全光纖電流互感器現(xiàn)場運行誤差特性研究

秦 冉 ，王倩倩 ，楊世海 ，徐志崢 ，周 贛

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.東南大學(xué)，江蘇南京210096；3.無錫供電公司，江蘇無錫214101)

近年來，隨著變電站自動化和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是IEC 61850標準體系的頒布和推行，傳統(tǒng)的變電站已逐步向智能化變電站過渡。電子式互感器作為智能化變電站的基礎(chǔ)和重要組成部分，其發(fā)展和應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。其中，全光纖電流互感器（FOCT）以其先進的技術(shù)優(yōu)勢成為新型電流互感器發(fā)展和應(yīng)用的主流[1-3]。但是在運行環(huán)境變化時，F(xiàn)OCT仍然存在穩(wěn)定性和可靠性的問題。

1 FOCT測試系統(tǒng)

文獻[1-4]詳細介紹了FOCT的原理。FOCT在線測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 FOCT在線測試系統(tǒng)框圖

該測試系統(tǒng)是福建億榕信息有限公司在DST100電子式互感器校驗儀和OMS在線測試系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了采集裝置和系統(tǒng)方案，使該系統(tǒng)專注于光學(xué)互感器角差、比差等反映其現(xiàn)場運行狀態(tài)特征量的計算和采集，以及該類信息的收集、匯總、存儲和遠程推送等功能應(yīng)用；用戶可通過遠端/現(xiàn)場的客戶端，配置系統(tǒng)和獲取目標誤差數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)電磁式電流互感器和被測FOCT準確級均為0.2S。在線測試系統(tǒng)裝置所采用的FOCT主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 FOCT主要技術(shù)參數(shù)

FOCT在線測試系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 FOCT在線測試系統(tǒng)原理圖

FOCT誤差在線測試裝置主要由6個模塊，共2條信號采集支路構(gòu)成。

1.1 模塊功能

（1）0.005級零磁通高精度電流互感器模塊：將傳統(tǒng)電磁式電流互感器的二次電流I轉(zhuǎn)換為采樣所需的小電流信號I'；

（2）具備可編程增益電路的電流/電壓轉(zhuǎn)換模塊：將小電流信號I'調(diào)理成合適的電壓信號V；

（3）差分輸入輸出的驅(qū)動模塊：抑制信號的共模誤差；

（4）ADS1278模塊：電壓模擬信號的采集；

（5）BF533 DSP模塊：系統(tǒng)管理和應(yīng)用計算等；

（6）以太網(wǎng)卡模塊：IEC 61850 SMV數(shù)據(jù)報文的接收。

1.2 采樣數(shù)據(jù)的同步

（1）外同步：站級外同步裝置為本測試裝置（和待測FOCT/MU）提供了同步信號（秒脈沖/IRIG-B碼），確保被測信號和標準信號的秒同步采集；同時，本測試裝置的AD采樣率根據(jù)合并單元的采樣率設(shè)置，確保被檢信號和標準信號每幀同步，同時也便于準確快速地計算和分析。

（2）內(nèi)同步：為獲取同步采樣值序列，該裝置不使用在數(shù)據(jù)源同步獲取數(shù)據(jù)的方法，而是采用異步采集、同步計算的方式，通過延遲補償、線性插值等算法，在同步節(jié)點計算得出連續(xù)的“同步采樣值”。

本測試裝置主要完成光學(xué)電流互感器誤差測試系統(tǒng)相關(guān)測試參數(shù)的在線采集、FOCT的角差/比差計算、本地存儲和上報。同時具備測試的角差/比差越限時報警，并記錄和上報該時刻的兩路比較信號。本文采集了2012年6月至10月之間共72天的比差、角差及一次側(cè)電流數(shù)據(jù)，采樣周期為1 s。本文采用傳統(tǒng)電磁式電流互感器的準確級為0.2S級，與FOCT的準確級相同，由文獻[5，6]分析可知，不可避免會產(chǎn)生測量誤差。以下所涉及數(shù)據(jù)分析均忽略傳統(tǒng)電磁式電流互感器測量產(chǎn)生的誤差。

2 FOCT誤差特性分析

2.1 比差和角差

根據(jù)IEC 6004-8標準，比差定義為標準互感器二次側(cè)輸出電流的幅值為A1，F(xiàn)OCT二次側(cè)輸出電流的幅值為A2，比差F的表達式為[7]：

角差的定義為標準互感器二次側(cè)輸出電流的角度為α1，F(xiàn)OCT二次側(cè)輸出電流的幅值為α2，比差Q的表達式為：

其中，相位誤差的單位是角度（'）。0.2S級電流互感器在1%，5%，20%，100%和120%額定電流下的誤差限值如表2所示。

表2 0.2S級電流互感器的誤差限值

2.2 數(shù)據(jù)分析

由于此次是工程應(yīng)用下的實地測量，工程方考慮到該地區(qū)以后的發(fā)展等因素，為儀器留了足夠多的裕量，所以FOCT不能在額定點附近運行。數(shù)據(jù)采集的過程中僅涉及到互感器額定電流30%以下的數(shù)據(jù)。對額定電流 5%，10%，15%，20%，25%（即 125 A，250 A，375 A，500 A，625 A）附近±1A范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)進行提取分析，并計算比差、角差的均值和方差，并將比差和角差的均值作為實際的比差和角差，結(jié)果如下。

