（电力电子与电力传动专业论文）电子式互感器合并单元的研究与实现.pdf

a b s t r a c t 1 kc o n v e n t i o n a l f e r r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r sh a v es e v e r a ld r a w b a c k ss u c h 弱p o o rt r a n s i e n t p e r f o r m a n c e ，m a g n e t i s ms a t u r a t i o na n di n c o n v e n i e n c ei n s u l a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m t o w a r d st oe x t r ah i g hv o l t a g el e v e la n dh i g h e rc a p a c i t y , c o n v e n t i o n a lf e r r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r sc a nn o t m e e tt h i sr e q u i r e m e n t t e c h n o l o g yo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp r o m o t e t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cw a n s f o r m e r e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r so v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h e t r a d i t i o n a lf e r r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r s ，a tt h es a m et i m ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sm e e tt h ed i g i t i z e da n d i n t e l l i g e n td e v e l o p m e n tt r e n do fp o w e rs u b s t a t i o n a st h ei n t e r f a c eo ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n dt h e b a yl e v e ld e v i c es u c ha sr e l a y , m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e , t h er e s e a r c ho fm e r g i n gu n i th a so b v i o u s s i g n i f i c a n c e 1 n h i 8p a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dr e s e a r c hw o r k , a l s or e l a t e ds t a n d a r d sa r e i n t r o d u c e d t h er e s e a r c ho ft h em e r g i n gu n i ti sc a r r i e do nt h e n ，a n dt h ef u n c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i ci s a n a l y z e d ah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nf p g a & a r mi sd e s i g n e dt or e a l i z em e r g i n gu n i t m e r g i n gu n i t u s u a l l yr e c e i v e sd a t af r o md a t a - s a m p l i n gs y s t e ma n do t h e rm e r g i n gu n i t s ，a f t e rp r o c e s ss u c ha sm e r g i n gt h e m e r g i n gu n i ts e n d st h ed a t ai nc e r t a i nf o r m a t a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n , m e r g i n gu n i ti sd i v i d e di n t ot h r e