（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850电子式互感器数字接口硬件方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ee x p a n s i o no fp o w e r 鲥da n dt h er i s i n go fv o l t a g el e v e l ，t r a d i t i o n a l s u b s t a t i o na u t o m a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nu n a b l et os a t i s f yw i t ht h ed i g i t a la n di n t e l l i g e n t d e v e l o p m e n tn e e d so fp o w e rg r i d t h e nt h ee s t a b l i s h i n ga n de x t e n d i n go fd i g i t a ls u b s t a t i o n w h i c hi sb a s e do ni e c 618 5 0s t a n d a r d sw i l lb ea ni n e v i t a l b et r e n d r e s e a r c h i n ge l e c t r o n i c t r a n s f o r m e ra n di t sd i g i t a li n t e r f a c e - - m u ( m e r g i n g u n i t ) i nd i g i t a ls u b s t a t i o np r o c e s sl a y e r w i l lb eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n gv a l u e m ui sad i g i t a li n t e r f a c ew h i c hi su s e dt ol i n ke l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ro f p r o c e s sl a y e r a n dp r o t e c t i o ns u p e r v i s o r ye q u i p m e n to fb a yl a y e r m u sm a i nf u n c t i o ni st os a m p l e v o l t a g ea n dc u r r e n ts y n c h r o n o u s l yt o g e t h e rw i t he l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , a n dt of l a m ea n d t r a n s m i tt h es a m p l e dd a t ai na c c o r d a n c ew i t hi e c 6 18 5 0 - 9 1 2s t a n d a r d t h eu s eo f m uc a n g r e a t l ys i m p l i f yh a r d w a r es t r u c t u r eo fs e c o n d a r yp r o t e c t i o ns u p e r v i s o r yd e v i c e t h em u c a na l s ob eh e l p f u lt or e a l i z et h ep r o t e c t i o na n dm e a s u r e m e n td a t as h a r i n gi ns u b s t a t i o n ，t o i m p l e m e n tt h ei n t e g r a t i o nw i t hs c a d as y s t e m i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds y s t e ms t r u c t u r eo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri s i n t r o d u c e d f i r s t l y a f t e ra n a l y z i n g a n d c o m p a r i n g i e c 6 0 0 4 4 7 8s t a n d a r d sa n d i e c 6 18 5 0 - 9 - 1 2s t a n d a r d s ，i e c 6 18 5 0 9 1 2s t a n d a r d sa r ec h o o s e nt ob et h em ud e s i g n b a s i s s e c o n d l y , b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lt y p i c a lm ud e s i g ns c h e m e sa n d f u n c t