光電技術智能配電終端的應用

張開發， 尹 偉， 封曉梅， 李中凱， 田艷華， 穆曉東

(1.四川西昌月城供電公司， 西昌 615000；2.天津天大求實電力新技術股份有限公司， 天津 300384)

光電技術智能配電終端的應用

張開發1， 尹 偉1， 封曉梅1， 李中凱1， 田艷華2， 穆曉東2

(1.四川西昌月城供電公司， 西昌 615000；2.天津天大求實電力新技術股份有限公司， 天津 300384)

配電自動化建設中對于終端設備的智能化與精準度要求越來越高，鑒于光電測量技術在高壓網的成功應用，設計一款基于法拉第光電效應的智能配電終端產品用于配電自動化建設。信號處理部分由光模塊、低壓模塊、事件順序記錄模塊、遠動終端單元模塊以及電源模塊組成，各個模塊都具有獨立的事件處理與運算的微控制單元，并通過控制器局域網絡總線傳遞數據。產品突出了體積小巧、支持帶電安裝，量程寬、精度高、全絕緣、耐高溫等技術特點?？蓪崿F故障檢測，具有較高的靈敏度和可靠性，能更好地替代傳統的配電終端。

法拉第磁光效應； 光電技術； 智能配電終端

近年來，隨著我國特高壓電網建設和電力體制改革的不斷深化，智能電網成為我國電網發展的一個新方向，智能電網分為智能輸電網與智能配電網兩部分，而在智能電網建設中，智能配電網的建設越來越受到關注。這就對配電終端提出了新要求，要求配電終端實現監測、控制、保護、維護、調度等復雜而全面的功能。因此，保證對一次側高壓網電能信息的有效準確采集則成為配電終端設計中的重點和難點，也是實現上述功能的前提與基礎。

國內外在開發和研制各種電壓等級的光電電流互感器和光電電壓互感器方面投入了大量的人力、物力[1]。目前，對一次高壓側電能的采集多采用傳統互感器或電子式互感器，而電子式互感器和傳統的互感器相比具有明顯的優點，克服了傳統電流互感器由于其傳感機理而呈現出的不可克服的問題[2]。因此，互感器數字化的主流趨勢將會引導電子式互感器在智能電網的全面應用。而以法拉第效應為原理的磁光玻璃型無源光電互感器以其安裝方便、精度高、動態范圍寬和絕緣性能強等特點在一系列電子互感器中脫穎而出[3]。我國光電互感器多應用在高壓輸電網絡，而對于配電網絡，還未有涉及[4]，而使用光電技術實現電壓的測量由于雙折射等原因[5]在配電網絡世界范圍內尚屬于研究階段，在該背景下，本文應用法拉第光電效應設計了一款智能配電終端產品。產品集遙測、遙信、遙控、通信及電源管理等功能于一體，可完全取代傳統電流互感器與配電終端的組合方式。除戶外架空線路外，產品同時也可用于變電站、環網柜、公變、專變等場所，實現對設備狀態、線路電壓、電流以及故障等信息量的實時監測與開關量的遠方控制。

1 光電檢測原理

當一束線偏振光在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度β與磁感應強度B和光穿越介質的長度d的乘積成正比，即

β=V×B×d

(1)

比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應。

圖1 法拉第效應示意圖

光發射二極管發出的光源，經過光學鏡頭以后，形成平行光進入起偏器，經過起偏器以后轉變為線偏振光，當線偏振光經過安裝在導線上的磁光玻璃時，導線中的電流產生的磁場將使光的偏振方向發生偏轉，偏轉后的偏振光通過檢偏器，檢測出偏振面旋轉的角度。如圖2所示。

圖2 光電感應原理圖

強度為I0的偏振光，通過檢偏器后，透射光的強度為：

I=I0cos2α

(2)

其中α為檢偏器的偏振化方向與入射偏振光的偏振化方向之間的夾角。即經過檢偏器后，出射的光強會發生改變，其強度與出射光的偏振角與檢偏器交角余弦值平方cos2α成正比。經過檢偏器以后的變化了的光，經過第二光纖后由光處理模塊上的光接收二極管接收，并把它轉換成電信號，然后經過相關電路會檢出其光強變化，此變化跟電流瞬時值相關，再經過信號處理、信息提取等智能過程，從而實現對導體內電流強度的檢測。圖3為光的發射、方向的偏轉、檢測等全過程的框圖。

