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摘 要：高压直流电流互感器目前已成为国内外的研究热点，高压侧大多采用了激光供电来提高系统可靠性，利用了MSP430F149和MSP430F1611的ADC和DAC模块完成系统调制解调过程，详细分析不同信号调制解调方法，最终给出了基于ADC转换原理的高压侧调制、在低压侧解调的方案，经仿真及实验测量，线性度在工频时有良好的情况。
关键词：电子互感器；调制解调；MSP430；线性度；低功耗
Abstract： High-voltage DC current transformer has become a research focus at home and abroad， they use high-pressure side of the laser power to improve system reliability， the use of the MSP430F149 and MSP430F1611 ADC and DAC module completes the system modulation and demodulation process， a detailed analysis of different signal modulation solutions transfer methods， and ultimately given based on the principle of high-pressure side ADC conversion modulation， demodulation scheme in the low-pressure side， the simulation and experimental measurements， linearity in frequency when there is a good situation.
Key words： Electronic transformers； modulation and demodulation； MSP430； linearity； low power consumption
0 引言
电流互感器对于电力系统的测量与保护至关重要，它是电力系统的基础设备，其稳定性与准确度是电力系统稳定运行的重要保证，同时电力系统随着电网技术的发展及电压等级的不断提高，传统带铁心的电磁感应互感器因为自身的结构局限，暴露出的制作工艺、固有磁饱和、设备维护等一系列严重的缺点，已很难适应电力系统日新月异的发展需求。光电式电流互感器能适应电力系统数字化、智能化和网络化和需要，目前在直流工程中大量应用，而电子式电流互感器以体积小重量轻，运输高效，结构简单的优点将在未来的电力系统的应用中被看成是传统互感器的理想替代品，有着不可忽视的作用[1-4]。
光纤直流电流传感器的高低压之间无直接电联系，可考虑采取母线供电、蓄电池供电、太阳能供电、激光供电等多种方式[5-7]。目前，主要采用两种供能方式：一是利用高压母线取电供电，另一种是从低压侧利用激光供电，但无论采用哪种供电方式，互感器高压侧的低功耗都是基本要求，所以高压侧电路的功耗问题一直是电力系统研究的热点，必须在性能与功耗之间寻求一个最佳的平衡点。此文介绍了基于TI公司MSP430超低功耗单片机作为高压侧数据采集核心器件，低压侧通过下行光纤给高压侧电路供能，高压侧再将测量的电信号转换成数字信号通过上行光纤传输至低压侧作以分析并及时动作，笔者通过在高压侧设计合理的调制方式，大大降低了高压侧的功耗，并具有合理的线性度。
1 系统组成及主要试验方案
高压电子式互感器的基本结构如图1所示。系统主要包括以下几个部分：高压侧，即一次部件，包括：一次传感器（空芯线圈），高压侧电路（一次侧供电和一次转换器，一次转换器包括：调理电路，模数转换调制电路，核心控制单元，输入输出接口）；中间侧部分包括：绝缘（复合绝缘子）和信号传输（光纤）；低压侧，即二次侧部件，包括：低压侧电路（二次侧供电和二次转换器，二次转换器包括：核心控制器，数模转换解调电路，信号处理），低压侧显示；激光供电系统。
