DQZHAN技術(shù)訊：光纖電流互感器在配電網(wǎng)自動化中的應(yīng)用

由智能配電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，引出了光纖電流互感器的研制背景，簡要介紹了其設(shè)計原理、產(chǎn)品特性及功能實現(xiàn)，并結(jié)合典型工程應(yīng)用進行了實例分析。

智能配電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀及存在問題

國家電網(wǎng)公司從20 世紀90 年代初就開展了配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的試點工作，先后進行了一系列大量的科技試點和運行實踐活動。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)、產(chǎn)品不斷革新。與一次側(cè)電網(wǎng)相比，智能配電網(wǎng)發(fā)展相對不快，主要原因如下：

(1)配電網(wǎng)涉及范圍廣、投資大。配電網(wǎng)所測控的對象包括開閉站、環(huán)網(wǎng)柜、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等，需要進行監(jiān)測的設(shè)備眾多，但由于經(jīng)濟等方面的限制，實際的測量設(shè)備安裝數(shù)量遠遠無法滿足需要。而且，由于設(shè)備性能、安裝環(huán)境等方面的原因，配網(wǎng)量測終端采集的數(shù)據(jù)受外界干擾較大，數(shù)據(jù)可用性不高。

(2)已建配電網(wǎng)的配電網(wǎng)自動化終端安裝、電動操動機構(gòu)改造等實施難度大。

(3)在試點過程中存在不少誤區(qū)。如存在認識偏差，過分追求狹義的故障處理功能(DA)，沒有建立整體全局觀，導(dǎo)致配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)綜合效益無從顯現(xiàn)。

(4)中心主站系統(tǒng)沒能很好地融合到綜合信息系統(tǒng)，沒能很好地服務(wù)于配電網(wǎng)的規(guī)劃、運行、維護;缺乏對整個配電調(diào)度管理系統(tǒng)的統(tǒng)籌考慮，大大限制了配電自動化系統(tǒng)的易用性和實用性。在過去近20 年的配電網(wǎng)自動化改造當(dāng)中，真正整體實現(xiàn)了配電網(wǎng)自動化的區(qū)域非常少見，這與智能電網(wǎng)所要達到的目標(biāo)，出現(xiàn)了非常大的差距。

國家電網(wǎng)公司提出了智能配電網(wǎng)步步推進的技術(shù)路線圖。配電網(wǎng)自動化作為智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)也備受重視。

在新一輪以智能電網(wǎng)為核心的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)建設(shè)過程中，給出新建項目技術(shù)方案的同時，應(yīng)充分考慮到已建項目正處于運行之中的特點，必須考慮到因?qū)嵤┡潆娋W(wǎng)自動化改造而帶來的對運行可靠性的影響，及前述配電網(wǎng)自動化已存在的缺陷。配電網(wǎng)自動化所需要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)主要是電流和電壓，其他數(shù)據(jù)基本上都可以通過電流和電壓數(shù)據(jù)計算來獲取，為此希望在智能電網(wǎng)范疇內(nèi)的配電網(wǎng)自動化改造過程中，能夠結(jié)合目前存在的缺陷，找到一個盡量降低缺陷影響的新辦法和新思路。

2004 年IEC 60044-8 《互感器 電子式電流互感器》技術(shù)標(biāo)準頒布以來，有的新建變電站采用了光纖電流互感器技術(shù)，光纖傳感技術(shù)已融入到智能變電站中。但是同時也必須認識到，在高電壓等級所采用的光纖電流互感器技術(shù)，在穩(wěn)定性、抗干擾性能等多個方面，還存在很多問題。目前尚不能做為成熟產(chǎn)品來應(yīng)用。

國內(nèi)10kV 網(wǎng)架的配電終端所采集的數(shù)據(jù)，都是基于傳統(tǒng)電磁原理的互感器，主網(wǎng)的先進技術(shù)遲遲不能應(yīng)用到配電網(wǎng)領(lǐng)域。在配電網(wǎng)自動化改造過程中，對已存在的一次系統(tǒng)加裝電流互感器，也成為一項比較耗時費力的工作。為了破解這個困擾業(yè)界的難題，將新型傳感技術(shù)運用到配電網(wǎng)自動化的電流互感器當(dāng)中，替代傳統(tǒng)電流互感器就變得非常必要和迫切。

