（电气工程专业论文）数字量输出型电子式互感器校验系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着变电站通信网络和系统标准i e c 6 1 8 5 0 的推广使用和数字化变电站 的建设，电子式互感器( e c 讹p t ) 开始在电力系统中得到广泛应用。由于电子 式互感器的工作原理和输出方式与传统互感器有很大的区别，故不能采用传统互 感器的校验方法进行校验，其现场测量和校验问题已经成为数字化变电站建设和 运行的突出问题。因此，需要研制出一套符合电子式互感器数字输出要求的校验 系统来满足当前的测试要求。 本文首先对电子式互感器的结构和工作原理进行了介绍，重点研究了合并单 元( m u ) 的原理及通信特点，并对相关通信标准i e c 6 0 0 4 4 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 进 行了分析和比较。随后，在明确电子式互感器新的误差定义的基础上，参考 i e c 6 0 0 4 4 8 的校验标准，设计了一套符合电子式互感器数字输出要求的校验方案， 并给出了校验系统各部分的设备选型、连接方式和功能框图。 在校验系统的误差计算部分，本文采用一种基于准同步采样与离散傅罩叶 ( d f t ) 相结合的误差校验算法，通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高 测量准确度。该算法不仅降低了对采样信号频率的要求，而且还有效地抑制了因 电网频率波动而引起的非同步采样对校验结果的影响。 论文最后搭建了校验平台，设计了校验系统的软硬件测试方案。同时完成了 采样值模型的建立并对i e c 6 1 8 5 0 9 1 标准的报文进行了解码测试。在此基础上模 拟现场条件对校验系统进行了测试，实验结果表明，基于上述校验算法的电子式 互感器校验系统能够满足校验精度的要求。 关键词：电子式互感器；合并单元；校验；准同步算法；i e c 6 1 8 5 0 分类号：t m 4 5 2 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t a b s l i t a c i ： w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fi e c 6l8 5 0s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n d s y s t e ms t a n d a r da n dt h ec o n s t r u c t i o no fd i g i t a ls u b s t a t i o n ，e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sh a v e b e e nw i d e l yu s e di np o w e rs y s t e m a st h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri sd i f f e r e n tf r o m t r a d i t i o n a lt r a n s f o r m e ri nw o r k i n gp r i n c i p l e sa n do u t p u tm o d e s ，t h ec a l i b r a t i o nm e t h o d f o rt r a d i t i o n a lt r a n s f o r n l e rc a n n o tb eu s e dt oc a l i b r a t ee l e c t r o n i ct r a n s f o f m e ra n dm a k i n g a c c u r a t em e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o no fe l e c t r o n i ct r a n s f c i r m e ri ns i t eh a sb e c o m ea n o u t s t a n d i n gp r o b l e mi nt h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fd i g i t a ls u b s t a t i o n s o ，i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pac a l i b r a t i o ns y s t e mf o re l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rw i t hd i g i t a lo u t p u t t om e e tt h ec u r r e n tt e s t i n gr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , t h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ss t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e