淺析壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號處理方法

王慶賀

（揚州商務高等職業(yè)學校，江蘇 揚州 225127）

［工業(yè)技術與創(chuàng)新］

淺析壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號處理方法

王慶賀

（揚州商務高等職業(yè)學校，江蘇 揚州 225127）

在壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號處理方面，如果處理得比較好，就會使整體的電壓趨于穩(wěn)定狀態(tài)；如果不能很好地處理，就可能會導致供電受損，以至于受到巨大的經濟損失。因此，一定要提升壓電陶瓷式電子電壓互感器信號處理的安全性與可靠性，并根據(jù)信號處理方法中測量方式的特點，提出恒光強控制電路中的光電轉換方法，并研發(fā)相對應的動態(tài)誤差的補償系統(tǒng)，以此對信號處理過程中相關問題進行分析，最后提出兩種輸出信號，分別為模擬量和數(shù)字量。此外，還利用這種方法對壓電陶瓷式電壓互感器樣機進行數(shù)據(jù)采集，通過參數(shù)可以表明，這種信號處理后的性能比較可靠，可以很好地提升高壓電陶式電壓互感器的安全性和穩(wěn)定性，使精確度得到很大提升。

壓電陶瓷式；電子電壓互感器；信號處理；光強度控制

電子電壓互感器在整個電力系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的作用，是電力系統(tǒng)的檢測中不能缺少的設備。目前在電力系統(tǒng)中經常使用的是先前的比較傳統(tǒng)的電磁感應式互感器和電容分壓式互感器。并且人們對電力需求不斷增大，同時對電能的質量要求也在逐漸提升，電力系統(tǒng)逐漸向高效率、大容量的方向發(fā)展，使人們用電的安全性、穩(wěn)定性得到很大提升，逐漸向電力系統(tǒng)自動化趨勢發(fā)展。傳統(tǒng)的電壓互感器的體積比較大，重量也比較重，安裝時比較難，一旦操作失誤，還可能造成人員傷亡的危險。使用了壓電陶瓷式電子電壓互感器后，彌補了傳統(tǒng)的電子電壓互感器的不足，還推動了計算機技術的發(fā)展，顯現(xiàn)出了電子電壓互感器的應用前景。傳統(tǒng)的電子電壓互感器還存在兩個問題，一個是鐵磁飽和問題，另一個是復雜絕緣結構問題。為解決問題，對壓電陶瓷逆壓電效應的電子式電壓互感器進行了開發(fā)研究，本文在研究的基礎上，還發(fā)現(xiàn)了壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號處理系統(tǒng)，并根據(jù)相關實驗表明，這個信號處理裝置具有很高的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

一、壓電陶瓷式電子電壓互感器的工作原理

壓電陶瓷如今已經被廣泛地應用在電力系統(tǒng)中，是一種有一定逆壓電效應的材料，這種材料可以將電能充分地轉換成機械能，或者將機械能轉換成電能。在一個邊緣固定著薄片的壓電陶瓷，如果有電壓經過陶瓷兩極時，就可以根據(jù)逆壓電的特性，這樣就會產生垂直方向的位移，這個位移在一定的范圍內會同兩端的電壓組成線性關系，具體如下：

在這個公式中，ú表示為加到壓電陶瓷兩端的電壓；ΔS表示為壓電陶瓷片垂直的位移量；k表示為電壓同位移量ΔS線性比例系數(shù)。在這個公式基礎上，可以通過反射形式光纖位移轉換器的非接觸式的測量將薄片型壓電陶瓷片逆壓電效應進而產生的震動量，轉換為相應光強度變化量，再經過光轉換完成后，還要將光強度信號轉換為相適應的交變電壓信號，同樣，輸出的電壓信號同被測量的電壓向量呈現(xiàn)的是線性關系。

二、壓電陶瓷式電子電壓互感器模擬信號的處理方式

對于反射式光纖位移傳感器所輸出的信號，就是比較連續(xù)的光強度信號。這個光強度信號主要是通過光纖從而傳遞到反射式的光纖位移傳感器，并且相應的信號處理單元會轉化成相對應的輸出電壓信號，這樣就可以準確地反映出電壓的大小，因而快速地測量模擬電壓的參量。其中，壓電陶瓷式電子電壓互感器中模擬信號的處理單元可以包括光轉換單元、誤差補償?shù)取?/p>

