一二次深度融合用电子传感器的工程应用

国家电网公司在2016年末提出的“配网自动化终端DTU/FTU需要考虑一二次设备融合的需求和考虑采用电子式互感器来取代传统的电磁式互感器”的总体思路成为了现阶段几乎所有配网自动化终端生产企业的研究对象。

本文主要针对10kV柱上断路器内置电子传感器的输出信号采样在实际工程应用中出现的若干问题进行分析，并提出解决方案。

1 一二次深度融合成套设备工程应用中遇到的问题

某一客户现场挂网运行的线路保护装置采用一二次深度融合成套设备，10kV柱上断路器内置电压、电流电子传感器，电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器（LPCT），电压传感器采用电容分压式传感器（CVT），控制单元采用基于无源电子传感器的智能馈线终端（FTU）。

在设备挂网运行一段时间中出现以下故障：①设备报“后备欠压”及“电压采样错误”报警，三相电压采样值为：Ua：14593V，Ub：5302V，Uc：5681V，零序电压U0：2604V；②FTU电流采样端子断开输入电缆，零序电流I0显示6.5A；电缆接入电流输入端子后，I0显示为0。

针对上述情况，用万用表在传感器输出口测试电压、电流输出数值均正常。现场挂网运行设备的交流采样部分原理框图如图1所示。

图1 现场FTU交流采样电路示意图

2 问题分析

根据第1节的现场描述可以判断电子传感器及AD芯片等后级电路是正常工作的，那么故障就发生在交流信号的保护电路和调理电路。

图2所示为三相电流采样电路。将样机的电流信号线对机壳施加500V工频电压时未通过，信号线对机壳施加GB/T 15153.1中规定的浪涌4级及GB/T 17626.4中规定的电快速瞬变脉冲群干扰4级时均未通过。

如图2所示分析，电流信号输入端采用压敏电阻10K390抑制差模及共模干扰，抑制共模干扰的压敏电阻存在动作电压低，信号线对机壳承受的耐压较低以及EMC浪涌试验通不过等问题。

图2 三相电流采样电路

电子式电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器，自带线圈隔离，可以避免因一二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差；但电子式电压传感器从10kV母线通过低压臂电容分压到FTU的信号输入间完全没有隔离措施，这将引起：①高压一次侧引入二次侧；②因一、二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差。

2.2 三相电压、零序电压及零序电流采样电路分析

如图3所示为三相电压、零序电压及零序电流采样电路。信号输入端保护采用压敏电阻10K390及TVS。但由于10K390的动作电压为39V，存在同图2一样的问题。

图3 交流电压及零序电流采样电路

根据运放“虚短”、“虚断”：

表1 TVS存在时测试结果

表2 TVS去除时测试结果

此外，零序电流由于信号幅值较小（额定值0.2V），易受高频、接地及工频干扰，造成输入端悬空时零序电流有数值显示。

3 解决方案

为了解决上述电磁兼容及交流采样不准等问题，保证测量精度及可靠性，本文从信号的传输、隔离以及AD转换方面提出解决方案，其中隔离方式提出两种方案。

3.1 双绞屏蔽线长线传输

信号在传输过程中会受到电场、磁场和地电位等干扰因素的影响，因此，对于电子传感器模拟小信号而言，为了获得更好的信号质量，建议采用双绞屏蔽线。双绞屏蔽线分为单屏蔽层和双屏蔽层。

双屏蔽层要求内外层绝缘，成本较高；但它对高频信号的抗干扰能力较好，在实际应用中，可将内屏蔽层在二次侧接地，外屏蔽层在一次侧接地。若采用单屏蔽双绞线，则应在接收信号的二次侧将屏蔽层单端接地。

3.2 微型互感器方案

考虑到电子式电流传感器是LPCT，自带线圈隔离，但信号需经8～15m长的电缆传输；而电子式电压传感器输出信号调理回路没有任何隔离措施，故将交采回路设计为微型互感器采集，原理框图如图4所示。

3.3 光电耦合隔离方案

如图5所示，本设计采用高速线性光耦HCNR201进行光电隔离，它具有超低线性度（0.01%）、低增益温度系数、耐压等级高（5kV）、隔离电压高（最高隔离8kV）、单向传输、抗共模干扰能力强及信号一比一线性高速传输等优点。交流电压信号经过调理后接入光耦，光耦将夹杂在输入量中的各种干扰脉冲都挡在输入侧，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

