許玉香，劉小剛，馬彥琴

（西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075）

國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)已提出建設(shè)具有“信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”特征的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[1-2]，電力系統(tǒng)正在走向智能化，傳統(tǒng)的互感器多為電磁式互感器，電磁式自身存在磁滯、磁飽和、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、絕緣性能差等諸多問(wèn)題，已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的要求[3]。而電子式互感器具有傳感正確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化的特點(diǎn)，是變電站實(shí)現(xiàn)智能化的重要條件之一[4]。目前應(yīng)用在工程中的電子式互感器大多采用有源電子式互感器，即采用羅氏線圈作為保護(hù)線圈、采用低功率線圈作為測(cè)量計(jì)量，采用電容分壓環(huán)作為電壓測(cè)量元件[5]。但電子式互感器在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些需要解決問(wèn)題，如對(duì)站內(nèi)的高精度采樣裝置PMU、故障測(cè)距、電能計(jì)量等的適應(yīng)性及影響。本文重點(diǎn)討論這3個(gè)方面的問(wèn)題，并提出具體的解決方案[6-7]。

1 對(duì)PMU的影響及對(duì)策分析

PMU裝置需要從合并單元處獲得采樣數(shù)據(jù)，采樣頻率一般為每個(gè)工頻周期192點(diǎn)，而變電站保護(hù)測(cè)控采樣值一般要求相對(duì)較低。這些二次設(shè)備的數(shù)據(jù)源相同，均從合并單元獲取采樣數(shù)據(jù)，因此需解決電子式互感器對(duì)多裝置不同采樣率的需求。

目前國(guó)內(nèi)主要廠家生產(chǎn)的合并單元采樣率可達(dá)到每周波256點(diǎn)，因此，對(duì)于PMU裝置和保護(hù)測(cè)控裝置要求不同采樣率的問(wèn)題，提出以下幾種解決方案。

方案一：PMU等高精度采樣裝置配置獨(dú)立的電子式互感器和合并單元，獲取192點(diǎn)/周波的高采樣率數(shù)據(jù)。

方案二：合并單元輸出采樣率按實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，對(duì)采樣率要求較低的保護(hù)測(cè)控裝置采用48點(diǎn)/周波輸出，采樣率要求較高的PMU等裝置采用192 點(diǎn)/周波輸出。不同采樣率數(shù)據(jù)從合并單元的不同端口分別輸出至不同需求的裝置。

方案三：合并單元輸出采樣率按實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，對(duì)采樣率要求較低場(chǎng)合采用48 點(diǎn)/周波輸出，對(duì)采樣率要求較高場(chǎng)合采用192 點(diǎn)/周波輸出。不同采樣率數(shù)據(jù)從合并單元的同一端口輸出，利用組播注冊(cè)協(xié)議（GMRP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同采樣率數(shù)據(jù)的自動(dòng)尋址，供不同需求的裝置使用。

以上幾種方案的比較分析如下。

第一種方案：為PMU等采樣率要求較高的裝置單獨(dú)配置電子式互感器和合并單元，會(huì)大大增加一次投資，經(jīng)濟(jì)性很差。

第二種方案：合并單元不同端口按不同采樣率輸出，可滿足各裝置的實(shí)際需求，但合并單元所需端口數(shù)較多，對(duì)合并單元的要求較高，而且端口的增加必然引起接線的增加，不能滿足簡(jiǎn)化接線的要求。

第三種方案：合并單元相同端口可輸出不同采樣率的數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)利用GMRP技術(shù)自動(dòng)尋找與之目的MAC 地址匹配的裝置端口，在不增加硬件資源的前提下，能滿足不同裝置的實(shí)際使用需求，接線簡(jiǎn)單。

通過(guò)分析可知，前2種方案的經(jīng)濟(jì)性都比較差，第三種方案不增加任何硬件投資，經(jīng)濟(jì)性最佳，而且方案三中采用的GMRP技術(shù)目前國(guó)內(nèi)主要合并單元廠家都已具備，因此實(shí)際工程中推薦采用第三種方案作為電子式互感器對(duì)多裝置不同采樣率的需求的實(shí)施方案。

此時(shí)，由于PMU裝置的高采樣率數(shù)據(jù)與保護(hù)測(cè)控等低采樣率數(shù)據(jù)共用合并單元及傳輸網(wǎng)絡(luò)，必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)流量的增大，因此必須對(duì)數(shù)據(jù)流量及帶寬問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算分析，交換機(jī)配置需滿足流量要求。

2 對(duì)故障測(cè)距的影響及對(duì)策分析

現(xiàn)有羅氏線圈型電流互感器采樣頻率基本在10 kHz 以內(nèi)，完全能夠滿足保護(hù)測(cè)控等設(shè)備的要求，但對(duì)于上兆赫茲的行波信號(hào)，羅氏線圈型電流互感器則無(wú)法采集到。因此，必須對(duì)現(xiàn)有羅氏線圈型電流互感器作適當(dāng)改進(jìn)，改進(jìn)方案有如下3種。

