電子式互感器異常分析及其改進設計

徐宗瑾，王 宇

（1.中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

隨著計算機技術和通信技術等技術的廣泛應用，變電站朝著智能化與數字化方向發展。與傳統的互感器相比，電子式互感器具有體積小、重量輕、無磁飽和以及無二次開路等特點，可方便地與一次高壓開關設備組合安裝，因此在數字變電站中得到了廣泛應用[1-4]。保證電子式互感器的精確度和穩定性是電力系統安全運行的基礎，大量的電子式互感器雖然通過了國家規定的全部型式和例行試驗，但投運之后卻出現了諸多問題，其中電磁干擾問題最為突出[5-8]。目前，關于電子式互感器內采集器和合并單元數據傳輸有效性的處理機制問題并沒有引起足夠的關注，本文從電子式互感器的工作原理及結構性能入手，結合電子式互感器的兩個實際工程案例，探討采集器和合并單元數據傳輸有效性的處理機制問題，并提出相應的改進設計。

1 電子式互感器數據傳輸的有效性

1.1 電子式互感器數據傳輸鏈路

電子式互感器大多由一次傳感器和二次轉換器構成。以目前國內使用最多的基于羅氏線圈原理的電子式電流互感器為例，其構成元器件可以分為一次傳感器、采集器以及合并單元3個部分。其數據傳輸鏈路為一次傳感器，能夠直接感應一次電流并將其轉變為一個模擬量微分小信號。這個信號經由采集器進行模數轉換和積分還原等處理，按照協議通過光纖傳輸至合并單元，合并單元將收到的各通道數據進行合并處理，并轉換成IEC61850規定的智能變電站標準協議（9-2協議），發送給相關的間隔層設備。在整個數據傳輸鏈路中，采集器與合并單元輸出的信號均為數字量信號，在傳輸的過程中可以辨識數據的有效性[9-12]。

1.2 數據有效性標識位

數據有效性標識位是智能變電站數據報文的一個狀態標識，用來標識當前數據的有效性。當電子式互感器正常運行無異常狀況時，采集器或者合并單元輸出的數據報文的錯誤標識位應不置位（狀態字為0），此時最終輸出數據有效，后端繼電保護等二次設備會對該數據進行正常邏輯處理，不會閉鎖保護。當電子式互感器運行異常，采集器或者合并單元檢測到運行工況存在異常狀態時，為防止輸出的錯誤數據導致后端的繼電保護設備做出錯誤判斷，此時應將數據有效性標識位置位（狀態字為1），表示該數據無效，后端的繼電保護設備閉鎖保護不處理該數據。數據有效性標識位可以保證數據傳輸的可靠性，有效防止因采樣數據異常而導致繼電保護裝置誤動的情況發生。

2 實際案例分析及驗證

一般情況下，采集器或者合并單元會在裝置自檢出現異常時將數據有效標識位置位，但是某些特殊工況下引發的輸出異常卻沒有得到重視。下面通過某220 kV變電站電子式互感器異常輸出導致保護裝置誤動的案例來說明此問題。

2.1 實際案例1

圖1是某220 kV智能變電站發生的電子式互感器異常波形，最終引起了保護裝置的誤動作。經調查發現采集器直流空開在拉合時，供電電壓從正常工作電壓降至零，這一過程中采集器內部的AD芯片在電壓低于正常閾值時必然會出現輸出異常的情況，但電子式互感器沒有對這一過程進行監控，沒有將數據有效性標識位置位為無效狀態，導致電子式互感器最終輸出的異常值有效，從而引起了保護裝置誤動作。該案例是在采集器供電電源失壓這種特殊情況下發生的，電子式互感器制造商未考慮到這種情況下的輸出會導致后端繼電保護裝置誤動作，因此也沒有采取有效措施進行防范。

圖1 采集器直流空開跳開時的波形

2.2 實際案例2

由于在相關的標準中沒有對采集器與合并單元間數據有效性工作機制進行特別說明，也沒有開展采集器與合并單元間配合機制的檢測工作，從而導致諸多智能變電站中電子式互感器數據有效性工作機制存在問題。例如，某220 kV變電站在投運前測試時，拉合采集器供電電源直流空開，導致保護裝置出現了動作出口，通過站內錄波裝置發現電子式互感器輸出了異常波形，波形如圖2所示。拉合過程中該間隔沒有一次電流，僅有零漂存在，不應產生突變值。經過核實發現，采集器直流空開拉合過程中，電子式互感器沒有將該過程中的異常輸出進行數據有效位置位。

圖2 拉合采集器直流空開試驗波形

該變電站由于特殊原因，電子式互感器的采集器與合并單元由不同廠家生產，采集器廠家聲稱這種情況下會將輸出數據置位為無效，而合并單元廠家則表示收到采集器傳輸的數據有效，合并單元并未發生異常，因此沒有進行置位。

