多通道高频行波电流信号采集电路原理及应用
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Ａｂｓ ａ ｔ Ａ ｗ ｕｌｉｗ ａ ｈｉ ｅ ｕｅ ｃ ｔａ ｅ ｉ ｕｒｅ ｔｗ ａ ｅ ｃ ｌｅ ｔｏｎ ｃｒ ｕｉ ｅ ｎ ｈ ｇ ｖｏｔ ｇｅｔａ ｍ ｉｓｏｎｌｎ ｒ ｔ ｃ ： ｎｅ ｍ ｔ－ ｙ ｇｈ ｆ ｑ ｎ ｙ ｖ ｌｎｇ ｃ ｒ ｎ ｖ ｏ ｌｃ ｉ ｉｃ ｔｕｓ ｄ ｉ ｔ ｅｈｉ ｈ ｌａ ｒ ｎｓ ｓ ｉ ｉ ｅ ｒ ｒ
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障 行 波 电流 造成 铁 芯饱 和 从 而 引起 数 据 失 真 ，为 了 方便 绕制
线圈， 采用柔性非磁性材料作为骨架， 并将骨架做成两个 半环
形结果， 以方 便 安 装 。
发 生后输 电线路 出现 的电流行波进行采样 综合 分析 ，确定故 障行波波头到达线路上测量点的准确 时刻 ，来实现精确 的故
１ １
Ａ Ｄ转换器、 ／ 数据缓冲模 块和控制模块组成 。 电流传感器选用 Ｒ ｇ ｗｓｉ 圈电子式 电流互感器构成 ， ｏｏ ｋ线 其输出到一个 信号取 样 电路上 。信号取样 电路将 电流传感器采集到 的信号分为 ８
路 不 同 幅 值 的 信 号 输 出 到 多 通 道 数 据 选 择 开 关 Ｃ ４ ５ 。 多 Ｄ ０１
进 和 创 新 ， 出 了一 种 新 型 的 行 波 电流 信 号 采 集 电路 。 提
图 １多通道高频行波 电流信号采集电路总体构成
１ 信 号取 样单 元 ． ２ 电流传感器的输出接到一个信号取样 电流 ， 取样 电路 由 ８
个 不 同 阻值 的 电 阻 串联 组 成 ， 阻值 从 下 到 上 依 次 为 １ ２ ｏ 电 Ｌ、Ｒ 、 ４ 、 、４ ０１８ ｏ … ６ Ｒ 、 ２ Ｒ 。取 样 电路 有 ８个 输 出 端 ， 一 路信 号分 将
林建华等 ： 多通 道高频行波 电流信号采集 电路原理及应用 ８ ０ ｓ 电冲击电流峰值及波形测试结果： 认可的测量 ／ ｕ雷 ２ 被
系 统 与本 文研 制 装 置测 量 波 形 数据 见 表 １各 项 指标 测 量 误 差 ； 均小于 ５ 。 ％ 表 １ ８ ０ ｓ 电冲 击 电流 峰 值 及 波 形 测 量 数 据 表 ／ ｕ 雷 ２
２ １ 年 第 ５ 期 ０２ （ 第 １ １期 ） 总 ２
信 息 通 信
Ｉ ＮＦＯ ＲＭ Ａ ＴＩ ＯＮ ＆ ＣＯＭ Ｍ ＵＮ Ｉ ＣＡ ＴＩ ＯＮ Ｓ
２０１ ２
（ ｕ ． Ｎ １ ） Ｓｍ ｏ ２１
多通道高频行波 电流信号采集 电路原理及应用
林 建 华 ’张 国 清 。
（． １ 广东电网东莞供 电 ， 东 东莞 ５３ ０ ； ． 局 广 ２ ０ ０ ２武汉三相 电力科技有限公 司， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３０ ４
８２ ．
３Ｏ ３ ．２
７８ ．
０４ ．０
４８ ．８
半 峰 值 时 间（ ｓ １） ｌ
２ ． １ ４
２ ． ０６
３７ ．４
wenku.baidu.com
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图 ３ ８２ ｕ 雷 电 冲击 电流 峰 值 （ 认 可 的测 量 系 统 ） ／０ ｓ 被