方案一：在現(xiàn)有輸出不變的前提下，羅氏線圈電流互感器另外增加一路光輸出信號(hào)（采樣應(yīng)不小于1MHz）。具體做法是增加一塊高速數(shù)據(jù)采集單元，用于高頻行波信號(hào)，如圖1所示。

方案二：將羅氏線圈電流互感器中原有的低頻信號(hào)采集線路板更換為可同時(shí)采集低頻信號(hào)和高頻行波信號(hào)的通用高速數(shù)據(jù)采集單元，所有的信號(hào)經(jīng)該采集單元采集后經(jīng)由不同通道傳輸。如圖2所示。

方案三：對(duì)原有的羅氏線圈及采集單元不作改動(dòng)，新增一個(gè)羅氏線圈和一塊高速數(shù)據(jù)采集單元。雙線圈互不干擾，采集板互不影響，保證了低頻率信號(hào)和高頻行波信號(hào)完全經(jīng)由各自的通道分別采集和處理，完成各自的任務(wù)。如圖3所示。

圖1 方案一原理圖Fig. 1 Schematic diagram of Scheme One

圖2 方案二原理圖Fig. 2 Schematic diagram of Scheme Two

圖3 方案三原理圖Fig. 3 Schematic diagram of Scheme Three

3種方案比較分析如下。

方案一：在原有的羅氏線圈型電流互感器中僅增加一塊高速數(shù)據(jù)采集單元，在做到2個(gè)采集模塊互不影響的情況下，既能夠保證低頻率信號(hào)的輸出，也可以滿足行波信號(hào)的采集。該方案的經(jīng)濟(jì)性較高，但保護(hù)用遠(yuǎn)端模塊與故障測(cè)距用遠(yuǎn)端模塊共用一個(gè)羅氏線圈，獨(dú)立性不強(qiáng)，任一模塊故障均為相互影響。

方案二：用一塊高速數(shù)據(jù)采集單元完成低頻與高頻行波信號(hào)的采集。對(duì)羅氏線圈型電流互感器的原有結(jié)構(gòu)改動(dòng)最小，制造成本最低，但目前可采集高頻行波信號(hào)的采集線路板通常精度不高，不能滿足保護(hù)的要求，而且此方案還處于研發(fā)階段，暫無(wú)運(yùn)用實(shí)例。

方案三：在原有的羅氏線圈型電流互感器中增加一個(gè)羅氏線圈和一塊高速數(shù)據(jù)采集單元。從源頭上做到了高頻與低頻的完全分離，信號(hào)的可靠性更高，但由于增加了一個(gè)羅氏線圈，制造成本會(huì)相應(yīng)增加。

通過(guò)分析可知，方案三的可靠性和可行性較高，因此推薦采用第三種方案作為電子式互感器對(duì)行波測(cè)距的實(shí)施方案。具體實(shí)施方案為：在需要行波測(cè)距出線的羅氏線圈電流互感器中增加一個(gè)羅氏線圈和一塊行波測(cè)距信號(hào)合并單元。1個(gè)羅氏線圈的價(jià)格約為5 000元，1臺(tái)行波合并單元的價(jià)格約為2萬(wàn)元。對(duì)工程總體投資影響不大。

行波測(cè)距裝置專用的行波信號(hào)合并單元可滿足行波測(cè)距裝置的高采樣率要求，合并單元輸出的數(shù)據(jù)直接送至行波測(cè)距裝置中的行波信號(hào)處理單元，不需采用過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，因此不會(huì)對(duì)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)造成影響。

3 對(duì)計(jì)量系統(tǒng)的影響及對(duì)策分析

電子式互感器的應(yīng)用給計(jì)量系統(tǒng)帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在計(jì)量精度、高采樣率要求和計(jì)量裝置檢定3個(gè)方面。

3.1 計(jì)量精度要求及解決方案

目前幾乎所有采用有源電子式電流互感器的工程都采用LPCT（低功率鐵心線圈）和羅氏線圈組合使用的方案，其中LPCT用于測(cè)量與計(jì)量，羅氏線圈用于繼電保護(hù)[2]。

LPCT是傳統(tǒng)電磁式電流互感器的一種發(fā)展，它與傳統(tǒng)互感器的區(qū)別在于帶固定二次小負(fù)載，根據(jù)電磁電流互感器的原理，誤差來(lái)源主要在于功率的傳輸，傳輸功率越小，誤差越小，理論上零功率的傳輸可使電磁互感器穩(wěn)態(tài)誤差接近于零，而且非周期分量也能大部分傳輸至二次側(cè)，改善了互感器的暫態(tài)特性[3]。它在很高的一次電流下使出現(xiàn)飽和的基本特性得到改善，擴(kuò)大了測(cè)量范圍，但沒(méi)有最終消除磁飽和問(wèn)題，它在5%～120%額定電流下線性度很好，目前精度可達(dá)0.1/0.2 s級(jí)，非常適用于測(cè)量、計(jì)量?jī)x表和遠(yuǎn)動(dòng)裝置。