该电子式电流互感器是通过空芯线圈对一次侧高电压进行转换，感应为相应的电压信号，再经过电光转换为相应的光信号，通过绝缘光纤传输到二次侧，在低压侧进行适当处理后进行数据观测，以便做出及时回应。基于光纤传输实现了高压侧与低压侧之间的电气隔离，解决了绝缘和抗外界干扰的问题，同时光纤也作为高、低压侧的数据传输通道[8-10]。激光供电由高压侧、低压侧两部分构成，低压侧是利用LD实现电-光转换，通过上行光纤将光能转递给对应的高压侧，高压侧再经过光电池及电光转换模块将光转换为电能，对高压侧的信号采集系统进行供电。
2 信号调制及其解调电路设计
2.1 高压侧调制电路设计
在目前的有源式光电互感器中，高压侧的信号经调制解调后，系统都会将光纤作为高、低压侧的数据传输通道，最后传至低压侧。一次转换器将传感器输出的信号进行适当变换时，一定要满足系统所要求的性能指标，使其具有较小的功耗和较快的动态响应以满足直流线路快速保护的需要。常见有三种调制解调方式：模拟调制式，电压频率转换（VFC），模数转换式（ADC）[11]。模拟调制具有结构简单，高速动作的特点，将传感器输出的电压信号直接进行线性变换为电流信号，从而驱动发光二极管，采用模拟信号形式由光纤传输。但发光二极管和光敏二极管的驱动电流与输出光强之间存在一定的非线性，而且光纤传输的是模拟信号，对温度变化敏感，其他的噪声因素对电路的影响也比较大，虽然理论可行，但實现应用起来有一定困难。VFC方式有效地克服了模拟调制中所存在的发光器的驱动电流及输出的光强线性度较差的情况，如此系统的准确度得到了很好的控制，其基本思路是：母线采集的电流经压频转换电路V/F部分，电流上的变化转化为脉冲上的变化，再经过电光变换（E/O），通过光纤传至低压侧，最后经历逆过程，光电变换（E/O）及信号处理放大进入频-压转换（V/F），将信号送至微机上进行电能计量、保护、监测等功能。VFC方式为了达到要求的准确度情况，必须经过多次转换且需要较长的响应时间，同时附加电路的参与也会使时延更大，所以对于系统保护快速响应无法满足。 随着集成电路的不断发展，A/D转换器也趋于成熟，精度越来越高，转换时间也越来越短，速度越来越快，功耗也越来越低，这使得高压侧使用A/D转换方式成为可能。ADC方式与前两种方式对比有如下优点：
（1） 数字传输，更易保证准确度
在一次转换过程中直接完成模拟信号的数字化，克服了传输远距离模拟信号，而且A/D转换器的温度稳定性良好，它已经达到模块化操作的阶段，一致性较好，保证了数字化的准确性。
（2） 经光纤数字传输，无附加传输误差
光纤直接传送信号，克服了发光器的驱动电流与光强的非线性，扩大了系统噪声容限，减少噪声因素，减少了传输过程中的误差环节。
（3） 传输速度快，系统延时小
内置高速模数转换器，且精度满足测量要求阶跃响应时间<0.5ms，采用适当的传送方式便可取得很小的延时。
在ADC方式的电子电流互感器中，常常需要传输电压、电流、温度信号等，增加了系统控制的复杂性，对一次电源的功耗设计提出了更高的要求。尽管如此，ADC方式的优势依然明显[12-14]。
本文旨在设计合理的有源式光纤直流电流传感器的信号调制解调方案，使其具有较小的功耗和较快的动态响应以满足直流线路快速保护的需要，在AD输入电压范围内，调制解调电路线性度优于0.6%，从系统寿命及可靠性方面考虑，高压侧采用ADC方式实现信号调制。
高压侧要完成高精度的数据采集和光纤通信编码，结合功耗问题我们选用了超低功耗的16位单片机MSP430F149[15]。它的工作电压为1.8～3.6V，内含60kB的FLASH存储空间，片上引脚丰富，其I/O口可实现双向传输，极大简化了设计的复杂性，内置12位ADC模块转换，具有高速性、通用性等特点，它通过外部中断响应同步采样信号，启动采样和A/D转换，并输出转换所需的时钟信号，完成工作后进入低功耗模式并等待下一次转换，为了满足工作电压的使用范围，必须叠加适当的直流偏置电压，再在低压侧解调时加以还原，得出合理的数据。
2.2 低压侧解调电路设计
高压侧经光纤传送下来的频率信号是一系列光脉冲，低压侧通过光电模块把接收到的光脉冲转换成相应的电信号，间接测到的电信号即可得出母线端被测的交流电流大小。这里以MSP430F1611为控制核心，内置DAC，12位分辨率，将测得的数字信号通过低通滤波器，得到适合的模拟通道，因为大电流测量系统中对相位的要求较高，所以再经过放大、移相来处理相位误差。最终送入显示模块，观察以做出相应动作。