图4 微型互感器方案

图5 光电耦合隔离电路

3.4 ADC采样

输入信号为交流小电压信号，采用差分输入， AD芯片采用MAX11046，该芯片具有3s快速转换时间，高吞吐率：每个通道为250ksps，16位/14位高速并行接口，低温漂、高精度4.096V内部基准支持±5V输入范围，3.0V至4.25V外部基准范围，支持±4.0V至±5.2V满量程输入范围，满足交流模拟量输入通道需要10M以上输入阻抗匹配要求。

4 实验数据分析

以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案2中的微型互感器隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。交采回路经改进后与电子式传感器联调结果见表3。测量精度满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5% 。

但微型互感器方案在测试相位误差时发现“1V/0.35V”互感器角差为5°，“0.2V/0.2V”互感器在信号下降沿角差为2.3°，这将不满足相差不大于10′的标准规定。相角偏移是电容因素引起的，包括前面的电容分压器、传输电缆分布电容以及互感器线圈分布电容等因素，可以采取一定的补偿措施对电路的相位特性进行改善。

表3 零序电流联调测试结果

仍以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案3中的光耦隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。测量精度亦可满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5%），测试相位误差时采用示波器对比输入与输出端的波形如图6所示。

光滑曲线为输入信号，带点曲线为输出信号，由图可知，输入线与输出线基本重合，线性度较好；输入信号有效值为10mV时，输出信号有效值为9.98mV，相位误差在5′左右，满足0.5级电子式互感器对采样精度的要求。

图6 光耦隔离试验波形

结论

综上所述：①三相电压采样电路、零序电压采样电路和零序电流采样电路输入端串联的限流电阻与TVS形成分压，影响了采样精度；②电路中采用的防护器件的等级不够，对高压侧串入的干扰不能很好的防护。

鉴于此，文中采用方案1解决8～15m电缆上叠加的电磁干扰，采用方案2或方案3可以完全隔离一二次侧相互串扰问题，方案4提高AD转换的速度、精度以及高输入阻抗匹配问题。

本文采用方案1、方案3以及方案4结合设计了FTU交采回路，FTU机箱采用复合型电磁屏蔽结构及合理的接地设计。经过本设计处理后的一二次深度融合成套设备已经顺利通过电磁兼容等试验项目验证，符合国家配电自动化设备相关标准。

太牛了！国产企业成功研发8K传感器，能打破索尼的垄断吗？

自摄影行业跑步进入数字时代以来，和消费级相机相关的影像技术可以说被几大日系相机集团手中。而在多年的经营下，日系相机品牌也凭借着出色的性能和性价比获得了统治级别的市场表现。尽管手机摄影为传统市场带来了不小的冲击、日新月异的短视频和运动相机领域也削弱了日系品牌在相机领域的影响力，但在数码摄影发展史和以照片为核心的传媒领域，掌握核心科技的日系相机始终占据着主导地位。

但就在前段时间，长光辰芯也在数字影像的核心——传感器行业中，画下了属于中国的一笔：2021年10月，长光辰芯承担的“8K超高清图像传感芯片及系统应用”课题顺利完成验收工作，我们终于拿出了可以比肩行业第一梯队的4900万像素传感器芯片。

产品简介

这次长光辰芯的8K传感器是一片4900万像素全画幅尺寸（36×24mm）的背照堆栈式CMOS传感器，动态范围高达87dB。传感器支持原生422 RAW编码，在16Bit深度下支持8K120、4K240格式的视频输出。

我们先来说说分辨率。确实，4900万分辨率在数字上自然是比不过那些一亿像素的手机摄像头。但和很多只体验过手机摄影的朋友想的不一样，在不讨论其他条件的情况下，堆分辨率可以说是最简单的事情了：一片传感器4900万像素，那我把四片放在一起不就有接近两亿像素了吗？或者我用一块传感器重复曝光四次，再把四张图片合成在一起，那不也能实现两亿像素？拍出来的画面看起来怎么样、噪点多不多又和品牌有什么关系呢？

因此传感器行业的难点其实并不完全是堆像素，而是在规定的传感器尺寸内堆像素的同时，有效控制芯片的信噪比，并在两者之间找到一个良好的平衡。要知道长光辰芯之前还推出过1.5亿像素的中画幅传感器，更高的像素对长光辰芯来说并不是难度太高的挑战。这次推出4900万像素的全画幅传感器，相信也是出于对商用和市场的考虑。