2.3 驗證試驗

為了驗證案例2中電子式互感器中采集器與合并單元錯誤標識位置位機制是否合理，應在模擬數據異常狀態下進行試驗。通常情況很難在試驗中模擬數據異常狀態，但是通過上面兩個案例發現，拉合為采集器供電的直流電源空開的過程中會出現數據異常狀態，比較常見的情況是輸出的數據數值極大，此時采集器監測該異常狀態，及時進行錯誤標識位置位，就可以利用這一異常狀態進行錯誤標識位測試。

按照圖3進行連接，將采集器和合并單元的輸出同時接入便攜式網絡報文記錄儀，精度為納秒級別。測試時，先記錄正常情況下采集器和合并單元的輸出報文中錯誤標識位的置位情況，然后斷開采集器的直流空開，記錄此時采集器和合并單元輸出的報文。合并單元處理數據需要一定的時間，其輸出的數據與采集器輸出的數據的時間差2～3 ms。此220 kV變電站的合并單位為A廠家生產，為更好說明A廠家合并單元處理錯誤標識位的問題，用另一廠家B進行對比測試，分別進行多次測試，測試數據如圖4所示。

圖3 錯誤標識位置位機制測試連接圖

圖4 采集器輸出報文錯誤標識位置位時間

可以看出，圖4中左半部分為為第一組A廠家測試結果，采集器輸出報文錯誤標識位置位時間約為15:49:56.702，合并單元輸出報文錯誤標識位置位時間約為15:49:56.720，A廠家合并單元輸出報文錯誤標識位置位時間比采集器輸出的置位時間晚了約18 ms。同理，根據第二組B廠家測試（圖4右半部分）結果，B廠家合并單元輸出報文錯誤標識位置位時間比采集器輸出的置位時間晚了約2 ms。合并單元正常處理報文的時間約為2 ms，因此A廠家合并單元處理機制存在嚴重問題，存在16 ms的延時輸出標識位。這16 ms內由于AD模塊會輸出無規律的數值，此時若合并單元輸出的報文數據仍為有效狀態，存在導致保護裝置誤動作的隱患。

3 解決方案

根據電子式互感器的結構，考慮從以下方面進行改進，并開展試驗進行驗證。

3.1 電源監測回路設計

通過增加由純電路器件搭建的模擬電源監測回路，在AD采樣回路電源異常時實時輸出告警信號，提高了AD采樣模塊的異常自檢能力。電源監測回路由基礎元器件構成，不依賴于AD轉換芯片，從而提高了電源監測功能的可靠性。

3.2 采樣異常預警

通過在信號采集源頭增加采樣防誤處理，可有效提高采集單元的運行穩定性。采樣預警系統由AD采樣模塊、電源監測模塊以及主控模塊組成，如圖5所示。電源監視模塊實時檢測采樣電源狀態，在電源電壓異常時輸出告警，主控模塊并行監測電源異常、內部采樣中斷以及AD工作狀態，實時輸出采樣異常標志。

圖5 采樣預警系統示意圖

采樣異常預警功能包括以下3個方面。一是采樣電源監測，采用硬件比較器比對采樣電源電壓與基準電壓的大小，控制電源異常信號輸出，實現對采樣電源的可靠監測。二是采樣中斷自檢，檢測其間隔周期及有效脈沖寬度是否符合要求，防止晶振時鐘偏移或內部邏輯異常導致的采樣時刻不準確。三是AD狀態監測，在采樣過程中檢測AD芯片繁忙標志，如果超出芯片的最大轉換時間后標志未返回，則認為AD工作異常。

3.3 數據有效性置位原則

一般采集器和合并單元均會判斷采樣數據的有效性。正常情況下，當合并單元收到采集器的數據報文的數據有效性標識位未置位時（狀態字為0），會根據自身運行工況判斷是否改變數據狀態。如果工況正常，則不改變數據狀態，輸出有效數據報文，如果發現工況異常，則改變數據狀態，輸出無效數據報文。當合并單元收到采集器的數據報文的數據標識位置位時（狀態字為1），不論此時合并單元自檢狀態如何，應繼續保持數據有效性狀態，此時電子式互感器輸出的數據報文應為無效狀態。數據有效性標識位置位工作機制如表1所示，當采集器錯誤標識位狀態字為0時，電子式互感器輸出的最終數據狀態由合并單元決定，合并單元可以根據自身的判斷進行置位，決定最終輸出數據的有效性，而當采集器數據有效性標識位狀態字為1時，此時不論合并單元自檢是否存在問題，最終的數據狀態均為1，合并單元不應修改該數據狀態，輸出的數據應直接為無效數據。

表1 數據有效性工作機制

4 結 論

在實際工程應用中，由于一般無法模擬出數據有效性標識位主動置位的情況，因此很難發現電子式互感器在某些異常工況下數據有效性標識位是否正常置位。本文從實際案例出發，分析數據有效性標識位未能正常置位的原因，在硬件、軟件以及對有效標識位的處理機制上均做出了改良設計，該設計能有效避免工程應用中異常工況問題的發生，有效提高了智能變電站的運行可靠性。