陳銘明 ，盧樹(shù)峰 ，包玉樹(shù) ，梁 凱，王少華

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102；3.無(wú)錫供電公司，江蘇無(wú)錫214101)

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深化推進(jìn)，國(guó)網(wǎng)公司部署在多個(gè)省份開(kāi)展智能化變電站的建設(shè)工作，光學(xué)電流互感器得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)智能變電站的建設(shè)起到了引領(lǐng)和示范作用。各工程、科研相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)光學(xué)電流互感器投運(yùn)后的誤差運(yùn)行狀況密切關(guān)注，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行誤差特性研究、為國(guó)網(wǎng)公司提供一線(xiàn)技術(shù)支持勢(shì)在必行[1]。為保證光學(xué)電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)誤差良好，在出廠前必須在規(guī)程規(guī)定的一次電流和二次負(fù)載下對(duì)光學(xué)電流互感器做誤差測(cè)試，運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)安裝后再對(duì)光學(xué)電流互感器做現(xiàn)場(chǎng)誤差測(cè)試，消除安裝環(huán)節(jié)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)誤差的影響。但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，光學(xué)電流互感器投運(yùn)后，對(duì)其誤差特性缺少跟蹤分析能力，導(dǎo)致對(duì)光學(xué)電流互感器長(zhǎng)期運(yùn)行下的計(jì)量特性無(wú)法作出準(zhǔn)確的評(píng)估。相應(yīng)評(píng)價(jià)目前尚屬空白。

光學(xué)電流互感器在出廠前要經(jīng)過(guò)誤差測(cè)試，合格方允許供貨。但由于光學(xué)電流互感器對(duì)溫度、振動(dòng)均敏感，在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝后再?gòu)?fù)測(cè)誤差往往不再合格。特別是對(duì)于光學(xué)電流互感器與合并器供貨商不同的情況，光學(xué)電流互感器在出廠前的誤差測(cè)試是基于互感器本體，但現(xiàn)場(chǎng)安裝后數(shù)字信號(hào)是基于合并器送出的數(shù)據(jù)集，即使互感器本體誤差合格，經(jīng)過(guò)合并器環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理、延時(shí)設(shè)定等環(huán)節(jié)后誤差有不同程度的漂移。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和計(jì)量測(cè)試的需要，對(duì)光學(xué)電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試必須帶合并器一同測(cè)試，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明，光學(xué)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)組裝完畢帶合并器測(cè)試絕大部分甚至全部超差，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校，然后復(fù)測(cè)方能在20%以上額定一次電流合格，對(duì)于輕載特別是5%額定一次電流以下時(shí)，誤差漂移、瞬變嚴(yán)重，甚至無(wú)法讀取合理的數(shù)據(jù)。光學(xué)電流互感器投運(yùn)后的誤差是否會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的變化而大幅度變化？特別是在實(shí)際運(yùn)行時(shí)各種電磁干擾環(huán)境下光學(xué)電流互感器還能否穩(wěn)定運(yùn)行、誤差是否始終合格？此類(lèi)問(wèn)題迄今尚沒(méi)有相關(guān)實(shí)踐數(shù)據(jù)，因此對(duì)光學(xué)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行誤差特性進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)比對(duì)分析對(duì)于全面研究光學(xué)電流互感器誤差特性、光學(xué)電流互感器貿(mào)易結(jié)算性能評(píng)估和智能變電站計(jì)量裝置配置方案優(yōu)化均有重要意義。當(dāng)前，電子式互感器因其在絕緣、通信傳輸、數(shù)據(jù)綜合處理等方面的優(yōu)勢(shì)引起科研界與工程界的高度重視和廣泛關(guān)注。誤差比對(duì)分析裝置由采樣單元、同步單元、運(yùn)算單元和傳輸單元組成，利用現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行誤差實(shí)時(shí)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行誤差數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程分析，為光學(xué)電流互感器的運(yùn)行誤差分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)電流互感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行誤差，適用于同時(shí)具備光學(xué)和電磁式電流互感器的智能變電站。