sa r ef i r s t i n t r o d u c e d t h e n ，w em a i n l ys t u d yo nt h em e r g i n gu n i t s ( m u ) p r i n c i p l e sa n di t s c o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gr e l a t e dc o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d si e c 6 0 0 4 4 8a n di e c 6 18 5 0 9 1 a f t e rt h a t ，an e wc a l i b r a t i o ns y s t e mw h i c h m e e t st h er e q u i r e m e n t so fd i g i t a lo u t p u to fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri sd e s i g n e db y r e f e r e n c et ot h ec a l i b r a t i o ns t a n d a r do fi e c 6 0 0 4 4 8a f t e rm a k i n gc l e a rt h en e we r r o r d e f i n i t i o no fe l e c t r o n i ct r a n s f o i t n e r a l s ot h ee q u i p m e n ts e l e c t i o n s ，c o n n e c t i o nm o d e s a n df u n c t i o nb l o c kd i a g r a mo ft h ec a l i b r a t i o ns y s t e ma r ep r o p o s e d i nt h ep a r to fe r r o rc a l c u l a t i o n ，a ne r r o rc a l i b r a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e c o m b i n e dp r i n c i p l e so ft h eq u a s i s y n c h r o n o u sa l g o r i t h ma n d d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s l a t i o n ( d f t ) i sa d o p t e d b yi n c r e a s i n gt h es a m p l e dd a t aq u a n t i t ya n da l g o r i t h m s i t e r a t i o nn u m b e rp r o p e r l y , t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi si m p r o v e d t h i sa l g o r i t h mn o t o n l yr e d u c e st h er e q u i r e m e n t so fs a m p l i n gs i g n a lf r e q u e n c y , b u ta l s o r e s t r a i n st h e i m p a c to f 鲥df r e q u e n c yf l u c t u a t i o no nt h ea c c u r a c yo f c a l i b r a t i o nr e s u l t se f f e c t i v e l y i nt h ee n d ，ac a l i b r a t i o np l a t f o r mi ss e tu pa n di t st e s t i n gs c h e m eo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，s a m p l e dv a l u e s ( s v ) m o d e lb u i l d i n gi s c o m p l e t e da n dt h ed e c o d i n go fi e c 6 18 5 0 9 1 i sd o n e o nt h eb a s eo ft h a t ，t h e c a l i b r a t i o ns y s t e mi st e s t e db ys i m u l a t i n gf i e l dc o n d i t i o n s e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h ep e r f o r m a n c ea n da c c u r a c yo fn e wc a l i b r a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e d c a l i b r a t i o na l g o r i t h mi ss a t i s f i e d v l l 北京交通入学硕士学位论文 k e y w 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 ；c a l i b r a t i o n ；q u a s i - s y n c h r o n o u s ； i e c 6 18 5 0 c l a s s n o ：t m 4 5 2 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：马吞鼍k 签字日期： 呻 年6 月峰日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：玛永、潋 签字日期：2 - 。