光學(xué)電流互感器實時誤差分析系統(tǒng)的設(shè)計

陳銘明 ，盧樹峰 ，包玉樹 ，梁 凱，王少華

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102；3.無錫供電公司，江蘇無錫214101)

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深化推進(jìn)，國網(wǎng)公司部署在多個省份開展智能化變電站的建設(shè)工作，光學(xué)電流互感器得到了廣泛應(yīng)用，對智能變電站的建設(shè)起到了引領(lǐng)和示范作用。各工程、科研相關(guān)機(jī)構(gòu)對光學(xué)電流互感器投運后的誤差運行狀況密切關(guān)注，開展現(xiàn)場運行誤差特性研究、為國網(wǎng)公司提供一線技術(shù)支持勢在必行[1]。為保證光學(xué)電流互感器的現(xiàn)場誤差良好，在出廠前必須在規(guī)程規(guī)定的一次電流和二次負(fù)載下對光學(xué)電流互感器做誤差測試，運抵現(xiàn)場安裝后再對光學(xué)電流互感器做現(xiàn)場誤差測試，消除安裝環(huán)節(jié)、現(xiàn)場環(huán)境對誤差的影響。但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，光學(xué)電流互感器投運后，對其誤差特性缺少跟蹤分析能力，導(dǎo)致對光學(xué)電流互感器長期運行下的計量特性無法作出準(zhǔn)確的評估。相應(yīng)評價目前尚屬空白。

光學(xué)電流互感器在出廠前要經(jīng)過誤差測試，合格方允許供貨。但由于光學(xué)電流互感器對溫度、振動均敏感，在經(jīng)過現(xiàn)場安裝后再復(fù)測誤差往往不再合格。特別是對于光學(xué)電流互感器與合并器供貨商不同的情況，光學(xué)電流互感器在出廠前的誤差測試是基于互感器本體，但現(xiàn)場安裝后數(shù)字信號是基于合并器送出的數(shù)據(jù)集，即使互感器本體誤差合格，經(jīng)過合并器環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理、延時設(shè)定等環(huán)節(jié)后誤差有不同程度的漂移。根據(jù)現(xiàn)場運行和計量測試的需要，對光學(xué)電流互感器的現(xiàn)場測試必須帶合并器一同測試，實際測試數(shù)據(jù)表明，光學(xué)電流互感器現(xiàn)場組裝完畢帶合并器測試絕大部分甚至全部超差，需要現(xiàn)場調(diào)校，然后復(fù)測方能在20%以上額定一次電流合格，對于輕載特別是5%額定一次電流以下時，誤差漂移、瞬變嚴(yán)重，甚至無法讀取合理的數(shù)據(jù)。光學(xué)電流互感器投運后的誤差是否會隨著運行時間的變化而大幅度變化？特別是在實際運行時各種電磁干擾環(huán)境下光學(xué)電流互感器還能否穩(wěn)定運行、誤差是否始終合格？此類問題迄今尚沒有相關(guān)實踐數(shù)據(jù)，因此對光學(xué)電流互感器現(xiàn)場運行誤差特性進(jìn)行在線實時比對分析對于全面研究光學(xué)電流互感器誤差特性、光學(xué)電流互感器貿(mào)易結(jié)算性能評估和智能變電站計量裝置配置方案優(yōu)化均有重要意義。當(dāng)前，電子式互感器因其在絕緣、通信傳輸、數(shù)據(jù)綜合處理等方面的優(yōu)勢引起科研界與工程界的高度重視和廣泛關(guān)注。誤差比對分析裝置由采樣單元、同步單元、運算單元和傳輸單元組成，利用現(xiàn)場運行誤差實時比對，實現(xiàn)光學(xué)電流互感器的現(xiàn)場運行誤差數(shù)據(jù)存儲及遠(yuǎn)程分析，為光學(xué)電流互感器的運行誤差分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)，實現(xiàn)光學(xué)電流互感器的實時監(jiān)測現(xiàn)場運行誤差，適用于同時具備光學(xué)和電磁式電流互感器的智能變電站。