3 试验数据
以系统框图为设计思路，图2为实验框图，用信号发生器产生正弦波信号，以代替母线电流U1的输入，经过调制解调，由低通滤波电路处理高次谐波，最终在示波器上显示U2。经巴特沃斯滤波做了幅值及相位仿真，同时对高压侧处理电路、低压侧处理电路及其之间的通信做了线性度试验。
3.1 滤波仿真实验
本文设计滤波器思路如下，首先根据各项指标要求，分析设定标准值，截止频率、滤波器阶数，然后通过计算最终的器件规格。这里使用了通用有源滤波器芯片UAF42，它具有输出阻抗低、输入阻抗高、大开环增益的特点，UAF42对MSP430F1611中的DAC模块转换后的电压信号进行滤波设计，电路设计如图3所示。
选定的二阶巴特沃思滤波电路，它的幅频响应在通带中有很好的平坦度，其外部电阻 、 、 、 的设置由滤波器类型及截止频率 决定。截止频率设定为1KHz、波器阶数设定为二阶、滤波器的增益 设定为 1，由此可得 = =158kΩ、 =50kΩ、 =44.2 kΩ。
本文设计的滤波器各元件参数如图4所示，当取品质因数Q=0.707时，电路的幅频响应较为平坦，若Q值偏离0.707过大，幅频及相频曲线刚会出现超调或是衰减过大情况，在实际操作中都是应该避免的，由于市面上销售的电阻规格有限，可能会找不到计算出来的阻值，要选择相近的才会得到较好的滤波效果。
3.2 线性度实验
以下为AD-DA-LPF线性度试验，测量出高压侧输入电压U1，低压侧解调并滤波处理后的输出电压U2，准确度测试数据如图4 所示。
4 结语
在电子式电流互感器的发展过程中，已经取得了很多研究成果，高低压的完全电隔离使测量大电流成为可能，为了使高压侧电路的功耗尽可能低，通过合理软件设计，比较了不同调制解调方案的优劣，选择了ADC转换的系统设计，经过软件仿真及实验测量，证明该系统线性度理想，准确性优良，可用于电力系统计量保护。
参 考 文 献
[1] 王廷云，罗承沐，田玉鑫.电力系统中光电电流互感器研究[J].电力系统自动化，2000（1）：38-41.
[2] 王少奎.电子式电流互感器的发展现状及研制难点[J].变压器，2003（05）：20-25.
[3] 陈金玲，李红斌，刘延冰，等.比较式光学电流互感器的分析设计与试验研究[J].中国电机工程学报，2008（36）：114-118.
[4] 刘明，李金忠，刘锐，等.电子式互感器技术和应用评述_刘明[J].变压器，2013，50（2）：24-28.
[5] 胡鹏.电子式电流互感器的原理及应用[J].云南电力技术，2011（5）：72-76.
[6] 梁万荣.电子式电流互感器数据采集系统研究[J].电子测量技术，2010（2）：41-44.
[7] 吴华斌，王军，方春恩，等.10kV低功耗光电电流互感器的研究[J].电力电子技术，2009（9）：40-41，63.
[8] 贾春荣，邸志刚，张庆凌，等.电子式电流互感器传感头的低功耗设计[J].高压电器，2009（2）：84-86.
[9] 阳光，刘欣荣.有源电子式电流互感器高压侧电路设计的改进[J].电网技术，2005（14）：81-84.
[10] 邱红辉，段雄英，邹积岩.基于LPCT的激光供能电子式电流互感器[J].电工技术学报，2008（4）：66-72.
[11] 任晓东，陈树勇，姜涛.电子式电流互感器高压侧取能装置的设计[J].电网技术，2008，32（18）：67-71.
[12] 张明明，张艳，李红斌，等.Rogowski电流互感器的积分器技术[J].高电压技术，2004（09）：13-16.
[13] 张艳，李红斌，张曦，等.一种用于高压直流输电系统的有源式光纤直流电流传感器[J].仪器仪表学报，2008（07）：1382-1386.
[14] 段雄英，呂 斌， 邱红辉.高压ECT中激光供能电源的设计[J].高压电器，2006，（6） ：428- 431
[15] 沈建华.MSP430系列 16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京 清华大学出版社 2004.
