申葳 房立騰 黃華 詹龍成

摘 要：該項(xiàng)目基于“智能化變電站氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀”研制的新型智能變電站電子式互感器數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)。研制全新的同步電壓采集裝置，具備光纖接口、光信號(hào)解碼模塊，用來(lái)接收合并單元發(fā)出的光纖信號(hào)；增加同步對(duì)時(shí)裝置，由于一次電壓經(jīng)電子式電壓互感器采集，再轉(zhuǎn)換到合并單元發(fā)出這一流程存在延時(shí)問(wèn)題，為保證電壓與電流信號(hào)同步，需增加同步對(duì)時(shí)裝置，以保證電壓電流信號(hào)的同步，從而對(duì)智能變電站開(kāi)展氧化鋅避雷器帶電測(cè)試試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：變電站；避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀；互感器

中圖分類號(hào)：TN06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要，我國(guó)的電壓等級(jí)和電網(wǎng)的容量也在不斷提高，隨之而來(lái)的就是對(duì)電力的需求也越來(lái)越多，為滿足日益增長(zhǎng)的供電需求，再現(xiàn)有供電容量的前提下，必須保證設(shè)備的可靠運(yùn)行；同時(shí)減少停電的次數(shù)和時(shí)間，因此帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了越來(lái)越多的重視。

當(dāng)今的維修體系主要是以狀態(tài)檢修為主的維修體制，然而維護(hù)系統(tǒng)的前提是實(shí)現(xiàn)高電壓設(shè)備的在線檢測(cè)。因此就要求在線檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行能準(zhǔn)確及時(shí)地反應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)；從而判斷設(shè)備有沒(méi)有故障，保證電網(wǎng)能高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

隨著智能變電站的不斷建設(shè)和普及，傳統(tǒng)的互感器已由原來(lái)的模擬量輸出改為光纖信號(hào)輸出，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的氧化鋅避雷器泄漏電流分析儀，無(wú)法采集采用光纖信號(hào)的互感器上的信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致其無(wú)法在智能變電站開(kāi)展避雷器帶電測(cè)試工作，因此該課題提出并研發(fā)了符合智能變電站數(shù)字信號(hào)互感器的產(chǎn)品。

1 氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀系統(tǒng)任務(wù)與功能需求

1.1 避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀系統(tǒng)任務(wù)

避雷器檢測(cè)測(cè)量過(guò)程中需要測(cè)量母線電壓，從而計(jì)算避雷器的阻性電流，以此來(lái)反映避雷器運(yùn)行的情況。目前智能化GIS變電站多采用電子式互感器，電子式互感器是利用光纖傳輸數(shù)字信號(hào)至合并單元，因此用傳統(tǒng)的方法無(wú)法從二次回路上測(cè)得相應(yīng)的電壓值，也就無(wú)法對(duì)避雷器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，因此必須要采用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)提供給測(cè)量裝置。

該儀器對(duì)所采集到電壓電流信號(hào)進(jìn)行分析，程序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能站數(shù)字信息通信協(xié)議IEC61850 9-2協(xié)議的解碼及傳輸，同時(shí)能夠獲取同一時(shí)間下的電壓電流信號(hào)，利用電壓與電流的角度關(guān)系計(jì)算避雷器阻性電流，進(jìn)而分析避雷器運(yùn)行狀況。

將核心的光數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊及信號(hào)同步模塊安裝到避雷器泄漏電流分析儀上，同時(shí)利用最小二乘擬合的算法，設(shè)計(jì)完成智避雷器泄漏電流分析儀；并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中。

1.2 功能及需求

該設(shè)備的信號(hào)采用光纖采集。采集數(shù)據(jù)可靠、抗干擾。光纖傳輸方式可消除電氣信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰耗和受擾，同時(shí)免受暫態(tài)高壓的威脅，且采用自補(bǔ)償式高精度電流傳感器和先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，較好地解決了介損測(cè)試精度及其穩(wěn)定性問(wèn)題，結(jié)合完善的電磁屏蔽措施和先進(jìn)的數(shù)字濾波處理技術(shù)，可確保介質(zhì)損耗測(cè)試結(jié)果不受諧波干擾及脈沖干擾的影響，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和穩(wěn)定性，同時(shí)檢測(cè)主機(jī)可以對(duì)設(shè)備狀況連續(xù)或定時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)懷疑設(shè)備有缺陷時(shí)或跟蹤設(shè)備有變化時(shí)，可以對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)和帶電測(cè)試時(shí)，設(shè)備不需要退出運(yùn)行，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也大為降低，由于多設(shè)備同時(shí)在同樣環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，更能真實(shí)反映設(shè)備狀態(tài)的參量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合診斷，隨時(shí)掌握設(shè)備的劣化趨勢(shì)，及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。大大減少了生產(chǎn)成本，增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力并獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益；便于大面積推廣和安裝，提高在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實(shí)性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中電氣設(shè)備的絕緣缺陷，防止重大事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。

