王永興，劉 罡，湯 野，姜春陽

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

0 引言

電力電壓互感器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其主要作用在于將電網(wǎng)中的高電壓信號(hào)變?yōu)榈碗妷盒盘?hào)，供計(jì)量裝置或保護(hù)裝置使用［1?5］。目前，國內(nèi)各變電站普遍采用基于電磁感應(yīng)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(tǒng)電壓等級(jí)的提高，傳統(tǒng)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(fù)雜、存在磁飽和現(xiàn)象等問題存在眾多技術(shù)瓶頸［9?12］。

國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)不同類型的電子式電壓互感器開展了研究。文獻(xiàn)［13］對(duì)電子式互感器合并單元進(jìn)行了深入研究，為電磁式電壓互感器向電子式互感器的轉(zhuǎn)化奠定良好基礎(chǔ)，但未對(duì)電子式互感器本體進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［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(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但受分壓電阻影響較大，準(zhǔn)確度等級(jí)較低；文獻(xiàn)［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(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但該類電子式互感器同樣準(zhǔn)確度較差，且穩(wěn)定性不好，使用周期短；文獻(xiàn)［16］提出一種基于可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）的電子式互感器數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)方案，雖然未對(duì)電子式互感器本體提出設(shè)計(jì)，但對(duì)于電子式互感器的一次側(cè)和二次側(cè)的信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)化方式提供了良好的借鑒。

提出一種基于全光纖技術(shù)的電子式電壓互感器，對(duì)該裝置進(jìn)行了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)二次側(cè)機(jī)箱硬件部分和軟件系統(tǒng)分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后，通過與傳統(tǒng)電磁式電壓互感器進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)以及測量重復(fù)性試驗(yàn)，證明該互感器性能可靠。該裝置可廣泛應(yīng)用于各電壓等級(jí)變電站。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由屏蔽裝置、傳感模塊、保偏光纖和二次側(cè)機(jī)箱組成，其中二次機(jī)箱包括光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)。屏蔽系統(tǒng)由金屬材料制成，較好地屏蔽了外界電場對(duì)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(tǒng)的主要作用為接收來自電子式互感器一次側(cè)的高壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電場。由于電場強(qiáng)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(qiáng)度成正比。因此，通過對(duì)電場的間接測量即可完成一次側(cè)高壓信號(hào)的測量。傳感模塊由法拉第準(zhǔn)直旋光器和電光晶體組成，懸浮于屏蔽裝置空間內(nèi)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(tǒng)相連。光路系統(tǒng)內(nèi)部配有穩(wěn)定光源，光源由超輻射發(fā)光二極管產(chǎn)生，其中心波長為1 550 nm。光源在光路系統(tǒng)中分成2 束正交的線偏振光。2 束線偏振光經(jīng)過保偏光纖后傳輸至傳感模塊，在穩(wěn)定電場作用下產(chǎn)生相位差，相位差的大小與電場的大小即一次側(cè)產(chǎn)生的高壓電勢成正比［17］。具有相位差的2 束偏振光經(jīng)保偏光纖重新返回至光路系統(tǒng)，通過光電探測器將相位差信號(hào)轉(zhuǎn)化模擬電信號(hào)傳輸至電路系統(tǒng)中。電路系統(tǒng)將模擬信號(hào)經(jīng)一系列模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)化，傳輸至電子式互感器的二次側(cè)，完成測量或保護(hù)功能［18?20］。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 二次側(cè)機(jī)箱硬件設(shè)計(jì)

2.1 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由光源、光電探測器、環(huán)形器、Y 波導(dǎo)調(diào)制器和保偏耦合器組成。光源為光路系統(tǒng)自帶恒定發(fā)光系統(tǒng)，其內(nèi)部主要發(fā)光器件為中心波長為1 550 nm 超輻射發(fā)光二極管，其作用為產(chǎn)生恒定光照強(qiáng)度，電源有電路系統(tǒng)提供；環(huán)形器與光源和Y 波導(dǎo)調(diào)制器相連，其作用為傳輸光源信號(hào)或來自Y 波導(dǎo)調(diào)制器的干涉光信號(hào)；Y 波導(dǎo)調(diào)制器與環(huán)形器和保偏耦合器相連，其作用為將來自環(huán)形器的光源信號(hào)分解成2 束正交偏振光或?qū)碜员Ｆ詈掀鞯钠窆庑盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮婀庑盘?hào)；保偏耦合器與Y 波導(dǎo)調(diào)制器和保偏光纖相連，其作用為傳輸偏振光信號(hào)；光電探測器為光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)的連接裝置，其作為用為將干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)，供電路系統(tǒng)使用。