（1）72日總數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示。

表3 總數(shù)據(jù)結(jié)果

由表3可知，實際比差與標準比差限制值相差較大，不能滿足電流互感器0.2S級要求；而角差可以滿足0.2S級要求。數(shù)據(jù)分析如圖3所示。

圖3 F平均值-額定電流百分比

由圖3可知，隨著測量電流的逐漸增大，比差F的平均值逐漸變小。由此可以得出：在允許測量范圍內(nèi)，一次側(cè)電流越大，F(xiàn)OCT受到的干擾程度越小，測量精度越高。F方差-額定電流百分比如圖4所示。

圖4 F方差-額定電流百分比

圖4中，隨著測量電流的逐漸增大，比差F的方差逐漸變小，并且從5%到10%一段變化趨勢十分明顯。可以得出如下結(jié)論：一次側(cè)電流越大，F(xiàn)OCT測量穩(wěn)定性越高，且當一次側(cè)電流值超過額定電流的10%時，F(xiàn)OCT的測量精度較之前有顯著改善。Q平均值-額定電流百分比如圖5所示。

由圖5可知，角差 Q并無明顯規(guī)律，僅呈現(xiàn)波動下降的趨勢，但是由于角差的范圍已滿足0.2S級的測量精度，所以角差的波動對FOCT性能的測量精度并無影響。Q方差-額定電流百分比如圖6所示。

圖5 Q平均值-額定電流百分比

圖6 Q方差-額定電流百分比

由圖6可知，Q的方差隨著一次側(cè)電流的增大而減小并趨于穩(wěn)定。由此進一步說明FOCT在允許測量范圍內(nèi)，一次側(cè)電流越大，測量越精確。

（2）對不同月份測量數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析。不同月份用電量存在明顯的差別，即一次側(cè)電流大小不同，因此，有必要對6月至10月不同月份采集的數(shù)據(jù)分別進行分析計算。6月至10月的數(shù)據(jù)結(jié)果如表4—8所示。

表4 6月數(shù)據(jù)結(jié)果

表5 7月數(shù)據(jù)結(jié)果

表6 8月數(shù)據(jù)結(jié)果

表7 9月數(shù)據(jù)結(jié)果

表8 10月數(shù)據(jù)結(jié)果

由表4—8可知，實際測量到的角差除個別超出標準角差限制，其他均滿足0.2S級電流互感器的要求。由于測量到的電流僅限制在30%范圍以內(nèi)，不能連續(xù)變化，不能排除當月其他原因?qū)y量精度的影響。而實際比差遠超出標準比差限制，達到標準比差的2倍以上，遠不能滿足0.2S級電流互感器的要求。

此外，研究中對數(shù)據(jù)進行了回歸擬合方程的分析，建立比差/角差和一次側(cè)電流的非線性回歸擬合方程，進而對比差和角差進行補償。現(xiàn)場FOCT與SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）配套封裝，基本不受外界氣溫的變化，所以本文不考慮氣溫的變化對FOCT誤差特性的影響。由于測量條件的局限性，暫且不能對FOCT的誤差特性進行全面的分析。但是，國內(nèi)對FOCT運行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集與誤差分析尚缺乏大量相關(guān)實踐數(shù)據(jù)，本文科學(xué)評估FOCT運行誤差特性，可以為相關(guān)應(yīng)用分析提供關(guān)鍵技術(shù)支持和第一手資料。

3 結(jié)束語

FOCT比差隨一次側(cè)電流的變化具有規(guī)律性，即在允許測量范圍內(nèi)，一次側(cè)電流越大，比差F的平均值越小，測量精度越高；角差Q隨一次側(cè)電流的變化并無明顯規(guī)律。綜上所述，F(xiàn)OCT在現(xiàn)場運行中，角差能夠滿足0.2S級的測量精度，而比差遠不能滿足精度要求。數(shù)據(jù)測量過程中不可避免存在誤差，比如所選傳統(tǒng)電磁式電流互感器引入的誤差、軟件設(shè)計和有限字長效應(yīng)引入的誤差、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度引入的誤差、零磁通高精度電流互感器引入的誤差及數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換過程中引入的誤差等。在后續(xù)工作中，研究人員會對此做深入的分析。在今后相關(guān)的研究分析中，希望能夠擴大一次側(cè)電流的測量范圍，考慮到溫度、振動等因素的影響，以便對FOCT特性進行更深入和全面的研究。

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