7 年月哗日 导师签名：薹才踢 签字日期：历口7 年6 月2 y ：f j 致谢 本论文的工作是在我的导师黄梅教授的悉心指导下完成的，导师高尚的人格， 渊博的知识，严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。导师 非常有责任心，大到课题方向的把握，d , 至j j 细节的处理都给予了我们很多建议。 对于研究中出现的问题，导师都很耐心地解答，和我们一起讨论，更重要的是导 师教给了我们研究问题的思维方式和方法，这些都将是我今后学习和工作的宝贵 财富。在此衷心感谢大学这几年来黄梅导师对我的关心和指导。 在论文完成期间，始终受到北京博电新力电力系统仪器有限公司向前总经理 的悉心指导和大力帮助，在此表示衷心的感谢。感谢实验室的尹潮鸿、洪秀丽、 韩冰等同学在学习和生活上对我的关心和帮助。在实验室工作及撰写论文期间， 万航羽、冯硕、黄少芳等师兄师姐一直给予我很大的帮助和指导，在此向他们表 达我的感激之情。 感谢我的父母，感谢他们多年来对我的培养和教诲，他们这么些年的付出和 爱造就了我，是他们的支持使我能够在学校专心完成我的学业。最后感谢所有曾 给予我帮助、支持、关心和鼓励的老师、同学和亲友们，衷心祝愿大家生活幸福、 身体健康、工作顺利! 绪论 1 1 研究的意义 1 绪论 随着电力系统的容量和传输的电压等级进一步增大，应用电磁感应原理的传 统的电压互感器和电流互感器呈现出某些缺陷，如绝缘问题，电磁干扰问题，故 障状态下的磁饱和，体积大，造价高等等。从本世纪5 0 年代开始，国内外开始研 究新型互感器，包括利用f a r a d a y 磁光效应进行电流测量的光电式电流互感器和 p o c k e l s 线性电光效应进行电压测量的光电式电压互感器。它们具有体积小和绝缘 性能好的优点。这类新型互感器称之为电子式互感器，其二次输出与传统互感器 的二次输出不同，分为数字输出和模拟输出两种。模拟输出是为了利用变电站已 经存在的模拟接口二次设备。即使如此，电子式互感器的模拟输出也不是传统意 义上的模拟输出，它的输出容量比传统输出小很多。对于数字输出的电子式互感 器，国际电工委员会也做出了相应的标准化工作，并对误差做出了新的定义，采 用绝对测量法检测，对电源的稳定性有要求，误差测量系统也与传统互感器测差 原理完全不同，所以必须开发新的校准系统。 目前，国内外电子式互感器的研制工作已向实用化阶段发展。国际电工委员 会已经制定相关标准i e c 6 0 0 4 4 7 电子式电压互感器【l 】和i e c 6 0 0 4 4 8 电子式 电流互感器1 2 】。国外的科研机构如瑞典国家测试研究中心已于2 0 0 1 年着手建立 数字输出的电子式互感器校准系统，而国内电子式互感器尚无统一的校准规范。 随着数字化变电站的建设和原有变电站的数字化改造，电子式互感器( e c t e p t ) 开始在电力系统中得到广泛应用，其现场测量和校验问题已经成为数字化变电站 建设和运行的突出问题。为了使电子式互感器顺利进入电力市场以及确保电力系 统安全可靠运行，迫切需要编制电子式互感器校准规范，建立数字输出的电子式 互感器校验系统，以达到统一校准标准和方法的目的。 1 2 研究的现状和国内外情况 针对传统电磁式互感器存在的缺点，一些国家早在上世纪六十年代即开始研 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。上世纪6 0 年代出现的半导体集成电路技术、激光技术以及7 0 年代初出现的 光纤传输实用化，构成了光学传感技术在超高压电力网络中参与计量、继电保护、 北京交通人学硕士学位论文 控制与监视的基础。八十、九十年代半导体技术( 超大规模集成电路技术) 的快 速发展，促进了单片机、d s p ( 数字信号处理) 技术的大规模应用，使得传感器向 着数据处理智能化、体积小型化方向迅速迈进。在八十年代初期，电子式互感器 的研究有了突破性的进展，取得了引人瞩目的成果，多种样机挂网运行成功。国 际上八十年代后期迸入了电子式互感器实用化研制阶段，并逐步向高压、超高压 方面深入。许多世界著名的电力公司纷纷投入大量的人力、物力并取得了很大的 发展，使得电子式互感器走出实验室，进入电力系统，并且竞相开发了电子式互 感器产品，以占领市场。 电子式互感器研制工作的发展必然带来误差校准的问题，国外的电力设备制 造大公司如a b b 、a l s t o m 、t r e n c h 的电子式互感器都有自己的准确度测量方 法，挂网运行后面临着统一校准方法的问题。2 0 0 2 年，国际电工委员会正式颁布 了标准i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感器对电子式互感器的数字输出和准确度测 量做出了统一规范。 