e f u n c t i o nm o d u l e ss u c ha f td a t ar e c e i v i n gm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dd a t at r a n s m i tm o d u l e d a t ar e c e i v i n gm o d u l ei su s e dt oa c c o m p l i s hd a t ar e c e i v i n g ，d e - c o d i n ga n dc h e c k i n g ，i tc a nr e c e i v e d a t ab o t hf o r md a t a - s a m p l i n gs y s t e ma n do t h e rm e r g i n gu n i li nd a t ap r o c e s s i n gm o d u l ef i rf i l t e ri s d e s i g n e df o rt h es a m p l i n gf u n c t i o n ，a n di t sr e a l i z e di nf p g ac h i p t h r e en u m e r i c a li n t e g r a lm e t h o d sa r e c o m p a r e d , a tl a s taf e a s i b l em e t h o di sp u tf o r w a r d a l s oam e t h o db a s e do nr e - s a m p l i n gi sb r o u g h to nf o r s y n c h r o n i z a t i o nf u n c t i o n t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fd i v e r s i f i e dd t w i c e 8 ，f t 3d a t a - o u ti ss e n tb yf p g a a n de t h e m e td a t a - o u ti ss e n tb ye t h e r n e tc a r dc o n t r o l l e db ya r m p r o c e s s o r ，n l er e s u l to fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h em e r g i n gu n i tm o d u l ec a na c c o m p l i s hi t s o r i g i n a ld e s i r e ，i tp r o v i d eaf e a s i b l er e a l i z a t i o nm e t h o df o rm e r g i n gu n i t k e yw o r d s 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 ，f p g a ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，d i g i t a lf i l t e r , d a t a s y n c h r o n i z a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 一1 ， 研究i - 4 = 签名：量兰 e l 期：至翌生移 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 躲五t 聊躲青挚 2 一 7 l7 第一章绪论 第一章绪论 电流和电压互感器是为电力系统进行计量、继电保护及测控装置提供电流、电压信号的重要设 备，其精度和可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。自2 0 世纪7 0 年代以来，人们 一直在寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优越的新方法来实现电力系统高电压、大电流的测量。 光电子、光纤通信和数字信号处理技术的发展和应用推动了数字化电压和电流测量技术的研究。 数字化电气测量系统由电压和电流变换器、数字信号处理系统以及它们的连接光缆组成，通过不同 的物理原理可以来传感电压和电流，并由此产生了电子式互感器。电子式互感器已经逐步从试验阶 段走向工程应用，电子式互感器相对于传统的电磁式互感器有着明显的技术优势，因此，其技术的 应用将成为推动数字化变电站的主要推动力，并将对变电站自动化技术的发展起到积极的作用【l 】。 1 1 研究电子式互感器的意义 随着电力工业的发展，电力系统传输的电力容量不断增加，电网运行的电压等级也越来越高， 目前我国电网已将2 2 0 k v 的骨干电网提高到了5 0 0 k v 。随着电压等级的提高，电磁式互感器逐渐暴 露出易磁饱和、铁磁谐振、频带响应特性差、绝缘结构复杂等固有的缺点。 