光學(xué)電流互感器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究

王貴忠， 肖智宏， 于文斌,， 張國慶

(1.哈工大(張家口)電力科學(xué)技術(shù)研究所，河北 張家口 075421；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209)

0 引 言

電子式互感器作為智能變電站的重要一次設(shè)備，其智能的特征本身就要求設(shè)備具備狀態(tài)可監(jiān)測，但現(xiàn)有的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)中并沒有涉及電子式互感器的狀態(tài)監(jiān)測的要求。在目前的智能變電站建設(shè)中，主要是對主變壓器、開關(guān)設(shè)備及氧化鋅避雷器等設(shè)備裝設(shè)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對電子式互感器的狀態(tài)監(jiān)測涉及較少[1-2]。目前國內(nèi)對電子式互感器的監(jiān)測還停留在定期停電維修的水平，無法滿足智能變電站對設(shè)備智能化的要求。有源型電子式互感器已經(jīng)大量應(yīng)用于智能電網(wǎng)，其可靠性和穩(wěn)定性一直無法令人滿意，仍然是智能電網(wǎng)研究的重要課題之一[3]。近年來，人們開始關(guān)注電子式互感器的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)有一些關(guān)于電子式互感器在線監(jiān)測方面的研究[4-5]，以實現(xiàn)對運(yùn)行中的電子式互感器內(nèi)部的關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行必要的監(jiān)視，保證關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行在安全范圍內(nèi)，減少設(shè)備發(fā)生不可彌補(bǔ)的故障。

基于光學(xué)原理的無源型電子式互感器光學(xué)電流互感器(Optical Current Transformer,簡稱OCT)與大多數(shù)有源型電子式互感器類似，具備一定的狀態(tài)監(jiān)測功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時能夠向上發(fā)送告警信號以便及時維修。但是，這存在兩個局限：其一，故障類告警信息過多，通常合并于一個總告警信號，從后臺無法實時甄別；其二，只能傳送位狀態(tài)量，而無法傳送采樣值數(shù)據(jù)，如OCT的靜態(tài)工作光強(qiáng)信息，它對于評價OCT的健康狀況和使用壽命至關(guān)重要，但卻無法實時獲得。OCT光學(xué)器件的性能大部分是一個緩慢變化的過程，在實現(xiàn)OCT狀態(tài)監(jiān)測并實時記錄表征運(yùn)行狀態(tài)的采樣值數(shù)據(jù)后，不僅可以實現(xiàn)在其發(fā)生故障前給予報警提示、合理安排檢修，而且可以利用記錄的數(shù)據(jù)對OCT的健康狀況和使用壽命進(jìn)行評估。這樣就能大大提高變電站的運(yùn)行可靠性，避免故障停電而引起的經(jīng)濟(jì)損失。

1 關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的選擇

借鑒輸變電設(shè)備的狀態(tài)評價思路，通過對設(shè)備自頂向下的狀態(tài)參數(shù)分解來獲取關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)。圖1為按照功能部件劃分的OCT的狀態(tài)參數(shù)分解層次模型，圖1中列出了OCT的主要功能部件，按照相應(yīng)的功能部件選擇了主要的性能指標(biāo)，最終分解得到影響性能指標(biāo)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)。

圖1 OCT的狀態(tài)參數(shù)分解層次模型

(1)振動水平。振動水平反映了OCT的抗振性能,OCT的光路系統(tǒng)是反映振動水平的關(guān)鍵。在運(yùn)行過程中可以通過檢測和分析輸出波形來監(jiān)測OCT振動水平的變化。

(2)耦合損耗。耦合損耗的變化會影響OCT的使用壽命、信噪比和準(zhǔn)確度等關(guān)鍵性能指標(biāo)。運(yùn)行過程中可以通過采集光源驅(qū)動電流或采集光源輸出功率來監(jiān)測OCT的光源輸出光功率變化，通過采集光學(xué)電流傳感器靜態(tài)工作光強(qiáng)來監(jiān)測OCT的光學(xué)電流傳感器耦合損耗(包括光路信號傳輸單元的耦合損耗)的變化。