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测 量系 统 被认 可 的 测量 系 统 测量 值 试 品 （ 文 装 本 置 ）测量 值 阳对 误 差 （ ） ％
路信号采集到一个数据 点完成 Ａ Ｄ转换后循 环到下 一 ／ 路信
号 。多通道数据 开关高速切换 ，保证多路信号是近似 同时采
集 。由于 ＡＤ 转 换 器 的转 换 频 率 和 主 控 制 器 ＭＳ ４ ０的 时钟 ／ Ｐ３ 频 率 不 一 致 ， 方 便 直 接 进行 数 据 传 输 ， ／ 换 后 的数 字 信 不 Ａ Ｄ转 号 通 过 一 个 ＦＦ ＩＯ存 储 器 来 进 行 数 据 缓 冲 。
通道数据选择开关分 时选择其 中一路信号输到 Ａ Ｄ 转 换器 ／ ＡＤＳ ４ ２ Ａ Ｄ转换得到的数字信号通过一个数据存储模块进 ５２ ， ／ 行缓冲， 最后输入到主控制器 ＭＳ ４ ０ 用 Ｃ Ｌ Ｐ３。 Ｐ Ｄ来对 多通道 数据选择 开关 、 Ｄ转换器 、 Ａ／ 存储缓冲模块和主控制器进行数 据采 集各 部分 的时序协调 。
１装置基 本原 理
本 文 提 出 的 输 电线 路故 障监 测 的 多通 道 高 频 行 波 电流 信 号采集 电路 由电流传感器 、 信号取样、多通道数据选择开关 、
为８ 路信号输 出。线 圈电阻远小于 ，当电流传感器 的输 出 电压为 Ｕ时， 个输 出端 自下到上输 出电压依次为 ｕ、 ｕ、 ８
１ ． 据缓 存单 元 ４数
数据缓存 单元由两块 Ｉ Ｔ ２ ２ １ Ｄ ７ Ｖ １３构成 。为 了协调 Ａ／ Ｄ 转换器 、ＩＯ存储器和主控制器的字长， ＦＦ 同时增加存储容量，
对 ＦＦ 进 行 字 长扩 展 。 ＩＯ
测 量 电流 值 （Ａ） ｋ
波 头 时 间 （ｓ Ｉ） ｌ
３０ ． ０
１ 多通 道数据 选择 开 关及 Ａ Ｄ转 换 ＿ ３ ／
本系统采用 了 Ｃ ４ ５ 作为多通道数据选择开关 ，选择 Ｄ ０１ Ａ ５２ ＤＳ ４ ２作为 Ａ Ｄ转换模块 。 ／
取 样 电路 的 的 ８路 行波 模 拟 信 号接 到 一 个 ８通 道 数 据 选
１１ 罗氏线 圈模 块 ．
摘要 ： 主要 阐述一种新型 的高压输 电线路故障监测的多通道高频行 波电流信号 采集电路 。传统的单通道信 号采集方式 无法兼顾 实际中出现的各种故障 电流幅值 的情况满足 ， 本电路 采用 ８个不同阻值采样 电阻及一多通道选择 开关来循环
采样 。由于利用 了信 号取样 电路对采样信号进行变比转化， 在输 电线路 电流较小时选用较 大变比的一路信号 ， 电流较 在
亩
… 。电压取样电路配合电流传感器将输电线 、Ｕ
路行波信号按不 同变 比进行多路采集， 选择合理的线圈匝数， 使得线路 中流过最大预测 电流时，取样电路的最小输 出电压 ｕ 不超过 Ａ Ｄ转换模块输入 电压，这样 可以保证不会 因为 ／ Ａ Ｄ输入饱和造成采集到的信 号全部 失真 。 ／
障定位 。在这个过程 中，能否对 故障行波进行精确测量就成 为应用行波进行故障定位的关键 。然而 ， 受到线路阻抗、 故障 点电压和故障类型等原因影响， 故障 电流幅值变化很大， 这对 行波定位装置的信号采集方式提 出了新的要求 。 传统的单通道信号采集方式 ， 能很好地兼顾实际中出现 不 的各种故障电流幅值 的情况。 在故障 电流幅值较大的情况下， 可能存在 Ａ Ｄ采样饱和而导致丢失重要 故障信息； ／ 而在故 障电 流幅值较小的情况下 ， 采样后的信息却可 能不清晰 。 为了解决 传统单通道信号采集方式的缺 陷， 电路在现有方案上加 以改 本
