電子式電流互感器激光供能調(diào)節(jié)方案的改進

石建，吳正偉，牟晉力

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京 211153）

電子式互感器技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，面對電力工程應(yīng)用的高可靠性需求，國內(nèi)實際工程中暴露出運行不穩(wěn)定等一系列問題[1-3]，2015 年國網(wǎng)智能變電站相關(guān)技術(shù)問題研討會紀(jì)要指出，未來110 kV 及以上新建智能變電站應(yīng)采用“常規(guī)互感器+合并單元”模式接入保護裝置的方案[4]。即便如此，電子式互感器仍然是技術(shù)發(fā)展趨勢,這在行業(yè)里已是共識[5]。

對于有源型電子式電流互感器，工程應(yīng)用中采集單元供電方式，通常采取母線電流取電配合激光供能組合供電方案，其中，激光供能作為熱備用電源在線路不工作或工作電流很小時提供能源。激光供能作為電子式電流互感器供能方式已經(jīng)有很多年，但在批量生產(chǎn)及工程應(yīng)用經(jīng)驗上仍存在不足。即使在電子式互感器不再作為應(yīng)用推薦的情況下，生產(chǎn)企業(yè)除了需要對于已經(jīng)投運產(chǎn)品進行維護和更新外，也需要繼續(xù)跟進相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展并進行研發(fā)。

激光供能系統(tǒng)中涉及的大功率激光器及配套的高效率光電池技術(shù)多被國外公司壟斷，產(chǎn)品從應(yīng)用初始，價格就一直比較昂貴，如今激光器及光電池一套產(chǎn)品不含稅價格還接近6 000 元人民幣。相關(guān)產(chǎn)品國內(nèi)也有研制，性能及光電轉(zhuǎn)換效率也接近或基本達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平[6-8]，但未見工程大量應(yīng)用的報道。在這一背景下，繼續(xù)加強對于激光驅(qū)動及光電池的長期工程應(yīng)用研究就很有意義，文中結(jié)合一款有源電子式互感器的改造應(yīng)用對其激光供能調(diào)節(jié)方法進行探討。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 供電方案

該電子式互感器高壓端采集單元供電方案采用激光供能與母線電流取能組合方案:當(dāng)一次電流較大時，由取能線圈供能；當(dāng)一次電流較小時，由激光器提供電源，兩種供電方式無縫切換。原理圖如圖1所示，圖中V1表示激光電池，R1、R2電阻分壓后提供激光電池電壓信號Mon1 給采集單元MCU；V2表示母線取能線圈，取能線圈交流電經(jīng)整流橋后變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^R3、R4電阻分壓后提供母線取能電壓信號Mon2 給MCU；兩路電源通過管壓降很低的肖特基二極管D1、D2為負(fù)載RL供電。

圖1 采集單元供電原理圖

采集單元MCU 監(jiān)視V1、V2兩個電壓信號，根據(jù)V1和V2的大小進行激光供能的調(diào)節(jié)。確認(rèn)取能線圈V2電壓長時間超過閾值時關(guān)閉激光供能，否則MCU 根據(jù)V1電壓發(fā)送激光調(diào)節(jié)指令，激光調(diào)節(jié)指令參考表1。

表1 采集單元監(jiān)視電壓及調(diào)節(jié)指令表

表1 中電壓取值主要參考光電池數(shù)據(jù)，圖2 為JDSU 公司PPC-6E 產(chǎn)品在3 種激光輸入條件下的輸出曲線，該產(chǎn)品光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)40%。從該曲線可以看出，光電池輸出達(dá)到最大功率點（輸出電壓約6.1 V）前光電池基本可看成是一個恒流源，而在之后光電池基本類似恒壓源。因此，對于確定的采集單元負(fù)載，選定工作維持區(qū)間在5.8～6.1 V 是比較合適的，該區(qū)間光電池基本處于最大功率點。

圖2 PPC-6E光電池3種光能量輸入表現(xiàn)

1.2 信息傳遞

采集單元發(fā)送的激光調(diào)節(jié)指令與采集的互感器一次數(shù)據(jù)合并后一起發(fā)送給合并單元，合并單元據(jù)此對激光驅(qū)動強度進行調(diào)節(jié)，硬件涉及環(huán)節(jié)參考圖3。采集單元根據(jù)采集到的光電池電壓大小發(fā)送相應(yīng)調(diào)節(jié)指令經(jīng)FPGA 后傳給CPU 芯片，再經(jīng)裝置內(nèi)部通信總線傳到激光電源MCU 芯片，由MCU 控制數(shù)模轉(zhuǎn)換DA 芯片實現(xiàn)激光器驅(qū)動電流的調(diào)節(jié)。相對于互感器一次數(shù)據(jù)的快速傳遞，激光調(diào)節(jié)指令傳遞優(yōu)先級低、周期長，因此，激光調(diào)節(jié)從采集單元感知到激光電源完成調(diào)節(jié)存在數(shù)個毫秒的延遲時間。