(3)波長波動。波長波動會引起磁光玻璃材料Verdet常數(shù)的變化，從而影響OCT的準(zhǔn)確度。光源波長變化與溫度變化存在一定的關(guān)系，可以通過光源模塊的溫度控制來降低光源波長變化給OCT準(zhǔn)確度帶來的影響。

(4)測量誤差。測量誤差包括OCT計量和保護(hù)誤差，是反映OCT性能的一個關(guān)鍵性綜合參數(shù)，測量誤差的變化會影響OCT的使用壽命、信噪比和準(zhǔn)確度等性能指標(biāo)。在運(yùn)行過程中可以在設(shè)備檢修時定期開展誤差復(fù)測來監(jiān)視OCT的測量誤差變化情況。

(5)耐壓水平。耐壓水平包括一次高壓部件和低壓部件的耐壓水平，是反映OCT絕緣性能的技術(shù)參數(shù)。OCT在絕緣性能上具有天然的優(yōu)勢，所以耐壓水平不作為關(guān)注的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。

綜上所述，選擇光源波動和光學(xué)電流傳感器的耦合損耗作為OCT光路狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。體現(xiàn)在運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)上是通過信號處理單元的采集器實現(xiàn)對光源輸出光功率和光學(xué)電流傳感器靜態(tài)工作光強(qiáng)的監(jiān)測。通過對光源輸出光功率和光學(xué)電流傳感器靜態(tài)工作光強(qiáng)的監(jiān)測，實現(xiàn)對OCT的光源使用壽命、光學(xué)電流傳感器使用壽命、互感器的抗振性能、信號比和準(zhǔn)確度等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，從而對OCT的整體運(yùn)行性能進(jìn)行評價。

2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方案設(shè)計

2.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為磁光玻璃型OCT的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。監(jiān)視系統(tǒng)的基本工作過程是：LED光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖分束器分成兩束光，一路作為載波信號輸入光學(xué)電流傳感器，經(jīng)過一次電流產(chǎn)生的磁場調(diào)制后接入采集器；另一路直接接入采集器。同時，一次光纖溫度傳感器和二次光纖溫度傳感器分別監(jiān)測一次傳感部分和二次處理部分的溫度也輸入采集器；采集器將接收到光學(xué)電流傳感器的靜態(tài)工作光強(qiáng)信息、LED光源信息以及一次光纖和二次光纖溫度傳感器測得的溫度信息以串口通訊的方式輸入合并單元，合并單元的數(shù)據(jù)通過交換機(jī)輸出給運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄裝置、保護(hù)裝置、測控裝置和計量裝置。運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄裝置對合并單元的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，獲得光學(xué)電流傳感器的工作狀態(tài)信息和LED光源工作狀態(tài)信息。

在OCT的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測時，我們主要關(guān)心的是光學(xué)電流傳感器的靜態(tài)工作光強(qiáng)信號(載波信號)和LED光源的波動。并由此得到所關(guān)心的反映LED光源的工作狀態(tài)的LED光源波動信息和反映光學(xué)電流傳感器的工作狀態(tài)的光學(xué)電流傳感器耦合損耗(剔除LED光源的波動)的變化量信息。具體分析過程如下：

在監(jiān)測初始時刻，光學(xué)電流傳感器的靜態(tài)工作光強(qiáng)輸出和分光器輸出分別用P10和P20表示為：

P10=α0K1P0

(1)

P20=K2P0

(2)

其中P0為LED光源發(fā)出的初始光功率，K1:K2為分光器的分光比，α0為光學(xué)電流傳感器初始光路損耗系數(shù)。

圖2 OCT的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

在監(jiān)視過程中，光學(xué)電流傳感器的靜態(tài)工作光強(qiáng)輸出和分光器輸出分別用P11和P21表示為：

P11=α1K1βP0

(3)

P21=K2βP0

(4)

