非常規(guī)互感器在數(shù)字化牽引變電所的應(yīng)用

黨曉勇，曹毅峰

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)牽引變電所大多采用傳統(tǒng)互感器的分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，存在的主要問(wèn)題是二次系統(tǒng)采用單元間隔布置、裝置相對(duì)獨(dú)立、裝置間缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化、信息不能共享、裝置接線及擴(kuò)展復(fù)雜等，而基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電所則很好解決了上述問(wèn)題。數(shù)字化變電所采用數(shù)字化的新型非常規(guī)互感器，利用高速以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成變電所數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模，并采用智能斷路器等控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間信息的共享和互操作。其中，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)變電所過(guò)程層由非常規(guī)互感器、合并單元、智能斷路器、光纖相連，代替?zhèn)鹘y(tǒng)互感器、電纜相連的系統(tǒng)，盡可能將二次保護(hù)設(shè)備的功能下放，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文主要分析非常規(guī)互感器及合并單元的功能組成，并對(duì)其在數(shù)字化牽引變電所V/v變壓器兩側(cè)的配置進(jìn)行了研究[1]。

1 電子互感器

與傳統(tǒng)互感器相比，電子互感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高低壓完全隔離，安全性好，具有優(yōu)良的絕緣性能。

（2）無(wú)鐵心，不存在磁飽和、鐵磁諧振問(wèn)題。

（3）測(cè)量精度高，頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大。

（4）體積小，重量輕，環(huán)保性能好。

目前國(guó)內(nèi)已有很多廠家推出非常規(guī)互感器的產(chǎn)品，但是由于數(shù)字化變電所的相關(guān)技術(shù)還不成熟，并未在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)高壓側(cè)傳感頭是否有電源，非常規(guī)互感器可以分為有源和無(wú)源2種[2]。

1.1 有源非常規(guī)互感器

有源非常規(guī)互感器即電子互感器是利用電磁感應(yīng)原理感應(yīng)電壓、電流信號(hào)，主要采用羅科夫斯基線圈（下文簡(jiǎn)稱羅氏線圈）和電容、電阻分壓技術(shù)。

基于羅氏線圈的電子式電流互感器主體是一個(gè)將導(dǎo)線均勻密繞在環(huán)形等截面非磁性骨架上而形成的空心電感線圈，待測(cè)的電流從線圈中心流過(guò)，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。

在電子式互感器中，傳感頭位于高壓側(cè)，如果將其輸出信號(hào)直接送往低壓側(cè)處理，將會(huì)受到電磁干擾的嚴(yán)重影響，為此增加了高壓側(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 電子互感器高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)由2部分構(gòu)成：邏輯控制單元和信號(hào)采樣及調(diào)整單元。邏輯控制單元接收合并單元的同步采樣命令，通過(guò)信號(hào)采樣和調(diào)整單元，對(duì)傳感頭輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行高速同步采樣，并將采樣值進(jìn)行組幀編碼，通過(guò)光纖傳輸，以保證高壓側(cè)與低壓側(cè)的光電隔離，保證設(shè)備的安全，減小電磁干擾影響。

1.2 無(wú)源電子互感器

無(wú)源電子互感器主要是指采用光學(xué)測(cè)量原理的電子互感器，又稱為光電電壓/電流互感器，其特點(diǎn)是無(wú)須向傳感頭提供電源。

光電電流互感器主要利用法拉第磁光效應(yīng)和塞格奈克效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，其中常用的法拉第效應(yīng)的原理是線性偏振光通過(guò)磁場(chǎng)中的介質(zhì)（光玻璃等）時(shí)，偏振的方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，只要測(cè)量出法拉第旋轉(zhuǎn)角，就可求出磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而得出磁場(chǎng)電流的大小。光電電壓互感器利用普克爾效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，較常用的是普克爾效應(yīng)。

1.3 有源與無(wú)源互感器工程應(yīng)用分析

電子互感器需要對(duì)傳感頭進(jìn)行供電，電源的可靠性非常重要，而且長(zhǎng)期大功率的激光供能會(huì)影響光器件的使用壽命；羅氏線圈輸出信號(hào)與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，溫度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度降低。

光電互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于光學(xué)傳感材料，容易受到多種環(huán)境因素如溫度、振動(dòng)等的影響，因此也會(huì)影響光電互感器的研發(fā)和實(shí)用化進(jìn)程。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，電子互感器較適合于小絕緣距離的高電壓系統(tǒng)，由電容分壓和羅氏線圈構(gòu)成的系統(tǒng)適合于全封閉氣體絕緣裝置（GIS），而光電互感器則比較適用于超高壓系統(tǒng)。