i o nm o d e l s ，t h r e es y n c h r o n o u ss a m p l i n gs c h e m e so fm ua r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y i n c l u d i n gs e n c o n dp u l s em e t h o d ，i r i g bc o d em e t h o da n di e e e 158 8p r o t o c o lm e t h o d t h e n ，t h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m ea n ds o f t w a r ef u n t i o no fm ui nb a yl a y e ri sp r o p o s e d i n t h i ss c h e m e ，m ui sb a s e do na d s p & f p g a s t r u c t u r e ，t h e nt h ep r o g r a m m a b l e ，m u l t i i o p o r ta d v a n t a g e so ff p g aa n dt h eh i g h s p e e dd a t ap r o c e s s i n ga b i l i t yo fa d s p c a nb em a d e f u l lu s eo f i nt h i sk i n do fm u ，d e c o d i n ga n dc h e c k i n gf u n c t i o no fd a t af r a m es a m p l e db y e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rc a l lb ec o m p l e t e d ，t h es a m p l i n gs y n c h r o n i z a i t o no fm uc a t lb e f i n i s h e d ，t h ef i f os e q u e n c i n g ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，r e s a m p l i n ga n de t h e m e tf r a m i n gf u c t i o n c a na l s ob ea c c o m p l i s h e d i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf u n c t i o n ，m ui sd i v i d e di n t o p o w e rp l u g i n , b a c k p l a n e ，o p e n di n t oa n do u tp l u g - i n ，d a t ar e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n g p l u g i n ，s y n c h r o n i z a t i o na n dd a t ao u t p u tp l u g i n f i n a l l y , t h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m e so f d a t ar e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gp l u g i n ，s y n c h r o n i z a t i o na n dd a t ao u t p u tp l u g i na r ea m p l y d e s i g n e d k e yw o r d s ：i e c 618 5 0 ；e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ；m e r g i n gu n i t ；s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e ； h a r d w a r es c h e m e ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密舀，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打、，”) 学位论文作者签名：彘唬嘉 指导老师签名： 日期：弘7 j s j1日期：- ，o 岁5 f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、分析电子式互感器原理及系统结构，研究i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准和i e c 6 18 5 0 9 1 2 标 准对合并单元的定义及其功能模型，比较目前合并单元设计典型方案，详细分析多台 合并单元实现采样同步的i r i g b 码及i e e e l 5 8 8 协议同步方法，给出单台合并单元实 现采样同步的整体流程。 