電子式互感器異常分析及其改進(jìn)設(shè)計(jì)

徐宗瑾，王 宇

（1.中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變電站朝著智能化與數(shù)字化方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的互感器相比，電子式互感器具有體積小、重量輕、無磁飽和以及無二次開路等特點(diǎn)，可方便地與一次高壓開關(guān)設(shè)備組合安裝，因此在數(shù)字變電站中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。保證電子式互感器的精確度和穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，大量的電子式互感器雖然通過了國家規(guī)定的全部型式和例行試驗(yàn)，但投運(yùn)之后卻出現(xiàn)了諸多問題，其中電磁干擾問題最為突出[5-8]。目前，關(guān)于電子式互感器內(nèi)采集器和合并單元數(shù)據(jù)傳輸有效性的處理機(jī)制問題并沒有引起足夠的關(guān)注，本文從電子式互感器的工作原理及結(jié)構(gòu)性能入手，結(jié)合電子式互感器的兩個(gè)實(shí)際工程案例，探討采集器和合并單元數(shù)據(jù)傳輸有效性的處理機(jī)制問題，并提出相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 電子式互感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?/h2>

1.1 電子式互感器數(shù)據(jù)傳輸鏈路

電子式互感器大多由一次傳感器和二次轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。以目前國內(nèi)使用最多的基于羅氏線圈原理的電子式電流互感器為例，其構(gòu)成元器件可以分為一次傳感器、采集器以及合并單元3個(gè)部分。其數(shù)據(jù)傳輸鏈路為一次傳感器，能夠直接感應(yīng)一次電流并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)模擬量微分小信號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)由采集器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和積分還原等處理，按照協(xié)議通過光纖傳輸至合并單元，合并單元將收到的各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，并轉(zhuǎn)換成IEC61850規(guī)定的智能變電站標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（9-2協(xié)議），發(fā)送給相關(guān)的間隔層設(shè)備。在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸鏈路中，采集器與合并單元輸出的信號(hào)均為數(shù)字量信號(hào)，在傳輸?shù)倪^程中可以辨識(shí)數(shù)據(jù)的有效性[9-12]。

1.2 數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位

數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位是智能變電站數(shù)據(jù)報(bào)文的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)識(shí)，用來標(biāo)識(shí)當(dāng)前數(shù)據(jù)的有效性。當(dāng)電子式互感器正常運(yùn)行無異常狀況時(shí)，采集器或者合并單元輸出的數(shù)據(jù)報(bào)文的錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位應(yīng)不置位（狀態(tài)字為0），此時(shí)最終輸出數(shù)據(jù)有效，后端繼電保護(hù)等二次設(shè)備會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行正常邏輯處理，不會(huì)閉鎖保護(hù)。當(dāng)電子式互感器運(yùn)行異常，采集器或者合并單元檢測(cè)到運(yùn)行工況存在異常狀態(tài)時(shí)，為防止輸出的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)導(dǎo)致后端的繼電保護(hù)設(shè)備做出錯(cuò)誤判斷，此時(shí)應(yīng)將數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位置位（狀態(tài)字為1），表示該數(shù)據(jù)無效，后端的繼電保護(hù)設(shè)備閉鎖保護(hù)不處理該數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，有效防止因采樣?shù)據(jù)異常而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)的情況發(fā)生。

2 實(shí)際案例分析及驗(yàn)證

一般情況下，采集器或者合并單元會(huì)在裝置自檢出現(xiàn)異常時(shí)將數(shù)據(jù)有效標(biāo)識(shí)位置位，但是某些特殊工況下引發(fā)的輸出異常卻沒有得到重視。下面通過某220 kV變電站電子式互感器異常輸出導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)的案例來說明此問題。

2.1 實(shí)際案例1

圖1是某220 kV智能變電站發(fā)生的電子式互感器異常波形，最終引起了保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)采集器直流空開在拉合時(shí)，供電電壓從正常工作電壓降至零，這一過程中采集器內(nèi)部的AD芯片在電壓低于正常閾值時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)輸出異常的情況，但電子式互感器沒有對(duì)這一過程進(jìn)行監(jiān)控，沒有將數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位置位為無效狀態(tài)，導(dǎo)致電子式互感器最終輸出的異常值有效，從而引起了保護(hù)裝置誤動(dòng)作。該案例是在采集器供電電源失壓這種特殊情況下發(fā)生的，電子式互感器制造商未考慮到這種情況下的輸出會(huì)導(dǎo)致后端繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，因此也沒有采取有效措施進(jìn)行防范。