其中α1為光學(xué)電流傳感器運(yùn)行過程中光路損耗系數(shù)，β為LED光源發(fā)光功率波動系數(shù)。

在光學(xué)電流互感器的可靠性分析過程中，一般選擇耦合損耗的變化量作為光學(xué)電流傳感器失效的判據(jù)[6]，則包含LED光源的波動的光學(xué)電流傳感器輸出光路耦合損耗的變化量可以表示為：

(5)

分光器輸出光路耦合損耗，即LED光源波動的變化量可以表示為：

(6)

則，由式(5)和式(6)，可以得到剔除LED光源的波動影響的光學(xué)電流傳感器耦合損耗的變化量：

(7)

2.2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通訊協(xié)議

OCT性能的變化是一個緩慢的過程，可以采用時分復(fù)用技術(shù)和標(biāo)志位配合的方式對運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。為不改變現(xiàn)有智能變電站的通訊體系，本文設(shè)計的OCT運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的采集器與合并單元之間的通訊采用軟件同步時分復(fù)用技術(shù)，對現(xiàn)有采集器與合并單元之間的通訊協(xié)議進(jìn)行升級。運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄裝置利用現(xiàn)有通訊協(xié)議中的備用位信息對合并單元傳輸來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，實現(xiàn)利用現(xiàn)有通訊資源對OCT現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視功能。

采集器與合并單元之間的數(shù)據(jù)采用異步串行方式傳輸，傳輸介質(zhì)采用光纖傳輸，其數(shù)據(jù)通信參照GB/T 18657.1的FT3的固定長度幀格式，表1為單相電流互感器的數(shù)據(jù)傳輸幀格式。其中，狀態(tài)字#1和狀態(tài)字#2各個比特位表示的含義和說明具體可參見GB/T 20840.8電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)[7]。狀態(tài)字#1中的比特0位是要求維修狀態(tài)位，用來綜合表示互感器設(shè)備的狀態(tài)，但眾多告警或故障信息只用一個狀態(tài)位標(biāo)識，使得后臺無法甄別；比特14和比特15位是供將來使用位。狀態(tài)字#2中的比特5、比特6和比特15位也是供將來使用位。

電壓等級和應(yīng)用場合的不同，OCT的設(shè)計方案中一次傳感部分光學(xué)電流傳感器包含的光學(xué)電流傳感單元的數(shù)量有所不同，但目前實際應(yīng)用中最多包含4組光學(xué)電流傳感單元。這樣，OCT的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)最多需要傳輸4組LED光源輸出光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)和靜態(tài)工作光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)。對于單相光學(xué)電流互感器而言，我們可以將表1數(shù)據(jù)傳輸幀格式中的“溫度”字節(jié)作為傳輸一次傳感部分和二次處理部分的工作溫度信息數(shù)據(jù)的字節(jié)；將“LED光源輸出光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)”作為傳輸不同LED光源輸出光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)的字節(jié)；將“靜態(tài)工作光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)”作為傳輸光學(xué)電流傳感器不同傳感單元的靜態(tài)工作光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)的字節(jié)。

選擇狀態(tài)字#1中的比特14和比特15位作為LED光源輸出光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)志位，用以解析數(shù)據(jù)傳輸幀中時分復(fù)用的不同的LED光源輸出光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)，表2為其標(biāo)志位分配說明。

選擇狀態(tài)字#2中的比特5和比特6位作為光學(xué)電流傳感單元靜態(tài)工作光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)志位，用以解析數(shù)據(jù)傳輸幀中時分復(fù)用的光學(xué)電流傳感器不同傳感單元靜態(tài)工作光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)，表3為其標(biāo)志位分配說明。

表1 采集器和合并單元通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸幀格式

表2 光源信息數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)志位說明

表3 靜態(tài)工作光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)志位說明

選擇狀態(tài)字#2中的比特7位作為溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)志位，用以解析數(shù)據(jù)傳輸幀中時分復(fù)用的一次傳感部分和二次處理部分的溫度信息數(shù)據(jù)，表4為其標(biāo)志位分配說明。