与传统的电磁感应互感器相比，电子式互感器具有下列一系列优点【2 4 】： ( 1 )电子式互感器没有磁饱和、铁磁谐振等问题。在传统互感器中由于铁心的应用，磁饱 和、铁磁谐振和磁滞效应等问题不可避免，而电子式互感器采用的是新型传感原理， 不存在这方面的问题。 ( 2 ) 电子式互感器绝缘结构简单，绝缘性能好。电磁式互感器的绝缘结构非常复杂，尤其 是对于电压等级比较高的互感器来说，绝缘部分要消耗大量的电工材料，体积也非常 庞大。而电子式互感器由于采用了光纤和比较轻便的绝缘子支柱，其绝缘结构大大简 化，性能却有所提高。 ( 3 ) 电子式互感器的动态测量范围大，精度高。电网正常运行时，流过电流互感器的电流 一般并不大，但短路电流会很大，而且随着电网容量的增大，故障电流越来越大。电 磁式互感器难以实现大范围测量，不能同时满足高精度计量和继电保护的需要。而电 子式互感器有很宽的动态范围，测量额定电流的范围从几十安培到几千安培，过电流 范围可达几万安培。 ( 4 )电子式互感器抗电磁干扰性能好，由于电子式互感器的高压侧与低压侧之间只有光纤 的联系，而光纤具有良好的绝缘性能，可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离， 避免了电磁干扰的影响。 ( 5 ) 电子式互感器频率响应范围宽。电子式互感器实际能测量的频率范围主要取决于电子 线路部分，可以测量出高压电力线路上的谐波，还可以进行暂态电流、高频火电流与 直流电流的测量，而电磁式互感器则难以进行这些方面的工作。 ( 6 )电子式互感器体积小、质最轻，给运输和安装带来了许多方便。如美国西屋公司公布 的3 4 5 k v 的电子式互感器，其高度为2 7 m ，总重量为1 0 9 k g ，而同电压等级的油浸 式电流互感器高为5 3 m ，重量2 3 0 0 k g ，所以它体积小、重量轻、节约空间，给运输 和安装都带来了很大的方便。 ( 7 ) 电子式互感器没有因为充油而产生的易燃、易爆炸的危险。电磁式互感器一般采用充 油来解决绝缘的问题，这样不可避免地存在易燃易爆炸的危险。电子式互感器的绝缘 结构简单，可以不采用油绝缘，在结构设计上就可以避免这方面的危险。 1 东南大学硕士学位论文 同时电子式互感器的出现开创了未来数字化化变电站的美好前景。电子式互感器促进了变电站 数字化、智能化的发展1 5 l 。它的应用对变电站的影响和改进主要体现在两个方面： 电子式互感器具有数字输出、接口方便、通信能力强的特点，它的应用将直接改变变 电站通讯系统的通信方式，特别是一次设备与间隔层二次设备问的通信方式。利用电 子式互感器输出的数字信号，可以实现点对点多点或过程总线通信方式，将完全取代 大量的二次电缆线，彻底解决二次接线复杂的现象，可以简化测量或保护的系统结构， 减少误差源，有利于提高整个系统的准确度和稳定性，实现真正意义上的信息共享； 由于通信方式的改变，加上数字断路器控制和电子开关装置等智能电子一次设备的采 用，变电站自动化系统由两层结构逐渐向三层结构即过程层、间隔层、变电站层转化 要推动电子式互感器的实际应用，必须解决其与保护、测量等间隔层二次设备的接口问题。随 着国际电工委员会相关标准的陆续推出，电子式互感器标准化接口设计也成为可能。合并单元是电 子式互感器与间隔层设备接口的重要组成部分，它的研究与实现对推进电子式互感器的应用具有极 其重要的意义。 1 2 电子式互感器分类 根据传感电压和电流方式的不同，电子式互感器可分为无源型和有源型两种基本类型。无源型 电子式互感器基于光学传感技术，其特点是在高压侧没有电子电路，从而无需向高压侧提供电源； 有源型电子式互感器不利用光学原理来测量电流或电压，其特点是在高压侧有电子电路因此需要提 供电源来工作。它们的研究分别开始于2 0 世纪的7 0 年代和9 0 年代。 ( 1 ) 无源型电子式互感器 无源型电子式电流互感器以光学元件作为电流传感头，多采用磁致伸缩效应、法拉第( f a r a d y ) 磁光效应等原理来实现电流的测量。基于磁致伸缩效应原理的电流互感器在一段时间内曾受到相当 的重视，此种互感器一般是将磁致伸缩材料粘贴或镀在单模光纤上，磁致伸缩材料在磁场作用下其 轴向尺寸发生变化，使光纤长度产生相应的变化，从而光纤中的光程发生变化，引起光相位的变化， 利用干涉法检测相位变化即可得知被测磁场( 即电流) 。但是由于该方法受光学元件本身长期性能稳 定性和可靠性以及外界干扰等因素的制约比较严重，工业化应用的进展缓慢。当前，利用法拉第效 应测量电流的方法最直接，且装置最简单、精度高，所以应用范围最广，研究力度也最大，是最有 发展潜力的无源型电流互感器。 无源型电子式电压互感器测量电压当前应用最多的是基于普克尔( p o c k e l s ) 线性电光效应和逆 压电效应。所谓普克尔效应是指在外加电场作用下透过某些物质( 如电光晶体) 的光会发生双折射， 沿感生主轴方向分解的两束光由于折射率不同导致在晶体内的传播速度不一样，从而形成了相位差。 在目前的技术条件下，要对这个相位差进行精确的直接测量，需要引入精密的光学仪器，不便集成 为实用方便的测量设备，而光强的测营技术非常成熟，所以一般都是考虑采用干涉的方法将通过晶 体的相位调制光变成振幅调制光，通过光强的检测来间接达到相位检测的目的。