2 、采用基于f p a g & a d s p 硬件架构进行了组合式电子互感器接口合并单元硬件整体 方案和软件功能方案设计，实现对多路电子互感器采样数据帧的解码校验、数字滤波、 重采样及以太网组帧功能，并同时确保多路采样数据的实时同步。 3 、采用类同保护装置的分插件设计思想，根据各插件完成功能的不同将合并单元分 为数据接收及处理插件、同步及数据输出插件、开入开出插件、背板和电源插件，并 对数据接收及处理插件和同步及数据输出插件进行详细硬件接口方案设计。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：老，晚旁 1 3 剪j ：少声j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 数字化变电站 1 1 1 数字化变电站概述 第1 章绪论 近年来，随着电网规模的扩大及电力系统容量的不断增加，电网电压等级不断 提高，电力系统安全稳定运行出现了许多新问题，传统变电站自动化技术己不能满足 电网数字化和智能化发展的需要，建立和推广基于i e c 6 1 8 5 0 标准的数字化变电站成 为我国电力系统研究的热点之一，这也是电力新技术发展的必然趋势。 数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在 i e c 6 1 8 5 0 通信规范基础上，能够实现变电站智能电气设备间信息共享和互操作的现 代化变电站，其具备以下特征【1 3 】： 1 技术上 1 ) 采用直接输出数字量的光电式互感器或电子式互感器采集电流、电压，实现一、 二次系统有效电气隔离； 2 ) 减少设备检修次数和检修时间，提高设备使用效率； 3 ) 减少自动化设备数量，简化二次接线，提高系统可靠性； 4 ) 设备的互操作性，方便设备维护和更新，减少投运时间，提高工作效率，方便变 电站扩建及自动化系统扩展。 2 经济上 1 ) 实现信息在运行系统和其它支持系统之间共享，减少重复建设和投资； 2 1 减少占地面积，减少变电站寿命周期内总体成本，包括初期建设成本和运行维护 成本等。 1 1 2 数字化变电站系统结构 基于i e c 6 18 5 0 标准数字化变电站在物理上可分为智能化一次设备和网络化二次 设备，在逻辑上分为过程层、间隔层、站控层三层，其体系结构如图1 1 所示。 数字化变电站在过程层采用数字化的电子式互感器采集电气量，送入合并单元进 行以太网的组帧合并，然后通过以太网传送到间隔层数字化基于i e c 61 8 5 0 的保护测 控l e d 中实现保护控制功能。数字化变电站中的保护测控装置实现信息集成化，以功 能信息的冗余代替了常规变电站装置的冗余，系统实现分层分布设计，通过g o o s e 网控制智能操作箱及断路器；数字化变电站全站采用交换式以太网和光纤代替传统二 次电缆硬接线，将常规变电站控制功能可以尽量下放，实现了整个变电站小型化、紧 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 间隔层 网络 间隔层 设备 过程层 网络 过程层 设备 一次设 备 各层的具体功能如下【1 卅： ( 算批)( 舶) z、z1 矿 、 弋， 间 隔 层交换机 a 】 ：，r 、 t1。_ 7 间隔层交换机 b ，j e 。 7 f c 保护装置、测控装置a )耋皇塑( 保护装置，测控装置b ) ! 跨间隔。催瓣 ii 剩蝴秦 设备如母1 备如故 障录波致侏扩阵求教磊保妒4 耵 俞 过程层交换机a 介 介 过程层交换机b 、i1 1 lii i0i1 瓣季” ( 合并单元a )0 能操作箱0 一( 合并单和)( 智能操作箱0 盯 。、 1 f 2、 电子式互感嚣光接i 2 1 a电子式互感器光接i z l b 电子式互感器 7 x7 断路器线圈组a断路器线圈组b 断路器 图1 - 1 数字化变电站基本架构体系 一、过程层 过程层是一次设备与二次设备的结合面，其主要功能包括： 1 ) 采用光电电流电压互感器或电子式电流电压互感器采集电流、电压等运行数据， 输出数字量并通过光纤网络传输，抗干扰能力强，绝缘与抗饱和特性好，使开关 实现了小型化、紧凑化。 2 ) 过程层采用智能操作箱控制常规断路器或智能断路器方式，使断路器定相合闸， 选相分闸，实现断路器的关合和开断的智能控制。 二、间隔层 间隔层主要由保护单元和测控单元等组成，其主要功能包括： 1 ) 实时获取本间隔过程层采样信息，实现对一次设备的保护和控制功能； 2 ) 执行数据的承上启下通信传输功能，高速完成与过程层及变电站层通信。 三、变电站层 1 ) 通过两级高速网络汇总全站实时数据信息，不断刷新实时数据库，并按既定规约 将有关数据上送调度或控制中心； 2 ) 接收调度或控制中心控制命令并转间隔层、过程层执行； 厂 一， 厂 一， 厂， 一， 厂 厂 一， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 3 ) 具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能和站内当地监控、人机联系功能，如显 示、操作、打印、报警及多媒体功能； 4 ) 对间隔层、过程层设备在线维护和在线整定功能。 目前，国内数字化变电站建设发展迅速，在未来几年内，数字化变电站必将成 为变电站自动化技术发展的主流，也将为“智能电网”建设奠定坚实基础。