傳統互感器的就地數字化方法研究

魏鳳霞，翟曉慧，張來福

（1.山西晉緣網絡技術有限公司，山西 太原 030001；2.山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著我國電力事業飛速發展，電力系統向大容量、高電壓、智能化的方向發展，廠、站和系統數字化測量、保護、調度和控制已成為發展的趨勢。根據國家電網公司提出的將控制、保護、測量、監測、安全、防誤操作的功能結合，構成“機電一體化”新概念電力設備的發展需求，全數字化變電站是必然的發展趨勢。

近年來，隨著數字化技術的發展，電子式（電流/電壓）互感器（也稱為光電互感器） 的研究也不斷取得進展。電子式互感器可以采用光纖輸出數字信號，該信號在傳輸的過程中既不受外界電磁干擾、也不會發生明顯的畸變和衰減，實現了低壓設備與高壓設備之間的無金屬線纜連接，從而為變電站數字化提供了最基本的物質條件。

1 傳統互感器就地數字化的必要性

電子式互感器分為有源式和無源式兩種，其中有源式發展迅速，中國已經有產品在掛網運行。電子式電流互感器的優點為[1-2]：以Rogowski線圈為一次轉換器實現的大電流轉變，無磁飽和，頻率響應范圍寬、精度高，暫態特性好；無油設計徹底避免了充油互感器可能出現的燃燒爆炸等事故；高低壓部分的光電隔離，使得電流互感器二次開路可能導致危及設備或人身安全等問題不復存在；絕緣結構簡單，在高壓和超高壓中降低了光電互感器的綜合使用成本。

現有的電子式互感器一次轉換器工作在高壓側，對有源式來講，其對一次電源要求很高，目前采用激光器的光供能方式為主，其壽命有待考驗，產品可靠性經驗仍在不斷累積之中，處于產品運行試驗階段。另外，激光電源、光電池等成本很高。若將傳統的互感器全部更換為電子式互感器，且不論更換費用昂貴，就電子式互感器運行穩定可靠的問題還有待進一步驗證。綜合各種情況來看，電子式互感器大量應用還需要一段時間。傳統互感器以其運行可靠、穩定，運行過程免維護；具有大量、長期運行經驗；壽命長，一般設計壽命為30 a；除高壓和超高壓等級，成本低廉等優點，現階段依然是變電站主要使用的一次設備。

將傳統互感器輸出就地數字化，使之具有電子式互感器的功能。國內大多數變電站均裝有電磁式互感器，可以利用就地數字化的方法將其改造為電子式的互感器，使得傳統互感器能夠適合數字化變電站建設的需要。采用互感器就地數字化系統實現變電站數字化，能夠在很大程度上保證變電站的安全、可靠運行。另外，就地數字化系統還可減少互感器的負載，提高傳統互感器的準確度。

2 就地數字化系統工作原理

就地數字化系統向上在傳統互感器就近承接其輸出，向后以數字光信號按照一定通信格式來傳送采樣數據。它將來自傳統互感器的模擬信號就地數字化，轉換成適合于光纖傳輸系統的信號。就地數字化系統在線工作示意圖如圖1所示。

圖1 就地數字化系統在線工作示意圖

傳統互感器輸出為模擬量，經過就地數字化裝置處理，變成適合光纖傳輸的數字化的光脈沖信號，通過光纖傳輸給合并單元。就地數字化系統原理如圖2所示。

圖2 就地數字化系統原理圖

圖2中虛線框中的內容可以做成便攜式結構，主要有N路（一般N為1～6）小型互感器，N個高精度采樣電阻，N個一次轉換器電路板和兩個電源電路板構成。

3 就地數字化系統概述

就地數字化系統就是利用成熟的小型互感器技術、穩定可靠的數字信號處理DSP（Digital Signal Process）技術和光纖技術，把傳統互感器采集的模擬量在傳統互感器就近進行數字化處理，而非在后面控制室中的合并單元中進行。就地數字化系統適用于電力系統中需要進行數字化的場合。就地數字化系統是把傳統的互感器技術、現代DSP技術和光纖傳輸技術深層次相結合的、具有很好發展前景的新一類信號處理裝置。就地數字化技術是迅速發展的電力工業數字化進程的需要，就地數字化系統的出現是電力系統數字化進程中的一場革命，代表著電力數字化發展的最新方向，對電力事業的數字化發展將產生不可估量的影響。