1 光學(xué)電流互感器基本原理

常見的光學(xué)電流互感器工作原理主要為法拉第效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng),其中以Faraday效應(yīng)為其工作原理的F光學(xué)電流互感器常采用偏振檢測方法或利用Faraday效應(yīng)的非互易性采用Sagnac干涉儀實現(xiàn)檢測[2，3]。由于Faraday效應(yīng)具有非互易性。而光纖中的線性雙折射具有互易性，二者之間這種差別使得采用Sagnac干涉儀實現(xiàn)電流傳感成為很有吸引力的方案。Sagnac干涉儀型F光學(xué)電流互感器又可分為環(huán)形結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)2種，其原理圖如圖1、圖2所示。其中，反射結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器具有優(yōu)良的互易性和較強(qiáng)的抗外界環(huán)境干擾能力，是一個具有實用價值的光學(xué)電流互感器方案。

圖2 Sagnac反射結(jié)構(gòu)的F光學(xué)電流互感器原理圖

2 光學(xué)電流互感器存在問題

根據(jù)光學(xué)電流互感器的設(shè)計與制造工藝，電流互感器的影響主要表現(xiàn)在置于戶外的傳感頭的精度上。根據(jù)實際情況可分為下面兩個溫度源的影響：一是緩慢變化的空間上均勻分布的環(huán)境溫度；二是變化復(fù)雜的空間上分布不均勻的溫度。在均勻溫度場中，傳感頭中傳播的光路徑會因此發(fā)生變化，進(jìn)而使得光功率變化。對于這種影響可采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法來應(yīng)對。在非均勻溫度場中，光學(xué)器件之間發(fā)生非均勻的熱膨脹，從而使之產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起附加溫度應(yīng)力雙折射，直接影響線偏振光的偏轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致難以消除的測量誤差[4-6]。光學(xué)電流互感器實現(xiàn)的最大困難是其本身的光學(xué)系統(tǒng)折射效應(yīng)會隨環(huán)境因素變化而變化，從而影響整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。其根本原因在于光纖的線性雙折射效應(yīng)對測量結(jié)果的影響：降低系統(tǒng)靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性，使測量結(jié)果與被測電流在光路內(nèi)的位置有關(guān)等。歸結(jié)F光學(xué)電流互感器在應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注的問題如下：

（1）使用壽命。壽命不僅和設(shè)計有關(guān)，和材料元器件選擇，生產(chǎn)過程的工藝和質(zhì)量控制也密切相關(guān)。

（2）溫度的影響。溫度變化對光源、光纖光路、敏感環(huán)等帶來影響。

（3）長期運行穩(wěn)定性。熱老化、熱循環(huán)、溫度濕度循環(huán)、振動、熱沖擊、干熱、濕熱等。

（4）小電流信號下的測量準(zhǔn)確度。由于光學(xué)電流互感器通過光學(xué)檢測來獲取信號，其中必定含有光學(xué)散粒噪聲，光學(xué)傳感器的輸出都會有噪聲，其衡量指標(biāo)與使用信號的寬帶有關(guān)。所以測試零電流也會有輸出，即噪聲，不過該噪聲的均值為0。目前可以測到1 A的電流。

3 誤差比對系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)

誤差比對系統(tǒng)由采樣單元、同步單元、運算單元和傳輸單元組成。采樣單元，用于光學(xué)電流互感器一次電流信號及電磁式電流互感器二次電流信號的采樣；同步單元，用于采集到的光學(xué)電流互感器一次電流信號及電磁式電流互感器二次電流信號同步；運算單元，用于計算光學(xué)電流互感器的一次電流信號和電磁式電流互感器的二次電流信號有效值、相位及頻率，并進(jìn)行實時角差和比差計算，得到實時比對誤差數(shù)據(jù)；傳輸單元，用于將得到的實時誤差數(shù)據(jù)與后臺服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[7-9]。如圖3所示。

