基于電子式互感器在數字化電站中差動保護的研究

姜雅飛，周　鑒，顧益民

（南通航運職業技術學院輪機工程系，江蘇 南通226010）

基于電子式互感器在數字化電站中差動保護的研究

姜雅飛，周鑒，顧益民

（南通航運職業技術學院輪機工程系，江蘇 南通226010）

電子互感器是數字化電站的重要組成部分，與傳統互感器相比具有很大的優越性。介紹了電子互感器的構成、分類。電子互感器在采樣值差動保護中，重采樣方法，以及一些保護原理。電子互感器將成為數字化電站信號測量和互感器技術發展的必然趨勢。

電子式互感器；采樣值差動保護；數字化電站

隨著微電子技術、信息技術和網絡通信技術的不斷發展與進步，以數字化為主要特征的信息革命已經深入到國民經濟建設和人民生活的各個領域。隨著國民經濟的發展，電網規模不斷擴大，電壓等級越來越高，對電網的穩定性也提出了更高要求。

互感器是連接電力系統一次和二次之間電壓或電流傳感器的元器件，用以傳輸被測量的量，供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制裝置。互感器是電網中用來監測電網電流電壓的設備，為電力系統進行電能計量、測量、控制、保護等二次設備提供電流電壓信號的重要設備，其精度和可靠性直接與電力系統的安全、穩定和經濟運行密切相關［1-3］。本文針對電子互感器在數字化電站中差動保護的應用進行研究，以期對老的互感器有新的突破。

1　電子互感器的分類及組成

1.1電子互感器的分類

電子式互感器是由傳感元件和數據處理單元組成的互感器，用以測量和監控電流、電壓等數據。電子式互感器根據功能分為電流互感器和電壓互感器。從電流傳感原理上看，電子式電流互感器可以分為：基于法拉第（Faraday）磁旋光效應原理或賽格耐克效應原理的電子式電流互感器（無源型）和基于法拉第電磁感應原理的電子式電流互感器（有源型）。同樣，電子式電壓互感器也可以分為兩種：基于普克爾效應原理或逆壓電效應原理的電子式電壓互感器（無源型）和基于電容分壓或電阻分壓原理的電子式電壓互感器（有源型）。

1.2電子互感器的構成

電子互感器各主要組成部分及功能定義如下［1］：

一次端子：被測控制電流通過的端子。

一次電流傳感器：一次端子通過電流或電壓相對應的信號，直接或經過一次轉換器傳送給二次變換器，一次電流傳感器可能是Rogowski線圈或者磁光玻璃傳感元件。

一次轉換器：將一次電流/電壓傳感器的信號轉換成適合傳輸系統的信號。

一次電源：指一次傳感器和（或）電流傳感器的電源。

傳輸系統：一次部件和兩次部件之間既可以傳輸信號，也可以傳送功率的裝置，常見的有光纖或者光纜。

二次轉換器：將來自傳輸系統的信號轉換成正比于一次端子電流/電壓的量，供給保護、測控等設備使用。

二次電源：指供給二次轉換器的電源。

電子式互感器的二次輸出與傳統互感器不同，分為數字輸出和模擬輸出兩種。模擬輸出是為了適應現存的二次設備，以兼容現有的基于模擬量的保護裝置，但也不是傳統意義上的模擬輸出，而是便于數字式二次設備連接的弱電信號。電子式互感器模擬輸出的是低電壓小信號，可直接與保護裝置接口，而取消保護裝置中的電流互感器，簡化了保護裝置。數字輸出的電子式電流互感器可直接接入變電站以太網的通信網絡，通過交換機以太網實現信息共享，電子式電流互感器必將成為數字化變電站的主要輸出特性，電子式電流互感器能夠簡化系統結構，減少誤差，有利于提高整個系統的準確度和穩定性。