（一）電子電壓互感器信號的光電轉換單元

在電子電壓互感器模擬信號的光電轉換單元中，想要反射式光纖位移傳感器安全、穩(wěn)定地運行，就要控制好光的強度變化；想要確保光纖位移傳感器的測量精度，就要保證在靜止時的輸出信號是處于不變的狀態(tài)；想要保持輸出的靜態(tài)信號一致是穩(wěn)定的，可以選擇兩個光電轉換環(huán)節(jié)共同接收發(fā)光管的光強度發(fā)出的信號。這樣，我們就可以根據(jù)發(fā)光管的額定電壓的數(shù)值，來設定驅動電路發(fā)送給發(fā)光管的直流電壓Uc，還可以將發(fā)光管的靜態(tài)光強度信號經過光電轉換完成后，電壓Ui同Uc進行對比，如果Uc等于Ui，就可以根據(jù)動態(tài)反饋回路對Ui進行修改，修改最終結果要使Ui等于Uc，因為只有這樣，才能達到最初設定的標準。

在對發(fā)光管恒光強控制完成之后，發(fā)光管所發(fā)出的光強度需要通過入射光纖、反射光纖才能輸送給光電轉換環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)就可以作為反射式的光纖位移傳感器內部的輸出信號。在對動態(tài)反饋環(huán)節(jié)的設計方面，可以更好地將反射式光纖位移傳感器的靜態(tài)直流輸出電壓控制在某一固定的數(shù)值。這樣做，不但可以提升電子電壓互感器的穩(wěn)定性和安全性，還使得測量的精確性得以提升。

（二）電子電壓互感器信號的濾波放大階段

當壓電陶瓷式電子電壓互感器正常工作時，壓電陶瓷片就會伴隨著電壓的交變產生一系列的震動，并且當震動有一定的規(guī)律時，出射光纖所輸出的光強度也會呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化。此外，在光電轉換完成之后，就會得到相應的輸出信號，這個輸出信號是一種連續(xù)不斷的交變電壓信號和一種相對恒定的電壓信號疊加而成的信號，信號的處理系統(tǒng)就會通過過濾掉的直流電壓信號從而得到交流電壓信號。得到交流電壓信號的過程就是將直流電壓和交流電壓混合的信號通入一個頻率為一赫茲的低通濾波器，這樣就可以得到直流的電壓量，還要用直交混合信號通過減法器將直流電壓減掉，這樣就可以快速便捷地得到交流電壓信號。然后將交流電壓信號進行放大處理，就可以得到電子電壓互感器輸出的信號。

（三）電子電壓互感器信號的誤差補償過程

在壓電陶瓷式電子電壓互感器信號的誤差補償過程中，要根據(jù)電子電壓互感器的國家標準GBT20840. 7-2007，將電子電壓互感器誤差補償可以劃分為角差校正和比差校正兩部分。其中，壓電陶瓷式互感器的比差校正工作在濾波放大階段就已經完成了；然而在角差的校正過程中，電路會存在一定的傳輸延時、放大等過程，這樣就會產生一定的相位移動，對相位的校正從而達到國家標準是壓電陶瓷式互感器模擬輸出的最關鍵環(huán)節(jié)。具體的相位校正工作有多種方法可以達成，主要有濾波器的方法，這樣可以更好地改變獲得信號的相位，最終實現(xiàn)同被測信號的一致。

（四）在電子電壓互感器的模擬信號處理過程中應注意的問題

在電子電壓互感器的光源選擇方面，尤其是在發(fā)光管的選擇時，一定有要注意選擇的發(fā)光管的低相干長度、耦合的效率要足夠高、工作的波長要與光纖相匹配等；在對直流電壓電源的要求方面，直流電壓電源可以提供直流電壓，并控制光的強度，這樣就要求直流電壓要有一定的準確度，才能夠保證直流電壓電源更安全、更穩(wěn)定地運行。

