光電傳感器與保護(hù)的接口淺析

康晶晶

（遼河石油勘探局電力集團(tuán)公司電網(wǎng)自動(dòng)化所，遼寧 盤錦 124010）

1 引言。繼電保護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了電磁式、模擬式以及數(shù)字式等幾代的發(fā)展，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字微機(jī)保護(hù)已經(jīng)成為主流。數(shù)字微機(jī)式繼電保護(hù)裝置只是需要獲取電流、電壓信號(hào)的幅值和相角，而沒有功率方面的要求。不過目前電流、電壓信號(hào)的獲取仍然是采用傳統(tǒng)的電流、電壓互感器，而由于傳統(tǒng)的電磁式互感器本身固有的一些問題，常常會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成不必要損失。

其中電流互感器飽和問題特別突出。以前在中壓（110kV以下）系統(tǒng)中，電流互感器飽和問題并不嚴(yán)重，但是隨著農(nóng)網(wǎng)、城網(wǎng)改造，系統(tǒng)短路電流急劇增加和新型繼電保護(hù)裝置的大量采用，中低壓系統(tǒng)中的電流互感器的飽和問題日益突出，也已影響到繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的正確性。在1996年召開的中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)繼電保護(hù)專委會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)的紀(jì)要中，已將電流互感器飽和問題列為今后繼電保護(hù)研究的重點(diǎn)課題之一。而目前對(duì)電流互感器飽和問題的研究主要集中在飽和是否發(fā)生、發(fā)生的時(shí)刻、如何消除和補(bǔ)償飽和對(duì)傳變一次電流的影響、飽和后波形的深入分析以及研制抗飽和繼電器等幾個(gè)方面。小波變換原理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、多項(xiàng)式擬合、間斷角飽和判別法、計(jì)算諧波比確定飽和等各種方法和理論分析等方法都是在已經(jīng)發(fā)生飽和情況下所進(jìn)行的分析和計(jì)算，仍存在一定的局限和不足。

隨著光電傳感器的研究日趨成熟，基于光電傳感器獲取電壓、電流信號(hào)已成為可能。由于光電傳感器不存在飽和問題，從根本就避免了這一問題。而目前在應(yīng)用光電傳感器作為保護(hù)裝置的信號(hào)獲取環(huán)節(jié)這方面的研究和報(bào)道很少，所以我們希望在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室的環(huán)境里，將傳統(tǒng)互感器和光電傳感器串聯(lián)起來，一起進(jìn)行保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)模試驗(yàn)，分析基于光電傳感器下的保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作特性與傳統(tǒng)互感器下的保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作特性的不同，探討采用新型傳感器后對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的影響和改進(jìn)。

2 光電傳感器與保護(hù)系統(tǒng)的接口技術(shù)分析

有源型光電傳感器的傳感頭輸出的是模擬量，但輸送到低壓端的時(shí)候一般都要經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，以光信號(hào)輸送到地端。而目前的保護(hù)裝置一般是將電壓電流互感器的模擬量輸出引入到裝置里，然后進(jìn)行信號(hào)的前置處理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及相應(yīng)的算法運(yùn)算。所以光電傳感器和保護(hù)系統(tǒng)的接口如何實(shí)現(xiàn)是應(yīng)用光電傳感器到保護(hù)系統(tǒng)中首要解決的問題。本文簡要分析了傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作的實(shí)際需要和信號(hào)特征，討論兩種基本的接口方式，以供參考。

2.1 傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成

傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置主要是由微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字電路構(gòu)成，并廣泛采用插件式結(jié)構(gòu)。典型的微機(jī)保護(hù)裝置包括下述印制板插件：①模擬量輸入變換及低通濾波插件；②開光量輸入(DI)插件；③保護(hù)CPU插件(含A/D采樣)；④管理CPU插件；⑤開光量輸出(DO)及繼電器插件；⑥電源插件。其示意框圖見圖1所示。