光纖電流互感器的提出及研制

光纖技術(shù)測量電流始于20 世紀60 年代，1963 年美國就已經(jīng)在230kV 變電站中掛網(wǎng)運行。1979 年英國掛網(wǎng)運行了全光纖互感器，1993 年我國在廣東電網(wǎng)運行了華中科技大學(xué)研制的光纖電流互感器;進入2000 年后，許繼集團聯(lián)合華北電力大學(xué)，南瑞集團聯(lián)合航天科技，ABB、西安創(chuàng)維等都在國內(nèi)電網(wǎng)上試運行了光纖電流互感器;近幾年上海嘉定變電站等投運了光傳感電流互感器。

以上的技術(shù)和產(chǎn)品主要集中在高電壓等級的主網(wǎng)，在中壓領(lǐng)域開展光纖傳感技術(shù)研究，國內(nèi)尚未有實際應(yīng)用產(chǎn)品。

而在國外，擁有150 萬客戶的丹麥*大電力公司 DONG Energy 在2002 年提出需求：“希望能有產(chǎn)品在不停電、不破壞現(xiàn)有運行設(shè)備的條件下，具有檢測中壓電纜線路故障和電流的**測量功能?！苯?jīng)廣泛調(diào)查后發(fā)現(xiàn)市場上沒有符合條件的標(biāo)準定型產(chǎn)品，為此，DONG Energy 發(fā)起并聯(lián)合丹麥大學(xué)光學(xué)實驗室及相關(guān)機構(gòu)，組織了公司專攻技術(shù)與工程應(yīng)用。2004 年，光纖電流互感器在DONG Energy 實現(xiàn)了現(xiàn)場運行，配電終端以光纖互感器為基礎(chǔ)，具有“技術(shù)先進、功能實用、安裝便捷、適應(yīng)智能電網(wǎng)需求、可靠性高”等特點，目前在全世界20 多個國家的配電網(wǎng)領(lǐng)域得到實際運行應(yīng)用。

經(jīng)過了工程實踐和不斷完善，以光纖電流互感器為主體組成的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)，已成為一個專業(yè)的、相對成熟的技術(shù)產(chǎn)品體系。

光纖傳感配電終端通過光纖電流互感器來采集運行時的電流量，配合FTU/DTU所采集的電壓量，可以將有功功率、無功功率、頻率等信息進行**計算，以及判斷短路故障電流、接地故障和故障距離等，采集精度高，計算量準確;還有多路信號采集回路及控制輸出回路;通過通信模塊，以網(wǎng)絡(luò)RJ 45、無線GPRS 及串行RS 485/232為物理接口， 以IEC 60870-5-101/104 和CDT 協(xié)議和配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)主站實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互。也可以通過IEC 61850 協(xié)議，實現(xiàn)光纖電流互感器獨立發(fā)布數(shù)據(jù)。

光纖電流互感器的設(shè)計原理及實現(xiàn)基本原理

當(dāng)一束線偏振光在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度β 與磁感應(yīng)強度B 和光穿越介質(zhì)的長度d 的乘積成正比，即β=VBd ，比例系數(shù)V 稱為費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)。

光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)

LED 發(fā)出的光源，經(jīng)過光學(xué)準直鏡頭以后，形成平行光進入起偏器，經(jīng)過起偏器以后轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，當(dāng)線偏振光經(jīng)過安裝在導(dǎo)線上的磁光晶體時，導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場將使光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的偏振光通過檢偏器，檢測出偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。

經(jīng)過檢偏器以后的變化了光強的光，經(jīng)過**光纖后由光處理模塊上的光電探測器接收，并把它轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過相關(guān)電路檢出其光強變化，再經(jīng)過信號處理、信息提取等智能過程，從而實現(xiàn)對導(dǎo)體內(nèi)電流強度的檢測。圖1 為光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)示意圖

光纖電流互感器的實現(xiàn)方法

光電檢測原理主要通過以下幾部分實現(xiàn)：光學(xué)器件：包括光傳感頭、絕緣件、夾具、定制光纖等;

光電處理模塊：包括發(fā)光器件、光接收器件、光電轉(zhuǎn)換、計算及分析判斷。圖2 為光電檢測原理框圖。

光纖電流互感器的特點如下：

(1)量程寬、精度高、頻帶寬、響應(yīng)快，可同時滿足測量和保護需要。

(2)安裝維護便利，不損壞、不切割已有設(shè)備。

(3)全絕緣、耐高溫，無二次開路危險。

(4)短路故障測距，提高供電系統(tǒng)可靠性。

(5)節(jié)能環(huán)保，促進可持續(xù)發(fā)展。

硬件架構(gòu)模式

光纖電流互感器所運行的硬件平臺，以高速雙CPU 架構(gòu)模式和16 位AD 作為核心元器件，包含大容量的程序FLASH、RAM、I/O 接口、SCI、SPI 等資源，大大地簡化了硬件的復(fù)雜程度，提高了硬件的可靠性。主體硬件構(gòu)架模式如圖3 所示。