表4 溫度信息數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)志位說明

以上數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計不影響目前智能變電站既有的合并單元、計量裝置、測控裝置和保護(hù)裝置等智能裝置的通訊協(xié)議，實現(xiàn)利用現(xiàn)有通訊資源對OCT現(xiàn)場運(yùn)行主要工作狀態(tài)的監(jiān)視功能，并實時記錄表征運(yùn)行狀態(tài)的采樣值數(shù)據(jù)，為后期OCT使用壽命評估提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。

3 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測試

依據(jù)圖2的OCT的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖建立了圖3所示的測試實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)主要包括環(huán)境試驗箱、合并單元(許繼電氣DMU831)、二次處理裝置和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄平臺，光學(xué)電流傳感器和一次部分溫度傳感器置于環(huán)境試驗箱中以模擬環(huán)境溫度變化，其它裝置處于室溫中，LED光源、光纖分束器、采集器和二次部分溫度傳感器均位于二次處理裝置內(nèi)。采集器采用時分復(fù)用技術(shù)和標(biāo)志位配合的方式對采集的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，采用本文設(shè)計的升級后的通訊協(xié)議向合并單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄平臺再利用本文設(shè)計的標(biāo)志位進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、顯示和保存。

運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄平臺每隔5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，實驗總共進(jìn)行了12小時。圖4是程序控制的環(huán)境試驗箱內(nèi)的溫度-40 ℃～+60 ℃，由于光學(xué)電流傳感器置于環(huán)境試驗箱內(nèi)，該溫度曲線即是一次傳感部分溫度數(shù)據(jù)曲線；圖5是實驗室環(huán)境溫度曲線，也即二次處理部分溫度數(shù)據(jù)曲線。試驗中的光學(xué)電流傳感器包含4組光學(xué)電流傳感單元，分別由4組LED光源提供載波光強(qiáng)信號。圖6是LED光源#1的波動曲線，由此曲線我們可以了解LED光源#1的工作狀態(tài)。圖7是光學(xué)電流傳感單元#1耦合損耗的變化曲線，由此曲線我們可以了解光學(xué)電流傳感單元#1的工作狀態(tài)，并通過對光學(xué)電流傳感單元的耦合損耗的長期監(jiān)測，對OCT的使用壽命進(jìn)行有效預(yù)測。

圖3 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測試實驗圖

圖4 一次傳感部分溫度數(shù)據(jù)曲線

圖5 二次處理部分溫度數(shù)據(jù)曲線

圖6 LED光源#1波動曲線

圖7 光學(xué)電流傳感單元#1耦合損耗變化曲線

4 結(jié)束語

本文提出的OCT的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，采用了軟件同步時分復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)了利用現(xiàn)有通訊資源對OCT現(xiàn)場關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視功能。利用實時記錄的表征運(yùn)行狀態(tài)的采樣值數(shù)據(jù)，不僅可以實現(xiàn)OCT的狀態(tài)檢修，還可以利用記錄的數(shù)據(jù)對OCT的健康狀況和使用壽命進(jìn)行評估。

[1] 周建明．在線監(jiān)測技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．高電壓技術(shù)，2007，33(8)：203-206．

[2] 魯東海，孫純軍，王曉虎. 智能變電站中在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]．電力自動化設(shè)備，2011，31(1)：134-137．

[3] 劉彬，葉國雄，郭克勤，等．電子式互感器性能檢測及問題分析[J]．高電壓技術(shù)，2012，38(11)：2972-2973．

[4] 張秋雁，李紅斌，程含渺，等．有源電子式電流互感器在線監(jiān)測技術(shù)研究[J]．高電壓技術(shù)，2012，38(11)：2972-2973．

[5] 王歡．電子式電流互感器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D]．武漢：華中科技大學(xué)，2010．

[6] 肖智宏，于文斌，張國慶，等．基于加速老化試驗的磁光玻璃型光學(xué)電流傳感器的壽命評估[J]．電力自動化設(shè)備，2014，34(12)：139-144．

[7] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T 20840.8-2007，互感器第8部分：電子式電流互感器[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2007．