基于逆压电效应的 电压互感器的工作原理是当压电晶体受到外加电场作用时，晶体除了产生极化现象外，同时形状也 将产生微小变化，即产生应变，这种现象称为逆压电效应。若将逆压电效应引起的晶体形变转化为 光信号的调制并检测光信号，则可实现电压的测量1 6 j 。 ( 2 ) 有源型电子式互感器 有源型电子式互感器在一次侧需要电源供电，它是通过一次侧的采样传感器对电流和电压信号 进行采样，以光纤作为信号通道，把一次侧转换的光信号传送到地面进行信号处理，还原得到被测 信号。 有源型电子是电流互感器目前主要采用空心( r o g o w s k i ) 线圈传感电流。这种有源型电子式电 流互感器成为技术人员研究的热点，它既可以用作封闭电器g i s 、插接式组合电器p a s s ( p l u ga n d 2 第一章绪论 s w i t c hs y s t e m ) 中的电流测量设备，又可以用作敞开式独立的有源电子式电流互感器。低功率输出、 结构简单、线性度良好的空心线圈在许多场合下可以作为传统电磁式电流互感器的替代品，在电力 系统的应用也越来越广泛l 刀。 有源型电子式电压互感器主要通过电容分压或电阻分压或串联感应分压原理传感电压，在将分 压得到的电压信号数字化后通过光纤输出。 电子式互感器的分类如图1 1 ： 电子式互感器 有源型无源型 电子式互感器电子式互感器 空心线圈磁滞效应 琶流变换 电流变换 带铁一酾低功 率电磁线圈 法拉第效应 电容分压普克尔效应 毡压变换 电压变换 电阻分压逆压电效应 图i - i 电子式互感器的分类 1 3 国内外研究和应用情况 1 3 i 国外电子式互感器的研究与应用 早在2 0 世纪6 0 年代，一些科技发达的国家就开始着手研究电子式互感器，但由于精度低，温 度特性差，皆未挂网运行，处于理论探索阶段。而到8 0 年代末期电子式互感器的研究有了突破性的 进展，多种样机挂网运行成功。9 0 年代，电子式互感器进入了实用化阶段。目前，全世界已经投入 运行的电子式互感器已有不少，有些公司已经形成规模产品投放市场。 a b b 公司在1 9 9 1 就宣布生产了计量和继电保护用的3 4 5 k v 电压等级的新型电流互感器。a b b 公司利用普克尔效应开发出了无源裂光电电压互感器，户外互感器做到了4 2 0 k v 级，g i s 互感器做 到了6 0 1 2 0 k v 级。他们还利用法拉第效应开发出无源型光电电流互感器，做到了6 9 k v 一, 7 6 5 k v 电压等级的，测量电流范围为5 2 0 0 0 a ，准确度达到士0 2 。同时，他们研制了用于g i s 中的复合 电子式电压、电流互感器，电流测量范围为5 a - 2 0 0 0 a ，电压测量范围为6 9 - - 5 0 0 k v ，准确度都达 到士0 2 。 a r e v a 公司生产的产品包括光学电流传感器c t o 、光学电压传感器v t o 、组合式互感器c m o 。 2 0 0 年8 月在美国得克萨斯州安装了3 4 5 k v 的光学电流传感器。另外在比利时、荷兰、加拿大都有 组合式互感器的应用。 a l s t o n 公司的电子式电流互感器是利用法拉第效应研制的，做到了1 0 0 8 0 0 k v 级，在3 0 - - 3 东南大学硕士学位论文 5 0 的范围内准确度达到士o 2 ；光电电压互感器已做到3 4 5 k v 级。2 0 0 0 年，他们研制的3 6 2 k v 电 子式电流互感器已经开始向l c r a 和c i n e r g y 等美国公司供货。 s i e m e n s 公司最先研制出光纤电流传感器作为第一个光电电流互感器已于2 0 0 1 年1 月投运， 2 0 0 2 年正常生产。在芬兰i i o k vv e n l u s n e v a 变电站首次使用光电电流传感器。此外，s i e m e n s 公 司的激光供能型电子式电流互感器( 即光纤直流电流互感器) 已经在我国天生桥- 广州、徐州等地 5 0 0 k v 换流站中应用。 1 3 2 国内电子式互感器的研究与应用 我国电子式互感器的研究始于2 0 世纪7 0 年代，以1 9 8 2 年在上海召开的“激光工业应用座谈会” 为起步。早期的主要研究单位有清华大学、电力科学研究院、华中科技大学等。 沈阳变压器厂是我国最早开始研制电子式电流互感器的厂家之一，其在2 0 世纪8 0 年代就把研 制出的l l o k v 的电子式电流互感器挂网运行，但在当时由于运行不太理想而后又被拆除。1 9 9 1 年， 由清华大学和中国电力科学院共同研制的1 1 0 k v 屯子式电流互感器通过国家鉴定并挂网试运行。 1 9 9 3 年底，由华中科技大学研制成功的1 1 0 k v 电子式电流互感器和2 2 0 k v 电子式电压互感器在广东 省新会供电局挂网试运行，在挂网运行一年后，于1 9 9 4 年1 2 月通过了技术鉴定。2 0 0 1 年，华中科 技大学和广东顺德特种变压器厂、广东新汇电力局共同研制2 2 0 k v 电子式互感器，并在广东新汇挂 网试运行。 目前电子式互感器已经成为国内电力运行、设备制造、变电站自动化等各方关注的焦点，也有 越来越多的单位如南京新宁光电、南瑞、广东伟钰光电科技、西安同维等从事电子式互感器研究， 先后有多种样机研制出来，并取得了一定的试运行经验。 