信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，傳輸?shù)男盘?hào)不受電磁場(chǎng)的影響，因此光纖傳輸對(duì)電磁干擾、工業(yè)干擾有很強(qiáng)的抵御能力，解決了通信距離和速率的矛盾，同時(shí)光纖具有頻帶寬度大、損耗小、重量輕、保真度高、工作性能高等優(yōu)點(diǎn)，解決了信號(hào)受到電磁場(chǎng)干擾數(shù)據(jù)不穩(wěn)、跳動(dòng)大、地電位抬高、雷電破壞、設(shè)備容易打壞的難題。

2 氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀結(jié)構(gòu)和工作模式

2.1 避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀結(jié)構(gòu)

避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀結(jié)構(gòu)分為內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和外部硬件結(jié)構(gòu)。

內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由電源模塊、光電信號(hào)采集、通信信號(hào)協(xié)議傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)信息分析、計(jì)算、同步、發(fā)送、監(jiān)測(cè)診斷等一系列軟硬件系統(tǒng)組成。

外部結(jié)構(gòu)則是金屬機(jī)箱、控制面板、狀態(tài)顯示按鈕、通信接口、電源開(kāi)關(guān)等。

整體小巧易攜帶，且操作簡(jiǎn)單實(shí)用，效率高，安全穩(wěn)定。

2.2 避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀工作模式

對(duì)光纖信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)能夠利用IEC61850通信協(xié)議將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸；同步單元將采集到的電壓電流信號(hào)，同步至某同一時(shí)間點(diǎn)，從而計(jì)算電壓電流之間的角度差。避免由于非同一時(shí)間信號(hào)帶來(lái)的誤差；初步利用最小二乘擬合算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器泄漏電流的采集及分析，其計(jì)算精度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求；基于分布式測(cè)量結(jié)構(gòu)，采用光纖以太網(wǎng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)信號(hào)傳輸受距離、工頻電磁場(chǎng)干擾、抗電壓沖擊能力差、故障率高的不足。現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)布線簡(jiǎn)單，接口統(tǒng)一，且可給測(cè)量結(jié)果加上時(shí)基；基于數(shù)字傅里葉變換的工頻基波相位角測(cè)量，從而計(jì)算介損參數(shù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用高精度（64 bit）并行采樣技術(shù)，具備完善的程控增益及相位自校功能，測(cè)量基波信號(hào)的相位精度高達(dá)±0.002°以上，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的要求。

另外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于相對(duì)值數(shù)據(jù)診斷功能，可根據(jù)絕緣參數(shù)特征值的相對(duì)變化量，篩選出絕緣異常的電氣設(shè)備，自動(dòng)生成包括絕緣參數(shù)變化趨勢(shì)圖在內(nèi)的相關(guān)信息報(bào)告，供管理人員做出分析和判斷。

采用容性電流補(bǔ)償法測(cè)量阻性電流，采用基波分量檢測(cè)法檢測(cè)阻性電流基波分量。與其他檢測(cè)方法（象三次諧波法、電場(chǎng)感應(yīng)法法）相比，阻性電流基波分量檢測(cè)法可有效避免電網(wǎng)諧波的影響，測(cè)量精度也相對(duì)較高。

3 避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀時(shí)間同步與光電轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

3.1 時(shí)間同步

變電站時(shí)間同步系統(tǒng)是站內(nèi)系統(tǒng)故障分析和處理的時(shí)間依據(jù)，也是提高電網(wǎng)運(yùn)行管理水平的必要技術(shù)手段。目前我國(guó)智能化變電站均采用的基準(zhǔn)時(shí)鐘源，主要是全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星（GPS）發(fā)送的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。

智能站的對(duì)時(shí)方式應(yīng)用最廣泛的是脈沖對(duì)時(shí)和B碼對(duì)時(shí)的方式。秒脈沖的方式是有秒脈沖信號(hào)硬對(duì)時(shí)方式。其中，秒脈沖是利用GPS所輸出的每秒一個(gè)脈沖方式進(jìn)行時(shí)間同步校準(zhǔn)，上升沿時(shí)刻的誤差不大于1 μs。獲得與UTC同步的時(shí)間精度，上升沿時(shí)刻的誤差不大于3 μs。由于三相電之間互差120°，及電氣設(shè)備中的元器件的原因使電流和電壓之間存在一個(gè)固有的角度，從而不能達(dá)到一致的輸出，無(wú)法滿足測(cè)量的需要，基于此種情況，需要有時(shí)鐘的同步從而使電流和電壓達(dá)到固有的角度，滿足設(shè)備測(cè)量的需求。