2　電子式互感器環境下差動保護的新特點和技術要求

隨著數字化變電站技術的普及，電子式互感器和網絡通信技術將得到越來越為廣泛的應用，研究電子式互感器環境下對差動保護的影響將具有非常重大的意義。

數字化變電站是基于IEC61850通信規約，智能化的一次設備和網絡化的二次設備按照過程層、間隔層和監控層進行分層構建，以實現智能電氣設備間的信息共享和互操作的智能化變電站。其主要內涵為：

（1）反映電網運行情況的電氣量信息實現數字化輸出和統一建模；

（2）IED（Intelligent Electronic Device，智能電子設備）對變電站信息實現統一建模；

（3）IED之間信息交互以網絡通信方式實現；

（4）運行控制操作過程通過網絡通信以報文方式實現。

數字化變電站的過程層較傳統變電站發生了較大的變化，其采用新型的電子式互感器和智能終端以及光纖傳輸等設備。圖1給出了數字化變電站對于傳統變電站的區別。推動變電站二次系統信息應用模式發生根本性變化的重要原因之一是電子式互感器的發展和應用，實現了電氣量數據采集環節的數字化應用。保護裝置在全數字化運行環境下將有重大的變化，微機保護的模擬量、開關量的輸入輸出回路將被網絡所替代，傳統模擬電磁式互感器將被新型電子式互感器等數字源所取代，與之相適應的新的保護原理有深入研究的科學價值。基于基爾霍夫定律的差動保護裝置面臨著電子式互感器和網絡通信的新特點，保護系統需要解決多數字源信號的混合輸入，提高差動保護性能的課題。

圖1　傳統變電站和數字化變電站結構對比示意圖

電子式互感器和網絡通信技術的廣泛應用可解決或部分解決為長期困擾差動保護中的互感器的飽和問題，但新型電子式互感器等數字源和網絡技術的應用，從繼電保護系統的角度來觀察，屬于系統級的重大變化。在多數字源采樣信號混合輸入環境下繼電保護面臨的新問題有不同特性的數字源采樣信號帶來的誤差問題，多數字源信號混合輸入的無縫連接問題以及新應用環境下如何提高差動保護快速性和可靠性等問題。

傳統由電磁式互感器組成的電氣測量系統將模擬量送入保護裝置，采樣在內部進行。全數字化微機保護系統過程層采用非常規互感器，間隔層二次保護裝置與過程層的連接通過網絡接口實現。新應用環境下保護裝置從通信接口中接收由不同數字源A/ D采樣后的數字量，輸入信號由傳統的單一模擬信號變成了多數字源采樣信號的混合輸入。不同數字源采樣頻率不盡相同，前置模擬低通抗混疊濾波器幅頻特性和相頻特性也存在差異。這些來自不同采樣平臺的信號無法直接被保護使用，需要尋找有效的信號處理方案實現不同數字源混合輸入信號的無縫連接。電子式互感器的傳感器輸出的模擬信號微弱，通常由IEC60044-7/8標準中所稱的二次轉換器進行A/D轉換后數字化輸出。各相的二次轉換器匯接到合并單元，再由合并單元輸出電氣量數字信號到保護設備。各二次轉換器的采樣受合并單元的控制在單時鐘源系統中合并單元的時鐘與全站統一時鐘源同步。圖2顯示了電子互感器單時鐘源系統。

圖2　電子式互感器單時鐘源系統

由圖2可以看出，電子式互感器的采樣受全站統一的單時鐘源控制時，采樣頻率固定，繼電保護設備無法控制調整電子式互感器的采樣時鐘，只能被動地接收其輸出的采樣數據。IEC 60044-8標準規定ECT數字化輸出數據的額定采樣頻率可取1 000 Hz，2 400 Hz和4 000 Hz（50 Hz工頻系統）中的任意一種［4］。在數字化變電站的興建以及傳統變電站的改造升級過程中，可能會遇到傳統CT和ECT同時接入差動保護裝置的情況，而二者的采用頻率通常不相等，也可能會面臨著兩側ECT同時接入保護裝置而二者的采樣頻率不一致的情況，因此須采取某種方式將采樣頻率轉換成一致［5-6］。電子式互感器單時鐘源系統的特點和采樣頻率的不一致引出了保護采樣數據處理的重采樣算法的新問題，這時采樣時鐘屬于同一時鐘域，采樣頻率和相位雖然有差異，但存在恒定的關系，可以稱為定抽樣率重采樣處理。