我国电子式互感器的研究始于七十年代，以t 9 8 2 年在上海召开的“激光工业 应用座谈会 为起步，主要研究单位有电子部2 6 所和3 4 所、清华大学、中国电 力科学研究院、陕西电力局中试所、上海互感器厂、华中科技大学等，这一阶段 的研究仅限于实验室探索阶段。九十年代由于许多生产厂家的参与，加速了电子 式互感器研制的发展，到目前已经有许多样机挂网运行。2 0 0 3 年，国内一些电子 式互感器研制单位和生产厂家如华中科技大学、南京南瑞继保电气有限公司、西 安西开高压电气股份有限公司向武汉高压研究所提出电子式互感器准确测量的问 题，因此我国电子式互感器研制的发展，迫切需要统一的校验标准和方法，建立 电子式互感器校准系统。 1 3 课题来源及本人在研究所期间的工作 本课题是北京博电新力电力系统仪器有限公司和江苏省电力试验研究院的合 作项目。项目针对当前数字化变电站建设和运行过程中，电子式互感器( e c t e p t ) 不能采用传统互感器校验方法进行现场校验和测量的突出问题，研制出一套针对 电子式互感器的、满足现场测试要求的测量和校验平台。 项目主要进行以下内容的开发： ( 1 ) 数字量输出型电子式互感器测量和校验方法的研究 确定电子式互感器的校验方法，系统应稳定和可靠，适应现场测量，满足测 量要求，具有可溯源性。 ( 2 ) 数字量输出型电子式互感器校验系统数据处理装置的开发和研制 2 绪论 产生同步脉冲信号，从被测互感器和基准互感器获得同步采样值，对数据进 行处理和存储。 ( 3 ) 后台计算和分析软件 实现同步采样数据的提取、非线性插值计算、离散傅里叶变换的算法。完成 谐波分析、误差计算和录波分析等软件包的开发。 ( 4 ) 数字量输出型电子式互感器校验系统的安装、现场调试和应用。 为满足现场测试需要，构建一个完整的校验系统平台和工作环境。在现场对 系统进行调试和测量。 本人在研究生学习阶段全面参与了数字量输出型电子式互感器校验系统的研 究工作，负责数字输出的电子式互感器校验系统的建立，内容包括： ( 1 ) 熟悉新型电子式互感器的基本工作原理及其合并单元( m u ) 的结构和 通信方式，参与电子式互感器校验方案的确定和设计； ( 2 ) 进行采样信号的前期分析和算法处理，对校验系统数据处理装置的同步 采样数据进行提取、非线性插值计算和离散傅里叶变换； ( 3 ) 重点对电子式互感器标准i e c 6 0 0 4 4 7 8 和变电站通信标准i e c 6 18 5 0 。9 1 相关内容及解码技术进行研究，编程完成谐波分析、误差计算等软件包。对校验 系统进行模拟测试，验证校验系统的精度。 电子式互感器的原理及结构 2 1 引言 2 电子式互感器的原理及结构 关于电子式互感器，国际电工委员会已经制定了相应的国际标准：i e c 标准， i e c6 0 0 4 4 7 ( 电子式电压互感器) ，i e c6 0 0 4 4 8 ( 电子式电流互感器) 。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。 i e c 6 0 0 4 4 8 【2 】所规定的电子式互感器通用结构图如图2 1 所示。根据国内电力 系统的现状，标准规定电子式互感器的模拟输出接口可适当保留，以适应现有的 仪器设备。 兰璺 图2 1 电子式互感器结构框图 f i g 2 1s t r u c t u r ef r a m eo f e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 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，供测量和保护使用。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负荷固定连接的铁芯线圈作为电流传感器。 一次电压互感器可采用光学元件，或采用精密电阻或电容分压器。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 信号供测量和保护使用。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。 5 北京交通大学硕士学位论文 2 2 电子式互感器的工作原理 根据传感方式的不同，电子式互感器可分为无源型和有源型两种基本类型【3 1 。 前者基于光学传感技术，其特点是在高压侧没有电子电路；后者基于电磁感应原 理，但利用现代电子技术进行信号处理，其特点是在高压侧有电子电路。它们的 研究分别开始于2 0 世纪的7 0 年代和9 0 年代。 2 2 1无源型电子式互感器 无源型电子式电流互感器( e c t ) 以光学元件作为电流传感头，多采用磁致伸 缩效应、f a r a d a y 磁光效应、电热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i j i ，利用f a r a d a y 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光电 电流互感器。 到现在为止，国内外关于无源型电子式电压互感器( e ) 已经提出了许多 种基于不同光学效应的测量原理，而当前应用最多的是基于p o c k d s 线性电光效应 和基于逆压电效应的电压互感器。