然而， 要实现数字化变电站，一次设备数据采集数字化是基础，这给电子式互感器在变电站 中广泛应用提供了一个良好机遇，因此，在光学、电子学和通信技术大力发展的今天， 研究开发电子式互感器及其数字接口一合并单元具有十分重要的意义和工程价值。 1 2 电子互感器及合并单元研究意义 电流电压互感器是电力系统进行电流电压信号采集的重要一次设备。目前，电 力系统中的电流电压互感器主要是电磁式互感器，随着电力系统容量不断扩大和电 压等级不断提高，传统的电磁式互感器因为体积大、工艺复杂、造价高、绝缘困难、 易产生电磁饱和造成保护误动、对高次谐波传变效果差、p t 易产生铁磁共振、不能 直接与数字化二次设备接口等缺点，已经不能满足需要，特别在数字化变电站中，要 求一次设备数字化和智能化，研究开发新型工作原理的电子式互感器迫在眉睫。 与传统电磁式互感器相比较，电子式互感器具有以下优点【5 卅： 1 ) 高压侧与低压侧之间信号通过光纤传输，实现高低压侧完全电气隔离，绝缘结构 简单，造价低。 2 ) 动态范围大，测量精度高。电子式互感器不存在铁磁饱和问题，具有很宽的动态 范围，额定电流可测到几安培至几千安培，短路时大电流可达几万安培。 3 ) 频率响应范围宽，谐波测量能力强。电子式互感器没有铁芯饱和问题，其频率响 应范围宽，能够准确反映高压侧电量的暂态过程，还可测量高压电力线谐波，测 量暂态电流电压、高频电流电压与直流电流电压。 4 1 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路和短路危险。电子式电流互感器高压侧与低压 侧无电气连接，绝缘好，不存在低压侧c t 开路高压和p t 短路过流等影响人身安 全和电网运行安全的危险。 5 ) 体积小，重量轻，便于安装运输，同时满足变电站小型化与紧凑化的集成要求。 电子式互感器是靠传感头和电力电子电路进行信号获取和处理，体积小，重量轻， 便于集成，大大减少变电站占地面积，满足变电站小型化和紧凑化要求。电子式 互感器通过光纤与二次设备连接，电缆沟和电缆大量减少。 6 ) 高低压侧使用光纤绝缘，消除了电磁式互感器绝缘油泄漏或变质对检修带来的不 便，从根本上消除了因充油而产生的易燃、易爆危险。 7 ) 电子式互感器可根据需要输出低压模拟量和数字量，直接通过网络与数字化保护、 计量设备进行信息交互，实现在线检测和故障诊断。 目前，电子式互感器研究已从实验室进入工程实用阶段，但是很多电子互感器厂 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 家及二次保护厂家对于电子互感器与二次保护接口一合并单元的研究还处于初级阶 段，这也极大的限制了电子式互感器在国内的大规模工程应用。 电子互感器与二次数字化保护设备的接口有两种：一种是将输出的数字信号转换 成低压模拟量的模拟接口；另一种是将输出直接与保护、测控设备连接的数字接口一 合并单元，这是电子互感器输出接口的最终形式。 数字接口相比于模拟接口其优势在于【7 】： 模拟接口输出模拟信号，其连接到多个二次保护设备时需要复杂二次电缆硬接 线，电磁干扰严重，而且模拟信号输入保护设备，还需再次进行模数转换。而数字接 口输出数字信号，在规定通讯协议下，可通过光纤网络直接与保护设备相接，去掉传 统保护、测控设备的c t p t 及a d 采样模块，简化保护、测控设备结构，推动新保 护算法研究，提高了系统准确性和稳定性，同时有利于保护和远方调度功能的集成， 解决二次接线复杂的问题，实现保护和测量数据共享，增强数据的可用性，减少互感 器的使用数量，降低投资。 电子互感器数字接口是国内外不同电子互感器和保护、测控设备生产厂商之间实 现互操作的重要设备，国际电工委员会制定了i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c6 1 8 5 0 9 1 等国 际标准作为电子互感器数字接口的统一标准，研究基于该标准的合并单元，必将大力 推动电子式互感器工程应用进度，具有十分重要的工程意义。 1 3 国内外电子互感器及合并单元研究现状 1 3 1 国内外电子互感器研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代，随着集成电路和光电技术的发展，美国、瑞士、日本、法 国等技术发达国家就进行了纯光学电流互感器( o c t o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 的研 究，并先后研制出多种光学互感器样机挂网运行，包括有美国的五大电力公司成功研 制1 6 1 k v 独立式o c t 、1 6 1 k v 组合式光学电流互感器( o c t ) 光学电压互感器( o v t ) 和1 6 1 k v 的继电保护式o c t ，日本n g k 公司1 9 8 6 年成功研制的低压组合式光学零 序电压电流互感器，a b b 公司1 9 9 1 年公布的用于计量和继电保护用的3 4 5 k v 电站 的o c t 系统，法国g e ca l s t h o m 公司1 9 9 5 年在美国b o n n e v i l l e 安装的5 2 5 k v 光 学电压电流互感器1 8 划。 2 0 世纪9 0 年代，随着电子技术和计算机技术的不断发展，各国开始进行有源电 子式电流互感器的研制工作。1 9 9 2 年a b b 公司研制出了采用激光供电的有源电子式 电流互感器，目前已有7 2 k v - 7 6 5 k v 全系列有源电子式电流互感器产品大批应用到了 工程实践中。