收稿日期：xxx-xx-xx
作者简介：
赵海多（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护，E-mail：aihaiduoduo@sina.com；
马毅（1978-），男，辽宁锦州人，工程师，从事电气技术及高压电气信息检测试验技术方面的研究，E-mail：6827242@ qq.com。
关键词：电子互感器；调制解调；MSP430；线性度；低功耗
Abstract： High-voltage DC current transformer has become a research focus at home and abroad， they use high-pressure side of the laser power to improve system reliability， the use of the MSP430F149 and MSP430F1611 ADC and DAC module completes the system modulation and demodulation process， a detailed analysis of different signal modulation solutions transfer methods， and ultimately given based on the principle of high-pressure side ADC conversion modulation， demodulation scheme in the low-pressure side， the simulation and experimental measurements， linearity in frequency when there is a good situation.
Key words： Electronic transformers； modulation and demodulation； MSP430； linearity； low power consumption
0 引言
电流互感器对于电力系统的测量与保护至关重要，它是电力系统的基础设备，其稳定性与准确度是电力系统稳定运行的重要保证，同时电力系统随着电网技术的发展及电压等级的不断提高，传统带铁心的电磁感应互感器因为自身的结构局限，暴露出的制作工艺、固有磁饱和、设备维护等一系列严重的缺点，已很难适应电力系统日新月异的发展需求。光电式电流互感器能适应电力系统数字化、智能化和网络化和需要，目前在直流工程中大量应用，而电子式电流互感器以体积小重量轻，运输高效，结构简单的优点将在未来的电力系统的应用中被看成是传统互感器的理想替代品，有着不可忽视的作用[1-4]。
光纤直流电流传感器的高低压之间无直接电联系，可考虑采取母线供电、蓄电池供电、太阳能供电、激光供电等多种方式[5-7]。目前，主要采用两种供能方式：一是利用高压母线取电供电，另一种是从低压侧利用激光供电，但无论采用哪种供电方式，互感器高压侧的低功耗都是基本要求，所以高压侧电路的功耗问题一直是电力系统研究的热点，必须在性能与功耗之间寻求一个最佳的平衡点。此文介绍了基于TI公司MSP430超低功耗单片机作为高压侧数据采集核心器件，低压侧通过下行光纤给高压侧电路供能，高压侧再将测量的电信号转换成数字信号通过上行光纤传输至低压侧作以分析并及时动作，笔者通过在高压侧设计合理的调制方式，大大降低了高压侧的功耗，并具有合理的线性度。
1 系统组成及主要试验方案
高压电子式互感器的基本结构如图1所示。系统主要包括以下几个部分：高压侧，即一次部件，包括：一次传感器（空芯线圈），高压侧电路（一次侧供电和一次转换器，一次转换器包括：调理电路，模数转换调制电路，核心控制单元，输入输出接口）；中间侧部分包括：绝缘（复合绝缘子）和信号传输（光纤）；低压侧，即二次侧部件，包括：低压侧电路（二次侧供电和二次转换器，二次转换器包括：核心控制器，数模转换解调电路，信号处理），低压侧显示；激光供电系统。