1 4 本文的主要工作 电子式互感器能够实际应用，必须解决其与保护的接口问题。国际电工委员会( m c ) 已经制定 了若干相关国际标准，如i e c 6 0 0 4 4 - 7 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 等，我国也参照i e c 6 0 0 4 4 制定了相应的电 子式互感器的国家标准g b t 2 0 8 4 0 7 ( 电子式电压互感器) 和g b t 2 0 8 4 0 8 ( 电子式电流互感器) 。 这些标准中均详细定义和描述了电子式互感器的接口合并单元。 论文把电子式互感器的合并单元作为主要研究的对象，对其进行了研究和设计实现。本文的主 要工作包括： l 、对电子式互感器的原理进行了研究，并对相关标准进行了分析，确定了一种有源型电子式互 感器的实现方案。 2 、对合并单元进行了研究，根据电子式互感器合并单元的特点设计了一种实现合并单元的硬件 平台。 3 、为实现合并单元与采集器和间隔层设备接口功能，利用设计了合并单元中数据接收、数据处 理、数据发送三个功能模块。 结合论文的研究情况和本人的实际工作，论文分为六章，每章的内容如下： 第一章：阐述了研究电子式互感器的意义，对电子式互感器进行了简单介绍和分类。介绍了国 内外电子式互感器的研究和发展情况以及本文的主要工作 第二章：研究了电子式互感器的相关标准和关键技术，设计了一种有源型电子式互感器的方案。 第三章：针对合并单元进行了研究，分析了合并单元的定义、功能、特点，对合并单元功能进 行了模块化划分，并相应设计了合并单元的硬件平台。 4 第一章绪论 第四章：简单介绍了f p g a 技术和设计方法。实现了合并单元与电子式互感器的采集器和其它 合并单元接口的两种不同的数据接收模块，其中包括数据的接收解码和检验模块的设计。 第五章：设计了合并单元中数据处理模块。对数据滤波、数字积分、数据插值和数据同步进行 了研究，利用f p g a 实现了数字滤波，提出了数字积分的方法和基于重采样插值的数据同步方法。 第六章：分析了根据不同标准的数据输出方式，并分别实现了两种不同方式的数据输出模块。 第七章：对论文的工作进行了总结和展望。 5 第二章电子式互感器的研究与设计 第二章电子式互感器的研究与设计 电子式互感器标准中提到：电子式互感器是指一种由连接到传输系统和二次转换器的一个或多 个电流或电压传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装 置。 电子式互感器通用结构图如图2 1 。 符号 l v q 禽出无效； e f 一设备故障； m r - 维修申请； 图2 1 电子式互感器的通用结构图 其基本原理是将一次侧高电压、大电流转变成方便传输的信号，一般为数字信号或频率变换信 号，经传输系统送到二次侧，在二次侧作一定的处理后，可以以模拟量形式或数字量形式输出，供 测量和保护用。一次侧的电流互感器可采用光学元件，也可以采用空心线圈或低功率的铁芯线圈作 为电流互感器。一次电压互感器可采用光学元件，或采用电阻或电容等分压器。二次变换器的任务 是将信号变换成与被测电流、电压成比例的信号，或放大的、可通讯的数字信号，供测量和保护用。 根据实际需要，二次变换器可以在现场完成，也可以将信号传输到控制室后，在控制室完成。 根据前文介绍可知电子式互感器分为无源型电子式互感器和有源型电子式互感器。无源型电子 式互感器因其一次侧光学传感器的制作工艺复杂、稳定性及一致性不易控制，所以现在仍不能得到 很好的应用。有源电子式互感器的特点决定了它在实用化道路上的优势，因此下文中的电子式互感 器均指有源型电子式互感器。 2 1 有源型电子式互感器电流电压传感原理 有源型电子式互感器的整体结构如图2 - 2 所示。它由传感头、数据采集器单元、光纤传输及接 口系统、电源供给装置及合并单元五个部分构成。 6 东南大学硕士学位论文 2 1 1 电流传感原理 低压侧 高压侧 图2 - 2 有源型电子式互感器的结构图 柱 有源型电子式电流互感器利用空心线圈( r o g o w s k i ) 传感电流，具有无饱和、无剩磁、频带宽、 输出低电平小电流信号等特点 7 - 8 1 。 空心线圈是一种密绕于非磁性骨架上的空心螺线管，如图2 3 所示，图中i 为穿过线圈的被测电 流。 图2 3 空心线圈 设刀为线圈单位长度上的匝数，s 为线圈截面积，则线圈讲段上的磁链为： d c i ) = a o s n h d l( 2 1 ) 式中日为线圈讲段处的磁场强度。整个线圈的磁链为= 面心j n h d l 7 第二章电子式互感器的研究与设计 若线圈各处的n 及s 均匀，据全电流定律有 e p2 可z o s n h d l = z o s n 可h d l = l z o s n i ( 2 2 ) 若i 为被测得交变电流，则线圈的感应电势e ( t ) 为 印) = 一警= 嗍肼磊d i ( 2 3 ) 由式可知空心线圈的感应电势t ) 与被测电流i 的微分成正比，对p ( f ) 进行积分变换后便可求得被 测电流f 。 