1 光學(xué)電流互感器基本原理

常見(jiàn)的光學(xué)電流互感器工作原理主要為法拉第效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng),其中以Faraday效應(yīng)為其工作原理的F光學(xué)電流互感器常采用偏振檢測(cè)方法或利用Faraday效應(yīng)的非互易性采用Sagnac干涉儀實(shí)現(xiàn)檢測(cè)[2，3]。由于Faraday效應(yīng)具有非互易性。而光纖中的線(xiàn)性雙折射具有互易性，二者之間這種差別使得采用Sagnac干涉儀實(shí)現(xiàn)電流傳感成為很有吸引力的方案。Sagnac干涉儀型F光學(xué)電流互感器又可分為環(huán)形結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)2種，其原理圖如圖1、圖2所示。其中，反射結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器具有優(yōu)良的互易性和較強(qiáng)的抗外界環(huán)境干擾能力，是一個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的光學(xué)電流互感器方案。

圖2 Sagnac反射結(jié)構(gòu)的F光學(xué)電流互感器原理圖

2 光學(xué)電流互感器存在問(wèn)題

根據(jù)光學(xué)電流互感器的設(shè)計(jì)與制造工藝，電流互感器的影響主要表現(xiàn)在置于戶(hù)外的傳感頭的精度上。根據(jù)實(shí)際情況可分為下面兩個(gè)溫度源的影響：一是緩慢變化的空間上均勻分布的環(huán)境溫度；二是變化復(fù)雜的空間上分布不均勻的溫度。在均勻溫度場(chǎng)中，傳感頭中傳播的光路徑會(huì)因此發(fā)生變化，進(jìn)而使得光功率變化。對(duì)于這種影響可采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法來(lái)應(yīng)對(duì)。在非均勻溫度場(chǎng)中，光學(xué)器件之間發(fā)生非均勻的熱膨脹，從而使之產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起附加溫度應(yīng)力雙折射，直接影響線(xiàn)偏振光的偏轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致難以消除的測(cè)量誤差[4-6]。光學(xué)電流互感器實(shí)現(xiàn)的最大困難是其本身的光學(xué)系統(tǒng)折射效應(yīng)會(huì)隨環(huán)境因素變化而變化，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。其根本原因在于光纖的線(xiàn)性雙折射效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響：降低系統(tǒng)靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性，使測(cè)量結(jié)果與被測(cè)電流在光路內(nèi)的位置有關(guān)等。歸結(jié)F光學(xué)電流互感器在應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題如下：

（1）使用壽命。壽命不僅和設(shè)計(jì)有關(guān)，和材料元器件選擇，生產(chǎn)過(guò)程的工藝和質(zhì)量控制也密切相關(guān)。

（2）溫度的影響。溫度變化對(duì)光源、光纖光路、敏感環(huán)等帶來(lái)影響。

（3）長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。熱老化、熱循環(huán)、溫度濕度循環(huán)、振動(dòng)、熱沖擊、干熱、濕熱等。

（4）小電流信號(hào)下的測(cè)量準(zhǔn)確度。由于光學(xué)電流互感器通過(guò)光學(xué)檢測(cè)來(lái)獲取信號(hào)，其中必定含有光學(xué)散粒噪聲，光學(xué)傳感器的輸出都會(huì)有噪聲，其衡量指標(biāo)與使用信號(hào)的寬帶有關(guān)。所以測(cè)試零電流也會(huì)有輸出，即噪聲，不過(guò)該噪聲的均值為0。目前可以測(cè)到1 A的電流。

3 誤差比對(duì)系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)

誤差比對(duì)系統(tǒng)由采樣單元、同步單元、運(yùn)算單元和傳輸單元組成。采樣單元，用于光學(xué)電流互感器一次電流信號(hào)及電磁式電流互感器二次電流信號(hào)的采樣；同步單元，用于采集到的光學(xué)電流互感器一次電流信號(hào)及電磁式電流互感器二次電流信號(hào)同步；運(yùn)算單元，用于計(jì)算光學(xué)電流互感器的一次電流信號(hào)和電磁式電流互感器的二次電流信號(hào)有效值、相位及頻率，并進(jìn)行實(shí)時(shí)角差和比差計(jì)算，得到實(shí)時(shí)比對(duì)誤差數(shù)據(jù)；傳輸單元，用于將得到的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[7-9]。如圖3所示。