通過(guò)變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)，可為系統(tǒng)故障的分析和處理提供準(zhǔn)確的時(shí)間依據(jù)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，既可實(shí)現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控，也可以通過(guò)各保護(hù)動(dòng)作、開(kāi)發(fā)分合的先后順序及準(zhǔn)確時(shí)間來(lái)分析事故的原因及過(guò)程。電子式互感器的應(yīng)用更需要在各個(gè)互感器同一間隔之間、不同間隔之間采取時(shí)鐘同步手段保持采樣同步。

由于一次電壓經(jīng)電子式互感器采集再轉(zhuǎn)換到合并單元發(fā)出這一流程序存在延時(shí)問(wèn)題，為保證電壓與電流信號(hào)同步，需增加同步對(duì)時(shí)裝置，以保證電壓電流信號(hào)的同步，避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀采用秒脈沖方式與主站時(shí)鐘同步，以此來(lái)保證獲取的信號(hào)和實(shí)際信號(hào)一致，從而保證測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。設(shè)備本身利用光纖與主站時(shí)鐘連接，基于IEC61850通信規(guī)約，利用主站時(shí)鐘發(fā)出的秒脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)和主站的時(shí)間同步。通過(guò)主站的時(shí)間同步后使數(shù)字分析儀與互感器保持同步，從而達(dá)到測(cè)試的目的，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.2 光電轉(zhuǎn)換（數(shù)模轉(zhuǎn)換）

光電轉(zhuǎn)換也可稱作數(shù)模轉(zhuǎn)換，是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過(guò)程。隨著光電技術(shù)的不斷成熟，其在智能變電站系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電子式互感器就是其中之一。電子式電流（電壓）互感器二次部分采用新型的電子元器件，并采用先進(jìn)的電磁兼容設(shè)計(jì)，可直接與數(shù)字化儀表和智能綜合測(cè)量保護(hù)裝置及計(jì)算機(jī)相連，較好地解決了計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)電流電壓完整信息進(jìn)行全過(guò)程數(shù)字化處理的要求，進(jìn)而完成了對(duì)電網(wǎng)電氣設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)。相較傳統(tǒng)的電流、電壓互感器，電子式電流互感器和電子式電壓互感器具有不含鐵芯、沒(méi)有磁飽和、頻帶寬、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量保護(hù)范圍內(nèi)完全線性、傳輸性能好等優(yōu)點(diǎn)，且體積小、重量輕。特別是電流互感器二次開(kāi)路不會(huì)產(chǎn)生高電壓，二次幾乎工作在開(kāi)路狀態(tài)，電壓互感器二次短路不會(huì)產(chǎn)生大電流，也不會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，根除了電力系統(tǒng)運(yùn)行中的重大故障隱患，保證了人身和設(shè)備安全。但是在變電站的設(shè)計(jì)中電子式互感器輸出的信號(hào)直接到合并單元，傳統(tǒng)的測(cè)試儀器無(wú)法直接測(cè)量合并單元的光信號(hào)，因此設(shè)計(jì)制作了此種數(shù)字分析儀。

泄漏電流數(shù)字分析儀利用光纖與合并單元連接，接收合并單元發(fā)出的數(shù)據(jù)包，利用自身的A/D轉(zhuǎn)換模塊，解析數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)，再利用比列系數(shù)，實(shí)時(shí)還原出接收的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的輸出，傳統(tǒng)的儀器就能根據(jù)這個(gè)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。研發(fā)一項(xiàng)同步電壓采集裝置及程序；該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光纖信號(hào)的接收和解碼，對(duì)IEC61850 9-2通信協(xié)議的解碼。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以變電站電子式互感器的實(shí)際應(yīng)用需求為背景，研發(fā)的一款電子式互感器數(shù)字轉(zhuǎn)換，并研制全新的同步電壓采集裝置，具備光纖接口、光信號(hào)解碼模塊，以接收合并單元發(fā)出的光纖信號(hào)；增加同步對(duì)時(shí)裝置的氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀，來(lái)進(jìn)行變電站氧化鋅避雷器泄漏電流的監(jiān)測(cè)和分析。目前該設(shè)備已經(jīng)集各種先進(jìn)技術(shù)與一身，我們會(huì)根據(jù)實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并結(jié)合世界一流技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到更加智能先進(jìn)的水平。

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