圖3 激光閉環(huán)調(diào)節(jié)示意圖

1.3 調(diào)節(jié)方法

圖3 所示激光調(diào)節(jié)是個獨立運行的閉環(huán)系統(tǒng)，除上電時由CPU 或激光電源默認(rèn)指示上調(diào)外，主要根據(jù)采集單元指令對激光進行調(diào)節(jié)[9]，其方法是：1）合并單元上電后，首先，以較快速度將功率輸出至設(shè)定的最大功率值，然后，根據(jù)采集單元報文對調(diào)節(jié)指令進行透明傳輸；2）采集單元檢測到高壓取能有效時，合并單元緩慢減小激光驅(qū)動電流，直至激光供能待機；3）高壓取能無效時，合并單元完全切換到激光電源供能狀態(tài)，合并單元（激光電源）根據(jù)采集單元反饋動態(tài)調(diào)節(jié)激光電源輸出功率。

2 問題與分析

該電子式電流互感器推出至今已經(jīng)10 余年，市場上已出現(xiàn)新的更高性能的激光器及光電池，價格也有一定優(yōu)勢，因此，需要對采集單元和激光電源進行硬件元器件更新。同時，需要對其運行機制進行檢查和優(yōu)化。

2.1 上電緩慢及抖動

示波器觀測單獨激光供電時實際輸出信號如圖4(a)所示，整個上升過程最大耗時約330 ms。

圖4(a)上電波形在電平較低階段出現(xiàn)長時間平臺電壓，并且上升緩慢，這對于采集單元供電屬于需要避免的過渡階段，宜盡快結(jié)束。多次觀測發(fā)現(xiàn)，上電過程調(diào)節(jié)緩慢時偶見圖4(b)所示上電抖動問題：采集單元看門狗得電后復(fù)位系統(tǒng)，大約200 ms 后MCU 運行，此時功耗加大導(dǎo)致供電電壓出現(xiàn)大幅波動，此時，若激光調(diào)節(jié)速度緩慢即會出現(xiàn)緩不濟急問題，工程應(yīng)用中也可能會因此出現(xiàn)供能切換時數(shù)據(jù)丟點的風(fēng)險。

圖4 光電池電壓輸出信號圖

2.2 維持電壓過高

上述調(diào)節(jié)方法使得采集單元光電池電壓維持在6.1 V 附近，即處于維持區(qū)間上沿而非下沿，這對總體發(fā)熱量并無益處，對激光器壽命也有影響。激光器、光電池這些光學(xué)器件其效率和使用壽命與工作溫度密切相關(guān)[6-9,18]，因此，除了對這些價格高昂的器件進行必要的散熱設(shè)計外，對其工作電流加以控制是極其重要的環(huán)節(jié)，這將從根本上降低系統(tǒng)發(fā)熱。隨著電子技術(shù)的進步及芯片低功耗設(shè)計，采集單元穩(wěn)態(tài)功耗現(xiàn)在基本可以控制在不超過50 mW 的水平。相對于原先使用的JDSU 產(chǎn)品，當(dāng)前新的激光器轉(zhuǎn)換效率典型值約為45%，光電池光電轉(zhuǎn)換效率最高約60%。即便如此，仍有接近一半能量需要以發(fā)熱形式散發(fā)出來，優(yōu)化穩(wěn)態(tài)功耗仍舊是關(guān)注點。

2.3 完全采集單元調(diào)節(jié)

特定采集單元進入工作穩(wěn)態(tài)后，其功耗是一定的，不會因為采集母線電流大小改變而發(fā)生明顯變化。前述方法中激光動態(tài)調(diào)節(jié)為完全采集單元調(diào)節(jié)方案：激光電源根據(jù)采集單元發(fā)送指令進行上下調(diào)節(jié)，CPU 模件對相關(guān)指令完全透明傳輸，激光電源完全被動受控。對該閉環(huán)系統(tǒng)的改進同樣可以在采集單元進行，但采集單元安裝在一次高壓側(cè)，對其軟件更新或硬件更換都需要一次側(cè)停電，且需要工程人員通過升降梯等爬升到高處，操作麻煩且存在高處作業(yè)危險。通過修改低壓端激光電源，能對上述問題進行改善，工作量完全不可同日而語。

3 激光調(diào)節(jié)改進方案

結(jié)合新選激光器設(shè)計激光電源，對激光電源MCU軟件配合使用新的激光主動調(diào)節(jié)方案，原則：1）初次上調(diào)時直接驅(qū)動到激光器閾值電流以上；2）保證激光器/光電池安全前提下加快激光快上調(diào)調(diào)節(jié)速度，每1 ms 改變激光器驅(qū)動電流30 mA；3）上調(diào)、下調(diào)和維持指令時相對慢速調(diào)節(jié)，10～20 ms 改變激光器驅(qū)動電流1 mA；4）對維持轉(zhuǎn)上調(diào)指令進行識別和記錄，通過動態(tài)自學(xué)習(xí)獲得維持下限；5）原先激光器功率超限時即上送CPU 模件進行告警，告警信息是否過濾由CPU 決定，文中改為鈍化告警速度：只有激光驅(qū)動長期超過限定值時，才主動上送告警信息；告警的同時降低激光驅(qū)動到推薦值，避免光纜斷線等異常導(dǎo)致激光器長期過度驅(qū)動而損傷或過早老化。