就地數字化系統通過編程語言將功能強大的可編程邏輯器件和其他硬件融為一體，利用具有強大處理能力的邏輯器來控制硬件的信號采集和處理，完成復雜的信息處理，并且大大縮小了就地數字化裝置的硬件成本和體積。

就地數字化系統把處理的信息通過光纖傳輸到控制室，從而實現了一次和二次之間完全的電氣隔離，大大提高了變電站運行的可靠性。

4 就地數字化系統的組成

就地數字化系統由三部分組成：進行傳統互感器模擬量變換的高精度小型互感器，進行信號變換和處理的一次轉換器，為信號變換和處理電路能正常工作提供穩定能量供應的電源電路。

4.1 高精度小型互感器

高精度的小型互感器原理與傳統的互感器原理一樣，有幾十年的運行經驗，技術非常成熟。通過選用特殊的磁芯和特殊的繞制工藝，小型互感器在額定電流范圍內精度可達萬分之五，保證了小型互感器傳變信息的準確性；通過采用特殊的屏蔽技術，很好地隔離了外界干擾對小型互感器工作的影響。高精度采樣電阻的選用，保證了輸入一次轉換器信號的精確性。小型互感器的負載較低，從另一方面也減小了一次互感器的負載，提高了一次互感器的準確度。

4.2 一次轉換器

一次轉換器是對輸入的模擬信號進行數字化，最后以光脈沖信號的形式通過光纖傳送給位于控制室的合并單元。圖3是就地數字化裝置結構電路圖，其中虛線框內電路構成一次轉換器。

信號調理電路對輸入的兩路電壓信號進行一系列處理，轉變成數字信號。控制電路通過特定的算法，對兩路信號進行比較處理，選取一路精度較高的信號輸出。電光轉換電路把控制電路輸出的數字信號轉變成光脈沖信號，通過光纖傳送給合并單元。

圖3 就地化數字系統結構電路圖

4.3 電源電路

一次轉換器要正常工作，需要有穩定的±15 V、+5 V、+3.3 V和+1.2 V電源供應。電源電路如圖4所示。

電源輸入采用變電站提供的48 V直流電源，電源轉換模塊將48 V直流電源轉換為5 V直流電源，5 V輸入再通過電源轉換模塊為一次轉換器提供±15 V、+5 V、+3.3 V和+1.2 V電源輸出。其中電源轉換電路均采用了較為成熟的電壓轉換芯片構成，能夠長期可靠穩定運行。為了保證電源可靠穩定，采用了兩個標準電源轉換和兩個電源控制模塊構成熱備份的雙電源轉換模塊，可確保就地數字化系統能夠進行穩定可靠的運行。

5 結束語

變電站數字化是電力系統發展的必然趨勢，隨著大批電站和電網項目建成投產，對互感器需求巨大。據不精確推算，目前市場上1臺110 kV的電子式電流互感器，不算與二次接口所需的合并單元等輔助設備，售價大約為5萬元/臺，若采用就地數字化進行改造，在保證效果相同的前提下，僅就110 kV等級而言，與電子式電流互感器售價相比，各項綜合改造成本最多為其50%，220 kV等以上等級的改造成本，較其還會成倍數降低，而且采用就地數字化系統后，幾乎不會給變電站維護帶來額外的維護支出。采用就地數字化系統對電力系統的經濟效益有不可估量的作用。就地數字化系統實現了一次傳感器模擬信號的數字化，適應了變電站數字化發展的需求。對傳統互感器按照電子式互感器標準進行改造，并具有正規電子式互感器所有的功能，使傳統互感器繼續發揮作用，降低了變電站的更新成本。就地數字化系統的開發成功，會更進一步推動變電站的數字化發展，提高變電站運行的安全性。就地數字化系統從硬件平臺、系統功能、網絡結構等各個部分均采用了先進的技術手段，確保了系統的先進性，也保證了系統的準確度和穩定性。就地數字化系統以設備為主線建立，在滿足模擬量就地數字化的同時，該系統的輸出滿足相關標準的要求，確保了系統在變電站數字化過程中的通用性。

圖4 電源電路

［1］ 王鵬，張貴新，朱小梅，等.電子式電流互感器溫度特性分析［J］.電工技術學報，2007（10）：60-64.

［2］ 王鵬，羅承沐，張貴新.基于低功率電流互感器的電子式電流互感器［J］.電力系統自動化，2006（4）：98-100.