a l s t o m 公司及美国p h o t o m cp o w e rs y s t e m s 公司已经将有源电子式电流 互感器产品化，并得到了较广泛的应用【8 吲。 与发达国家电子式互感器研究开发相比，我国对于电子式电流互感器的研究起步 较晚，先后有电子部2 6 所和3 4 所、清华大学、武汉大学、西安交通大学、华中科技 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 大学、湖南大学、大连理工大学、华北电力大学四方研究所、电力科学研究院、沈阳 沈变互感器制造有限公司、上海m w b 互感器制造有限公司、陕西电力局中心试验所、 西安同维公司、西安华伟光电公司、南京新宁公司、南京南瑞继保电气有限公司等高 校和科研单位投入了大量科研人员及科研经费进行光电电流互感器的研究，并取得了 丰硕的成果，先后有多种样机研制出来并挂网运行，主要实例有 8 1 1 1 1 2 0 世纪7 0 年代由沈变互感器厂、清华大学和四平电业局共同研制的三台2 2 0 k v o c t 样机在四平电业局挂网运行，于1 9 8 4 年退出运行，这是我国最早挂网运行 电子式电流互感器。 2 1 9 9 3 年，华中理工大学与光电新会电力局联合研制出单相1 1 0 k vo v t 样机，并 于1 2 月在广东新会电力局挂网试运行，共运行三年半时间，标志着我国的光学 互感器研究已向实用化迈进。 3 1 9 9 8 年，华中理工大学与广东顺德特种变压器厂、广东新会电力局合作研制出带 微机保护装置的三相1 1 0 k vo c t 样机，并于同年1 2 月在新会挂网试运行，共运 行两年。 4 2 0 0 0 年华中科技大学和湖南省电力局合作成功研制出三相2 2 0 k v 组合式光学电 压电流互感器的样机，通过湖南省电力局组织的专家评审挂网运行。 5 2 0 0 5 年4 月由西安同维电力技术公司开发的无源磁光型电子式互感器，在洛阳市 新安姜庄变电站经过一个月的试运行后，状况良好，各项性能稳定。电子式互感 器的成功运行，标志着数字化变电站的发展将在我国变成现实。 目前，国内电子式互感器的研究开发已经从实验室阶段进入工程应用阶段，并已 在电力系统数字化变电站新建和改造中试点运行，随着超高压电力系统的发展，二次 保护、测控装置对互感器的要求不断提高，电子式互感器必将以其突出优点在智能电 网中得到广泛应用。 1 3 2 国内外合并单元研究现状 目前，国内外大公司及科研机构对于电子式互感器的研究已经比较成熟，电子互 感器已经在数字化变电站的建设中得到一定范围的应用，但是，要实现不同国内外厂 家之间电子互感器与数字化保护设备之间的互操作，还必须解决它们之间的接口问 题。因此，国内外大公司及科研机构都将电子互感器的数字接口作为其主要研究方向， 特别是在i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c6 18 5 0 9 1 等国际电子互感器数字接口的统一标准制 定后，更推动了合并单元的研发进度。目前，国外的a b b 、西门子等大单位已有相 关产品研发出来，并己进入我国市场。 国内如南瑞继保、深圳南瑞、国电南自、国电南瑞、北京四方、华北电力大学、 华中科技大学等电力系统产品供应商及高校科研机构都对电子式互感器数字接口合 并单元进行了研究开发工作，并有相关产品通过了试验。例如国网南瑞科技在2 0 0 7 年4 月份就已生产出样机，网络延迟时间可以满足二次保护控制单元对采样数据传输 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 延迟时间的技术要求。南京新宁公司研制的o e m u 7 0 0 系列合并单元除了可接收处理 来自多个电子式互感器的数字信号外，还可以同时接收处理传统电磁式互感器提供的 模拟信号。南京南瑞继保生产的p c s 2 2 1 a 系列合并单元是与电子式互感器配合使用 的数据采集发送单元，并具备计算及录波等功能。 目前，国内对合并单元的研究开发已经有所突破，在已有合并单元相关理论及标 准基础上，开发具有自主知识产权的合并单元具有重要工程意义。 1 4 论文研究的主要内容 本文的主要工作是在分析电子式互感器原理及结构的基础上，研究i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准和i e c 6 1 8 5 0 9 1 2 标准对电子式互感器输出数据格式及合并单元的相关定义，提 出本文合并单元采样同步方案和整体软硬件设计方案。 论文的主要内容包括： 1 介绍数字化变电站系统结构及各部分功能，介绍国内外电子式互感器及其数字接 口一合并单元的发展现状及研究意义。 2 分析电子式互感器的工作原理及其整体结构，重点研究基于i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准电 子式互感器采样原理及其数据输出格式。 3 在研究i e c 6 18 5 0 9 1 2 标准及i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准基础上，根据相关文献、合并单 元厂家产品说明书及电子电路设计知识，提出本文合并单元同步实现方案与合并 单元软硬件总体设计方案。 