全光纖型電子式電壓互感器設計與應用

王永興，劉 罡，湯 野，姜春陽

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.國網遼寧省電力有限公司營銷服務中心，遼寧 沈陽 110006；3.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

電力電壓互感器是電力系統的重要設備，其主要作用在于將電網中的高電壓信號變為低電壓信號，供計量裝置或保護裝置使用［1?5］。目前，國內各變電站普遍采用基于電磁感應原理的電磁式電壓互感器或增加電容分壓裝置的電容式電壓互感器［6?8］。隨著系統電壓等級的提高，傳統電磁式電壓互感器或電容式電壓互感器因自身絕緣材料復雜、存在磁飽和現象等問題存在眾多技術瓶頸［9?12］。

國內外許多學者已經對不同類型的電子式電壓互感器開展了研究。文獻［13］對電子式互感器合并單元進行了深入研究，為電磁式電壓互感器向電子式互感器的轉化奠定良好基礎，但未對電子式互感器本體進行分析和設計；文獻［14］提出一種電阻分壓式的電子式電壓互感器，該種互感器具有結構簡單、成本低廉等優點，但受分壓電阻影響較大，準確度等級較低；文獻［15］提出一種電容分壓式的電子式電壓互感器，該種互感器亦具有結構簡單、成本低廉等優點，但該類電子式互感器同樣準確度較差，且穩定性不好，使用周期短；文獻［16］提出一種基于可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）的電子式互感器數字接口實現方案，雖然未對電子式互感器本體提出設計，但對于電子式互感器的一次側和二次側的信號傳輸和轉化方式提供了良好的借鑒。

提出一種基于全光纖技術的電子式電壓互感器，對該裝置進行了系統整體結構設計，并對二次側機箱硬件部分和軟件系統分別進行了設計。最后，通過與傳統電磁式電壓互感器進行比對試驗以及測量重復性試驗，證明該互感器性能可靠。該裝置可廣泛應用于各電壓等級變電站。

1 系統整體設計

整體結構如圖1 所示，主要由屏蔽裝置、傳感模塊、保偏光纖和二次側機箱組成，其中二次機箱包括光路系統和電路系統。屏蔽系統由金屬材料制成，較好地屏蔽了外界電場對屏蔽裝置的影響。其尺寸為40 cm×30 cm×30 cm，壁厚約1.5 cm。屏蔽系統的主要作用為接收來自電子式互感器一次側的高壓信號，將其轉化為穩定的電場。由于電場強度等于電壓的大小除以傳感模塊和屏蔽外殼的距離，在距離不變的條件下，電壓和電場強度成正比。因此，通過對電場的間接測量即可完成一次側高壓信號的測量。傳感模塊由法拉第準直旋光器和電光晶體組成，懸浮于屏蔽裝置空間內部，僅與保偏光纖相連。保偏光纖采用1 550 nm 型低衰減型保偏光纖，其與光路系統相連。光路系統內部配有穩定光源，光源由超輻射發光二極管產生，其中心波長為1 550 nm。光源在光路系統中分成2 束正交的線偏振光。2 束線偏振光經過保偏光纖后傳輸至傳感模塊，在穩定電場作用下產生相位差，相位差的大小與電場的大小即一次側產生的高壓電勢成正比［17］。具有相位差的2 束偏振光經保偏光纖重新返回至光路系統，通過光電探測器將相位差信號轉化模擬電信號傳輸至電路系統中。電路系統將模擬信號經一系列模數和數模轉化，傳輸至電子式互感器的二次側，完成測量或保護功能［18?20］。

圖1 系統整體結構

2 二次側機箱硬件設計

2.1 光路系統設計

光路系統結構如圖2 所示，主要由光源、光電探測器、環形器、Y 波導調制器和保偏耦合器組成。光源為光路系統自帶恒定發光系統，其內部主要發光器件為中心波長為1 550 nm 超輻射發光二極管，其作用為產生恒定光照強度，電源有電路系統提供；環形器與光源和Y 波導調制器相連，其作用為傳輸光源信號或來自Y 波導調制器的干涉光信號；Y 波導調制器與環形器和保偏耦合器相連，其作用為將來自環形器的光源信號分解成2 束正交偏振光或將來自保偏耦合器的偏振光信號轉變為干涉光信號；保偏耦合器與Y 波導調制器和保偏光纖相連，其作用為傳輸偏振光信號；光電探測器為光路系統和電路系統的連接裝置，其作為用為將干涉光信號轉變為模擬電信號，供電路系統使用。