圖3 光學(xué)電流互感器誤差在線比對裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3中采樣單元包括精密穿心零磁通互感器，用于將電磁式電流互感器5 A的二次電流轉(zhuǎn)換成10 mA小電流信號；電流/電壓變換器，用于小電流信號進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成電壓信號；A/D轉(zhuǎn)換器采用24位的高精A/D轉(zhuǎn)換器，并以4 kHz的頻率對電流/電壓變換器輸出的電壓信號進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供運算單元處理；以太網(wǎng)卡，用于光學(xué)電流互感器接收IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包，并傳輸給運算單元處理，所述精密穿心零磁通互感器的輸入端與電磁式電流互感器的輸出端相連接，所述精密穿心零磁通互感器的輸出端通過電流/電壓變換器與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端相連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與運算單元相連接，所述以太網(wǎng)卡的輸入端與光學(xué)電流互感器的輸出端相連接，所述以太網(wǎng)卡的輸出端與運算單元相連接，所述以太網(wǎng)卡與A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)有同步單元。

同步單元在以太網(wǎng)卡接收IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包的同時記錄IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包中0號包所對應(yīng)的時標(biāo)信息，并輸入給運算單元，運算單元控制A/D轉(zhuǎn)換器的采集頻率，實現(xiàn)同步采集，運算單元還通過時標(biāo)信息和A/D轉(zhuǎn)換器的固有延遲時間進(jìn)行同步的相位補償。運算單元采用DSP處理器進(jìn)行快速運算，將電磁式電流互感器的二次電流的采樣值進(jìn)行快速傅里葉變換，計算出有效值、相位及頻率，然后根據(jù)IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包中0號包所對應(yīng)的時標(biāo)信息和24 Bit AD的固有延遲時間，補償相位，獲得光學(xué)電流互感器與電磁式電流互感器的實時比對數(shù)據(jù)。傳輸單元采用ARM處理器，將實時誤差數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)與后臺服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。

圖4 比對系統(tǒng)硬件框圖

4 比對算法

在線比對算法包括同步算法、誤差比對算法和存儲傳輸策略，其中同步是將光學(xué)電流互感器和電磁式電流互感器的電流信號進(jìn)行同步控制，并傳輸給后續(xù)單元以便進(jìn)行誤差比對計算；誤差比對是指通過數(shù)據(jù)處理單元模塊進(jìn)行幅值、頻率、相位計算，并將兩者進(jìn)行比對得到實時比對誤差；存儲和傳輸策略是指大量比對誤差數(shù)據(jù)本地存儲和遠(yuǎn)程傳輸?shù)目刂撇呗?。光學(xué)電流互感器比對系統(tǒng)算法控制流程如圖5所示。

圖5 光學(xué)電流互感器比對系統(tǒng)算法控制流程圖

5 現(xiàn)場實施及效果

為保證掛網(wǎng)設(shè)備和電網(wǎng)設(shè)備的安全運行，現(xiàn)場安裝設(shè)計方案采用傳統(tǒng)電流互感器二次電流經(jīng)精密電流互感器穿心兩匝的方式獲取二次模擬量電流信號，保證長期掛網(wǎng)運行的安全性，其原理如圖6所示，為了驗證電流環(huán)方式的準(zhǔn)確性，比對裝置的電流接口配置兩套接插件，一套電流環(huán)式，一套回路接入式，在條件允許的情況下用短時間回路接入式的誤差數(shù)據(jù)對電流環(huán)接入式的誤差進(jìn)行校核。

圖6 現(xiàn)場掛網(wǎng)運行電流輸入示意圖

光學(xué)電流互感器實時誤差分析裝置掛網(wǎng)運行的4個月期間，運行安全，未發(fā)生任何設(shè)備、數(shù)據(jù)方面的問題，為光學(xué)電流互感器現(xiàn)場誤差評估積累了大量的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

本文提出的光學(xué)電流互感器實時誤差分析系統(tǒng)填補了國內(nèi)光學(xué)互感器現(xiàn)場誤差比對的空白。該方案通過實際研制已形成成品，并通過了誤差校準(zhǔn)測試以及電磁兼容測試，均符合掛網(wǎng)運行的技術(shù)條件。該裝置并在無錫西涇變掛網(wǎng)運行4個多月時間，為光學(xué)電流互感器的運行誤差分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)，實現(xiàn)了光學(xué)電流互感器的實時監(jiān)測現(xiàn)場運行誤差，從而保證智能化變電站的電能計量的準(zhǔn)確性和可靠性。

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