该电子式电流互感器是通过空芯线圈对一次侧高电压进行转换，感应为相应的电压信号，再经过电光转换为相应的光信号，通过绝缘光纤传输到二次侧，在低压侧进行适当处理后进行数据观测，以便做出及时回应。基于光纤传输实现了高压侧与低压侧之间的电气隔离，解决了绝缘和抗外界干扰的问题，同时光纤也作为高、低压侧的数据传输通道[8-10]。激光供电由高压侧、低压侧两部分构成，低压侧是利用LD实现电-光转换，通过上行光纤将光能转递给对应的高压侧，高压侧再经过光电池及电光转换模块将光转换为电能，对高压侧的信号采集系统进行供电。
2 信号调制及其解调电路设计
2.1 高压侧调制电路设计
在目前的有源式光电互感器中，高压侧的信号经调制解调后，系统都会将光纤作为高、低压侧的数据传输通道，最后传至低压侧。一次转换器将传感器输出的信号进行适当变换时，一定要满足系统所要求的性能指标，使其具有较小的功耗和较快的动态响应以满足直流线路快速保护的需要。常见有三种调制解调方式：模拟调制式，电压频率转换（VFC），模数转换式（ADC）[11]。模拟调制具有结构简单，高速动作的特点，将传感器输出的电压信号直接进行线性变换为电流信号，从而驱动发光二极管，采用模拟信号形式由光纤传输。但发光二极管和光敏二极管的驱动电流与输出光强之间存在一定的非线性，而且光纤传输的是模拟信号，对温度变化敏感，其他的噪声因素对电路的影响也比较大，虽然理论可行，但實现应用起来有一定困难。VFC方式有效地克服了模拟调制中所存在的发光器的驱动电流及输出的光强线性度较差的情况，如此系统的准确度得到了很好的控制，其基本思路是：母线采集的电流经压频转换电路V/F部分，电流上的变化转化为脉冲上的变化，再经过电光变换（E/O），通过光纤传至低压侧，最后经历逆过程，光电变换（E/O）及信号处理放大进入频-压转换（V/F），将信号送至微机上进行电能计量、保护、监测等功能。VFC方式为了达到要求的准确度情况，必须经过多次转换且需要较长的响应时间，同时附加电路的参与也会使时延更大，所以对于系统保护快速响应无法满足。 随着集成电路的不断发展，A/D转换器也趋于成熟，精度越来越高，转换时间也越来越短，速度越来越快，功耗也越来越低，这使得高压侧使用A/D转换方式成为可能。ADC方式与前两种方式对比有如下优点：
（1） 数字传输，更易保证准确度
在一次转换过程中直接完成模拟信号的数字化，克服了传输远距离模拟信号，而且A/D转换器的温度稳定性良好，它已经达到模块化操作的阶段，一致性较好，保证了数字化的准确性。
（2） 经光纤数字传输，无附加传输误差
光纤直接传送信号，克服了发光器的驱动电流与光强的非线性，扩大了系统噪声容限，减少噪声因素，减少了传输过程中的误差环节。
（3） 传输速度快，系统延时小
内置高速模数转换器，且精度满足测量要求阶跃响应时间<0.5ms，采用适当的传送方式便可取得很小的延时。
在ADC方式的电子电流互感器中，常常需要传输电压、电流、温度信号等，增加了系统控制的复杂性，对一次电源的功耗设计提出了更高的要求。尽管如此，ADC方式的优势依然明显[12-14]。
本文旨在设计合理的有源式光纤直流电流传感器的信号调制解调方案，使其具有较小的功耗和较快的动态响应以满足直流线路快速保护的需要，在AD输入电压范围内，调制解调电路线性度优于0.6%，从系统寿命及可靠性方面考虑，高压侧采用ADC方式实现信号调制。
高压侧要完成高精度的数据采集和光纤通信编码，结合功耗问题我们选用了超低功耗的16位单片机MSP430F149[15]。它的工作电压为1.8～3.6V，内含60kB的FLASH存储空间，片上引脚丰富，其I/O口可实现双向传输，极大简化了设计的复杂性，内置12位ADC模块转换，具有高速性、通用性等特点，它通过外部中断响应同步采样信号，启动采样和A/D转换，并输出转换所需的时钟信号，完成工作后进入低功耗模式并等待下一次转换，为了满足工作电压的使用范围，必须叠加适当的直流偏置电压，再在低压侧解调时加以还原，得出合理的数据。
2.2 低压侧解调电路设计
高压侧经光纤传送下来的频率信号是一系列光脉冲，低压侧通过光电模块把接收到的光脉冲转换成相应的电信号，间接测到的电信号即可得出母线端被测的交流电流大小。这里以MSP430F1611为控制核心，内置DAC，12位分辨率，将测得的数字信号通过低通滤波器，得到适合的模拟通道，因为大电流测量系统中对相位的要求较高，所以再经过放大、移相来处理相位误差。最终送入显示模块，观察以做出相应动作。
3 试验数据
