光電傳感器與保護的接口淺析

康晶晶

（遼河石油勘探局電力集團公司電網自動化所，遼寧 盤錦 124010）

1 引言。繼電保護技術經歷了電磁式、模擬式以及數字式等幾代的發展，隨著數字信號處理技術和微電子技術的發展，數字微機保護已經成為主流。數字微機式繼電保護裝置只是需要獲取電流、電壓信號的幅值和相角，而沒有功率方面的要求。不過目前電流、電壓信號的獲取仍然是采用傳統的電流、電壓互感器，而由于傳統的電磁式互感器本身固有的一些問題，常常會導致保護誤動或拒動，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）系統中，電流互感器飽和問題并不嚴重，但是隨著農網、城網改造，系統短路電流急劇增加和新型繼電保護裝置的大量采用，中低壓系統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裝置動作的正確性。在1996年召開的中國電機工程學會繼電保護專委會學術年會的紀要中，已將電流互感器飽和問題列為今后繼電保護研究的重點課題之一。而目前對電流互感器飽和問題的研究主要集中在飽和是否發生、發生的時刻、如何消除和補償飽和對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方面。小波變換原理、人工神經網絡（ANN）、多項式擬合、間斷角飽和判別法、計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發生飽和情況下所進行的分析和計算，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。而目前在應用光電傳感器作為保護裝置的信號獲取環節這方面的研究和報道很少，所以我們希望在動態模擬試驗室的環境里，將傳統互感器和光電傳感器串聯起來，一起進行保護系統的動模試驗，分析基于光電傳感器下的保護系統的動作特性與傳統互感器下的保護系統動作特性的不同，探討采用新型傳感器后對保護系統的影響和改進。

2 光電傳感器與保護系統的接口技術分析

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候一般都要經過模/數轉換和光電轉換，以光信號輸送到地端。而目前的保護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，然后進行信號的前置處理、模/數轉換以及相應的算法運算。所以光電傳感器和保護系統的接口如何實現是應用光電傳感器到保護系統中首要解決的問題。本文簡要分析了傳統微機保護系統的硬件構成。然后結合現場工作的實際需要和信號特征，討論兩種基本的接口方式，以供參考。

2.1 傳統微機保護裝置的硬件構成

傳統微機保護裝置主要是由微處理器為基礎的數字電路構成，并廣泛采用插件式結構。典型的微機保護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。

電力系統被保護對象的原始模擬量一般都是經過電磁式電流、電壓互感器轉變到5A、100V的范圍內。但是這個數值仍然超過了微機保護要求的輸入電壓標度的數量級。通常保護的A/D轉換器的輸入電壓范圍為±2.5V、±5V或者±10V，所以必須經過入口變壓器和變流器把互感器的輸出變換到與保護需要電平相匹配的范圍內。而模擬低通濾波插件是限制輸入信號的最高頻率，以使后面的A/D轉換器在滿足采樣定理的采樣頻率下進行采樣。保護CPU插件中含有A/D轉換完成模擬量到數字量的轉換。管理CPU插件負責從保護CPU插件中獲取數據，通過外圍設備實現數據的顯示、打印等功能。DI、DO插件負責開關量的輸入、輸出處理以及與CPU插件的通信。

以上提到的3個插件直接和光電傳感器的信號輸入發生關系，如何同光電傳感器接口，實際上就是這3個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進行接口。其接口示意圖見圖2。

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

2.3 數字電量接口

在正常的工作環境下，有源光電傳感器的輸出是通過光纖以光數字信號傳輸到低壓端的。在低壓端利用信息合并單元(IMU)處理后的信號形式是數字電信號。而在微機保護系統中算法運算所需要的也是數字量。所以可以直接將光電傳感器的低壓端數字電量輸出與保護的輸入相接口，而且就地開關量也通過IMU實現與保護系統的通信。具體的連接方式將由現場的狀況和系統的復雜程度決定，可以是直接的點對點通信，也可以是網絡通信模式。通信網路的構成在論文的第4章進行過分析和探討。其接口示意圖見圖3所示。

從圖中可以看到，由于傳輸到保護系統的已經是數字電量了，所以傳統保護系統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。增加數字通信接口就可以實現電壓、電流量的輸入了。該方案大大簡化了保護系統的硬件結構，增加了系統的可靠性。同時由于傳送的是數字量，也消除了二次負荷對互感器測量誤差的影響。

結束語

在光電數字化二次回路的基礎上，智能二次設備將以數字網絡形式獲取其所需要的信息。論文首先探討了保護系統與光電傳感器的模擬和數字兩種接口形式，指出其應用環境和特點，以供參考。

[1]陳德樹.計算機繼電保護原理及技術.第一版.北京:水利電力出版社，1992.

[2]滕林,劉萬順,李貴存等.光學電流傳感器及其在繼電保護中的應用.電網技術，2002,26(1):31~34.

[3]李芙英，朱小梅，紀昆等.一種應用于高電壓側測量系統中電源.高電壓技術，2002，28(3):43~47.