圖3 光電檢測示意圖

2 智能配電終端設計與實現

如圖4所示，為基于光電技術的智能配電終端總體硬件結構，結構分為傳感器、信號處理以及通信系統3部分，系統與用戶后臺監控軟件建立數據通信連接后，即可實現遙測、遙信、遙控等功能，其中硬件系統的設計主要集中在前兩部分。

基于光電技術的智能配電終端采用全絕緣光電式互感器與高壓一次連接，傳輸信號為光信號，采用非閉環設計，克服了傳統配電終端設備互感器磁飽和現象與不可帶電安裝、體積隨電壓等級指數增長等缺陷，可實現配電自動化的高效開展。

2.1 傳感器

光傳感器由第一光纖、第一光學鏡頭、起偏器、磁光玻璃、檢偏器、第二光學鏡頭、第二光纖等組成。該傳感器可以實現對低壓和中壓系統電流幅值和相位角的檢測。整個傳感頭直徑約12 mm、長約55 mm，全部由絕緣材料構成(包括光纖、磁光玻璃及耐高溫塑料外殼)，可直接裝設在電纜及銅排表面。

圖4 配電終端總體硬件結構

2.2 信號處理

信號處理部分由光模塊、低壓模塊、事件順序記錄SOE(sequence of event)模塊、遠動終端單元RTU(remote terminal unit)模塊以及電源模塊組成，各個模塊都具有獨立的事件處理與運算的微控制單元MCU(micro control unit)，并通過控制器局域網絡CAN(controller area network)總線傳遞數據。

圖5為光模塊電路原理圖，其中由光傳感器輸出的光強信號經過光模塊中光敏二極管轉換為交直流電信號，該信號經過隔直電容分化為兩路交流信號和一路直流信號，而后經過比例放大、分壓以及濾波電路轉換為純凈的取樣信號輸入到AD轉換器中，供MCU分析計算出電壓、電流、有功、無功以及相位差等電力系統參數[6]。采用了高速外圍接口控制器PIC(peripheral interface controller)配合精密放大器完成上述功能，并在光電接收管外圍設計了隔離罩，避免了板上其他電路對光強信號的干擾。該模塊是為監測低壓以及中壓線路和變壓器間隔而設計的，能測量電纜和架空線上5～20000 A的交流電量，精度優于1%。

圖5 光模塊電路原理圖

電壓接口模塊是為監測中低壓線路設計的，主要對線路3相電壓監測，采用了傳統電壓采樣PT將0～265 V交流電壓轉換為0～14 V交流電壓并最終輸入到光模塊中參與功率的計算。

SOE模塊主要采用Mega128單片機控制16路光耦與8路繼電器完成16路遙信及8路遙控等功能，并配有實時時鐘芯片DS1307及大容量存儲芯片完成時間順序記錄，最多完成1600次事件存儲，并通過RS485、RS232及CAN總線與外部通信。

RTU模塊它承擔著向下進行數據管理、參數設置、警報管理；向上與高端系統管理平臺對接整合的復雜任務，例如數據采集與監視控制系統SCADA(supervisory control and data acquisition)。因此，該模塊采用了基于Linux操作系統的先進精簡指令集處理器ARM(advanced RISC machines)，并擁有COM，USB，LAN，SIM，SD Memory，Local 眾多外部接口，支持IEC 61850、IEC 60870、CANBUS2.0、TCP/IP等協議。保證了支持多種通信、額外的第三方硬件集成與存儲擴展[7，8]。

2.3 通信系統

通信系統配置如圖6所示。基于RTU模塊支持的多種通信協議以及硬件接口，系統物理層通信網絡包括有線網絡和無線網絡。有線網絡可使用光纖、網線或現場總線進行通信。無線網絡可使用WiMAX，GPRS/3G，SMS等無線網絡技術進行通信。在支持多種通信網絡和通信方案的基礎上，根據實際需求，可匹配產生多種不同的通信方案。