大时选用 变比较 小的一路信号 ， 以在保证信号不饱和失真的前提 下采集到高精度 的高频行 波电流信号。 可
关键 词： 行波 电流； 采集 电路； 多通道 中图分类号 ： Ｐ １ ． Ｔ ２ ２１ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６３ ｌ３ （ ０２ ０ －０ ５０ １７ 一１ １２ １ ）５０ ５ —２
用 一 个 Ｒ ｇ ｗ ｋ 圈 电子 式 电流互 感器 采 集 输 电线 路 ｏ ｏ ｓｉ线 的 电流信 号 ， 圈采 用 不 带铁 芯 的 空心 线 圈 ， 避 免 过 大 的 故 线 可
择开关 ， 开关分 时将 ８ 路信号输 出到后面的 Ａ Ｄ转换模块 ， ／ 每
５ ５
信 息通信
一
ｆ ｕ ｔ ｂ ｅ ｖ ｏ ｙ ｔｍ ￣ｏ ｕ ｅ ． ｈ ａ ｉ ｏ ａ ｎ ｌ－ ｈ ｎ ｅ ｖ ｏ ｌｃｉ ｎｍ ｅｈ ｄｃ ｎ ｔ ｔ ｈｔ ｅ ｉ ｈｒ ｎ ｅｏ ｆ ｌ ａ ｌ ｏ ｓ ｒ ￣ｉ ｎ ｓ ｓｅ ｉ ｉ ｄ ｃ ｄ Ｔ ｅ ｒ ｄ ｔ ｎ ｌ ｉ ｇ ｅ ｃ ａ ｎ ｌ ｓｎ ｔ ｉ ｓ ｗａ ｅ ｌ ｔ ｔ ｏ ａ ｃ ｇ ｇ ｆ ａ ｔ ｃ ｅ ｏ ｍａ ｈ ｈ ａ ｎ ｃ ｒｅ ｔ ｎ ａ ｔ ａ ｉ ａｉ ｎ Ｔ ｅｎ ｗ ｉ ｕ ｔ ｓ ｉｆｒ ｎ ｅ ｉｔｎ ｅ ｓ ｍｐ ｉ ｇ ｒ ｓｓｏ ｓ ｎ ｌ ． ｈ ｎ ｅ ｗ￣ ｈ ｔ ａ ｉｅ ｕ ｒ ｎ ｃｕ ｌ ｔ ｔｏ ． ｈ ｅ ｃｒ ｉ ｕ ｅ ａ８ ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｓｓａ ｃ ａ ｌ ｅ ｉ ｒ ｄ ａｍｕ ｔ ｃ ａ ｎ ｌ ｉ ｓｕ ｃ ｒ ｎ ｔ ａ ｉ ｓ ｃ ｒ ｌ ｏ ｅ ｚ
Ｗ Ｃ Ｋ 分 别 连在 一起 ， 块 芯 片 空 标 志信 号 Ｐ Ｌ 两 ＡＥ通 过 或 门连 在 一 起 ， Ｓ ４ ２的低 ８ 连 到 Ｉ Ｔ ２ ２ １（） ＡＤ ５ ４ 位 Ｄ ７ Ｖ １３ １的输 入 端 口 ， Ａ ５ ４ 的 高 ６ 位 连 到 Ｉ Ｔ ２ １３ （） 的 输 入 端 口 ， ＤＳ ４２ Ｄ ７Ｖ２ １ ２ Ｉ ７ Ｖ １３１的输 出端 【和 Ｉ ７ Ｖ２ １（） 输 出端 口 中的 ＤＴ ２ ２ １（） ＿ ＤＴ ２ １３２的 ＿ ＝ １ 图 ４ ８２ ｕ 雷 电 冲击 电流 峰 值 （ 装 置 ） ／０ ｓ 本
Ｃ ｅｃ ｌ ｃｅ ． ｎ ａ ｂ ｏ ｌ ｔ ｄ ｅ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｔ ｖ ｌ ｇ ｃ ｒｅ ｔ ｓ ｐ ｉ ｇ ｃｒ ｕ ｔ ｍｕ ｔ ｃ ａ ｎ ｌ ｙ ｒ ： ｒ ｅｉ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｉ ｉ ａ ｎ ｍ ｎ ｃ ｌ － ｈ ｎ ｅ ｉ
０ 引言
对 电力系统高压输 电线路进 行精确 的故障定位是保证系 统 安全稳定运行 的有效途径。现代行波定位技术通过对故障
图 ２ ＦＦ ＩＯ存储模 块的字长扩展连接 电路图
在 图 ２中 ， 块 Ｉ ７ Ｖ １３ 过 字长 扩 展 来 增 加 存 储 容 两 ＤＴ ２ ２ １ 通
量 ，同时方便与 Ａ／ Ｄ转换器和主存储器实现数据位的匹配。 Ｉ ７ Ｖ １３ ＤＴ ２ ２ １ 字长扩展连接方 式为： 将两块 芯片 的读使能端 口 Ｒ Ｎ、读时钟端 口 Ｒ Ｌ Ｅ Ｃ Ｋ、写使能端 口 ＷＥ Ｎ、写时钟端 口
