姜雅飛，周　鑒，顧益民

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇 南通226010）

基于電子式互感器在數(shù)字化電站中差動(dòng)保護(hù)的研究

姜雅飛，周鑒，顧益民

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇 南通226010）

電子互感器是數(shù)字化電站的重要組成部分，與傳統(tǒng)互感器相比具有很大的優(yōu)越性。介紹了電子互感器的構(gòu)成、分類。電子互感器在采樣值差動(dòng)保護(hù)中，重采樣方法，以及一些保護(hù)原理。電子互感器將成為數(shù)字化電站信號(hào)測(cè)量和互感器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

電子式互感器；采樣值差動(dòng)保護(hù)；數(shù)字化電站

隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，以數(shù)字化為主要特征的信息革命已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電壓等級(jí)越來(lái)越高，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性也提出了更高要求。

互感器是連接電力系統(tǒng)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(cè)量的量，供給測(cè)量?jī)x器、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置。互感器是電網(wǎng)中用來(lái)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電流電壓的設(shè)備，為電力系統(tǒng)進(jìn)行電能計(jì)量、測(cè)量、控制、保護(hù)等二次設(shè)備提供電流電壓信號(hào)的重要設(shè)備，其精度和可靠性直接與電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)［1-3］。本文針對(duì)電子互感器在數(shù)字化電站中差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期對(duì)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(shù)據(jù)處理單元組成的互感器，用以測(cè)量和監(jiān)控電流、電壓等數(shù)據(jù)。電子式互感器根據(jù)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(yīng)原理或賽格耐克效應(yīng)原理的電子式電流互感器（無(wú)源型）和基于法拉第電磁感應(yīng)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(yīng)原理或逆壓電效應(yīng)原理的電子式電壓互感器（無(wú)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(gòu)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(cè)控制電流通過(guò)的端子。

一次電流傳感器：一次端子通過(guò)電流或電壓相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，直接或經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器：將一次電流/電壓傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合傳輸系統(tǒng)的信號(hào)。

一次電源：指一次傳感器和（或）電流傳感器的電源。

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

二次轉(zhuǎn)換器：將來(lái)自傳輸系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于一次端子電流/電壓的量，供給保護(hù)、測(cè)控等設(shè)備使用。

二次電源：指供給二次轉(zhuǎn)換器的電源。

電子式互感器的二次輸出與傳統(tǒng)互感器不同，分為數(shù)字輸出和模擬輸出兩種。模擬輸出是為了適應(yīng)現(xiàn)存的二次設(shè)備，以兼容現(xiàn)有的基于模擬量的保護(hù)裝置，但也不是傳統(tǒng)意義上的模擬輸出，而是便于數(shù)字式二次設(shè)備連接的弱電信號(hào)。電子式互感器模擬輸出的是低電壓小信號(hào)，可直接與保護(hù)裝置接口，而取消保護(hù)裝置中的電流互感器，簡(jiǎn)化了保護(hù)裝置。數(shù)字輸出的電子式電流互感器可直接接入變電站以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)交換機(jī)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享，電子式電流互感器必將成為數(shù)字化變電站的主要輸出特性，電子式電流互感器能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少誤差，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

2　電子式互感器環(huán)境下差動(dòng)保護(hù)的新特點(diǎn)和技術(shù)要求

隨著數(shù)字化變電站技術(shù)的普及，電子式互感器和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將得到越來(lái)越為廣泛的應(yīng)用，研究電子式互感器環(huán)境下對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響將具有非常重大的意義。

數(shù)字化變電站是基于IEC61850通信規(guī)約，智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備按照過(guò)程層、間隔層和監(jiān)控層進(jìn)行分層構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作的智能化變電站。其主要內(nèi)涵為：

（1）反映電網(wǎng)運(yùn)行情況的電氣量信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出和統(tǒng)一建模；

（2）IED（Intelligent Electronic Device，智能電子設(shè)備）對(duì)變電站信息實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模；