不论是采用电光晶体还是压电晶体作电压传感 头，它们的原理都是根据晶体在外加电场的作用下产生的电极化效应来实现电压 的测量，而环境温度及应力等外界作用也将引起晶体的附加极化并形成对电场极 化的干扰，从而成为影响这类电子式电压互感器工作稳定性的不利因素。虽然可 以采取一些措施，消除或降低温度或外界应力对光纤电压互感器的影响，但却使 传感头光路、电路变得非常复杂，对传感头的加工与固化工艺也提出更高要求。 2 2 2 有源型电子式互感器 有源型电子式电流互感器( e c t ) 在一次侧需要电源供电，它是通过次侧的 采样传感器对电流信号取样，利用有源器件调制技术，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 式电流互感器的特点是：利用光纤系统提供的高绝缘性、抗电磁干扰强的优点， 6 电子式互感器的原理及结构 显著地降低了互感器的制造成本，减少了体积和重量，充分发挥了被电力工业界 广泛接受的常规测量装置的优势，同时还避免了光学传感头光路的复杂性及对温 度、外界振动敏感等技术难点。 近年来，基于r o g o w s k i 线圈的有源型e c t 成为技术人员研究的热点。它既 可以用作封闭电器气体绝缘开关( g i s ) 、插接式组合电器p a s s ( p l u ga n ds w i t c h s 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r o g o w s k i 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。 有源型电子式电压互感器( e v t ) 是被测高电压经电容环分压器、电阻分压 器或电容电阻串联电路得到一个小电压信号，经数字化后通过光纤输出得到的。 其中，对于电容分压器或电阻分压器得到的小电压和被测高电压呈比例关系，小 电压直接数字化输出即可；对于电容电阻串联电路在电阻上得到的小电压必须经 过积分等环节的处理才可得到被测电压值。 采用精密电容分压器作为有源型e v l 的取样元件是近年来出现的技术，首先 在插接式组合电器( p a s s ) 上得以应用。在气体绝缘的母线外围布置电极，形成 柱状同轴电容器，作为分压器的高压臂，可以得到足够的测量精度。 2 3 电子式互感器的整体结构 目前，研究较为成熟并投入变电站运行的主要是有源电子式互感器，应用场 合主要有高压直流输电、s f 6 气体绝缘开关( g i s ) 及中低压开关柜等。无源电子 式互感器因其一次侧光学电流、电压传感器的制作工艺复杂，稳定性及一致性不 易控制，因此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。 图2 2 是有源型电子式互感器的整体结构图。它由传感头、数据采集系统、光 纤传输及接口、电源供能装置及合并单元五个部分构成。 7 北京交通人学硕士学位论文 轴p 啪k 践穗 2 3 1 传感头 图2 2 有源型电子式互感器整体框图 f i g 2 - 2g e n e r a lf r a m eo f a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 电子式互感器传感头部分的设计直接关系到互感器采样数据的精度及可靠 性，是整个系统的核心部件之一。电子式电流互感器和电子式电压互感器的传感 头分别采用r o g o w s k i 线圈和精密电容分压器，它们都具有测量准确度高、动态范 电子式互感器的原理及结构 围大、制造成本低等优点，其工作原理在这罩就不做详细的介绍了。 2 3 2 高压侧数据采集系统 在电子式互感器的应用中，传感头位于高压侧，如果将其输出的原始信号通 过电缆输送到低压侧处理，电磁干扰将会直接影响测量结果的准确性。因此，应 在高压侧利用数据采集系统将传感头输出的模拟信号转换成数字信号，然后经由 光纤传输到低压侧。这样既保障了高压侧与低压侧的电气隔离，也有效地减小了 电磁干扰对测量结果的影响。 根据电子式互感器输出信号的特点及相关标准对信号传输的要求，可以将高 压侧数据采集系统分为信号的采样及调整和逻辑控制电路两个部分，其主要的功 能是：逻辑控制电路在正确接收到低压侧合并单元发送的同步采样命令后，启动 信号采样及调整模块对r o g o w s k i 线圈输出的二次电流信号和电容式电压互感器输 出的电压信号进行高速采样，并将采样值组帧编码，通过电光转换( e o ) 变成光 信号向低压侧的合并单元传输。其结构框图如图2 3 所示。 光纤传输 数据信息 e ，o 一一 o e i 转 转 换换 同步采样命令 合并单元 图2 3 电子式互感器数据采集系统结构框图 f i g 2 - ls t r u c t u r ef r a m eo fd a t aa c q u i s i t i o nf o re l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 2 3 3光纤传输及接口 要把在高压侧采样的数字信号传送到低压侧，可用的方法很多，以前有研究 者使用无线电波和超声波的方法，但这些方法容易受到干扰。目前普遍采用光纤 技术来传送信号。采用光纤传送信号具有如下优点： ( 1 ) 抗电磁干扰及抗共模干扰能力强； ( 2 ) 高低压侧隔离性能好，低压侧负载对高压侧无影响； ( 3 ) 响应时间短、精度高： ( 4 ) 传输损耗低。 