4 进行合并单元硬件设计，包括插件功能划分、主处理器a d s p 的选型及外围电路 设计、协处理器f p g a 的选型及外围电路设计、网络控制及接口芯片选型及外围 电路设计及其他部分的硬件设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章电子式互感器原理及整体结构 2 1 电子式互感器概述 数字化变电站是由电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备在i e c6 1 8 5 0 通信协议基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。 目前，电子式互感器正以其独特优势逐步在工程中得到广泛应用。 电子式互感器根据构成原理不同，可分为有源电子式互感器和无源光电式互感器， 如图2 1 所示【1 1 。 图2 1 电子式互感器原理分类图 有源电子式互感器又称为电子式电压电流互感器e c t e v t ( e l e c t r i c a l c u r r e n t v o l t a g et r a n s f o r m e r ) ，这种互感器需要向传感头提供电源，利用电磁感应原理 感应电压、电流信号，主要以罗科夫斯基线圈和电容、电阻分压为代表。 无源光电式互感器又称光电式电压电流互感器o v t o c t ( o p t i c a lc u r r e n t v o l t a g e t r a n s f o r m e r ) ，其不需向传感头提供电源，主要采用光学测量原理实现，主要以法拉第 效应和普克尔效应为代表。 电子式互感器技术成熟，运行经验多，比较适用于小绝缘距离的高电压系统，由 电容分压和罗氏线圈构成的系统比较适合于全封闭气体绝缘装置( g i s ) 。目前，采用 罗氏线圈+ 采集器方式来实现的电学电子式互感器已经得到了很好工程实践。 对于光电互感器，其可靠性更高、维护更方便，比较适用于超高压系统，是独立 安装互感器的理想解决方案，但由于其易受温度、震动、光源波长稳定性等诸多因素 的影响，技术复杂、成本高，性能不易稳定，实用化进程缓慢。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 电子式互感器传感器原理 2 2 1e c t 厄v t 传感原理 一、e c t 原理 基于r o g o w s k i 线圈的电子式电流互感器是一个将导线均匀密绕在环形等截面非 磁性骨架上而形成的空心电感线圈，待测的母线电流从线圈中心流过，在线圈中产生 感应电势，它具有测量准确度高、动态范围大、制造成本低等优点。由于线圈中没有 铁芯，其输出的电压值很小，可以直接输入微机系统。一般情况下，一个e c t 采用 两个r o g o w s k i 线圈，一个用于测量通道，一个用于保护通道，同时满足测量、保护 的要求【1 , 6 , 1 2 - 1 4 】。 ( a )( b ) 图2 - 2r o g o w s k i 线圈与电容分压器原理 图2 - 2 ( a ) 是电子式互感器利用r o g o w s k i 线圈测量电流的原理图，其输出电压e 正比于被测电流的变化率： p ( f ) = 一m 拿 ( 2 - 1 ) 式中m 是线圈母线之间的互感，被测的电流信号f 可表示为： f ( f ) = f ( o ) = 一寺烨( 2 - 2 ) 由上式可知，要得到被测一次电流信号，必须对线圈二次输出电压信号进行积分 运算，将其还原为正比于电流的信号。r o g o w s k i 线圈输出信号通常比较弱，易受外 界电磁场干扰，因此，应对线圈屏蔽，输出信号用屏蔽双绞线引出。 二、e v t 原理 高压与特高压电网电压测量中采用精密电容分压器组成电子式电压互感器，系统 测量精度主要由电容分压器精度决定。电容分压器原理如图2 2 ( b ) 所示【6 1 。 c l 、c 2 分别为电容分压器的高、低压臂，u ，为被测一次电压，虬。、v c ：为分压 电容上的电压。由于c 1 、c ：串联，所以： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 u 1 = u f l + u c 2 ( 2 3 ) 吡蹴嗽洲。：= 矗卟删t ( 2 - 4 ) k ： ! ( 2 5 ) ci + c 2 其中，k 为电容分压器的分压比， 只要适当选择c 1 和c ：的电容量，便可得到 所需的分压比。当然，这里是一种理想情况，实际分压电容元件存在许多干扰，环境 温度变化也将造成分压器测量误差，这些因素在实际应用中要适当考虑。 2 2 2o c t o v t 传感器工作原理 一、o c t 原理 光电电流互感器o c t 一般利用法拉第磁光效应和塞格奈克效应感应被测信号， 其中普遍采用的法拉第效应原理是线性偏振光通过磁场中的介质( 光玻璃等) 时，偏 振方向会发生旋转，只要测量出法拉第旋转角，即可求出磁场强度大小，从而间接测 量出产生这个磁场电流的大小。 二、o v t 原理 光电电压互感器o v t 利用普克尔效应和逆压电效应感应被测信号，普遍采用普 克尔效应。普克尔效应原理是一些晶体在电场作用下会改变其各向异性性质，产生附 加的双折射效应。晶体折射率随外加电压呈线性变化的现象。当一束线偏光沿与外加 电场垂直的方向入射处于此电场中的电光晶体时，由于普克尔效应使得线偏光入射晶 体后产生双折射，于是从晶体出射的两双折射光束就产生了相位差，相位差与外加电 场的强度成正比，利用检偏器等光学元件将相位变化转换为光强变化，即可实现对外 加电场( 电压) 的测量，其原理如图2 3 所示【1 a 4 。 