2 1 2 电压传感原理 有源型电压互感器测量电压时通常的分压方式有电阻分压、电容分压、串联感应分压【m 1 3 1 。 ( 1 )电阻分压 电阻分压原理如图2 _ 4 所示。分压器由高压臂电阻r l 、低压臂电阻r 2 构成，低压臂电阻p 2 的下端与接地器件连接实现接地。 u 2 u i ：输入高压 u 1 ：输出低压 r 1 、r 2 ：分压电阳 图2 4 电阻分压方式 由图2 _ 4 可知，理想电阻分压器的二次输出电压为： = 瓦譬i q ( 2 4 ) 电阻分压器具有体积小、重量轻、传输频带宽、无谐振等优点。但其本身也存在问题，如由于 温升而引起的电阻不稳定；存在无法消除的寄生电容；电阻在外加电压增加到一定值后，电阻的阻 值随外施电压的变化阻值发生非线性改变。实践证明用电阻式分压器来测量交流高电压目前仅作到 1 3 2 k v ，而且实际使用不多。在超高压交流电网中使用还将会受电阻功率和准确度的限制，要达到 0 2 级或以上的测量准确度和经受高压耐受试验是不可能的。 ( 2 ) 电容分压 电容分压时，被测电压u l 直接加在高压臂电容器上，在低压臂上分出与一次电压成正比的较小 电压。图2 5 中c 1 、c 2 分别为分压器的高、低压臂，u 1 为被测一次电压，u 2 为分压器的输出电压。 8 东南大学硕士学位论文 图2 - 5 电容分压方式 u i ：输入高压 u i ：输出低压 c 1 、( 2 2 ：分压电容 一般采用柱状电容环进行分压，具有绝缘性能强、暂态性能好等优点目前电容分压器制造工 艺简单、技术成熟、造价低廉。但同时分压器的电容环会受环境温度的影响而变化，从而会降低测 量准确度。电容器的渗油漏油会给运行安全造成问题，电容器的电容量会受环境温度的变化而变化， 会降低测量的准确度。 ( 3 ) 串联感应分压 串联感应分压参照串级式电压互感器的原理制成，见图2 6 。串联感应分压器是由多级不饱和 电抗器串联而成的。输出电压信号从串联在电路中的小电抗上取出，根据需要，信号可以在高压端 取出，也可以在分压器接地端取出。 u u i ：输入高压 u 2 ：输出低压 图2 6 串联感应分压方式 用电感元件作分压来测量高电压一直被认为不是一个好方法，这是由于电感元件的非线性和制 造工艺的复杂性产品的一致性差等因素引起的。但随制造工艺的提高，利用串联感应方式测量电压 成为可能，这种测量系统无铁磁谐振危害、受温度影响小、准确度高达。文献n 引介绍了一种应用于 2 2 0 k v 的串联感应分压器，准确度高达o 2 级。 9 第二章电子式互感器的研究与设计 2 - 2 电子式互感器相关标准 2 2 1 i e c 6 0 0 4 4 标准 i e c6 0 0 4 4 - 7 8 是国际电工委员会为电子式互感器专门制定的一个标准【l s i 。该标准不但对电子式 互感器的各个部分，包括传感头、合并单元与二次设备之间的通讯等都作了详细的规定，而且还对 电子式电流互感器的使用环境、测量精度，绝缘水平、电磁兼容、信噪比、耐热性、过电压能力、 可靠性、装置接地和机械特性等方面做出了明确的规定。 i e c6 0 0 4 4 7 8 规定合并单元到二次设备可以有数字电输出和数字光输出两种。数字电输出是以 铜线为基础的传输系统，系统必须与e i ar s - 4 8 5 标准兼容。标准中建议使用d 型9 帧连接器，屏蔽 双绞线电缆，长度为2 5 0 米，也可以使用带屏蔽的r j - 4 5 连接器代替。对于数字光输出只需将数字 输出按一定要求进行电光转换，数字光输出和数字电输出在链路层和应用层的规定上是完全一致 的，不同的只是物理层的传输介质。数字输出时，协议推荐采用单向的点对点连接。对通用帧，标 准传输速度为2 5 m b i t s ，采用曼彻斯特编码。 2 2 2 i e c 6 1 8 5 0 标准 国际电工委员会t c 5 7 制定了变电站通信网络和系统的标准皿c 6 1 8 5 0 1 ，该标准成为基于 通信网络平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。 i e c 6 1 8 5 0 标准系列覆盖了变电站的所有接口通讯。它按照变电站自动化系统所要完成的控制、 监视和继电保护三大功能从逻辑上将系统分为3 层：变电站层、间隔层、过程层。过程层主要完成 开关量i o 、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。间隔层的功能是利用本间隔的 数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保护或间隔单元控制设备就属于这一层。变电站层的功 能分为2 类：一是与过程相关的功能，主要指利用各个间隔或全站的信息对多个间隔或全站的一次 设备发生作用的功能。如母线保护或全站范围内的闭锁等；二是与接口相关的功能，主要指与远方 控制中心、工程师站及人机界面的通信。 i e c 6 1 8 5 0 是为了适应变电站自动化的发展而制定的国际标准，它充分考虑了采用新型电压电流 互感器后变电站自动化的发展趋势。i e c 6 1 8 5 0 采用以太网接入方式，由于以太网具有良好的开放性、 稳定性、易维护性，传输速度快，价格低廉等特点，且易于实现与上层管理信息网络的无缝连接， 能够为不同厂商的产品提供了一个统一的接口，便于实现互联和互操作，这些特点符合变电站通信 系统开放化、统一性、数字性、透明性的趋势。 