圖1 采集器直流空開跳開時(shí)的波形

2.2 實(shí)際案例2

由于在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)采集器與合并單元間數(shù)據(jù)有效性工作機(jī)制進(jìn)行特別說明，也沒有開展采集器與合并單元間配合機(jī)制的檢測(cè)工作，從而導(dǎo)致諸多智能變電站中電子式互感器數(shù)據(jù)有效性工作機(jī)制存在問題。例如，某220 kV變電站在投運(yùn)前測(cè)試時(shí)，拉合采集器供電電源直流空開，導(dǎo)致保護(hù)裝置出現(xiàn)了動(dòng)作出口，通過站內(nèi)錄波裝置發(fā)現(xiàn)電子式互感器輸出了異常波形，波形如圖2所示。拉合過程中該間隔沒有一次電流，僅有零漂存在，不應(yīng)產(chǎn)生突變值。經(jīng)過核實(shí)發(fā)現(xiàn)，采集器直流空開拉合過程中，電子式互感器沒有將該過程中的異常輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)有效位置位。

圖2 拉合采集器直流空開試驗(yàn)波形

該變電站由于特殊原因，電子式互感器的采集器與合并單元由不同廠家生產(chǎn)，采集器廠家聲稱這種情況下會(huì)將輸出數(shù)據(jù)置位為無效，而合并單元廠家則表示收到采集器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效，合并單元并未發(fā)生異常，因此沒有進(jìn)行置位。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證案例2中電子式互感器中采集器與合并單元錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位置位機(jī)制是否合理，應(yīng)在模擬數(shù)據(jù)異常狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。通常情況很難在試驗(yàn)中模擬數(shù)據(jù)異常狀態(tài)，但是通過上面兩個(gè)案例發(fā)現(xiàn)，拉合為采集器供電的直流電源空開的過程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常狀態(tài)，比較常見的情況是輸出的數(shù)據(jù)數(shù)值極大，此時(shí)采集器監(jiān)測(cè)該異常狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位置位，就可以利用這一異常狀態(tài)進(jìn)行錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位測(cè)試。

按照?qǐng)D3進(jìn)行連接，將采集器和合并單元的輸出同時(shí)接入便攜式網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄儀，精度為納秒級(jí)別。測(cè)試時(shí)，先記錄正常情況下采集器和合并單元的輸出報(bào)文中錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位的置位情況，然后斷開采集器的直流空開，記錄此時(shí)采集器和合并單元輸出的報(bào)文。合并單元處理數(shù)據(jù)需要一定的時(shí)間，其輸出的數(shù)據(jù)與采集器輸出的數(shù)據(jù)的時(shí)間差2～3 ms。此220 kV變電站的合并單位為A廠家生產(chǎn)，為更好說明A廠家合并單元處理錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位的問題，用另一廠家B進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，分別進(jìn)行多次測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位置位機(jī)制測(cè)試連接圖

圖4 采集器輸出報(bào)文錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位置位時(shí)間

可以看出，圖4中左半部分為為第一組A廠家測(cè)試結(jié)果，采集器輸出報(bào)文錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位置位時(shí)間約為15:49:56.702，合并單元輸出報(bào)文錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位置位時(shí)間約為15:49:56.720，A廠家合并單元輸出報(bào)文錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位置位時(shí)間比采集器輸出的置位時(shí)間晚了約18 ms。同理，根據(jù)第二組B廠家測(cè)試（圖4右半部分）結(jié)果，B廠家合并單元輸出報(bào)文錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位置位時(shí)間比采集器輸出的置位時(shí)間晚了約2 ms。合并單元正常處理報(bào)文的時(shí)間約為2 ms，因此A廠家合并單元處理機(jī)制存在嚴(yán)重問題，存在16 ms的延時(shí)輸出標(biāo)識(shí)位。這16 ms內(nèi)由于AD模塊會(huì)輸出無規(guī)律的數(shù)值，此時(shí)若合并單元輸出的報(bào)文數(shù)據(jù)仍為有效狀態(tài)，存在導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作的隱患。

