光學電流互感器實時誤差分析系統的設計

陳銘明 ，盧樹峰 ，包玉樹 ，梁 凱，王少華

(1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102；3.無錫供電公司，江蘇無錫214101)

隨著智能電網建設的深化推進，國網公司部署在多個省份開展智能化變電站的建設工作，光學電流互感器得到了廣泛應用，對智能變電站的建設起到了引領和示范作用。各工程、科研相關機構對光學電流互感器投運后的誤差運行狀況密切關注，開展現場運行誤差特性研究、為國網公司提供一線技術支持勢在必行[1]。為保證光學電流互感器的現場誤差良好，在出廠前必須在規程規定的一次電流和二次負載下對光學電流互感器做誤差測試，運抵現場安裝后再對光學電流互感器做現場誤差測試，消除安裝環節、現場環境對誤差的影響。但在現有的技術條件下，光學電流互感器投運后，對其誤差特性缺少跟蹤分析能力，導致對光學電流互感器長期運行下的計量特性無法作出準確的評估。相應評價目前尚屬空白。

光學電流互感器在出廠前要經過誤差測試，合格方允許供貨。但由于光學電流互感器對溫度、振動均敏感，在經過現場安裝后再復測誤差往往不再合格。特別是對于光學電流互感器與合并器供貨商不同的情況，光學電流互感器在出廠前的誤差測試是基于互感器本體，但現場安裝后數字信號是基于合并器送出的數據集，即使互感器本體誤差合格，經過合并器環節的數據處理、延時設定等環節后誤差有不同程度的漂移。根據現場運行和計量測試的需要，對光學電流互感器的現場測試必須帶合并器一同測試，實際測試數據表明，光學電流互感器現場組裝完畢帶合并器測試絕大部分甚至全部超差，需要現場調校，然后復測方能在20%以上額定一次電流合格，對于輕載特別是5%額定一次電流以下時，誤差漂移、瞬變嚴重，甚至無法讀取合理的數據。光學電流互感器投運后的誤差是否會隨著運行時間的變化而大幅度變化？特別是在實際運行時各種電磁干擾環境下光學電流互感器還能否穩定運行、誤差是否始終合格？此類問題迄今尚沒有相關實踐數據，因此對光學電流互感器現場運行誤差特性進行在線實時比對分析對于全面研究光學電流互感器誤差特性、光學電流互感器貿易結算性能評估和智能變電站計量裝置配置方案優化均有重要意義。當前，電子式互感器因其在絕緣、通信傳輸、數據綜合處理等方面的優勢引起科研界與工程界的高度重視和廣泛關注。誤差比對分析裝置由采樣單元、同步單元、運算單元和傳輸單元組成，利用現場運行誤差實時比對，實現光學電流互感器的現場運行誤差數據存儲及遠程分析，為光學電流互感器的運行誤差分析提供數據依據，實現光學電流互感器的實時監測現場運行誤差，適用于同時具備光學和電磁式電流互感器的智能變電站。

1 光學電流互感器基本原理

常見的光學電流互感器工作原理主要為法拉第效應、逆壓電效應和磁致伸縮效應,其中以Faraday效應為其工作原理的F光學電流互感器常采用偏振檢測方法或利用Faraday效應的非互易性采用Sagnac干涉儀實現檢測[2，3]。由于Faraday效應具有非互易性。而光纖中的線性雙折射具有互易性，二者之間這種差別使得采用Sagnac干涉儀實現電流傳感成為很有吸引力的方案。Sagnac干涉儀型F光學電流互感器又可分為環形結構和反射結構2種，其原理圖如圖1、圖2所示。其中，反射結構的光纖電流互感器具有優良的互易性和較強的抗外界環境干擾能力，是一個具有實用價值的光學電流互感器方案。

圖2 Sagnac反射結構的F光學電流互感器原理圖

2 光學電流互感器存在問題

根據光學電流互感器的設計與制造工藝，電流互感器的影響主要表現在置于戶外的傳感頭的精度上。根據實際情況可分為下面兩個溫度源的影響：一是緩慢變化的空間上均勻分布的環境溫度；二是變化復雜的空間上分布不均勻的溫度。在均勻溫度場中，傳感頭中傳播的光路徑會因此發生變化，進而使得光功率變化。對于這種影響可采用適當的數據處理方法來應對。在非均勻溫度場中，光學器件之間發生非均勻的熱膨脹，從而使之產生內應力，引起附加溫度應力雙折射，直接影響線偏振光的偏轉角，導致難以消除的測量誤差[4-6]。光學電流互感器實現的最大困難是其本身的光學系統折射效應會隨環境因素變化而變化，從而影響整個系統的精度和穩定性。其根本原因在于光纖的線性雙折射效應對測量結果的影響：降低系統靈敏度、可靠性和穩定性，使測量結果與被測電流在光路內的位置有關等。歸結F光學電流互感器在應用中應關注的問題如下：