圖6 通信系統配置圖

3 系統特點

將光強信號轉化為被測電流的信號有3種方法：①單光路交直流相除法。這種方法的噪聲與光強有關，應用很少。②雙光路檢測法?？刹捎梦掷诡D棱鏡作為檢偏器，也可用一種鍍膜偏振器，將被調制的光分為兩束，分別用兩個探測器探測它們輸出的光強，將兩路光強相減除以兩路光強相加。這種方法噪聲雖比單光路交直流相除法少，但要求兩路完全對稱，而長期保持兩路光強不變很難做到，因此這種方法基本不用。③雙光路探測法。對兩路檢測信號中的每一路都先做去直流后再除以直流的處理，將上述差除和信號處理方案改進為

(3)

式中：Uout是信號處理電路的輸出信號；J是光電探測器的輸出信號；角標s、p分別表示經過偏振器后輸出兩束線偏振光的兩個信號分量；角標save與pave分別表示經平均處理后的兩束線偏振光信號，即直流分量。此方案可抑制光電共模噪聲，補償光強漂移與法拉第漂移，其原理框圖如圖5所示，兩個光電探測器的輸出信號分別表示為

Js=J1cos2(φ+45°)+n1(t)=

sin(2φ)sin 90°)+n1(t)=

(4)

(5)

當n1(t)≈n2(t)=n(t)，且J1=J2時，有Uout=-4VI。

可知，雙光路探測法信號輸出最大，噪聲最小，有利于提高系統對于光源輸出光強漲落、振動導致光纖輸出光強波動等不利因素的抵御能力，有利于提高系統的穩定性，具有抑制共模噪聲的功能。

光電互感器與傳統互感器在同樣測量條件下的線性度對比如圖7所示。

圖7 測量值線性對比圖

由圖7可以看出，光電互感器在測量過程中的全量程都可以保持良好的線性值，而傳統互感器在同樣條件下則出現磁飽和現象，對于短路故障值無法進行測量。

精度方面，與傳統配電智能配電終端相比，由于采用法拉第磁光效應原理設計，因此系統具有量程寬、不飽和的優點，這使得全量程的測量精度均優于0.5%，為故障的監測分析提供了詳實的數據依據，不僅能測量正常負荷電流，更可測量高達20 kA的故障電流并捕捉線路故障時電流有可能達到幾千甚至幾萬安。而傳統設備由于受到磁飽和現象的影響，測量值具有局限性，不能夠完全跟蹤故障發生時電流信號的變化，甚至在達到磁飽和后無法測量到正確的故障值，故障數據缺失導致故障原因無法分析。

此外，測量精度也要考慮到線路瞬間雷擊、電磁干擾造成的瞬時可消除故障等對設備測量精度的影響，要消除或減少該類干擾，需在硬件設備上加一定帶寬的濾波器，在軟件上也要增加負載程度高的濾波算法，這樣不但增加了硬件設備成本，而且增加了算法響應時間，因此也要適當考慮提高精度所消耗成本對系統穩定性造成的影響。

可靠性方面，系統的傳感器采用全絕緣材質制造、信號介質為光，完全解決了絕緣問題及二次開路問題，安裝、運行無限制。并且其材料全部采用耐高溫材質，可長時間穩定運行于70℃、短時間穩定運行溫度可達120℃、瞬時高溫250℃無損傷。另外，系統中所有模塊均通過國標中對EMC以及安規性能最嚴苛等級要求的實驗，可保證15年以上的使用壽命，不僅做到了自身的安全、可靠，并且可有效抵御外部設備故障的影響。

目前設備已經在天津、西昌等地成功掛網運行，掛網現場使用配有0.2%精度測量用600/5電流互感器的配電終端一臺，用于標準值提供；使用配有0.5%精度測量用600/5電流互感器的配電終端一臺，作為傳統互感器配電終端使用；使用光電互感器配電終端一臺用以與傳統互感器配電終端測量值與標準值對比。其中，測量值一欄選擇四組配電網較常見電流值進行測量，第一組(即25 A左右)區間代表較小的電流；第二、三組區間代表配網常見電流；第四組區間代表較大負荷用電電流。測量值對比如表1所示。

