魏鳳霞，翟曉慧，張來福

（1.山西晉緣網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，山西 太原 030001；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著我國電力事業(yè)飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)向大容量、高電壓、智能化的方向發(fā)展，廠、站和系統(tǒng)數(shù)字化測量、保護、調(diào)度和控制已成為發(fā)展的趨勢。根據(jù)國家電網(wǎng)公司提出的將控制、保護、測量、監(jiān)測、安全、防誤操作的功能結(jié)合，構(gòu)成“機電一體化”新概念電力設(shè)備的發(fā)展需求，全數(shù)字化變電站是必然的發(fā)展趨勢。

近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，電子式（電流/電壓）互感器（也稱為光電互感器） 的研究也不斷取得進展。電子式互感器可以采用光纖輸出數(shù)字信號，該信號在傳輸?shù)倪^程中既不受外界電磁干擾、也不會發(fā)生明顯的畸變和衰減，實現(xiàn)了低壓設(shè)備與高壓設(shè)備之間的無金屬線纜連接，從而為變電站數(shù)字化提供了最基本的物質(zhì)條件。

1 傳統(tǒng)互感器就地數(shù)字化的必要性

電子式互感器分為有源式和無源式兩種，其中有源式發(fā)展迅速，中國已經(jīng)有產(chǎn)品在掛網(wǎng)運行。電子式電流互感器的優(yōu)點為[1-2]：以Rogowski線圈為一次轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的大電流轉(zhuǎn)變，無磁飽和，頻率響應(yīng)范圍寬、精度高，暫態(tài)特性好；無油設(shè)計徹底避免了充油互感器可能出現(xiàn)的燃燒爆炸等事故；高低壓部分的光電隔離，使得電流互感器二次開路可能導(dǎo)致危及設(shè)備或人身安全等問題不復(fù)存在；絕緣結(jié)構(gòu)簡單，在高壓和超高壓中降低了光電互感器的綜合使用成本。

現(xiàn)有的電子式互感器一次轉(zhuǎn)換器工作在高壓側(cè)，對有源式來講，其對一次電源要求很高，目前采用激光器的光供能方式為主，其壽命有待考驗，產(chǎn)品可靠性經(jīng)驗仍在不斷累積之中，處于產(chǎn)品運行試驗階段。另外，激光電源、光電池等成本很高。若將傳統(tǒng)的互感器全部更換為電子式互感器，且不論更換費用昂貴，就電子式互感器運行穩(wěn)定可靠的問題還有待進一步驗證。綜合各種情況來看，電子式互感器大量應(yīng)用還需要一段時間。傳統(tǒng)互感器以其運行可靠、穩(wěn)定，運行過程免維護；具有大量、長期運行經(jīng)驗；壽命長，一般設(shè)計壽命為30 a；除高壓和超高壓等級，成本低廉等優(yōu)點，現(xiàn)階段依然是變電站主要使用的一次設(shè)備。

將傳統(tǒng)互感器輸出就地數(shù)字化，使之具有電子式互感器的功能。國內(nèi)大多數(shù)變電站均裝有電磁式互感器，可以利用就地數(shù)字化的方法將其改造為電子式的互感器，使得傳統(tǒng)互感器能夠適合數(shù)字化變電站建設(shè)的需要。采用互感器就地數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)變電站數(shù)字化，能夠在很大程度上保證變電站的安全、可靠運行。另外，就地數(shù)字化系統(tǒng)還可減少互感器的負(fù)載，提高傳統(tǒng)互感器的準(zhǔn)確度。

2 就地數(shù)字化系統(tǒng)工作原理

就地數(shù)字化系統(tǒng)向上在傳統(tǒng)互感器就近承接其輸出，向后以數(shù)字光信號按照一定通信格式來傳送采樣數(shù)據(jù)。它將來自傳統(tǒng)互感器的模擬信號就地數(shù)字化，轉(zhuǎn)換成適合于光纖傳輸系統(tǒng)的信號。就地數(shù)字化系統(tǒng)在線工作示意圖如圖1所示。

圖1 就地數(shù)字化系統(tǒng)在線工作示意圖

傳統(tǒng)互感器輸出為模擬量，經(jīng)過就地數(shù)字化裝置處理，變成適合光纖傳輸?shù)臄?shù)字化的光脈沖信號，通過光纖傳輸給合并單元。就地數(shù)字化系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 就地數(shù)字化系統(tǒng)原理圖

圖2中虛線框中的內(nèi)容可以做成便攜式結(jié)構(gòu)，主要有N路（一般N為1～6）小型互感器，N個高精度采樣電阻，N個一次轉(zhuǎn)換器電路板和兩個電源電路板構(gòu)成。

3 就地數(shù)字化系統(tǒng)概述

就地數(shù)字化系統(tǒng)就是利用成熟的小型互感器技術(shù)、穩(wěn)定可靠的數(shù)字信號處理DSP（Digital Signal Process）技術(shù)和光纖技術(shù)，把傳統(tǒng)互感器采集的模擬量在傳統(tǒng)互感器就近進行數(shù)字化處理，而非在后面控制室中的合并單元中進行。就地數(shù)字化系統(tǒng)適用于電力系統(tǒng)中需要進行數(shù)字化的場合。就地數(shù)字化系統(tǒng)是把傳統(tǒng)的互感器技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)深層次相結(jié)合的、具有很好發(fā)展前景的新一類信號處理裝置。就地數(shù)字化技術(shù)是迅速發(fā)展的電力工業(yè)數(shù)字化進程的需要，就地數(shù)字化系統(tǒng)的出現(xiàn)是電力系統(tǒng)數(shù)字化進程中的一場革命，代表著電力數(shù)字化發(fā)展的最新方向，對電力事業(yè)的數(shù)字化發(fā)展將產(chǎn)生不可估量的影響。