傳統變電站的IED通過電力電纜輸入電壓、電流信號，然后經隔離保護、A/D轉換后進行數據分析以實現各自功能，這種方式的采樣延時特性相對穩定。而數字化變電站中，智能電子裝置（Intelligent Electronic Device，IED）IED以通信方式獲得采樣值，取消了傳統IED的采樣回路［6］。根據IEC 60044-7/ 8IEC61850-9-1的規定，過程層的電子式互感器經過合并單元將采樣的數字信號傳送給間隔層的IED.

在數字化變電站中，電子式互感器、合并單元、網絡等環節由于各個廠家處理不一和采樣頻率的不同等因素，導致時序特性不一致，因此，站內IED得到的各個通道采樣數據時序上會出現較大差別。不同數字源信號的延時存在差異，網絡數據傳輸延時也存在不確定性，這些制約了差動保護的動作快速性。圖3給出了電子式互感器接入合并單元模式下采樣數據的延遲示意圖。

圖3　電子式互感器接入合并單元模式下采樣數據時序

3　結束語

隨著電力工業的不斷發展，電子式互感器的推廣和應用已是大勢所趨，電子式互感器的應用一方面從根本上解決了傳統電磁式互感器在故障發生的暫態期間容易飽和問題，但另一方面又給保護系統面臨著新的問題，主要集中在如何處理在多數字源混合輸入情況下各信號源之間的無縫連接問題，本論文通過重采樣算法建立統一的數據平臺，實現多采樣率信號的無縫連接，另外，在數字化變電站中，差動保護接收到電子式電流互感器的采樣數據的延遲受傳輸網絡的影響較大，網絡延遲的不確定性是差動保護面臨的又一個新問題，保護的速動性面臨著新的挑戰，因此在實現多數字源信號之間無縫連接的同時必須盡可能的減少算法的執行時間，以提高保護的速動性。

［1］劉延冰，李紅斌.電氣式互感器原理、技術及應用［M］.北京：科學出版社，2009.

［2］王廷云，羅承沐，田玉鑫.電力系統中光電電流互感器研究［J］.電力系統自動化，2000，（1）：38-41.

［3］曾慶禹.電力系統數字光電量測系統的原理及技術［J］.電網技術，2001，2（4）：1-5.

［4］IEC instrument Transformers-Part 8:Electronic Current Transformers.2002.

［5］李曉華，尹項根，陳德樹.三相同時刻采樣值電流差動保護［J］.中國電機工程學報，2007，27（31）：64-70.

［6］徐光福，陸于平，吳崇昊，等.多樣率信號處理在數字化變電站差動保護中的應用［J］.電力系統自動化，2007，31（21）：44-48.

Electronic Transformers in Digital Power Station

JIANG Ya-fei，ZHOU Jian，GU Yi-min
（Marine Engineering Department，Nantong Shipping College，Nantong Jiangsu 226010，China）

Electronic current transformer is an important part of digital power plant，compared with the traditional transformer has great superiority.This paper introduces the composition，classification of electronic transformer. Electronic current transformer in the sampling value differential protection，the resampling method，and some protection principle.Electronic transformer will be digitized power plant signal measurement and transformer.

electronic transformer；sample differential；digital power station

TM452

B

1672-545X（2016）07-0209-03

2016-04-19

姜雅飛（1983－），男，江蘇南通人，本科，實驗師，研究方向：船舶電氣。