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发 生后输 电线路 出现 的电流行波进行采样 综合 分析 ，确定故 障行波波头到达线路上测量点的准确 时刻 ，来实现精确 的故
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Ａ Ｄ转换器、 ／ 数据缓冲模 块和控制模块组成 。 电流传感器选用 Ｒ ｇ ｗｓｉ 圈电子式 电流互感器构成 ， ｏｏ ｋ线 其输出到一个 信号取 样 电路上 。信号取样 电路将 电流传感器采集到 的信号分为 ８
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进 和 创 新 ， 出 了一 种 新 型 的 行 波 电流 信 号 采 集 电路 。 提
图 １多通道高频行波 电流信号采集电路总体构成
１ 信 号取 样单 元 ． ２ 电流传感器的输出接到一个信号取样 电流 ， 取样 电路 由 ８
个 不 同 阻值 的 电 阻 串联 组 成 ， 阻值 从 下 到 上 依 次 为 １ ２ ｏ 电 Ｌ、Ｒ 、 ４ 、 、４ ０１８ ｏ … ６ Ｒ 、 ２ Ｒ 。取 样 电路 有 ８个 输 出 端 ， 一 路信 号分 将
林建华等 ： 多通 道高频行波 电流信号采集 电路原理及应用 ８ ０ ｓ 电冲击电流峰值及波形测试结果： 认可的测量 ／ ｕ雷 ２ 被
系 统 与本 文研 制 装 置测 量 波 形 数据 见 表 １各 项 指标 测 量 误 差 ； 均小于 ５ 。 ％ 表 １ ８ ０ ｓ 电冲 击 电流 峰 值 及 波 形 测 量 数 据 表 ／ ｕ 雷 ２
２ １ 年 第 ５ 期 ０２ （ 第 １ １期 ） 总 ２
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多通道高频行波 电流信号采集 电路原理及应用
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（． １ 广东电网东莞供 电 ， 东 东莞 ５３ ０ ； ． 局 广 ２ ０ ０ ２武汉三相 电力科技有限公 司， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３０ ４
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号 。多通道数据 开关高速切换 ，保证多路信号是近似 同时采
集 。由于 ＡＤ 转 换 器 的转 换 频 率 和 主 控 制 器 ＭＳ ４ ０的 时钟 ／ Ｐ３ 频 率 不 一 致 ， 方 便 直 接 进行 数 据 传 输 ， ／ 换 后 的数 字 信 不 Ａ Ｄ转 号 通 过 一 个 ＦＦ ＩＯ存 储 器 来 进 行 数 据 缓 冲 。
通道数据选择开关分 时选择其 中一路信号输到 Ａ Ｄ 转 换器 ／ ＡＤＳ ４ ２ Ａ Ｄ转换得到的数字信号通过一个数据存储模块进 ５２ ， ／ 行缓冲， 最后输入到主控制器 ＭＳ ４ ０ 用 Ｃ Ｌ Ｐ３。 Ｐ Ｄ来对 多通道 数据选择 开关 、 Ｄ转换器 、 Ａ／ 存储缓冲模块和主控制器进行数 据采 集各 部分 的时序协调 。
１装置基 本原 理
本 文 提 出 的 输 电线 路故 障监 测 的 多通 道 高 频 行 波 电流 信 号采集 电路 由电流传感器 、 信号取样、多通道数据选择开关 、