圖2 光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由光電探測器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP、FPGA、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路組成。光電探測器接收來自光路系統(tǒng)的干涉光信號(hào)，轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理器DSP 處理后完成數(shù)字信號(hào)輸出，得到電子式互感器的二次電壓值。同時(shí)，該數(shù)字量信號(hào)經(jīng)可編程門陣列FPGA編輯為可供Y 波導(dǎo)調(diào)制器使用的階梯波信號(hào)（數(shù)字信號(hào)），經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量階梯波信號(hào)，傳輸至Y波導(dǎo)調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電路中，最終完成對(duì)Y 波導(dǎo)調(diào)制器的閉環(huán)控制。

圖3 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)軟件環(huán)境采用TI公司集成開發(fā)環(huán)境代碼編寫器平臺(tái)（Code Composer Studio，CCS），運(yùn)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(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、輸出二次電壓值、D/A轉(zhuǎn)換、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)、干涉光轉(zhuǎn)換等流程。系統(tǒng)完成初始化之后開始進(jìn)行干涉光檢測，若未發(fā)現(xiàn)干涉光則重新進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)干涉光則將其進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號(hào)后通過DSP 進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，完成二次電壓的輸出。同時(shí)將數(shù)字量信號(hào)通過可編程門陣列FPGA進(jìn)行數(shù)字量階梯波信號(hào)編輯，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換生成模擬量階梯波信號(hào)，完成Y波調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)。通過Y 波調(diào)制器將光路系統(tǒng)的偏振光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮婀?，進(jìn)行重新進(jìn)行干涉光檢測，實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖4 軟件流程

4 應(yīng)用試驗(yàn)比對(duì)

為驗(yàn)證該全光纖型電子式電壓互感器（0.2 級(jí)）計(jì)量性能，依據(jù)JJF 314—2010《測量用電壓互感器檢定規(guī)程》［21］和JJF 1021—2007《電力互感器檢定規(guī)程》［22］，將其與某0.2 級(jí)220 kV 電磁式電壓互感器進(jìn)行比對(duì)。依據(jù)檢定規(guī)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(duì)其比值誤差和相位誤差進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如表1和表2所示。依據(jù)檢定規(guī)程要求，0.2級(jí)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(jié)果均滿足0.2 級(jí)電壓互感器要求。同時(shí)，電子式電壓互感器在不同測量點(diǎn)誤差變化遠(yuǎn)小于電磁式電壓互感器，體現(xiàn)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(duì)表 單位：%

表2 相位誤差比對(duì)表 單位：（′）

5 測量重復(fù)性試驗(yàn)

采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差方法驗(yàn)證該全光纖型電子式電壓互感器測量重復(fù)性，依據(jù)JJF 314—2010《測量用電壓互感器檢定規(guī)程》，在100%UN條件將其在相同的試驗(yàn)人員、相同的標(biāo)準(zhǔn)器條件下，一天之內(nèi)對(duì)其進(jìn)行10 次獨(dú)立重復(fù)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(shù)據(jù)

采用貝塞爾公式計(jì)算測量數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為

式中：s為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差；n為測量次數(shù)；xi為第i次測量中電子式電壓互感器的測量結(jié)果；xˉ為被電子式電壓互感器的n次測量平均值。

經(jīng)計(jì)算，比值誤差實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s比=0，相位誤差實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s相≈0.441′。依據(jù)JJF 314—2010《測量用電壓互感器檢定規(guī)程》要求，0.2 級(jí)電壓互感器在100%UN條件下測量重復(fù)性（實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fù)性符合要求。

6 結(jié)語

提出一種基于全光纖技術(shù)的電子式電壓互感器，對(duì)該裝置從一次側(cè)和二次側(cè)分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將一次側(cè)分解為屏蔽裝置、傳感模塊、保偏光纖3部分并進(jìn)行了功能介紹。將二次側(cè)分解為光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)并分別給出了原理結(jié)構(gòu)圖，同時(shí)對(duì)電路系統(tǒng)給出軟件流程圖。最后與傳統(tǒng)220 kV 電磁式電壓互感器進(jìn)行了誤差比對(duì)試驗(yàn)和測量重復(fù)性試驗(yàn)，證明該互感器性能可靠。電子式互感器由于其內(nèi)部電子元器件較多，如何保證其長期運(yùn)行仍具有良好的電磁兼容性和計(jì)量誤差穩(wěn)定性將是今后研究的重點(diǎn)方向，相關(guān)成果將在未來研究工作中給出。