图2 3 普克尔效应o v t 原理图 2 3 电子式互感器系统结构 由于各种电子式互感器和光电式互感器系统结构基本相同，其主要区别在于传感 头工作原理不同，因此，本文主要以南京新宁光电自动化公司基于r o g o w s k i 线圈的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 o e t 7 0 0 系列电子式电流互感器为例说明电子式光电式互感器的原理及系统结构，如 图2 4 所示【1 ，6 l7 1 。o e t 7 0 0 系列电子互感器纵向上主要由r o g o w s k i 线圈传感头、高压 侧数据采集、光纤绝缘柱、低压侧数据处理及激光供能等部分组成。横向上主要由： a d 同步采样控制信号上行通道、数据采集及传输处理的下行通道及电子互感器激光 电源上行通道。以下主要从横向来说明电子式电流互感器的结构及工作原理。 一、a d 同步采样控制信号上行通道 a d 同步采样控制信号上行通道如图2 4 所示，电子互感器低压侧同步采样脉冲 信号接收模块通过光纤接口接收到外部装置( 合并单元) 发送的a d 同步采样脉冲信 号并对其进行处理，然后通过电光转换及光纤复合绝缘柱的同步采样脉冲通道，将 其传输到高压侧数据采集模块的a d 转换器件，控制a d 进行高压侧电压、电流信 号的同步采样。 二、数据采集及传输处理的下行通道 数据采集及传输处理的下行通道从纵向包括了高压侧数据采集和低压侧数据处 理两大部分，如图2 4 所示。 ( 一) 高压侧数据采集 电子式电流互感器高压侧数据采集模块位于高压一次系统侧，一般安装在户外， 并且面临强大电磁干扰，为了满足其安全可靠以及方便维护的需要，并且考虑电源设 计，高压侧数据采集环节必须尽可能的简洁，各种电子线路也应该是低功耗设计。该 部分主要包括罗氏线圈感应、积分运算与滤波处理、a d 采样、电光转换等环节。 1 、积分运算与滤波处理 由2 2 1 节中分析可知，电力系统高压侧电流通过r o g o w s k i 线圈感应产生一个电 压信号，但是，该信号必须先要经过积分运算，才能还原出正比于实际高压侧被测电 流大小并同相位的电压信号。目前信号积分有模拟积分和数字积分两种方法。同模拟 积分器相比，数字积分器性能稳定，结构简单灵活，受时漂、温漂影响小，相位特性 优良，调节方便。目前常用的数字积分算法包括矩形公式法、梯形公式法和s i m p s o n 公式法，从结构的复杂程度来分析，选择梯形公式做为数字积分的算法最为合适i l6 | 。 在积分电路之后加入滤波器主要目的是消除信号中的噪声以及其它无用的高频 分量，使r o g o w s k i 线圈输出的电压信号范围满足后续电路处理的需要。而如果经过 数字抽样，还需要实现抗混叠数字滤波，目前，电子互感器中采用较多的是相位特性 较好的f i r 数字滤波器。 2 、a d 转换 由于高压侧r o g o w s k i 线圈产生的感应信号容易受到高压侧大电流强电磁场干 扰，无法保证其精度，因此必须将该模拟信号数字化，即采用a d 转换电路进行模数 转换。a d 采样模块在正确接收到低压侧合并单元发送的a d 采样同步控制命令后， 启动信号采样及调整模块对r o g o w s k i 线圈输出的二次电压信号进行高速采样转换为 数字信号，再经过电光转换调制成光信号，通过光纤复合绝缘柱通道传输到低压侧， 这样既保证高压侧与低压侧的光电隔离，保证设备的安全，减小电磁干扰对数据的影 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 响，同时也保证了数据传送的准确性和可靠性。 图2 - 4o e t 7 0 0 系列电子式电流互感器工作原理图 ( 二) 低压侧数据处理 由于目前我国电力系统多数采用的还是传统的电磁式互感器，二次设备也都是接 收的模拟信号，因此，对于电子互感器的输出，应该具备模拟输出和数字输出两种接 口，以适应现有二次设备和未来基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化二次设备，如图2 4 所示。 l 、电子式互感器模拟输出 模拟输出接口是将来自高压侧的a d 采样数字信号再次经过d a 转换，转化为 直接用于微机接口的模拟信号，这种接口方式主要是为了适应目前常规变电站及其改 造工程的，是过渡性的接口。 参照i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准，电子式互感器的模拟输出接口建议采用如下参数： 电子式电流互感器的额定二次输出电压标准值推荐采用测量为4 v 有效值，电压标准 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 值对三相用互感器或三相用单相互感器，有效值为3 2 5v 。模拟电压输出的连接器推 荐使用t w i n b n c 型连接器。为确保满足电磁兼容的要求，输出连接电缆应使用双绞 线屏蔽电缆【2 引。 2 、电子式互感器数字输出 由于电子互感器是高压侧一次设备，其运行环境比较恶劣，面临很强的电磁干扰 和气候影响，因此，为了保证数据传输的实时性和准确性，必须将a d 采样数字信号 按照i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准规定进行c r c 检验、组帧和编码后进行数字输出，这种接口 是适应未来数字化变电站发展需要的接口。 