電子式互感器對高精度采樣裝置的影響及對策分析

許玉香，劉小剛，馬彥琴

（西北電力設計院，陜西 西安 710075）

國家電網(wǎng)公司現(xiàn)已提出建設具有“信息化、自動化、互動化”特征的堅強智能電網(wǎng)[1-2]，電力系統(tǒng)正在走向智能化，傳統(tǒng)的互感器多為電磁式互感器，電磁式自身存在磁滯、磁飽和、動態(tài)響應慢、絕緣性能差等諸多問題，已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的要求[3]。而電子式互感器具有傳感正確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化的特點，是變電站實現(xiàn)智能化的重要條件之一[4]。目前應用在工程中的電子式互感器大多采用有源電子式互感器，即采用羅氏線圈作為保護線圈、采用低功率線圈作為測量計量，采用電容分壓環(huán)作為電壓測量元件[5]。但電子式互感器在實際應用中也存在一些需要解決問題，如對站內(nèi)的高精度采樣裝置PMU、故障測距、電能計量等的適應性及影響。本文重點討論這3個方面的問題，并提出具體的解決方案[6-7]。

1 對PMU的影響及對策分析

PMU裝置需要從合并單元處獲得采樣數(shù)據(jù)，采樣頻率一般為每個工頻周期192點，而變電站保護測控采樣值一般要求相對較低。這些二次設備的數(shù)據(jù)源相同，均從合并單元獲取采樣數(shù)據(jù)，因此需解決電子式互感器對多裝置不同采樣率的需求。

目前國內(nèi)主要廠家生產(chǎn)的合并單元采樣率可達到每周波256點，因此，對于PMU裝置和保護測控裝置要求不同采樣率的問題，提出以下幾種解決方案。

方案一：PMU等高精度采樣裝置配置獨立的電子式互感器和合并單元，獲取192點/周波的高采樣率數(shù)據(jù)。

方案二：合并單元輸出采樣率按實際需求進行設定，對采樣率要求較低的保護測控裝置采用48點/周波輸出，采樣率要求較高的PMU等裝置采用192 點/周波輸出。不同采樣率數(shù)據(jù)從合并單元的不同端口分別輸出至不同需求的裝置。

方案三：合并單元輸出采樣率按實際需求進行設定，對采樣率要求較低場合采用48 點/周波輸出，對采樣率要求較高場合采用192 點/周波輸出。不同采樣率數(shù)據(jù)從合并單元的同一端口輸出，利用組播注冊協(xié)議（GMRP）技術(shù)實現(xiàn)不同采樣率數(shù)據(jù)的自動尋址，供不同需求的裝置使用。

以上幾種方案的比較分析如下。

第一種方案：為PMU等采樣率要求較高的裝置單獨配置電子式互感器和合并單元，會大大增加一次投資，經(jīng)濟性很差。

第二種方案：合并單元不同端口按不同采樣率輸出，可滿足各裝置的實際需求，但合并單元所需端口數(shù)較多，對合并單元的要求較高，而且端口的增加必然引起接線的增加，不能滿足簡化接線的要求。

第三種方案：合并單元相同端口可輸出不同采樣率的數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)利用GMRP技術(shù)自動尋找與之目的MAC 地址匹配的裝置端口，在不增加硬件資源的前提下，能滿足不同裝置的實際使用需求，接線簡單。

通過分析可知，前2種方案的經(jīng)濟性都比較差，第三種方案不增加任何硬件投資，經(jīng)濟性最佳，而且方案三中采用的GMRP技術(shù)目前國內(nèi)主要合并單元廠家都已具備，因此實際工程中推薦采用第三種方案作為電子式互感器對多裝置不同采樣率的需求的實施方案。

此時，由于PMU裝置的高采樣率數(shù)據(jù)與保護測控等低采樣率數(shù)據(jù)共用合并單元及傳輸網(wǎng)絡，必然會導致數(shù)據(jù)流量的增大，因此必須對數(shù)據(jù)流量及帶寬問題進行計算分析，交換機配置需滿足流量要求。

2 對故障測距的影響及對策分析

現(xiàn)有羅氏線圈型電流互感器采樣頻率基本在10 kHz 以內(nèi)，完全能夠滿足保護測控等設備的要求，但對于上兆赫茲的行波信號，羅氏線圈型電流互感器則無法采集到。因此，必須對現(xiàn)有羅氏線圈型電流互感器作適當改進，改進方案有如下3種。