其次，长光辰芯也提到这颗传感器能够在8K分辨率下拍摄8K120fps的视频，即使缩减拍摄尺寸，也能轻松拍摄4K240fps的视频。支持超高分辨率视频拍摄意味着长光辰芯的图像处理芯片可以承受8K120/4K240的超高数据吞吐量，可以快速打开未来的电影机市场。

在这里我们不妨用索尼新一代8K电影机CineAltaV 2中的传感器做个简单的对比：两者同为全画幅传感器，但索尼的宽容度稍小，等效为16档。记录格式方面，索尼的CineAltaV 2可以以Apple 4K ProRes 4:4:4:4和4:2:2 HQ记录视频，同时采用了双原生ISO设计，在使用时就较高的灵活性。长光辰芯的8K传感器虽然宽容度更高，但在对焦支持和文件记录方面还有待提升。

国产传感器的行业意义

为什么我要多次强调长光辰芯的8K传感器瞄准的是电影机市场呢？原因很简单，在消费级相机是超高度饱和、甚至开始衰退的现在，抓住视频经济的潮流，推出符合新时代的用户场景的电影机才是长光辰芯将资源最大化的最好方式。

在长光辰芯发布8K传感器前不久，大疆发布了旗下首款四轴电影摄影机——如影4（DJI Ronin 4D）。尽管当时的如影48K最高仅支持8K75fps的画面录制填补了当时国内电影相机的市场空缺，但传感器依旧是大疆这个国内创新品牌难以回避的问题。要知道在相关产业中，除了最关键的CMOS外，机身、电池、算法、镜头等多个环节国内都有着成熟的品牌和技术，但数码相机最关键的CMOS传感器，过去很长一段时间内都受制于人。一款国产高素质传感器也成为了我国相机、影像产业实现产业闭环的重要一环。

而长光辰芯这款8K传感器的出现，填上了产业闭环的最后一个空缺，也让中国品牌的超高清录像设备有能力站到国际市场中，对未来8K影视作品的普及起到积极的推广作用。

根据奥维云网的数据，2020年1月到11月间，8K电视累计销量达到5.5万台，与去年同比增长264%。要知道在2020年上半年间，8K电视的市场占有率仅为0.1%，能在短时间内获得如此喜人的销售成绩，不难看出国内消费者已经初步介绍了8K电视的理念。而长光辰芯的8K传感器为8K影视制作产业提供了最为根基的创作工具，换句话说，8K产业的硬件设施已经齐全。

但除了可以推广8K影视产业以外，长光辰芯这款传感器在我看来还有更为重大的意义，8K传感器的诞生，意味着我们有能力在索尼等传统影视体系的标准以外，另起炉灶建立一个属于我们自己的体系，让我们在影视行业中完成从制造到设计的转变，从而实现产业升级。

传感器为什么算“核高基”

相信这也是“8K传感器”在立项时能作为“核高基重大专项”的原因。所谓“核高基”，即核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品，是与载人航空、探月工程并列的科技专项，旨在解决芯片“卡脖子”、带动产业国产化。

回看大疆过去推出的各项产品，从小型无人机到运动相机、从稳定器到通用无人机，无不在发布之后凭借出色的产品改变了相关市场的格局。此次与长光辰芯合作的8K传感器，相信也能帮助大疆在电影机市场中站稳脚步，为将来的“中国标准”夯实基础。

之前在评论相机时，我曾多次提及一个观点：随着视频内容的兴起，越来越多相机品牌会以视频拍摄作为主要卖点，以功能差异作为保命手段。未来视频市场也可能会迎来二次细化：短视频以手机为主，长视频则由无反相机主导。随着长视频画面标准的逐步提升，产业链最末端的消费者自然也会对电影、电视等传统影像产业提出全新的要求。比如HDR、比如8K。

但如果我们选择“被动”进入高标准影像时代，由于标准掌握在其他品牌手中，我们很可能错过制定未来硬件标准的机会，继续以“配件厂”的方式围绕着其他品牌的标准推出产品。而核心的利润也会被标准制定者牢牢掌握。但现在我们的8K生态已经形成了闭环，同时相关芯片也不再受制于人，更有实力参与到未来的8K产业标准制定中去。相信这样的产业升级，才是这块8K传感器背后最大的意义。

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