三、壓電陶瓷式電子電壓互感器數(shù)字信號的處理方法

在壓電陶瓷式電子電壓互感器的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，需要對交流電壓信號進行采集工作。工作中要根據(jù)事前所采集數(shù)據(jù)計算的具體數(shù)值、相位計算量、諧波的影響等進行具體分析，得出具體的功能。本文主要采用DPS同快速A/D相結合的技術，這樣可以更加快速、便捷地實現(xiàn)每周期256點頻率跟蹤采樣與快速的FFT計算。在這個計算中，DSP56F807芯片可以將DPS同快速A/D相結合的混合處理系統(tǒng)，這樣有DPS的計算特點，還有MCU的控制優(yōu)點，在處理過程中可以更加快速、安全、便捷。

除此之外，A/D自身還有很多的特征，主要有：第一，A/D的轉換分辨率是十二位的，轉換器可以將計算出的結果都保存在數(shù)字輸出寄存器里面，等待下一步的操作，此外，還有十六組A/D轉換輸入通道，每一組都有各系匹配的A/D轉換器；第二，數(shù)字信號的處理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)可以設置為有符號數(shù)據(jù)或者無符號數(shù)據(jù)，還可以設置為偏移量的校正輸出數(shù)據(jù)；第三，可以設定過零點中斷功能、單邊輸入、差分輸入等；第四，A/D的模式還可以分成同時采樣模式和順序采樣方式，且具有六種掃描的方式；第五，ADC的最大時鐘頻率可以達到6兆赫茲，并且掃描的轉換速度也很快，最快時僅僅需要4.9微秒。

在對壓電陶瓷式電子電壓互感器的數(shù)字信號處理過程中還會出現(xiàn)一些問題。在時鐘的同步方面，一般要取頻率為3.5MHz的貼片晶振當做時鐘的標準，這樣可以更好地保證數(shù)據(jù)的相同性和準確性；在數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)方面，在數(shù)據(jù)的計算完成之后，這些計算的結果都會保存在EPROM中，還會時刻關注著數(shù)據(jù)的更新，一旦更新，就會自動同步。正因如此，系統(tǒng)中即便出現(xiàn)了系統(tǒng)差錯，也可以很好地保證數(shù)據(jù)的同步性和連續(xù)性。

通過具體的數(shù)據(jù)運行可以表明，壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號處理裝置的性能穩(wěn)定性比較強，有高標準的穩(wěn)態(tài)測量能力，可以很好地達到預定要求。其中恒光強補償單元可以輕松地控制光源的光強度，作為標準的直流電壓長時間安全可靠工作，從而保證了反射式的光纖位移傳感器的測量準確度，提升了電壓互感器的抵抗外來干擾的能力。在數(shù)字化傳輸過程中，傳輸?shù)乃俣认鄬碚f比較快，可以快速地反映出具體測量的整個過程。此外，數(shù)據(jù)輸出形態(tài)還包括模擬量和數(shù)字量兩種，這樣就使壓電陶瓷式電子電壓互感器的適用性更加廣泛，信號處理裝置的可靠性、安全性、穩(wěn)定性也得以快速提升。

［1］許韋華，鮑海，楊以涵等.壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號處理方法［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010（5）.

［2］許韋華，鮑海，楊以涵等.基于壓電陶瓷逆壓電效應的電壓信號變送原理［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010（2）.

［3］劉豐，畢衛(wèi)紅，王健.光學高壓電壓互感器傳感頭結構的研究［J］.電工技術學報，2008（5）.

［4］葉罕罕，許平，宗洪良等.數(shù)字化變電站的電壓互感器配置和電壓切換［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008（3）.

［5］王鵬，羅承沐，張貴新.基于低功率電流互感器的電子式電流互感器［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006（4）.

［6］邱紅輝，李立偉，段雄英等.用于激光供能電流互感器的低功耗光纖傳輸系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006（8）.

［7］紀哲.檢測電容電流型電子式電壓互感器及其相關技術研究［D］.湖南大學，2011.

［8］婁鳳偉.雙模干涉式光學電壓互感器的設計與理論研究［D］.燕山大學，2006.

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