以系统框图为设计思路，图2为实验框图，用信号发生器产生正弦波信号，以代替母线电流U1的输入，经过调制解调，由低通滤波电路处理高次谐波，最终在示波器上显示U2。经巴特沃斯滤波做了幅值及相位仿真，同时对高压侧处理电路、低压侧处理电路及其之间的通信做了线性度试验。
3.1 滤波仿真实验
本文设计滤波器思路如下，首先根据各项指标要求，分析设定标准值，截止频率、滤波器阶数，然后通过计算最终的器件规格。这里使用了通用有源滤波器芯片UAF42，它具有输出阻抗低、输入阻抗高、大开环增益的特点，UAF42对MSP430F1611中的DAC模块转换后的电压信号进行滤波设计，电路设计如图3所示。
选定的二阶巴特沃思滤波电路，它的幅频响应在通带中有很好的平坦度，其外部电阻 、 、 、 的设置由滤波器类型及截止频率 决定。截止频率设定为1KHz、波器阶数设定为二阶、滤波器的增益 设定为 1，由此可得 = =158kΩ、 =50kΩ、 =44.2 kΩ。
本文设计的滤波器各元件参数如图4所示，当取品质因数Q=0.707时，电路的幅频响应较为平坦，若Q值偏离0.707过大，幅频及相频曲线刚会出现超调或是衰减过大情况，在实际操作中都是应该避免的，由于市面上销售的电阻规格有限，可能会找不到计算出来的阻值，要选择相近的才会得到较好的滤波效果。
3.2 线性度实验
以下为AD-DA-LPF线性度试验，测量出高压侧输入电压U1，低压侧解调并滤波处理后的输出电压U2，准确度测试数据如图4 所示。
4 结语
在电子式电流互感器的发展过程中，已经取得了很多研究成果，高低压的完全电隔离使测量大电流成为可能，为了使高压侧电路的功耗尽可能低，通过合理软件设计，比较了不同调制解调方案的优劣，选择了ADC转换的系统设计，经过软件仿真及实验测量，证明该系统线性度理想，准确性优良，可用于电力系统计量保护。
参 考 文 献
[1] 王廷云，罗承沐，田玉鑫.电力系统中光电电流互感器研究[J].电力系统自动化，2000（1）：38-41.
[2] 王少奎.电子式电流互感器的发展现状及研制难点[J].变压器，2003（05）：20-25.
[3] 陈金玲，李红斌，刘延冰，等.比较式光学电流互感器的分析设计与试验研究[J].中国电机工程学报，2008（36）：114-118.
[4] 刘明，李金忠，刘锐，等.电子式互感器技术和应用评述_刘明[J].变压器，2013，50（2）：24-28.
[5] 胡鹏.电子式电流互感器的原理及应用[J].云南电力技术，2011（5）：72-76.
[6] 梁万荣.电子式电流互感器数据采集系统研究[J].电子测量技术，2010（2）：41-44.
[7] 吴华斌，王军，方春恩，等.10kV低功耗光电电流互感器的研究[J].电力电子技术，2009（9）：40-41，63.
[8] 贾春荣，邸志刚，张庆凌，等.电子式电流互感器传感头的低功耗设计[J].高压电器，2009（2）：84-86.
[9] 阳光，刘欣荣.有源电子式电流互感器高压侧电路设计的改进[J].电网技术，2005（14）：81-84.
[10] 邱红辉，段雄英，邹积岩.基于LPCT的激光供能电子式电流互感器[J].电工技术学报，2008（4）：66-72.
[11] 任晓东，陈树勇，姜涛.电子式电流互感器高压侧取能装置的设计[J].电网技术，2008，32（18）：67-71.
[12] 张明明，张艳，李红斌，等.Rogowski电流互感器的积分器技术[J].高电压技术，2004（09）：13-16.
[13] 张艳，李红斌，张曦，等.一种用于高压直流输电系统的有源式光纤直流电流传感器[J].仪器仪表学报，2008（07）：1382-1386.
[14] 段雄英，呂 斌， 邱红辉.高压ECT中激光供能电源的设计[J].高压电器，2006，（6） ：428- 431
[15] 沈建华.MSP430系列 16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京 清华大学出版社 2004.
收稿日期：xxx-xx-xx
作者简介：
赵海多（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护，E-mail：aihaiduoduo@sina.com；
马毅（1978-），男，辽宁锦州人，工程师，从事电气技术及高压电气信息检测试验技术方面的研究，E-mail：6827242@ qq.com。