方案一：在現(xiàn)有輸出不變的前提下，羅氏線圈電流互感器另外增加一路光輸出信號（采樣應不小于1MHz）。具體做法是增加一塊高速數(shù)據(jù)采集單元，用于高頻行波信號，如圖1所示。

方案二：將羅氏線圈電流互感器中原有的低頻信號采集線路板更換為可同時采集低頻信號和高頻行波信號的通用高速數(shù)據(jù)采集單元，所有的信號經(jīng)該采集單元采集后經(jīng)由不同通道傳輸。如圖2所示。

方案三：對原有的羅氏線圈及采集單元不作改動，新增一個羅氏線圈和一塊高速數(shù)據(jù)采集單元。雙線圈互不干擾，采集板互不影響，保證了低頻率信號和高頻行波信號完全經(jīng)由各自的通道分別采集和處理，完成各自的任務。如圖3所示。

圖1 方案一原理圖Fig. 1 Schematic diagram of Scheme One

圖2 方案二原理圖Fig. 2 Schematic diagram of Scheme Two

圖3 方案三原理圖Fig. 3 Schematic diagram of Scheme Three

3種方案比較分析如下。

方案一：在原有的羅氏線圈型電流互感器中僅增加一塊高速數(shù)據(jù)采集單元，在做到2個采集模塊互不影響的情況下，既能夠保證低頻率信號的輸出，也可以滿足行波信號的采集。該方案的經(jīng)濟性較高，但保護用遠端模塊與故障測距用遠端模塊共用一個羅氏線圈，獨立性不強，任一模塊故障均為相互影響。

方案二：用一塊高速數(shù)據(jù)采集單元完成低頻與高頻行波信號的采集。對羅氏線圈型電流互感器的原有結(jié)構(gòu)改動最小，制造成本最低，但目前可采集高頻行波信號的采集線路板通常精度不高，不能滿足保護的要求，而且此方案還處于研發(fā)階段，暫無運用實例。

方案三：在原有的羅氏線圈型電流互感器中增加一個羅氏線圈和一塊高速數(shù)據(jù)采集單元。從源頭上做到了高頻與低頻的完全分離，信號的可靠性更高，但由于增加了一個羅氏線圈，制造成本會相應增加。

通過分析可知，方案三的可靠性和可行性較高，因此推薦采用第三種方案作為電子式互感器對行波測距的實施方案。具體實施方案為：在需要行波測距出線的羅氏線圈電流互感器中增加一個羅氏線圈和一塊行波測距信號合并單元。1個羅氏線圈的價格約為5 000元，1臺行波合并單元的價格約為2萬元。對工程總體投資影響不大。

行波測距裝置專用的行波信號合并單元可滿足行波測距裝置的高采樣率要求，合并單元輸出的數(shù)據(jù)直接送至行波測距裝置中的行波信號處理單元，不需采用過程層網(wǎng)絡進行傳輸，因此不會對站內(nèi)網(wǎng)絡造成影響。

3 對計量系統(tǒng)的影響及對策分析

電子式互感器的應用給計量系統(tǒng)帶來了一些新的問題，主要體現(xiàn)在計量精度、高采樣率要求和計量裝置檢定3個方面。

3.1 計量精度要求及解決方案

目前幾乎所有采用有源電子式電流互感器的工程都采用LPCT（低功率鐵心線圈）和羅氏線圈組合使用的方案，其中LPCT用于測量與計量，羅氏線圈用于繼電保護[2]。

LPCT是傳統(tǒng)電磁式電流互感器的一種發(fā)展，它與傳統(tǒng)互感器的區(qū)別在于帶固定二次小負載，根據(jù)電磁電流互感器的原理，誤差來源主要在于功率的傳輸，傳輸功率越小，誤差越小，理論上零功率的傳輸可使電磁互感器穩(wěn)態(tài)誤差接近于零，而且非周期分量也能大部分傳輸至二次側(cè)，改善了互感器的暫態(tài)特性[3]。它在很高的一次電流下使出現(xiàn)飽和的基本特性得到改善，擴大了測量范圍，但沒有最終消除磁飽和問題，它在5%～120%額定電流下線性度很好，目前精度可達0.1/0.2 s級，非常適用于測量、計量儀表和遠動裝置。