圖3 主體硬件構(gòu)架模式

支撐光纖電流互感器的硬件平臺功能

(1)板件組成。 光纖電流互感器由通信ARM 板、采集DSP 板、光纖電流互感器板、電流互感器板、PT 板、遙信板、遙控板、電源板組成。

(2)通信ARM 板功能。 ARM 板配置了RS 232 調(diào)試口、以太網(wǎng)口、RS 232/485 口、GPRS 模塊以及光纖通信接口，實現(xiàn)終端同主站之間的數(shù)據(jù)交換功能。ARM 板還擁有大容量的程序空間、SDRAM、I/O 口以及SCI、SPI、I2C、Ethernet 等接口，使用雙口RAM 與采樣DSP 板交換數(shù)據(jù);芯片具有IEEE 1588 硬件支持功能，其時鐘**性能達到40ns，可滿足IEC 61850 協(xié)議所需的**對時要求。

(3)采集DSP 板功能。負責(zé)計算和分析FPGA 傳輸過來的采樣數(shù)據(jù)，同時通過雙口RAM 與通信ARM板進行數(shù)據(jù)交換，是整個設(shè)備的處理中心，*大容量可設(shè)計為40 路遙測、64 路遙信、10 路遙控，可滿足10 條線路開閉所的測量和遙控的技術(shù)要求;FPGA 芯片負責(zé)收集各采集板的采樣數(shù)據(jù)，同時也是命令下發(fā)的中間通道;DSP 板還擁有程序存儲空間NORFLASH、RAM 等接口;另外還具有CAN 通信口、RS 232 調(diào)試口、數(shù)字量輸入和輸出。

(4)光纖電流互感器板功能。每塊光纖電流互感器板完成6 路交流電流和2 路零序電流的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，6 路交流電流是通過接收光纖電流互感器的光信號轉(zhuǎn)換為CPU 能接受的信號，2 路零序電流是通過接收傳統(tǒng)電流互感器的電流信號轉(zhuǎn)換為CPU 能接受的信號，一般采集兩條線路的三項交流電流量和零序電流量。交流電流可測*大一次側(cè)電流10000A，零序電流量程可通過電阻改變，一般為0~1A。

以光纖電流互感器為核心的配電網(wǎng)自動化終端(FTU/DTU)功能

(1)三遙功能。遙測、遙信、遙控。

(2)故障檢測功能。通過采集線路的電壓、電流量，提供零序過電壓、零序過電流、線路過負荷、線路三相過電流等檢測功能。根據(jù)采集到的電流大小及設(shè)置的定值，能夠自動快速判別線路是否發(fā)生故障，區(qū)分故障電流方向、識別單相接地或相間短路故障，并將故障信息和性質(zhì)及時主動上報給配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)，以便進行相應(yīng)故障處理。

(3)其他配電網(wǎng)自動化必要的功能。包括通信功能，調(diào)試、維護、管理功能，統(tǒng)計及數(shù)據(jù)存儲功能，可靠性設(shè)計等。

光纖電流互感器安裝及應(yīng)用

光纖電流互感器外觀

(1)戶內(nèi)型光纖電流互感器及DTU外觀見圖4。

(2)戶外型光纖電力傳感器及FTU外觀見圖5。

圖5 戶外型光纖電力傳感器及FTU外觀

安裝方法

安裝光纖電流互感器的具體方法如下：

(1)安裝前應(yīng)將傳感頭放置于所安裝的環(huán)境約2 小時，以使傳感頭充分適應(yīng)安裝地點的環(huán)境。

(2)清潔安裝點，擦拭掉塵土和油污等;若在電力電纜上進行安裝，此安裝點處應(yīng)沒有鎧甲和屏蔽層，因為鎧甲會對磁場的分布產(chǎn)生影響，而屏蔽層中可能存在的感應(yīng)電流，都會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