因此，變電站計(jì)量點(diǎn)必須采用通過(guò)國(guó)家有關(guān)計(jì)量部門鑒定的羅氏線圈型電流互感器（含LPCT），其計(jì)量精度必須達(dá)到0.2 s級(jí)。但目前電子式互感器校驗(yàn)的技術(shù)管理規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)尚未制定，因此計(jì)量關(guān)口點(diǎn)可考慮采用如下解決方案：在關(guān)口計(jì)量點(diǎn)增加1個(gè)常規(guī)0.2 s級(jí)電流互感器和1個(gè)常規(guī)0.2級(jí)電壓互感器，通過(guò)控制電纜將電流、電壓量送入計(jì)量表計(jì)，以滿足計(jì)量校驗(yàn)問(wèn)題。

3.2 高采樣率要求及解決方案

除計(jì)量關(guān)口點(diǎn)，其余的考核點(diǎn)和常規(guī)測(cè)量點(diǎn)，電能計(jì)量裝置也需要192點(diǎn)/周波的高采樣率，其解決方案可采用PMU裝置的解決方案，即合并單元輸出采樣率按實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，輸出數(shù)據(jù)利用組播注冊(cè)協(xié)議自動(dòng)尋找與之目的地址匹配的裝置端口。

3.3 計(jì)量裝置檢定問(wèn)題及解決方案

采用電子式互感器后，變電站計(jì)量裝置檢定就產(chǎn)生了以下問(wèn)題。

1）傳統(tǒng)的變電站計(jì)量裝置二次回路中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，而智能變電站中的電子式互感器二次回路均為光纖傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，因此無(wú)法直接使用傳統(tǒng)的儀器對(duì)其進(jìn)行誤差檢測(cè)。

解決方案：數(shù)字式電能表的工作方式，導(dǎo)致傳統(tǒng)電能表校驗(yàn)臺(tái)無(wú)法對(duì)數(shù)字式電能表進(jìn)行檢定工作，因此有必要重新設(shè)計(jì)一個(gè)校驗(yàn)裝置。該裝置必須具備以下幾個(gè)功能。

莰具備光纖以太網(wǎng)接口；

莰具備電度計(jì)算功能；

莰 鏈路層可采用IEC61850-9 或FT3標(biāo)準(zhǔn)格式；

莰 可接收被校電表輸出的脈沖信號(hào)，并進(jìn)行比較；

莰保留歷史數(shù)據(jù)功能。

2）由于電子式互感器及數(shù)字式電能表的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法向上級(jí)進(jìn)行溯源，并缺少檢定或檢驗(yàn)所依據(jù)的規(guī)程，貿(mào)易結(jié)算用電子式互感器及數(shù)字式電能表也就無(wú)法進(jìn)行合理、合法的溯源檢定。

解決方案：數(shù)字式電能表的有功電能在理論上沒(méi)有誤差，但受字長(zhǎng)、系統(tǒng)時(shí)鐘等因素的影響，誤差必然存在。因此，數(shù)字式電能表仍然要經(jīng)過(guò)量值溯源，并只能采用非傳統(tǒng)的檢定方法。

若采用標(biāo)準(zhǔn)表和數(shù)字抽樣的誤差作為整體，由更高精度的模擬標(biāo)準(zhǔn)電能檢定裝置進(jìn)行檢定。校驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部分是模擬合并單元，將模擬信號(hào)采集后，按照IEC61850協(xié)議組成以太網(wǎng)幀，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給被檢電能表。整個(gè)校驗(yàn)裝置包含標(biāo)準(zhǔn)功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表和模擬合并單元3個(gè)部分。此量值傳遞模型結(jié)構(gòu)既能向上溯源更高精度的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，又能向下檢定數(shù)字式電能表。具備這種溯源功能的檢定裝置已有一些廠家正在研發(fā)，一些產(chǎn)品即將投入使用。

4 結(jié)論

1）利用組播注冊(cè)協(xié)議（GMRP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)合并單元不同采樣率數(shù)據(jù)的自動(dòng)尋址，將保護(hù)測(cè)控采樣值、PMU和考核計(jì)量采樣值從合并單元的同一端口輸出到對(duì)應(yīng)裝置，有效解決了多裝置不同采樣率需求的問(wèn)題。

2）對(duì)于行波測(cè)距，目前的電子式互感器無(wú)法采集到上兆赫茲的高頻行波信號(hào)，需對(duì)其作適當(dāng)改進(jìn)以滿足行波測(cè)距的要求。因此，建議在行波測(cè)距處增加一個(gè)羅氏線圈和一塊行波測(cè)距信號(hào)合并單元，以滿足行波測(cè)距的高精度采用問(wèn)題。

3）對(duì)于計(jì)量關(guān)口點(diǎn)，由于電子式互感器及數(shù)字式電能表的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法向上級(jí)進(jìn)行溯源，缺少檢定或檢驗(yàn)所依據(jù)的規(guī)程。因此，建議在關(guān)口點(diǎn)增加一個(gè)常規(guī)電流互感器繞組和1個(gè)常規(guī)電壓互感器，直接通過(guò)模擬量上傳至計(jì)量表計(jì)。

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