（1）使用壽命。壽命不僅和設計有關，和材料元器件選擇，生產過程的工藝和質量控制也密切相關。

（2）溫度的影響。溫度變化對光源、光纖光路、敏感環等帶來影響。

（3）長期運行穩定性。熱老化、熱循環、溫度濕度循環、振動、熱沖擊、干熱、濕熱等。

（4）小電流信號下的測量準確度。由于光學電流互感器通過光學檢測來獲取信號，其中必定含有光學散粒噪聲，光學傳感器的輸出都會有噪聲，其衡量指標與使用信號的寬帶有關。所以測試零電流也會有輸出，即噪聲，不過該噪聲的均值為0。目前可以測到1 A的電流。

3 誤差比對系統的工作原理與結構

誤差比對系統由采樣單元、同步單元、運算單元和傳輸單元組成。采樣單元，用于光學電流互感器一次電流信號及電磁式電流互感器二次電流信號的采樣；同步單元，用于采集到的光學電流互感器一次電流信號及電磁式電流互感器二次電流信號同步；運算單元，用于計算光學電流互感器的一次電流信號和電磁式電流互感器的二次電流信號有效值、相位及頻率，并進行實時角差和比差計算，得到實時比對誤差數據；傳輸單元，用于將得到的實時誤差數據與后臺服務器進行數據交互[7-9]。如圖3所示。

圖3 光學電流互感器誤差在線比對裝置結構圖

圖3中采樣單元包括精密穿心零磁通互感器，用于將電磁式電流互感器5 A的二次電流轉換成10 mA小電流信號；電流/電壓變換器，用于小電流信號進行放大，轉換成電壓信號；A/D轉換器采用24位的高精A/D轉換器，并以4 kHz的頻率對電流/電壓變換器輸出的電壓信號進行采樣轉換成數字信號，供運算單元處理；以太網卡，用于光學電流互感器接收IEC 61850-9-2數據包，并傳輸給運算單元處理，所述精密穿心零磁通互感器的輸入端與電磁式電流互感器的輸出端相連接，所述精密穿心零磁通互感器的輸出端通過電流/電壓變換器與A/D轉換器的輸入端相連接，所述A/D轉換器的輸出端與運算單元相連接，所述以太網卡的輸入端與光學電流互感器的輸出端相連接，所述以太網卡的輸出端與運算單元相連接，所述以太網卡與A/D轉換器設有同步單元。

同步單元在以太網卡接收IEC 61850-9-2數據包的同時記錄IEC 61850-9-2數據包中0號包所對應的時標信息，并輸入給運算單元，運算單元控制A/D轉換器的采集頻率，實現同步采集，運算單元還通過時標信息和A/D轉換器的固有延遲時間進行同步的相位補償。運算單元采用DSP處理器進行快速運算，將電磁式電流互感器的二次電流的采樣值進行快速傅里葉變換，計算出有效值、相位及頻率，然后根據IEC 61850-9-2數據包中0號包所對應的時標信息和24 Bit AD的固有延遲時間，補償相位，獲得光學電流互感器與電磁式電流互感器的實時比對數據。傳輸單元采用ARM處理器，將實時誤差數據通過以太網與后臺服務器進行數據交互。系統的硬件框圖如圖4所示。

圖4 比對系統硬件框圖

4 比對算法

在線比對算法包括同步算法、誤差比對算法和存儲傳輸策略，其中同步是將光學電流互感器和電磁式電流互感器的電流信號進行同步控制，并傳輸給后續單元以便進行誤差比對計算；誤差比對是指通過數據處理單元模塊進行幅值、頻率、相位計算，并將兩者進行比對得到實時比對誤差；存儲和傳輸策略是指大量比對誤差數據本地存儲和遠程傳輸的控制策略。光學電流互感器比對系統算法控制流程如圖5所示。

圖5 光學電流互感器比對系統算法控制流程圖

5 現場實施及效果

為保證掛網設備和電網設備的安全運行，現場安裝設計方案采用傳統電流互感器二次電流經精密電流互感器穿心兩匝的方式獲取二次模擬量電流信號，保證長期掛網運行的安全性，其原理如圖6所示，為了驗證電流環方式的準確性，比對裝置的電流接口配置兩套接插件，一套電流環式，一套回路接入式，在條件允許的情況下用短時間回路接入式的誤差數據對電流環接入式的誤差進行校核。

圖6 現場掛網運行電流輸入示意圖

光學電流互感器實時誤差分析裝置掛網運行的4個月期間，運行安全，未發生任何設備、數據方面的問題，為光學電流互感器現場誤差評估積累了大量的現場實時數據。

6 結束語

本文提出的光學電流互感器實時誤差分析系統填補了國內光學互感器現場誤差比對的空白。該方案通過實際研制已形成成品，并通過了誤差校準測試以及電磁兼容測試，均符合掛網運行的技術條件。該裝置并在無錫西涇變掛網運行4個多月時間，為光學電流互感器的運行誤差分析提供數據依據，實現了光學電流互感器的實時監測現場運行誤差，從而保證智能化變電站的電能計量的準確性和可靠性。

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