因此，變電站計量點必須采用通過國家有關(guān)計量部門鑒定的羅氏線圈型電流互感器（含LPCT），其計量精度必須達到0.2 s級。但目前電子式互感器校驗的技術(shù)管理規(guī)范等標準尚未制定，因此計量關(guān)口點可考慮采用如下解決方案：在關(guān)口計量點增加1個常規(guī)0.2 s級電流互感器和1個常規(guī)0.2級電壓互感器，通過控制電纜將電流、電壓量送入計量表計，以滿足計量校驗問題。

3.2 高采樣率要求及解決方案

除計量關(guān)口點，其余的考核點和常規(guī)測量點，電能計量裝置也需要192點/周波的高采樣率，其解決方案可采用PMU裝置的解決方案，即合并單元輸出采樣率按實際需求進行設定，輸出數(shù)據(jù)利用組播注冊協(xié)議自動尋找與之目的地址匹配的裝置端口。

3.3 計量裝置檢定問題及解決方案

采用電子式互感器后，變電站計量裝置檢定就產(chǎn)生了以下問題。

1）傳統(tǒng)的變電站計量裝置二次回路中傳輸?shù)氖悄M信號，而智能變電站中的電子式互感器二次回路均為光纖傳輸?shù)臄?shù)字信號，因此無法直接使用傳統(tǒng)的儀器對其進行誤差檢測。

解決方案：數(shù)字式電能表的工作方式，導致傳統(tǒng)電能表校驗臺無法對數(shù)字式電能表進行檢定工作，因此有必要重新設計一個校驗裝置。該裝置必須具備以下幾個功能。

莰具備光纖以太網(wǎng)接口；

莰具備電度計算功能；

莰 鏈路層可采用IEC61850-9 或FT3標準格式；

莰 可接收被校電表輸出的脈沖信號，并進行比較；

莰保留歷史數(shù)據(jù)功能。

2）由于電子式互感器及數(shù)字式電能表的計量標準無法向上級進行溯源，并缺少檢定或檢驗所依據(jù)的規(guī)程，貿(mào)易結(jié)算用電子式互感器及數(shù)字式電能表也就無法進行合理、合法的溯源檢定。

解決方案：數(shù)字式電能表的有功電能在理論上沒有誤差，但受字長、系統(tǒng)時鐘等因素的影響，誤差必然存在。因此，數(shù)字式電能表仍然要經(jīng)過量值溯源，并只能采用非傳統(tǒng)的檢定方法。

若采用標準表和數(shù)字抽樣的誤差作為整體，由更高精度的模擬標準電能檢定裝置進行檢定。校驗裝置的關(guān)鍵部分是模擬合并單元，將模擬信號采集后，按照IEC61850協(xié)議組成以太網(wǎng)幀，通過光纖網(wǎng)絡發(fā)送給被檢電能表。整個校驗裝置包含標準功率源、標準電能表和模擬合并單元3個部分。此量值傳遞模型結(jié)構(gòu)既能向上溯源更高精度的電能標準裝置，又能向下檢定數(shù)字式電能表。具備這種溯源功能的檢定裝置已有一些廠家正在研發(fā)，一些產(chǎn)品即將投入使用。

4 結(jié)論

1）利用組播注冊協(xié)議（GMRP）技術(shù)實現(xiàn)合并單元不同采樣率數(shù)據(jù)的自動尋址，將保護測控采樣值、PMU和考核計量采樣值從合并單元的同一端口輸出到對應裝置，有效解決了多裝置不同采樣率需求的問題。

2）對于行波測距，目前的電子式互感器無法采集到上兆赫茲的高頻行波信號，需對其作適當改進以滿足行波測距的要求。因此，建議在行波測距處增加一個羅氏線圈和一塊行波測距信號合并單元，以滿足行波測距的高精度采用問題。

3）對于計量關(guān)口點，由于電子式互感器及數(shù)字式電能表的計量標準無法向上級進行溯源，缺少檢定或檢驗所依據(jù)的規(guī)程。因此，建議在關(guān)口點增加一個常規(guī)電流互感器繞組和1個常規(guī)電壓互感器，直接通過模擬量上傳至計量表計。

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