光纤一方面用来传输被测电流信号的数据信息，另一方面保障了高压侧与低 9 北京交通大学硕十学位论文 压侧的电气隔离，有效地减小了电磁干扰对测量结果的影响。 2 3 4 电源供能装置 由于电子式互感器的数据采集系统安装在高压侧，并且完全是由电子电路构 成，因此必须有相应的电源提供给高压侧的数据采集系统。设计中各个厂商的方 法不同，这里不做特殊介绍。 2 3 5 低压侧合并单元 合并单元是电子式互感器重要组成部分，它是连接高压侧数据采集系统和二 次设备的桥梁。高压侧数据采集系统将转换完成的电流、电压信息通过光纤传送 到低压侧的合并单元，合并单元按照标准规定的格式发送给二次保护，测控设备。 在下面的章节中将详细地阐述合并单元的结构和原理，这里不再赘述了。 2 4 合并单元的研究与分析 2 4 1引言 为了有效利用电子式互感器的优点，各数据信息必须统一处理，在时间不确 定性小于几微秒的同一瞬间，所取电流和电压瞬时值应传输到测量和保护装置， 因此，对同一个电站间隔的各电流、电压信号，即三相的电流、电压应按一个协 议规程进行传输，而作为此电流电压综合的物理单元称为合并单元【3 】。 合并单元用于对来自二次转换器的电流或电压数据做时间相干的组合，可以 是现场变换器的一个部件，或是独立的单元。合并单元与二次设备的通讯方式有 两种技术方法，一是i e c6 0 0 4 4 8 电子式电流互感器标准中描述的通讯技术， 采用点对点链接方式，并按照i e c6 0 8 7 0 5 1 规定的f t 3 数据格式封装，实现数据 传输；二是i e c 6 1 8 5 0 9 1 变电站通讯网络和系统协议中描述的以太网络，按 照i s o i e c8 8 0 2 3 协议规定的帧格式进行数据封装，并通过t c p i p 协议实现数据 传输。 2 4 2 相关通讯标准 2 4 2 1i e c 6 0 0 4 4 8 标准 i o 电子式互感器的原理及结构 i e c6 0 0 4 4 8 是国际电工委员会为电子式电流互感器专门制定的一个标准。该 标准不但对电子式电流互感器的各个部分，包括传感头( 基于r o g o w s k i 空心线圈 的电流互感器) 、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 8 规定合并单元n - 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 性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。光纤连接器采用b f o c 2 5 ，近距离传输可采用塑料光纤， 远距离可使用玻璃光纤。 对于数字输出，协议推荐采用单向的点对点连接。合并单元和二次设备间的 物理层的连接用光纤实现传输。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，先传送m s b 位。 链路层选定为i e c6 0 8 7 0 5 1 的f t 3 格式，如图2 4 所示。此格式的优点是： ( 1 ) 良好的数据完整性； ( 2 ) 其帧结构使它有可能用于高速度的多点网络同步数据链接。链路服务级 别为s 1 ：s e n d n or e p l y ( 输送不回答) 。这实际上反映了互感器连续和周期性 地传输其数值并不需要二次设备的任何认可或回答。 北京交通人学硕士学位论文 2 72 62 ，4 2 32 2 1 2 陟 00000 l 0 1 起贻宇 -_ ollo0l00 皿曲数据壤长度 而 3 岫l n n a m 孵 丽 山d a t a s e t n a m e 丽 有绶负载1m s b l d n a m p 丽 m 曲黝定掴电流 肪 ：1 6 个宇管) 越曲徽定中性点电流丽 皿工6 额定栩电箍 7 7 , m 曲额定铤时时婀 历 c r 嗽骏山负载l 的c r c 丽 面d t a c i t l n n ，嚣i 履 幽d 嘲c 触以以f 踏2 丽 盥场嘲c 触册f ，躬丽 宵散负载2 m - 型x b d a t a c h a n n f m 4 1 7 t 7 m _ 塑x b d 口t a c h a 册f ，嚣5 而 ( 1 6 个事餐) 珊盛d d 锨c h 佣n e l # 6 蕊 垡竖bd n “翟ch 及n n e l # 7 t 面 幽d n | n c l m n n e | 撼丽 c l c 梭骏 幽瓴掀的c r c 腼 2 72 62s l2 42 ，22 2 0 i 必d a l a c h a n n e | 锋9 蕊 m d i b d a t a c h a n n r ，彝l ( 矗 呜以胁f k 门n p ，圳丽 宵放负载3 出喘。i 胁f i i l 鲫，l f ，稍2 历 幽托蠡华l 薪 ：1 6 个字麓)盐曲状态! 2 一 l s b 皿曲 计数器 丽 幽 缳敷 丽 c r c 梭骏r e d , 负载嬲c r c 历 图2 4 依据f t 3 格式的通用帧格式 f i g 2 - 4u n i v e r s a lf r a m ef o r m a ta c c o r d i n gt of r 3 传输规则为： 规则1 行空位是二进制l 。两帧之间按曼彻斯特编码连续传输此值，为了 使接收器的时钟易同步，由此提高通讯链接的可靠性，两帧之间应传输最少7 0 个 空位比特。 规则2 帧的最初两个八位字节代表起始符。 1 2 电子式互感器的原理及结构 规则3 1 6 个八位字节用户数据由一个1 6 位循环冗余校验c r c 结束。