i e c 6 1 8 5 0 对电子式互感器的定义参考了了i e c 6 0 0 4 4 ，只在电子式互感器合并单元的输出上不 同，陋c 6 1 8 5 0 定义的合并单元数据输出采用以太网方式。 2 3 电子式互感器关键技术 电子式互感器的实现在现阶段存在下列关键技术【1 _ 7 】： l 、供能技术 电子式互感器中由于高压侧存在电子电路，故需要提供电源供电子电路工作。因为电子电路工 作在高压侧，所以电源供给技术变得不容易实现。通常有以下几种方法： ( a ) 线路电流取能 l o 东南大学硕士学位论文 线路取能是通过感应线圈从线路上直接感应出能量的方案【i 田，其设计的难点在于线路电流变化 范围很大的情况下提供具有一定功率输出的稳定电源。这种方法存在以下问题： 一方面在合闸的一瞬间互感器尚不能正常工作，此时互感器是失效的，这种情况在电力系统中 存在潜在的危害。另一方面电力系统负荷在不同的季节、不同的时间变化很大，引起线路电流随之 变化也很大，甚至线路短路时的瞬时电流可超过数十倍额定电流，如此大的电流变化范围给线路电 流取能工作带来严重困难。 ( b ) 激光电源供电 激光供电方案是在低压侧将电能转化为光能借助光纤传输光能，在高压侧将光能还原成电能。 优点是抗电磁干扰性能强，不依赖于一次系统。缺点是价格昂贵。能量转换效率低( 不超过4 0 ) ， 大功率激光器件使用寿命短一般为l o 万小时即7 8 年，而电力系统对互感器的寿命一般要求是3 0 年【1 9 1 。 ( c ) 高压电容供电 在高压母线与地之间连接高压电容分压器，从高压母线上取得能量，经过整流、滤波、稳压后 向高压侧电路供电。 高压电容供电的弊端在于，一旦电力系统中出现故障，由于线路电压骤降，就不能正常供电。 因而存在着供电的不可靠性。 ( d ) 电池供电 电池供电是指在高压侧安装太阳能电池或蓄电池。太阳能电池的输出易受光强、外界环境温度、 季节等因素的影响，另外太阳能电池转换效率的问题，使得该方法提供的能量有限，从而限制了应 用；而蓄电池寿命较短，且放置在高压侧，更换困难，因此实际应用很少。 2 、数据同步技术 在变电站系统中，数据的同步时保证系统稳定性和可靠性的关键。数据同步是指二次设备需要 的采样数据是在同一时间点上采得的，即采样数据的时间同步，以避免相位和幅值产生误差。在电 力系统中精确时间同步是十分重要的，它广泛应用于继电保护、故障测距、故障分析、自动控制以 及电度采集等诸多方面。例如对于计量，要求时间同步精度控制在l p s 以内，一般的传输线路保护， 时间同步精度应在4 p s 以内。 对于电磁式互感器输出的模拟信号不存在数据同步问题。对于电子式互感器，同步是保证采样 数据可靠的关键环节。电子式互感器解决时间同步问题有插值计算和使用同步时钟脉冲两种方法【z o 】。 插值计算是若干个时间点上的采样值，插值计算得到需要的时间点上的电压电流值。采用同步时钟 脉冲的方法时，互感器接收共用的精确秒时钟脉冲，使自身的内部时钟与共用时钟同步。 2 4 电子式互感器方案设计 图2 7 是有源型电子式互感器的设计图，它由传感头、数据采集器、电源供给装置及合并单元 五个部分构成。 第二章电子式互感器的研究与设计 高压侧传感头部件 l i 高压侧： 低压侧 图2 - 7 有源型电子式互感器的设计框图 数据输出输入 i _ i + l ( 1 ) 一次传感器 一次传感器位于高压侧，包括空心线圈、低功率电磁线圈、线路电流取能线圈。空心线圈用来 传感保护用电流信号，由于现阶段制作空心线圈的工艺和材料方面的原因，现在制造出来的空心线 圈尚不能满足测量的需要，所以选用低功率电磁线圈( l p c t ) 用来传感测量用电流信号，这样可使 电子式互感器具有较大的动态范围及较好的暂态特性的同时具有较高的测量准确度。取能线圈用于 从一次电流获取电能供高压侧采集器工作。 ( 2 ) 数据采集器 采集器的主要功能是采样线路上的模拟量并发送给合并单元。 一个采集器配置一个低功率电磁线圈、两个空心线圈。采集模块l 和采集模块2 互为冗余配置。 采集器结构图见图2 8 。 图2 - 8 采集器结构 ( 3 ) 电源供给装置 采集器在正常情况下采用母线取能方式供电，同时需要设计激光供能方式作为母线取能方式的 备用。激光电源在母线电流过小或过大时投入使用。从目前的激光供能设备来看，其供给的能量非 常有限( 约为1 0 0 - - 3 0 0 m w ) ，而大功率激光器更是不能长期工作于大功率状态，因此，设计的高压侧 1 2 东南大学硕士学位论文 采集模块的功耗应尽可能小。 ( 4 ) 合并单元 合并单元置于低压侧的控制室内，合并单元需要完成的功能有：接收并处理高压侧的采集器和 低压侧其它合并单元传来的电流和电压数据；对电流和电压信号进行滤波、抽样插值、同步等处理； 将测得的数据按照规定的协议输出给间隔层的二次设备。 在下面的章节中我们将详细地阐述合并单元的研究设计过程。 2 5 本章小结 由于无源型电子式互感器稳定性方面的原因现在仍不能得到实用，因此本章对有源型电子式互 感器的电流和电压传感原理进行了介绍。