为８ 路信号输 出。线 圈电阻远小于 ，当电流传感器 的输 出 电压为 Ｕ时， 个输 出端 自下到上输 出电压依次为 ｕ、 ｕ、 ８
１ ． 据缓 存单 元 ４数
数据缓存 单元由两块 Ｉ Ｔ ２ ２ １ Ｄ ７ Ｖ １３构成 。为 了协调 Ａ／ Ｄ 转换器 、ＩＯ存储器和主控制器的字长， ＦＦ 同时增加存储容量，
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摘要 ： 主要 阐述一种新型 的高压输 电线路故障监测的多通道高频行 波电流信号 采集电路 。传统的单通道信 号采集方式 无法兼顾 实际中出现的各种故障 电流幅值 的情况满足 ， 本电路 采用 ８个不同阻值采样 电阻及一多通道选择 开关来循环
采样 。由于利用 了信 号取样 电路对采样信号进行变比转化， 在输 电线路 电流较小时选用较 大变比的一路信号 ， 电流较 在
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路行波信号按不 同变 比进行多路采集， 选择合理的线圈匝数， 使得线路 中流过最大预测 电流时，取样电路的最小输 出电压 ｕ 不超过 Ａ Ｄ转换模块输入 电压，这样 可以保证不会 因为 ／ Ａ Ｄ输入饱和造成采集到的信 号全部 失真 。 ／
障定位 。在这个过程 中，能否对 故障行波进行精确测量就成 为应用行波进行故障定位的关键 。然而 ， 受到线路阻抗、 故障 点电压和故障类型等原因影响， 故障 电流幅值变化很大， 这对 行波定位装置的信号采集方式提 出了新的要求 。 传统的单通道信号采集方式 ， 能很好地兼顾实际中出现 不 的各种故障电流幅值 的情况。 在故障 电流幅值较大的情况下， 可能存在 Ａ Ｄ采样饱和而导致丢失重要 故障信息； ／ 而在故 障电 流幅值较小的情况下 ， 采样后的信息却可 能不清晰 。 为了解决 传统单通道信号采集方式的缺 陷， 电路在现有方案上加 以改 本
大时选用 变比较 小的一路信号 ， 以在保证信号不饱和失真的前提 下采集到高精度 的高频行 波电流信号。 可
关键 词： 行波 电流； 采集 电路； 多通道 中图分类号 ： Ｐ １ ． Ｔ ２ ２１ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６３ ｌ３ （ ０２ ０ －０ ５０ １７ 一１ １２ １ ）５０ ５ —２
用 一 个 Ｒ ｇ ｗ ｋ 圈 电子 式 电流互 感器 采 集 输 电线 路 ｏ ｏ ｓｉ线 的 电流信 号 ， 圈采 用 不 带铁 芯 的 空心 线 圈 ， 避 免 过 大 的 故 线 可
择开关 ， 开关分 时将 ８ 路信号输 出到后面的 Ａ Ｄ转换模块 ， ／ 每
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０ 引言
对 电力系统高压输 电线路进 行精确 的故障定位是保证系 统 安全稳定运行 的有效途径。现代行波定位技术通过对故障
图 ２ ＦＦ ＩＯ存储模 块的字长扩展连接 电路图
在 图 ２中 ， 块 Ｉ ７ Ｖ １３ 过 字长 扩 展 来 增 加 存 储 容 两 ＤＴ ２ ２ １ 通
量 ，同时方便与 Ａ／ Ｄ转换器和主存储器实现数据位的匹配。 Ｉ ７ Ｖ １３ ＤＴ ２ ２ １ 字长扩展连接方 式为： 将两块 芯片 的读使能端 口 Ｒ Ｎ、读时钟端 口 Ｒ Ｌ Ｅ Ｃ Ｋ、写使能端 口 ＷＥ Ｎ、写时钟端 口