圖2 光路系統結構

2.2 電路系統設計

電路系統結構如圖3 所示，主要由光電探測器、A/D轉換器、DSP、FPGA、D/A轉換器、驅動電路組成。光電探測器接收來自光路系統的干涉光信號，轉化為模擬電壓信號，通過A/D 轉換器轉換為數字量信號。數字量信號經過數字信號處理器DSP 處理后完成數字信號輸出，得到電子式互感器的二次電壓值。同時，該數字量信號經可編程門陣列FPGA編輯為可供Y 波導調制器使用的階梯波信號（數字信號），經D/A轉換器轉換為模擬量階梯波信號，傳輸至Y波導調制器的驅動電路中，最終完成對Y 波導調制器的閉環控制。

圖3 電路系統結構

3 電路系統軟件設計

電路系統軟件環境采用TI公司集成開發環境代碼編寫器平臺（Code Composer Studio，CCS），運用C語言編輯。軟件流程如圖4 所示，主要包括干涉光檢測、A/D 轉換、數字信號處理、輸出二次電壓值、D/A轉換、調制器驅動、干涉光轉換等流程。系統完成初始化之后開始進行干涉光檢測，若未發現干涉光則重新進行檢測，若發現干涉光則將其進行A/D 轉換。當轉變成數字量信號后通過DSP 進行數字信號處理，完成二次電壓的輸出。同時將數字量信號通過可編程門陣列FPGA進行數字量階梯波信號編輯，經過D/A轉換生成模擬量階梯波信號，完成Y波調制器的驅動。通過Y 波調制器將光路系統的偏振光信號轉變為干涉光，進行重新進行干涉光檢測，實現軟件系統的閉環控制。

圖4 軟件流程

4 應用試驗比對

為驗證該全光纖型電子式電壓互感器（0.2 級）計量性能，依據JJF 314—2010《測量用電壓互感器檢定規程》［21］和JJF 1021—2007《電力互感器檢定規程》［22］，將其與某0.2 級220 kV 電磁式電壓互感器進行比對。依據檢定規程要求在20%UN（UN為額定電壓）、50%UN、80%UN、100%UN、120%UN條件下分別對其比值誤差和相位誤差進行比對，比對結果如表1和表2所示。依據檢定規程要求，0.2級電壓互感器在20%UN條件下比值誤差不大于0.4%，相位誤差不大于20′；50%UN條件下比值誤差不大于0.3%，相位誤差不大于15′；80%UN、100%UN、120%UN條件下比值誤差不大于0.2%，相位誤差不大于10′。由表1和表2可得，電子式電壓互感器和電磁式電壓互感器誤差結果均滿足0.2 級電壓互感器要求。同時，電子式電壓互感器在不同測量點誤差變化遠小于電磁式電壓互感器，體現出電子式電壓互感器在誤差平滑性方面的良好性能。

表1 比值誤差比對表 單位：%

表2 相位誤差比對表 單位：（′）

5 測量重復性試驗

采用實驗標準偏差方法驗證該全光纖型電子式電壓互感器測量重復性，依據JJF 314—2010《測量用電壓互感器檢定規程》，在100%UN條件將其在相同的試驗人員、相同的標準器條件下，一天之內對其進行10 次獨立重復性測量（每次測量均重新接線），得到該電子式電壓互感器的比值誤差、相位誤差如表3所示。

表3 100%UN比值誤差和相位誤差的測量數據

采用貝塞爾公式計算測量數據實驗標準偏差為

式中：s為實驗標準偏差；n為測量次數；xi為第i次測量中電子式電壓互感器的測量結果；xˉ為被電子式電壓互感器的n次測量平均值。

經計算，比值誤差實驗標準偏差s比=0，相位誤差實驗標準偏差s相≈0.441′。依據JJF 314—2010《測量用電壓互感器檢定規程》要求，0.2 級電壓互感器在100%UN條件下測量重復性（實驗標準偏差）不大于最大允許誤差的三分之一，即比值誤差測量重復性不大于0.067%，相位誤差不大于3.4′。因此，該被電子式電壓互感器的測量重復性符合要求。

6 結語

提出一種基于全光纖技術的電子式電壓互感器，對該裝置從一次側和二次側分別進行了結構設計。將一次側分解為屏蔽裝置、傳感模塊、保偏光纖3部分并進行了功能介紹。將二次側分解為光路系統和電路系統并分別給出了原理結構圖，同時對電路系統給出軟件流程圖。最后與傳統220 kV 電磁式電壓互感器進行了誤差比對試驗和測量重復性試驗，證明該互感器性能可靠。電子式互感器由于其內部電子元器件較多，如何保證其長期運行仍具有良好的電磁兼容性和計量誤差穩定性將是今后研究的重點方向，相關成果將在未來研究工作中給出。