3 解決方案

根據(jù)電子式互感器的結(jié)構(gòu)，考慮從以下方面進(jìn)行改進(jìn)，并開展試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 電源監(jiān)測(cè)回路設(shè)計(jì)

通過增加由純電路器件搭建的模擬電源監(jiān)測(cè)回路，在AD采樣回路電源異常時(shí)實(shí)時(shí)輸出告警信號(hào)，提高了AD采樣模塊的異常自檢能力。電源監(jiān)測(cè)回路由基礎(chǔ)元器件構(gòu)成，不依賴于AD轉(zhuǎn)換芯片，從而提高了電源監(jiān)測(cè)功能的可靠性。

3.2 采樣異常預(yù)警

通過在信號(hào)采集源頭增加采樣防誤處理，可有效提高采集單元的運(yùn)行穩(wěn)定性。采樣預(yù)警系統(tǒng)由AD采樣模塊、電源監(jiān)測(cè)模塊以及主控模塊組成，如圖5所示。電源監(jiān)視模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)采樣電源狀態(tài)，在電源電壓異常時(shí)輸出告警，主控模塊并行監(jiān)測(cè)電源異常、內(nèi)部采樣中斷以及AD工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)輸出采樣異常標(biāo)志。

圖5 采樣預(yù)警系統(tǒng)示意圖

采樣異常預(yù)警功能包括以下3個(gè)方面。一是采樣電源監(jiān)測(cè)，采用硬件比較器比對(duì)采樣電源電壓與基準(zhǔn)電壓的大小，控制電源異常信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣電源的可靠監(jiān)測(cè)。二是采樣中斷自檢，檢測(cè)其間隔周期及有效脈沖寬度是否符合要求，防止晶振時(shí)鐘偏移或內(nèi)部邏輯異常導(dǎo)致的采樣時(shí)刻不準(zhǔn)確。三是AD狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在采樣過程中檢測(cè)AD芯片繁忙標(biāo)志，如果超出芯片的最大轉(zhuǎn)換時(shí)間后標(biāo)志未返回，則認(rèn)為AD工作異常。

3.3 數(shù)據(jù)有效性置位原則

一般采集器和合并單元均會(huì)判斷采樣數(shù)據(jù)的有效性。正常情況下，當(dāng)合并單元收到采集器的數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位未置位時(shí)（狀態(tài)字為0），會(huì)根據(jù)自身運(yùn)行工況判斷是否改變數(shù)據(jù)狀態(tài)。如果工況正常，則不改變數(shù)據(jù)狀態(tài)，輸出有效數(shù)據(jù)報(bào)文，如果發(fā)現(xiàn)工況異常，則改變數(shù)據(jù)狀態(tài)，輸出無效數(shù)據(jù)報(bào)文。當(dāng)合并單元收到采集器的數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位置位時(shí)（狀態(tài)字為1），不論此時(shí)合并單元自檢狀態(tài)如何，應(yīng)繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)有效性狀態(tài)，此時(shí)電子式互感器輸出的數(shù)據(jù)報(bào)文應(yīng)為無效狀態(tài)。數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位置位工作機(jī)制如表1所示，當(dāng)采集器錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)位狀態(tài)字為0時(shí)，電子式互感器輸出的最終數(shù)據(jù)狀態(tài)由合并單元決定，合并單元可以根據(jù)自身的判斷進(jìn)行置位，決定最終輸出數(shù)據(jù)的有效性，而當(dāng)采集器數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位狀態(tài)字為1時(shí)，此時(shí)不論合并單元自檢是否存在問題，最終的數(shù)據(jù)狀態(tài)均為1，合并單元不應(yīng)修改該數(shù)據(jù)狀態(tài)，輸出的數(shù)據(jù)應(yīng)直接為無效數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)有效性工作機(jī)制

4 結(jié) 論

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于一般無法模擬出數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位主動(dòng)置位的情況，因此很難發(fā)現(xiàn)電子式互感器在某些異常工況下數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位是否正常置位。本文從實(shí)際案例出發(fā)，分析數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí)位未能正常置位的原因，在硬件、軟件以及對(duì)有效標(biāo)識(shí)位的處理機(jī)制上均做出了改良設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能有效避免工程應(yīng)用中異常工況問題的發(fā)生，有效提高了智能變電站的運(yùn)行可靠性。