对电子式互感器的两个相关标准i e c - 6 0 0 4 4 - 7 8 和 i e c 6 1 8 5 0 9 进行了分析，两者对电子式互感器的规定仅在输出上不同。对于有源型电子式互感器现 阶段实现的关键技术进行了介绍。最后本章确定了一种有源型电子式互感器的方案 1 3 第三章合并单元的研究与设计 第三章合并单元的研究与设计 3 1 合并单元的定义 合并单元( m e r g i n g u n i t ，简称m u ) 是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，它连接了电 子式互感器与变电站间隔层二次设备。合并单元的主要功能是接收电子式互感器的采集器输出的电 流电压数字信息并汇总按照一定的格式输出给二次保护控制设备。采用一台合并单元汇集1 2 路数据 通道。一个数据通道承载一台电子式互感器或一台电子式互感器采样测量值的单一数据流。合并单 元将这些信息组帧发送给二次设备，此外还添加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时间标签 信息。 图3 1 合并单元定义 合并单元根据1 2 路数据通道的不同分配，可以分为标准间隔合并单元和自定义功能合并单元。 标准间隔合并单元的1 2 路数据通道的分配见图3 1 。自定义功能合并单元一般有电压合并单元和重 新组织标准间隔合并单元数据的跨间隔合并单元。本文以标准间隔合并单元为研究对象，下文中若 无特别说明，合并单元均指标准间隔合并单元。 3 2 合并单元的功能和特点 合并单元主要完成下列功能： ( 1 ) 数据接收功能：实时接收从高压侧数据采集器以及其它合并单元传送的电压和电流采样 数据，并对接收多路通道的数据进行校验，同时此还需对这些数据进行正确排序； ( 2 )数据处理功能：对接收到的电压和电流数据进行处理，比如滤波、积分、插值、同步等； ( 3 ) 数据发送功能：合并单元处理采样数据后，按照i e c 6 0 0 4 4 7 8 和c 6 1 8 5 0 9 1 中规定 的格式向二次设备提供数据。前者基于f t 3 格式进行曼彻斯特编码方式串行发送，后者 1 4 东南大学硕士学位论文 通过以太网帧格式进行发送。 因此按照合并单元的功能可以将其划分为三个模块：数据接收模块、数据处理模块、数据发送 模块，见图3 - 2 。 间 隔 ，层 设 备 图3 - 2 合并单元的功能模块 合并单元作为电子式互感器中连接采集器的数字输出接口通信具有以下几个重要特点： ( 1 )同时处理的任务多。合并单元需同时接收各自独立的多路数据，并对各路数据在传输过 程中是否发生畸变进行检验，以防止提供错误数据给保护、测控设备。 ( 2 ) 高可靠性和强实时性。合并单元所接收的电流、电压信息是保护动作判据需要的信息， 接口通信处理时间的快慢将直接影响到保护的动作时间。此数据通信位于开关附近，故 对其抗干扰性要求很高，需保证数据安全可靠地传输给保护等设备。 ( 3 )通信信息流量大。合并单元需要采集三相电流、电压信息，电流信息又分保护和测量两 种，这些信息均是周期性( 非突发性) 的，接口通信流量较大。在对采样率要求较高的 线路差动保护和计量等应用中，通信流量会更大。 ( 4 ) 通信速度较高。由于接口的通信环境恶劣，故合并单元与各路数据通信一般采用光纤通 信，选择串行通信的方式更为合理，这就对通信速度提出了较高的要求。 3 3 合并单元的硬件方案 合并单元需要并行处理多重任务，对外部连接的端口也很多，要具备运算能力和控制能力。通 用的单片机和数字信号处理器都难以实时地完成如此多的任务，也很难提供如此多的f o 端口与外 部连接。 根据合并单元的功能和特点设计了合并单元的硬件平台，见图3 3 。其中a r m 作为合并单元的 控制c p u ，完成合并单元中全部的控制任务。f p g a 作为合并单元的数据处理芯片，实现的功能模 块有：数据接收模块，数据处理模块，数据发送模块中f t 3 发送功能。 1 5 第三章合并单元的研究与设计 s d r mf l a s h e e p r o m j e嚣嚣 什彳f 一一 之乡弋乡 串行通 数据输入 ， 、 信接口 、r a r m 2 路1 0 0 m 以太 光电 1 路合并单元 f 网数据输出 f 1i 以太网 电光 转换 数据输入卜 f p g a yyl 控制器 电路 i 转换 同步信号 电路 输入 卜 ) 2 路雕3 数据黜 3 3 1 a r m 微控制系统 图3 - 3 合并单元硬件框图 a r m 选用朋阻v l e l 公司的3 2 位微控制器a t 9 l r m 9 2 0 0 。a t 9 l i 湖9 2 0 0 是基于删9 2 0 ta r m t h u m b 处理核而构建的系统，拥有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而提供了一种低功耗、 低成本、高性能的单片解决方案。该微控制器带有存储器管理单元；内有1 6 k 字节的数据缓存，1 6 k 字节的指令缓存，1 6 k 字节的s r j m ，1 2 8 k 字节的i 的m ；外部总线接口支持s d r j 镰i ，b u r s tf l a s h ， s m r t m e d i a 等多种存储器；4