2 合并單元

要推動(dòng)數(shù)字化變電站的建設(shè)，非常規(guī)互感器的應(yīng)用是基礎(chǔ)，而解決非常規(guī)互感器與間隔層保護(hù)、測(cè)控設(shè)備的數(shù)字接口是關(guān)鍵。鑒于此，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義和描述了接口的重要組成部分—合并單元（下文簡(jiǎn)稱MU），并嚴(yán)格規(guī)范了它與保護(hù)、測(cè)控設(shè)備的接口方式。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，合并單元作為非常規(guī)互感器的數(shù)字接口，其主要功能是產(chǎn)生同步采樣信號(hào)傳送到12路電子互感器，接收12路電子互感器的采樣數(shù)據(jù)幀，匯總合并為1路符合IEC 61850-9-1/2標(biāo)準(zhǔn)的帶 GPS時(shí)標(biāo)的以太網(wǎng)幀，通過(guò)以太網(wǎng)傳送到二次保護(hù)、測(cè)控設(shè)備。圖2是合并單元的1個(gè)功能模型示意圖。

圖2 合并單元功能模型示意圖

2.1 同步模塊

MU接入的多路非常規(guī)互感器信號(hào)必須進(jìn)行同步采樣，以滿足二次保護(hù)的需求。一般采樣同步的方法有2種：依靠GPS秒脈沖信號(hào)同步和采用角度調(diào)整的線性插值法。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以將2種方法結(jié)合起來(lái)用。合并單元依靠GPS秒脈沖信號(hào)同步，而在二次保護(hù)、測(cè)控設(shè)備中實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整的線性插值算法，二者互為備用。

目前合并單元同步主要采用 GPS秒脈沖信號(hào)法。在接收到外部 GPS秒脈沖信號(hào)后，首先判斷該秒脈沖的有效性，如果有效，則對(duì)其進(jìn)行倍頻處理，產(chǎn)生符合電子互感器采樣頻率的脈沖信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字序列0564 H，經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼后通過(guò)光纖傳輸?shù)椒浅Ｒ?guī)互感器，否則應(yīng)該發(fā)送秒脈沖異常標(biāo)志，并將備用晶振投入使用。由于GPS秒脈沖信號(hào)的周期是1 s，因此不同的合并單元每隔1 s將會(huì)被強(qiáng)行同步一次，從而使得12路同步采樣信號(hào)誤差很小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的同步采集。

2.2 多路數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要完成對(duì)12路非常規(guī)互感器傳來(lái)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼校驗(yàn)，并通過(guò)FIFO進(jìn)行排序。電子互感器輸出的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了CRC校驗(yàn)，并在物理層進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此合并單元接收到采樣數(shù)據(jù)，應(yīng)先進(jìn)行曼徹斯特解碼和CRC校驗(yàn)，確保接收到的采樣數(shù)據(jù)正確后才能由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。但實(shí)際上，由于各通道數(shù)據(jù)采集是相互獨(dú)立的，其數(shù)據(jù)信息到達(dá)合并單元的時(shí)間各不相同，且前后關(guān)系也不固定，所以在將12路數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊前，可利用FPGA中的先進(jìn)先出（FIFO）隊(duì)列對(duì)12路數(shù)據(jù)進(jìn)行正確排序，然后再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊[4]。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊利用DSP處理器讀取FIFO中的并行數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、相位補(bǔ)償，給數(shù)據(jù)包打上正確的時(shí)標(biāo)，保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程同步。在完成了上述工作后，該模塊還要對(duì)處理后的數(shù)據(jù)按照IEC 61850-9-1/2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組幀，通過(guò)以太網(wǎng)控制器，發(fā)送到以太網(wǎng)上進(jìn)行傳輸。

3 工程實(shí)現(xiàn)

