǒng)的采集單元上電穩(wěn)定開(kāi)啟工作模式后，中心控制單元向激光電源發(fā)出開(kāi)始指令，激光電源按照預(yù)先設(shè)定好的速度輸出功率，待輸出時(shí)間持續(xù)2 min 后，輸出功率達(dá)到系統(tǒng)的最大功率，這時(shí)系統(tǒng)的采集單元開(kāi)始采集電流傳感器的數(shù)據(jù)。采集工作完成后，由傳輸單元把采集結(jié)果傳輸至激光電源，如果合并單元把高壓取能線圈合并至采集端，這一合并過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的能耗，所以需要采集單元快速降低激光供能的輸出功率，直到控制單元能在待機(jī)模式下正常工作。

然后，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控激光電源的輸出功率以及CPU 的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)控制單元在待機(jī)模式下正常工作后，采集單元不再維持采集狀態(tài)，而是切換到功能狀態(tài)，對(duì)CPU 溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析變化幅度，如果變化幅度較大，記錄變化電能指數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率分析，如果頻率超出額定頻率，對(duì)供能回路進(jìn)行沖擊發(fā)射。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為了防止激光電源功率超出限制，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)添加輸出功率超限與報(bào)警功能，當(dāng)供能路徑出現(xiàn)擁塞，激光電源功率輸出出現(xiàn)異常，這時(shí)合并單元由于需要繼續(xù)運(yùn)行會(huì)請(qǐng)求向其傳送功率，為了防止激光電源的CPU 過(guò)熱而出現(xiàn)損壞情況，計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)單元會(huì)發(fā)出警告信息，所有的單元將恢復(fù)初始化狀態(tài)，但恢復(fù)之前會(huì)自動(dòng)保存運(yùn)行數(shù)據(jù)。

最后，由光電傳輸系統(tǒng)的顯示單元記錄激光電源的運(yùn)行數(shù)據(jù)。激光電源調(diào)節(jié)的頻度和計(jì)算機(jī)發(fā)出的警報(bào)信息，會(huì)由合并單元全程進(jìn)行記錄，如果激光電源出現(xiàn)供能故障，則可通過(guò)查看運(yùn)行記錄確定原因是供能鏈路問(wèn)題還是警告信息延時(shí)問(wèn)題，確認(rèn)完畢后由顯示單元顯示激光電源運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)和信息。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于傳能光纖的激光供能電子式電流互感器光電傳輸系統(tǒng)的有效性，通過(guò)與傳統(tǒng)光電傳輸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其有效性?；旌鲜诫娏鱾鞲衅鞑蓸訙?zhǔn)確度低，在電流為1.2 A～30 kA范圍內(nèi)對(duì)電流互感器的采樣準(zhǔn)確度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，圖7為實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性曲線。

圖7 實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性曲線

由圖7 可知，該文系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高，所以該文系統(tǒng)的采樣準(zhǔn)確度優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，具有更高的采樣準(zhǔn)確性。除此之外，傳統(tǒng)光電傳輸系統(tǒng)存在電流死區(qū)，激光電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受母線電流的影響，而該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了穩(wěn)定的光電技術(shù)和激光供能方式，不僅提高了電流傳感器的電磁兼容性，還提升了整個(gè)光電傳輸系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)采集器快速采集電磁信號(hào)、自動(dòng)調(diào)節(jié)激光電源的輸出功率，使激光電源結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，采用傳能光纖技術(shù)，不僅降低了激光電源的供能損耗，還使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，綜上所述，該文系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的光電傳輸系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文基于傳統(tǒng)光電傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)的采樣準(zhǔn)確度低、容易受母線影響、抗干擾能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于傳能光纖的激光供能電子式電流互感器光電傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有很好的傳輸性能，更適合于實(shí)際應(yīng)用。