(3)在所需安裝位置涂抹硅膠(指甲大小即可)，將傳感頭凹面貼緊硅膠并用扎帶扎緊。

(4)將光纖沿電纜下引，用耐熱墊片將光纖和導(dǎo)體隔開，并用扎帶扎緊。當(dāng)光纖進入鎧甲或屏蔽層區(qū)域后即可不必使用墊片(即光纖表面和電纜絕緣表面直接接觸);此處還應(yīng)注意，傳感頭圓圈的直徑應(yīng)控制在8cm 左右。見圖6。

圖6 傳感頭安裝示意圖

(5)將光纖沿事先選擇好的路徑敷設(shè)好，并在適當(dāng)位置用扎帶固定;敷設(shè)過程中應(yīng)保證光纖保持自然曲度(彎曲半徑應(yīng)大于10cm)，以免影響光線傳播。

(6)對于三相電纜，傳感頭的安裝位置還應(yīng)考慮相間電磁場的影響;根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)原理，只有當(dāng)磁場方向平行于光的傳播方向時才會造成光的偏轉(zhuǎn)，因此多個傳感頭在多條電纜的環(huán)境中安裝時，安裝方式的選擇對測量精度的影響很大。如圖7 所示，L2 相產(chǎn)生的磁場B 垂直穿過L1、L3 相上的傳感頭，因此不會對其的測量精度產(chǎn)生影響，若按圖8的方式安裝，每個傳感頭均受到3 相磁場的影響，因此，測量的精度較低。

(7)將光纖引入箱體，并在箱體內(nèi)保留適宜的長度以保證足夠的彎曲度。

(8)將光纖輕輕插入光纖接口的一端，另一根輕輕插入另一端;插入過程要注意確保光纖已插至底部但不可太過用力;將光纖連接端子輕輕向里推至底部固定光纖。如圖9 所示。

圖9 光纖連接示意圖

拆除光纖時，先將光纖連接端子輕輕向外拔出，隨后將光纖拔出，并用相應(yīng)的保護帽對連接端子以及光纖尾部進行保護。光纖的尾部截面經(jīng)特殊工藝打磨處理，操作過程中必須保證光纖尾部截面的清潔，不可接觸泥土、油污等，也不要用手指觸碰截面，以免污物造成光的折射、反射，影響光的傳輸，造成測量誤差過大。

(9)系統(tǒng)安裝完成上電后首先要對系統(tǒng)光值進行測量，光值過大或過小都會影響測量精度，因此在光值不滿足要求時應(yīng)調(diào)整光纖插入長度，直到光值滿足要求。

典型工程應(yīng)用

以本文原理研發(fā)的光纖電流互感器以及與之配套的FTU/DTU 已經(jīng)在多個環(huán)境下使用過。其中戶內(nèi)型的典型應(yīng)用如大慶油田等，見圖10;戶外型的典型應(yīng)用如山東濱州供電公司、山東淄博供電公司、天津供電公司等，見圖11。在現(xiàn)場實施的過程中，均體現(xiàn)了光纖電流互感器安裝方便快捷的特點。戶外型本身設(shè)計可以帶電安裝。戶內(nèi)型以大慶油田采油二廠35kV/6kV變電站為例，該變電站監(jiān)測線路包括14 條6kV 出線，僅用了兩天時間即全部完成自動化改造，其中*少停電時間的線路僅僅為20分鐘，大大縮短了工期，減少了停電時間。

圖10 戶內(nèi)光纖電流互感器安裝圖

圖11 戶外光纖電流互感器安裝圖

存在的問題及解決方法

雖然光纖電流互感器具有較多的優(yōu)點，但是同時也具有一定的缺點，如：

(1)對安裝的要求比較高。為了避免鄰相的電磁干擾影響，對于光纖電流互感器的安裝要求比較高，必須嚴格與所檢測相的電纜保持垂直。

(2)需要進行二次校準。由于各種電纜參數(shù)、溫度參數(shù)等的不同，安裝戶內(nèi)的光纖電流互感器以后，需要進行校準后再運行。

(3)小電流下誤差比較大。在20~80A的環(huán)境下，測量誤差為±1A。安裝位置與二次校準的缺陷，可以用海量電纜參數(shù)數(shù)據(jù)庫的方法，或者直接將光纖電流互感器固化到開關(guān)內(nèi)部的辦法來解決。

小電流誤差比較大的原因，主要是因為小電流所產(chǎn)生的磁場強度比較弱，相對于周圍環(huán)境的磁場強度，更容易受到影響。需要通過加強屏蔽等抗干擾措施，或者應(yīng)用于大電流區(qū)域等方法來解決。