（3）IED之間信息交互以網(wǎng)絡(luò)通信方式實(shí)現(xiàn)；

（4）運(yùn)行控制操作過(guò)程通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信以報(bào)文方式實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字化變電站的過(guò)程層較傳統(tǒng)變電站發(fā)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?shù)仍O(shè)備。圖1給出了數(shù)字化變電站對(duì)于傳統(tǒng)變電站的區(qū)別。推動(dòng)變電站二次系統(tǒng)信息應(yīng)用模式發(fā)生根本性變化的重要原因之一是電子式互感器的發(fā)展和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電氣量數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的數(shù)字化應(yīng)用。保護(hù)裝置在全數(shù)字化運(yùn)行環(huán)境下將有重大的變化，微機(jī)保護(hù)的模擬量、開(kāi)關(guān)量的輸入輸出回路將被網(wǎng)絡(luò)所替代，傳統(tǒng)模擬電磁式互感器將被新型電子式互感器等數(shù)字源所取代，與之相適應(yīng)的新的保護(hù)原理有深入研究的科學(xué)價(jià)值。基于基爾霍夫定律的差動(dòng)保護(hù)裝置面臨著電子式互感器和網(wǎng)絡(luò)通信的新特點(diǎn)，保護(hù)系統(tǒng)需要解決多數(shù)字源信號(hào)的混合輸入，提高差動(dòng)保護(hù)性能的課題。

圖1　傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

電子式互感器和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用可解決或部分解決為長(zhǎng)期困擾差動(dòng)保護(hù)中的互感器的飽和問(wèn)題，但新型電子式互感器等數(shù)字源和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，從繼電保護(hù)系統(tǒng)的角度來(lái)觀察，屬于系統(tǒng)級(jí)的重大變化。在多數(shù)字源采樣信號(hào)混合輸入環(huán)境下繼電保護(hù)面臨的新問(wèn)題有不同特性的數(shù)字源采樣信號(hào)帶來(lái)的誤差問(wèn)題，多數(shù)字源信號(hào)混合輸入的無(wú)縫連接問(wèn)題以及新應(yīng)用環(huán)境下如何提高差動(dòng)保護(hù)快速性和可靠性等問(wèn)題。

傳統(tǒng)由電磁式互感器組成的電氣測(cè)量系統(tǒng)將模擬量送入保護(hù)裝置，采樣在內(nèi)部進(jìn)行。全數(shù)字化微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)過(guò)程層采用非常規(guī)互感器，間隔層二次保護(hù)裝置與過(guò)程層的連接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)。新應(yīng)用環(huán)境下保護(hù)裝置從通信接口中接收由不同數(shù)字源A/ D采樣后的數(shù)字量，輸入信號(hào)由傳統(tǒng)的單一模擬信號(hào)變成了多數(shù)字源采樣信號(hào)的混合輸入。不同數(shù)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(lái)自不同采樣平臺(tái)的信號(hào)無(wú)法直接被保護(hù)使用，需要尋找有效的信號(hào)處理方案實(shí)現(xiàn)不同數(shù)字源混合輸入信號(hào)的無(wú)縫連接。電子式互感器的傳感器輸出的模擬信號(hào)微弱，通常由IEC60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)中所稱的二次轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字化輸出。各相的二次轉(zhuǎn)換器匯接到合并單元，再由合并單元輸出電氣量數(shù)字信號(hào)到保護(hù)設(shè)備。各二次轉(zhuǎn)換器的采樣受合并單元的控制在單時(shí)鐘源系統(tǒng)中合并單元的時(shí)鐘與全站統(tǒng)一時(shí)鐘源同步。圖2顯示了電子互感器單時(shí)鐘源系統(tǒng)。

圖2　電子式互感器單時(shí)鐘源系統(tǒng)