表1 掛網數據對比表

從掛網運行數據來看，設備發揮了光電互感器精度與量程的優勢，在低電流情況下其精度優勢并不太明顯，但隨著電流的增大，其精度優勢越來越明顯，并且在短路發生時也克服了傳統互感器飽和后精度誤差較大的缺點，成功予以捕捉。由于作為標準值的電流互感器也存在飽和后精度誤差問題，因此，在更高的短路電流區間，光電式互感器將存在更大優勢。

成本方面，由于光傳感器采用了光纖與磁光玻璃等光學器件，但其他信號處理模塊均采用傳統的IC芯片，因此其成本略高于傳統終端，但隨著電壓等級的提升，本系統完全避免了由于絕緣增強帶來的成本大幅提升問題，比起傳統終端，優勢明顯。另外，經過工藝改進以及產品化量產，系統成本必將會進一步降低，以獲取市場的競爭力。

4 結語

如今電力已成為保障人民日常生活的基礎以及社會經濟發展的基石，如何提高電力設備的安全性、可靠性則是人們不斷研究的課題?；诠怆娂夹g的智能配電終端，采用了模塊化設計、總線式結構，配置方便、維護簡單，創新地應用了法拉第磁光效應，以其設備體積小巧、支持帶電安裝，量程寬、精度高、全絕緣、耐高溫等特點完全解決了傳統配電終端無能為力的問題；并具有完備的通信接口配置及協議支持，使得通信系統組網便利。該配電終端的設計適應了智能電網對電流互感器的要求。而這其中，基于法拉第磁光效應的無源電子式電流互感器將是電流互感器技術的最終發展方向。

[1] 平紹勛，于波，黃仁山(Ping Shaoxun，Yu Bo，Huang Renshan)．光電互感器的現狀和發展(Recent progress and development in optical transformer) [J]．高壓電技術(High Voltage Engineering)，2003,29(1):21-23．

[2] 李紅斌，劉延冰，張明明(Li Hongbin，Liu Yanbing，Zhang Mingming)．電子式電流互感器中的關鍵技術(Key technology of electronic current transformer) [J]．高電壓技術(High Voltage Engineering)，2004，30(10)：4-6．

[3] 吳曉鋒(Wu Xiaofeng)．光電互感器的原理及在數字化變電站的應用(Principle of photoelectric transformer and the application in digital substation ) [J]．中國科技信息(China Science and Technology Information),2011，57(20):110-111．

[4] 李莉，張心天(Li Li，Zhang Xintian)．光纖電流傳感器及其研究現狀(Optic-fiber current sensor and its present research) [J]．光電子技術與信息(Optoelectronic Technology amp; Information)，2002，15(2):37-41．

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[7] IEC 60044-7, Electronic voltage transformer [S]．

[8] IEC 60044-8, Electronic current transformer [S]．

張開發(1975-)，男，?？疲砉こ處?，研究方向為輸配電線路工程。Email:zkf01234@163.com

尹 凱(1983-)，男，本科，助理工程師，研究方向為電子式互感器及智能配電終端。Email:1983kaixuan@163.com

尹 偉(1986-)，男，本科，助理工程師，研究方向為智能電網、配電自動化技術、測控技術與儀器。Email:277537801@qq.com

ApplicationofOptoelectronicIntelligentPowerDistributionTerminal

ZHANG Kai-fa1， YIN Wei1， FENG Xiao-mei1， LI Zhong-kai1，TIAN Yan-hua2， MU Xiao-dong2

(Sichuan Xichang Moon City Power Company, Xichang 615000, China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384, China)

In the construction of distribution automation, the terminal equipments increasingly require higher intelligent and precision. Given the application of photoelectric measurement technology in high voltage network, an intelligent terminal product based on a Faraday's photoelectric is designed and applied in the distribution automation. Signal processing part comprises the optical module, low voltage module, sequence of event recording module, remote terminal unit module and power supply module. Each module has an independent event handling and operation of micro control unit, and then transfers the data through the controller area network bus. The product has advantages of the prominent small size, wide range, supporting electrified installation, high precision, complete insulation, high temperature,etal. This equipment can realize the fault detection, high sensitivity and reliability, which can be a better alternative to the traditional power distribution terminal.

Faraday magneto-optical effect； electro-optical technology； intelligent power distribution terminal.

TM715

A

1003-8930(2012)06-0138-05

2012-05-16；

2012-08-20