電力系統(tǒng)被保護(hù)對(duì)象的原始模擬量一般都是經(jīng)過電磁式電流、電壓互感器轉(zhuǎn)變到5A、100V的范圍內(nèi)。但是這個(gè)數(shù)值仍然超過了微機(jī)保護(hù)要求的輸入電壓標(biāo)度的數(shù)量級(jí)。通常保護(hù)的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為±2.5V、±5V或者±10V，所以必須經(jīng)過入口變壓器和變流器把互感器的輸出變換到與保護(hù)需要電平相匹配的范圍內(nèi)。而模擬低通濾波插件是限制輸入信號(hào)的最高頻率，以使后面的A/D轉(zhuǎn)換器在滿足采樣定理的采樣頻率下進(jìn)行采樣。保護(hù)CPU插件中含有A/D轉(zhuǎn)換完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。管理CPU插件負(fù)責(zé)從保護(hù)CPU插件中獲取數(shù)據(jù)，通過外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、打印等功能。DI、DO插件負(fù)責(zé)開關(guān)量的輸入、輸出處理以及與CPU插件的通信。

以上提到的3個(gè)插件直接和光電傳感器的信號(hào)輸入發(fā)生關(guān)系，如何同光電傳感器接口，實(shí)際上就是這3個(gè)插件如何配置的問題。下面是兩種主要接口方式的介紹和分析。

2.2 模擬電量接口

由于有源型光電傳感器的原始輸出是模擬量，所以在一定的工作要求和條件下可以直接將光電傳感器的輸出和保護(hù)進(jìn)行接口。其接口示意圖見圖2。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于光電傳感器的輸出都是小電壓范圍的模擬信號(hào)，并且經(jīng)過電子線路處理后的電壓范圍與保護(hù)系統(tǒng)所需要的電平范圍正好匹配，所以傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的輸入變換及低通濾波插件可以省略，而后續(xù)插件都可以保留。上述方案的好處是與保護(hù)系統(tǒng)的接口方法簡單，對(duì)系統(tǒng)的改造成本低，保護(hù)系統(tǒng)的硬件幾乎不需要任何改動(dòng)，而軟件算法也可以不加調(diào)整即可使用。不足之處是該方案的適用范圍有限，一般在動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室、低壓或者對(duì)絕緣要求不高的工作環(huán)境中使用。

2.3 數(shù)字電量接口

在正常的工作環(huán)境下，有源光電傳感器的輸出是通過光纖以光數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)降蛪憾说?。在低壓端利用信息合并單?IMU)處理后的信號(hào)形式是數(shù)字電信號(hào)。而在微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中算法運(yùn)算所需要的也是數(shù)字量。所以可以直接將光電傳感器的低壓端數(shù)字電量輸出與保護(hù)的輸入相接口，而且就地開關(guān)量也通過IMU實(shí)現(xiàn)與保護(hù)系統(tǒng)的通信。具體的連接方式將由現(xiàn)場(chǎng)的狀況和系統(tǒng)的復(fù)雜程度決定，可以是直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也可以是網(wǎng)絡(luò)通信模式。通信網(wǎng)路的構(gòu)成在論文的第4章進(jìn)行過分析和探討。其接口示意圖見圖3所示。

從圖中可以看到，由于傳輸?shù)奖Ｗo(hù)系統(tǒng)的已經(jīng)是數(shù)字電量了，所以傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)的模擬量輸入變換及低通濾波插件和A/D變換插件都可以省略掉。增加數(shù)字通信接口就可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流量的輸入了。該方案大大簡化了保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)由于傳送的是數(shù)字量，也消除了二次負(fù)荷對(duì)互感器測(cè)量誤差的影響。

結(jié)束語

在光電數(shù)字化二次回路的基礎(chǔ)上，智能二次設(shè)備將以數(shù)字網(wǎng)絡(luò)形式獲取其所需要的信息。論文首先探討了保護(hù)系統(tǒng)與光電傳感器的模擬和數(shù)字兩種接口形式，指出其應(yīng)用環(huán)境和特點(diǎn)，以供參考。

[1]陳德樹.計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)原理及技術(shù).第一版.北京:水利電力出版社，1992.

[2]滕林,劉萬順,李貴存等.光學(xué)電流傳感器及其在繼電保護(hù)中的應(yīng)用.電網(wǎng)技術(shù)，2002,26(1):31~34.

[3]李芙英，朱小梅，紀(jì)昆等.一種應(yīng)用于高電壓側(cè)測(cè)量系統(tǒng)中電源.高電壓技術(shù)，2002，28(3):43~47.