3.1 電力系統(tǒng)電子互感器與MU配置

數(shù)字化變電所過(guò)程層可根據(jù)一次設(shè)備發(fā)展的進(jìn)程逐步實(shí)現(xiàn)。電子互感器需要解決的是絕緣、動(dòng)態(tài)范圍、飽和等問(wèn)題，在低電壓等級(jí)廣泛應(yīng)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值較小。目前，電力系統(tǒng)應(yīng)用電子互感器和MU的是接線簡(jiǎn)單的110 kV系統(tǒng)，該系統(tǒng)保護(hù)裝置不需要雙重化配置，電子互感器和MU除主要數(shù)據(jù)采集采用冗余配置外，其他一般不考慮冗余配置。對(duì)于220 kV及以上系統(tǒng)，保護(hù)一般要求雙重化的2套保護(hù)，電子互感器和MU需考慮冗余配置。

3.2 牽引變電所電子互感器與MU配置

在電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中，普遍采用工頻、單相27.5 kV供電模式，接線相比電力系統(tǒng)的110 kV系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，除了重要設(shè)備的保護(hù)外，其他保護(hù)一般不要求雙重化。

以 V/v接線的牽引變壓器保護(hù)和饋線保護(hù)為例，本文給出了一種電子互感器和MU的配置作為參考，見(jiàn)圖3。

圖3 牽引變電所電子互感器與MU配置示意圖

目前，高速鐵路客運(yùn)專線牽引變電所進(jìn)線一般設(shè)計(jì)為220 kV，牽引變壓器采用V/v接線，而牽引變壓器又是其中最重要設(shè)備，因此對(duì)于牽引變壓器兩側(cè)的電子互感器和MU，應(yīng)該采用雙重化冗余配置，如圖3 a所示，在一次側(cè)A、B、C進(jìn)線分別配置1臺(tái)220 kV的ECVT，分別接入合并單元MU1和MU2用以測(cè)量高壓側(cè)的三相電壓、電流，MU1與MU2之間實(shí)現(xiàn)了冗余。牽引變壓器二次側(cè)T1、F1兩相分別配置了1臺(tái)35 kV的ECT1和ECT2以測(cè)量其電流，T1、F1母線分別配置了 EVT1和EVT2用以測(cè)量低壓側(cè)電壓，分別接入MU3、MU4實(shí)現(xiàn)冗余配置，T2、F2的配置與 T1、F1相同，通過(guò)MU5和MU6實(shí)現(xiàn)冗余配置。

在饋線側(cè)，可以將T1、F1、T2、F2的電流數(shù)據(jù)送入MU7進(jìn)行合并，同MU5中合并的母線電壓數(shù)據(jù)一起供給饋線保護(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與邏輯判斷。

對(duì)于V/v牽引變壓器，如圖3 b所示，要完成保護(hù)功能，必須通過(guò)MU1或MU2接入高壓側(cè)間隔的采樣數(shù)據(jù)，還要通過(guò)MU3或MU4、MU5或MU6接入低壓側(cè)間隔的采樣數(shù)據(jù)。合并單元的采樣數(shù)據(jù)先通過(guò)光纖以太網(wǎng)送入交換機(jī)，保護(hù)裝置再根據(jù)自己的需求從交換機(jī)獲取完成保護(hù)功能所需的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。從圖3 b中可知，由于饋線電壓等級(jí)低、保護(hù)所需數(shù)據(jù)較少，因此饋線的電子互感器與 MU并未進(jìn)行冗余配置，只是將 4條饋線的電流通過(guò)MU7進(jìn)行合并，并與MU5中的母線電壓數(shù)據(jù)一起接入饋線保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與判斷，該配置是完全滿足要求的。但是，由于母線電壓要同時(shí)被變壓器保護(hù)和饋線保護(hù)共用，保證EVT1和EVT2的可靠性將非常重要。

4 結(jié)束語(yǔ)

非常規(guī)互感器與傳統(tǒng)互感器相比，在飽和性能、測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)范圍、安全性等方面都有著巨大的優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于非常規(guī)互感器的應(yīng)用還處于試點(diǎn)運(yùn)行階段，在電力系統(tǒng)尚未得到推廣，在牽引供電系統(tǒng)中尚未應(yīng)用。本文立足未來(lái)應(yīng)用，提出了滿足牽引變壓器數(shù)據(jù)同步采樣要求的電子互感器與MU的一種參考配置，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

[1]高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社.

[2]李九虎，鄭玉平，古世東，等.電子式互感器在數(shù)字化變電站的應(yīng)用.電力系統(tǒng)自動(dòng)化[J].2007，7（31）：94-95.

[3]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理（增訂版）.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[4]許明圣，錢(qián)政，羅承沐.電子式互感器中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，HIGH VOLTAGE ENGINEERING，2003，29（3）：50.