就地數(shù)字化系統(tǒng)通過編程語言將功能強大的可編程邏輯器件和其他硬件融為一體，利用具有強大處理能力的邏輯器來控制硬件的信號采集和處理，完成復(fù)雜的信息處理，并且大大縮小了就地數(shù)字化裝置的硬件成本和體積。

就地數(shù)字化系統(tǒng)把處理的信息通過光纖傳輸?shù)娇刂剖?，從而實現(xiàn)了一次和二次之間完全的電氣隔離，大大提高了變電站運行的可靠性。

4 就地數(shù)字化系統(tǒng)的組成

就地數(shù)字化系統(tǒng)由三部分組成：進行傳統(tǒng)互感器模擬量變換的高精度小型互感器，進行信號變換和處理的一次轉(zhuǎn)換器，為信號變換和處理電路能正常工作提供穩(wěn)定能量供應(yīng)的電源電路。

4.1 高精度小型互感器

高精度的小型互感器原理與傳統(tǒng)的互感器原理一樣，有幾十年的運行經(jīng)驗，技術(shù)非常成熟。通過選用特殊的磁芯和特殊的繞制工藝，小型互感器在額定電流范圍內(nèi)精度可達萬分之五，保證了小型互感器傳變信息的準(zhǔn)確性；通過采用特殊的屏蔽技術(shù)，很好地隔離了外界干擾對小型互感器工作的影響。高精度采樣電阻的選用，保證了輸入一次轉(zhuǎn)換器信號的精確性。小型互感器的負(fù)載較低，從另一方面也減小了一次互感器的負(fù)載，提高了一次互感器的準(zhǔn)確度。

4.2 一次轉(zhuǎn)換器

一次轉(zhuǎn)換器是對輸入的模擬信號進行數(shù)字化，最后以光脈沖信號的形式通過光纖傳送給位于控制室的合并單元。圖3是就地數(shù)字化裝置結(jié)構(gòu)電路圖，其中虛線框內(nèi)電路構(gòu)成一次轉(zhuǎn)換器。

信號調(diào)理電路對輸入的兩路電壓信號進行一系列處理，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號?？刂齐娐吠ㄟ^特定的算法，對兩路信號進行比較處理，選取一路精度較高的信號輸出。電光轉(zhuǎn)換電路把控制電路輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成光脈沖信號，通過光纖傳送給合并單元。

圖3 就地化數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖

4.3 電源電路

一次轉(zhuǎn)換器要正常工作，需要有穩(wěn)定的±15 V、+5 V、+3.3 V和+1.2 V電源供應(yīng)。電源電路如圖4所示。

電源輸入采用變電站提供的48 V直流電源，電源轉(zhuǎn)換模塊將48 V直流電源轉(zhuǎn)換為5 V直流電源，5 V輸入再通過電源轉(zhuǎn)換模塊為一次轉(zhuǎn)換器提供±15 V、+5 V、+3.3 V和+1.2 V電源輸出。其中電源轉(zhuǎn)換電路均采用了較為成熟的電壓轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，能夠長期可靠穩(wěn)定運行。為了保證電源可靠穩(wěn)定，采用了兩個標(biāo)準(zhǔn)電源轉(zhuǎn)換和兩個電源控制模塊構(gòu)成熱備份的雙電源轉(zhuǎn)換模塊，可確保就地數(shù)字化系統(tǒng)能夠進行穩(wěn)定可靠的運行。

5 結(jié)束語

變電站數(shù)字化是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，隨著大批電站和電網(wǎng)項目建成投產(chǎn)，對互感器需求巨大。據(jù)不精確推算，目前市場上1臺110 kV的電子式電流互感器，不算與二次接口所需的合并單元等輔助設(shè)備，售價大約為5萬元/臺，若采用就地數(shù)字化進行改造，在保證效果相同的前提下，僅就110 kV等級而言，與電子式電流互感器售價相比，各項綜合改造成本最多為其50%，220 kV等以上等級的改造成本，較其還會成倍數(shù)降低，而且采用就地數(shù)字化系統(tǒng)后，幾乎不會給變電站維護帶來額外的維護支出。采用就地數(shù)字化系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益有不可估量的作用。就地數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)了一次傳感器模擬信號的數(shù)字化，適應(yīng)了變電站數(shù)字化發(fā)展的需求。對傳統(tǒng)互感器按照電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)進行改造，并具有正規(guī)電子式互感器所有的功能，使傳統(tǒng)互感器繼續(xù)發(fā)揮作用，降低了變電站的更新成本。就地數(shù)字化系統(tǒng)的開發(fā)成功，會更進一步推動變電站的數(shù)字化發(fā)展，提高變電站運行的安全性。就地數(shù)字化系統(tǒng)從硬件平臺、系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等各個部分均采用了先進的技術(shù)手段，確保了系統(tǒng)的先進性，也保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。就地數(shù)字化系統(tǒng)以設(shè)備為主線建立，在滿足模擬量就地數(shù)字化的同時，該系統(tǒng)的輸出滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保了系統(tǒng)在變電站數(shù)字化過程中的通用性。

圖4 電源電路

［1］ 王鵬，張貴新，朱小梅，等.電子式電流互感器溫度特性分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007（10）：60-64.

［2］ 王鵬，羅承沐，張貴新.基于低功率電流互感器的電子式電流互感器［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006（4）：98-100.