4 測試及驗證

4.1 上電過程

使用新的方法，上電后光電池電壓上升曲線相對于原先有很大改變，整個上升過程耗時不到20 ms，參考圖5。

圖5 光電池電壓上升快速圖

根據(jù)新的調(diào)節(jié)方案，激光供能調(diào)節(jié)速度超過通信閉環(huán)環(huán)節(jié)反饋速度，發(fā)生過驅(qū)動情況：光電池電壓超過維持區(qū)間上限6.1 V。似乎對激光供電不利，但實際上短時過驅(qū)動不僅有利于采集系統(tǒng)上電時不發(fā)生前述光電池輸出波動，而且有利于緩解采集系統(tǒng)上電涌流導(dǎo)致的沖擊。因此，短時過驅(qū)動不僅是有利的，而且是必要的。

4.2 功率驗證

過驅(qū)動有可能導(dǎo)致采集單元發(fā)出下調(diào)指令，按原則3 進行下調(diào)使光電池電壓達(dá)到維持區(qū)間下限5.8 V，對多次循環(huán)過程進行自主學(xué)習(xí)，獲得維持轉(zhuǎn)上調(diào)的下限數(shù)據(jù)后，激光電源將記錄數(shù)據(jù)，并加上一個小的正值作為維持下限，轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)不再改變。設(shè)定學(xué)習(xí)次數(shù)4 次時，可見激光器輸出光功率如圖6 所示，橫軸為上電時間軸，縱軸為輸出光功率。圖中上電初次會上沖到激光器較大功率，后續(xù)進行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)正確后進入穩(wěn)定狀態(tài)，計算光功率輸出約0.24 W。

圖6 激光器輸出光功率圖

采集單元獲得電功率Pc根據(jù)式（1）計算:

其中，Pj為激光器發(fā)出光功率，η1為激光光纖通路能量傳輸效率，η2為光電池光電轉(zhuǎn)換效率。

激光光纖通路能量傳輸效率η1可由光纖回路衰耗定義反向計算，如式（2）所示：

其中，P為光纖回路衰耗，合并式（1）和式（2）后得到式（3）：

參考圖3，供能光纖典型光路涉及激光電源輸出活動連接法蘭、兩端尾纖與光纜的熔接頭及光纜，光衰耗見表2。合并計算衰耗不超過1 dB，即P=-1。激光器輸出240 mW 時，光電池轉(zhuǎn)換效率η2按典型值40%計算，根據(jù)式（3）可知，最終采集單元獲得76 mW，基本符合預(yù)期。

表2 激光光纖通路典型配置及衰耗

4.3 批量及切換驗證

對批量產(chǎn)品按上述方案進行測試。環(huán)境溫度、采集單元、供能光纖等不變而僅更換激光電源調(diào)節(jié)方法，采用新方法時采集單元上電速度顯著加快。配合網(wǎng)絡(luò)分析儀監(jiān)視合并單元發(fā)出GOOSE 數(shù)據(jù)，反復(fù)多次進行母線小電流供能切換，采集單元雙路電源能無縫切換，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟點。

拔出通信光纖模擬通信故障進行測試，激光電源驅(qū)動功率加大，持續(xù)一段時間后激光器功率逐漸降低并報告激光器驅(qū)動功率超限，不會持續(xù)大功率驅(qū)動。

對比激光器驅(qū)動電流，穩(wěn)態(tài)時相對原方案減少約6%～7%，調(diào)節(jié)頻次相對原先有所增加：采集單元接近維持區(qū)下限運行，激光器恒定電流驅(qū)動條件下經(jīng)過一段時間后光強度衰減導(dǎo)致光電池輸出電壓降低，采集單元發(fā)送上調(diào)指令，最終使得整體調(diào)節(jié)次數(shù)增加。

5 結(jié)論

文中結(jié)合一款電子式電流互感器對激光供電系統(tǒng)進行了介紹，從供電方案、信息傳遞及激光調(diào)節(jié)方法各方面對激光閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行說明。根據(jù)對原產(chǎn)品閉環(huán)系統(tǒng)的測試，發(fā)現(xiàn)存在采集單元上電過程緩慢、維持電壓過高及僅采集單元調(diào)節(jié)等問題。針對這些問題，結(jié)合工程實施情況，提出了在不對采集單元進行軟硬件改動的條件下，改進激光電源調(diào)節(jié)步調(diào)，從完全被動調(diào)節(jié)變?yōu)橹鲃訁⑴c調(diào)節(jié)，并自主學(xué)習(xí)獲得驅(qū)動下限。對改進方案進行實際測試，結(jié)果表明激光電源改進后采集單元上電速度顯著加快，激光器驅(qū)動電流有所降低。對長期運行的電子式互感器激光供能系統(tǒng)來說，這一改進可提高其運行可靠性，運行壽命必然得到延長。