由圖2可以看出，電子式互感器的采樣受全站統(tǒng)一的單時(shí)鐘源控制時(shí)，采樣頻率固定，繼電保護(hù)設(shè)備無(wú)法控制調(diào)整電子式互感器的采樣時(shí)鐘，只能被動(dòng)地接收其輸出的采樣數(shù)據(jù)。IEC 60044-8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ECT數(shù)字化輸出數(shù)據(jù)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(tǒng)）中的任意一種［4］。在數(shù)字化變電站的興建以及傳統(tǒng)變電站的改造升級(jí)過(guò)程中，可能會(huì)遇到傳統(tǒng)CT和ECT同時(shí)接入差動(dòng)保護(hù)裝置的情況，而二者的采用頻率通常不相等，也可能會(huì)面臨著兩側(cè)ECT同時(shí)接入保護(hù)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(zhuǎn)換成一致［5-6］。電子式互感器單時(shí)鐘源系統(tǒng)的特點(diǎn)和采樣頻率的不一致引出了保護(hù)采樣數(shù)據(jù)處理的重采樣算法的新問(wèn)題，這時(shí)采樣時(shí)鐘屬于同一時(shí)鐘域，采樣頻率和相位雖然有差異，但存在恒定的關(guān)系，可以稱為定抽樣率重采樣處理。

傳統(tǒng)變電站的IED通過(guò)電力電纜輸入電壓、電流信號(hào)，然后經(jīng)隔離保護(hù)、A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以實(shí)現(xiàn)各自功能，這種方式的采樣延時(shí)特性相對(duì)穩(wěn)定。而數(shù)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(tǒng)IED的采樣回路［6］。根據(jù)IEC 60044-7/ 8IEC61850-9-1的規(guī)定，過(guò)程層的電子式互感器經(jīng)過(guò)合并單元將采樣的數(shù)字信號(hào)傳送給間隔層的IED.

在數(shù)字化變電站中，電子式互感器、合并單元、網(wǎng)絡(luò)等環(huán)節(jié)由于各個(gè)廠家處理不一和采樣頻率的不同等因素，導(dǎo)致時(shí)序特性不一致，因此，站內(nèi)IED得到的各個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)時(shí)序上會(huì)出現(xiàn)較大差別。不同數(shù)字源信號(hào)的延時(shí)存在差異，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)也存在不確定性，這些制約了差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時(shí)序

3　結(jié)束語(yǔ)

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電子式互感器的推廣和應(yīng)用已是大勢(shì)所趨，電子式互感器的應(yīng)用一方面從根本上解決了傳統(tǒng)電磁式互感器在故障發(fā)生的暫態(tài)期間容易飽和問(wèn)題，但另一方面又給保護(hù)系統(tǒng)面臨著新的問(wèn)題，主要集中在如何處理在多數(shù)字源混合輸入情況下各信號(hào)源之間的無(wú)縫連接問(wèn)題，本論文通過(guò)重采樣算法建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多采樣率信號(hào)的無(wú)縫連接，另外，在數(shù)字化變電站中，差動(dòng)保護(hù)接收到電子式電流互感器的采樣數(shù)據(jù)的延遲受傳輸網(wǎng)絡(luò)的影響較大，網(wǎng)絡(luò)延遲的不確定性是差動(dòng)保護(hù)面臨的又一個(gè)新問(wèn)題，保護(hù)的速動(dòng)性面臨著新的挑戰(zhàn)，因此在實(shí)現(xiàn)多數(shù)字源信號(hào)之間無(wú)縫連接的同時(shí)必須盡可能的減少算法的執(zhí)行時(shí)間，以提高保護(hù)的速動(dòng)性。

［1］劉延冰，李紅斌.電氣式互感器原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

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

［3］曾慶禹.電力系統(tǒng)數(shù)字光電量測(cè)系統(tǒng)的原理及技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，2（4）：1-5.

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

［5］李曉華，尹項(xiàng)根，陳德樹.三相同時(shí)刻采樣值電流差動(dòng)保護(hù)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（31）：64-70.

［6］徐光福，陸于平，吳崇昊，等.多樣率信號(hào)處理在數(shù)字化變電站差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)師，研究方向：船舶電氣。