低压侧a d 采样数字信号校验、编码的原理及过程如下： 1 1 传送到低压侧的a d 采样数字信号首先经过光电转换，由c r c 校验模块生成c r c 校验码送入微处理器； 2 ) 微处理器将a d 采样数字信号和c r c 校验码进行处理并按一定的帧格式进行组 帧，但是目前电子互感器生产厂家并未就电子互感器的输出帧格式遵守统一的标 准，只是将i e c 6 0 0 4 4 8 规定的f t 3 通用帧格式作为电子互感器与合并单元之间 的通信的参考规约，其在下面章节将有介绍。 3 ) 组帧好的数据经过曼彻斯特编码模块进行编码，编码后的数据再经过数字接口通 过光纤传输。 三、电子互感器激光电源上行通道 由于高压侧采样到的信号必须经过积分运算、数字滤波、a d 转换等电子电路处 理，因此，必须设计稳定、安全可靠的电源为高压侧电子电路提供工作电源。目前文 献中提到的电子互感器电源供能主要有利用电流互感器或电容分压器从电力系统母 线上取电、太阳能及蓄电池供电、低压侧激光供能三种方案【1 圳。 1 、电流互感器或电容分压器取电方案 该方案利用特制流互或高压电容分压器从母线感应出电流，通过整流、滤波、稳 压等电子电路处理后，为高压侧电子电路提供电源，这两种电源电子电路设计相对复 杂，价格便宜，可靠性较高。但是，采用流互取流需要注意母线电流过小或过大造成 电源不能正常工作或直接烧毁电源的问题。采用电容分压器取电需要注意取电电路与 电子互感器工作电路之间的电气隔离、过电压防护等问题。 2 、太阳能电池或蓄电池取电方案 采用太阳能电池或蓄电池电源一般是将太阳能电池与蓄电池组合成电源系统以 便获得稳定电源。太阳能电池易受太阳光强、外界环境温度变化、季节变化等因素影 响，这是太阳能电池固有缺陷。蓄电池采用化学供能方式，其能量来自高压母线电流， 结构简单，容易实现，但寿命较短，更换困难，这种方案在实际工程中很少应用。 3 、激光取电方案 本文介绍的新宁o e t 7 0 0 系列电子互感器就采用这种激光取电方案，激光电源上 行通道原理如图2 4 所示。低压侧电源激光驱动电路，由大功率激光器发射激光，通 过光纤复合绝缘柱，将光能量传送到高压侧，再由光电转换器件将光能量转换为电能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 量，经过d c d c 变换输出符合高压侧电子电路电路需求的电源。由于激光二极管可 以保证光功率在一定温度条件下的稳定，所以该方案得到的电源稳定，纹波小、噪声 低、不易受到外界因素的干扰，目前被广泛的应用在电子互感器供能中。但是，该方 案同样具有光电转换效率低、成本太高的缺点。 四、光纤复合绝缘柱 要把高压侧经过a i d 采样转换后的串行数字信号传送到低压侧进行信号恢复和 处理有很多种方法，例如无线电波和超声波的方法，但这些方法容易受到电力系统高 压电磁环境干扰。电子式电流互感器采用光纤作为传输通道，如图2 4 所示，光纤传 输通道包括发射驱动器、光纤和接收驱动器三部分，具有抗电磁干扰能力强、高低压 侧有效实现电气隔离、响应时间短、精度高、传输损耗低等优点，从根本上解决了传 统互感器体积大、重量大等缺点，同时保证高压侧数据到低压侧数据的可靠传输。 2 4 小结 本章首先介绍了电子式互感器的分类及各类电子式互感器的传感原理，以南京新 宁o e t 7 0 0 系列电子式电流互感器为例，分析了电子式互感器的系统结构，包括高压 侧数据采集系统、电子式互感器激光功能技术、低压侧的数据处理及其接口，对于电 子式互感器工作原理及整体结构有了充分了解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章合并单元定义及现有方案分析 3 。1 合并单元的定义 从前面章节分析可知，电子式互感器具有模拟输出和数字输出两种接口。其中具 备数字输出接口的电子式互感器在电力系统的广泛应用是电网数字化、智能化的基 础，然而，要大量推广这种电子式互感器的工程应用，满足未来基于i e c 6 1 8 5 0 标准 的数字化二次设备的需要，必须首先解决其与二次保护、测控、计量等二次设备的接 口问题。为此国际电工委员会制定了i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 2 标准，来 规范电子式互感器的数字输出接口一合并单元。 目前，对于合并单元输出数据的方式有两种定义： 1 ) 根据i e c6 0 0 4 4 8 标准规定的单向点对点链接方式，按照i e c6 0 8 7 0 5 1 规定的 f t 3 通用帧格式进行采样值的封装，通过光口或电口实现数据传输； 2 ) 根据i e c 6 1 8 5 0 9 1 2 中描述的以太网络，按照i s o i e c8 0 2 3 协议规定的帧格式 进行数据封装，通过以太网光纤接口实现数据传输。 3 1 1 基于i e c 6 0 0 4 4 7 8 合并单元定义 合并单元的定义最早是在i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准中提出的，如图3 1 所剥2 肚2 5 1 。 图3 1 电子式互感器数字接口定义 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 合并单元( m u ，m e r g i n gu n i t ) 将测量用三相电流、保护用三相电流、中性点电 流这