需 要时帧应填满缓冲字节，以完成给定的字节数。 规则怔校验序列建立一个多项式生成码： x 1 6 + 工1 3 + 石1 2 - i - z 1 1 + x l o + z 8 + x 6 + x 5 + x 2 + l 规则s _ 一接收器检验信号品质、起始符、各校验序列和帧长度。如果这些校 验中任一项有误，该帧将废弃，否则交给用户。 f t 3 的帧从二个起始字节开始，第一个起始字节为0 5 h ，第二个起始字节为 6 4 h 。每十六个应用数据之后加两个字节的c r c 校验码，一帧中应用数据的长度 为0 - - 一2 5 5 字节，适合较远距离传输，传输效率为7 8 。 i e c6 0 0 4 4 8 规定的通讯方法在技术上易于实现，通讯协议易于标准化，对不 同的一次电气连接比较灵活。 2 4 2 2i e c 6 18 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系列标准一一i e c 6 1 8 5 0 1 4 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。在 我国采用该标准系列将大大提高变电站自动化系统的技术水平、提高变电站自动 化系统安全稳定运行水平、节约开发验收维护的人力物力、实现完全的互操作性。 i e c6 18 5 0 是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系，与传统的 通信标准体系相比，在技术上有如下特点： ( 1 ) 使用面向对象建模技术； ( 2 ) 使用制造报文规范( m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，m m s ) 技术； ( 3 ) 使用分层、分布体系； ( 4 ) 使用抽象通信服务口( a c s i ) 、特殊通信服务映射( s c s m ) 技术； ( 5 ) 具有互操作性； ( 6 ) 具有面向未来的、开放的体系结构。 i e c6 1 8 5 0 标准系列覆盖了变电站的所有接口通讯【5 1 。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，如图2 5 所示。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。 北京交通大学硕士学位论文 变电站层 间隔层 过程层 一次设备 巫多 i 圈堕i 萝 匦厘 亟多 图2 5 数字化变电站逻辑结构 f i g 2 5l o g i cs t r u c t u r eo ft h ed i g i t a ls u b s t a t i o n i e c6 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。随着光纤通讯更广泛的应 用于变电站自动化，间隔层中与一次设备直接相关的功能将越来越多地下放到过 程层。因此，i e c6 1 8 5 0 是充分考虑未来技术发展的开放性标准。 i e c6 1 8 5 0 采用以太网接入方式。以太网是一种具有尽最大努力投递含义和发 布式接入控制的广播总线网络。总线方式体现在所有节点共享同一通信信道，广 播方式体现所有收发器都能收到每次发送。以太网之所以采用尽最大努力投递 ( b e s t - e f f o r td e l i v e r y ) 机制，是因为硬件没有向发送者提供任何信息来判断所要发 送的分组是否已被接收，例如，如果目的主机偶尔掉电，那么发送给它的分组将 丢失，而发送者不会得到通知，t c p i p 协议族采取了一系列措施来适应尽最大努 力投递的硬件。以太网的接入控制是分布式的，因为不像某些网络技术，以太网 没有任何中央权利机构来授权接入，以太网的接入方式叫做多路访问载波监听一 c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t ) 。多个节点可以同 时访问以太网，而且各节点通过探测是否存在载波来决定网络是否空闲，当某个 节点要发送一个分组时，它首先执行载波监听，看是否有报文正在发送，当没有 监听到发送时，节点丌始发送，每次发送都在一个限定的时间内完成( 因为规定 了最大分组长度) ；另外，硬件必须在两次发送之间保持一个最小的空闲时间，也 就是说没有任何一个j 下在通信的节点可以连续使用网路而不给其他节点接入网络 的机会。 1 4 电子式互感器的原理及结构 因为以太网采用了c s m a c d 接入方式，所以某些节点发送时间带有随机性， 这在实时性要求很高的一、二次设备之间的通讯时不允许的，所以i e c6 1 8 5 0 9 1 采用了点对点的方式，即只有一个发送点，这样就不存在冲突的问题了。 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。因此大多数厂商选用的是基于i e c6 1 8 5 0 标准的数字输出通讯技术。 2 4 3 合并单元的定义 合并单元( m e r g i n gu 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，连接了电子式互感器二次转换器与变电站二次设备。采用一台合并单元 ( m u ) 汇集多达1 2 个二次转换器数据通道。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