圖3 光學(xué)電流互感器誤差在線(xiàn)比對(duì)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3中采樣單元包括精密穿心零磁通互感器，用于將電磁式電流互感器5 A的二次電流轉(zhuǎn)換成10 mA小電流信號(hào)；電流/電壓變換器，用于小電流信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換器采用24位的高精A/D轉(zhuǎn)換器，并以4 kHz的頻率對(duì)電流/電壓變換器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供運(yùn)算單元處理；以太網(wǎng)卡，用于光學(xué)電流互感器接收IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包，并傳輸給運(yùn)算單元處理，所述精密穿心零磁通互感器的輸入端與電磁式電流互感器的輸出端相連接，所述精密穿心零磁通互感器的輸出端通過(guò)電流/電壓變換器與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端相連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與運(yùn)算單元相連接，所述以太網(wǎng)卡的輸入端與光學(xué)電流互感器的輸出端相連接，所述以太網(wǎng)卡的輸出端與運(yùn)算單元相連接，所述以太網(wǎng)卡與A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)有同步單元。

同步單元在以太網(wǎng)卡接收IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包的同時(shí)記錄IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包中0號(hào)包所對(duì)應(yīng)的時(shí)標(biāo)信息，并輸入給運(yùn)算單元，運(yùn)算單元控制A/D轉(zhuǎn)換器的采集頻率，實(shí)現(xiàn)同步采集，運(yùn)算單元還通過(guò)時(shí)標(biāo)信息和A/D轉(zhuǎn)換器的固有延遲時(shí)間進(jìn)行同步的相位補(bǔ)償。運(yùn)算單元采用DSP處理器進(jìn)行快速運(yùn)算，將電磁式電流互感器的二次電流的采樣值進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算出有效值、相位及頻率，然后根據(jù)IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包中0號(hào)包所對(duì)應(yīng)的時(shí)標(biāo)信息和24 Bit AD的固有延遲時(shí)間，補(bǔ)償相位，獲得光學(xué)電流互感器與電磁式電流互感器的實(shí)時(shí)比對(duì)數(shù)據(jù)。傳輸單元采用ARM處理器，將實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。

圖4 比對(duì)系統(tǒng)硬件框圖

4 比對(duì)算法

在線(xiàn)比對(duì)算法包括同步算法、誤差比對(duì)算法和存儲(chǔ)傳輸策略，其中同步是將光學(xué)電流互感器和電磁式電流互感器的電流信號(hào)進(jìn)行同步控制，并傳輸給后續(xù)單元以便進(jìn)行誤差比對(duì)計(jì)算；誤差比對(duì)是指通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元模塊進(jìn)行幅值、頻率、相位計(jì)算，并將兩者進(jìn)行比對(duì)得到實(shí)時(shí)比對(duì)誤差；存儲(chǔ)和傳輸策略是指大量比對(duì)誤差數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸?shù)目刂撇呗?。光學(xué)電流互感器比對(duì)系統(tǒng)算法控制流程如圖5所示。

圖5 光學(xué)電流互感器比對(duì)系統(tǒng)算法控制流程圖

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及效果

為保證掛網(wǎng)設(shè)備和電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)方案采用傳統(tǒng)電流互感器二次電流經(jīng)精密電流互感器穿心兩匝的方式獲取二次模擬量電流信號(hào)，保證長(zhǎng)期掛網(wǎng)運(yùn)行的安全性，其原理如圖6所示，為了驗(yàn)證電流環(huán)方式的準(zhǔn)確性，比對(duì)裝置的電流接口配置兩套接插件，一套電流環(huán)式，一套回路接入式，在條件允許的情況下用短時(shí)間回路接入式的誤差數(shù)據(jù)對(duì)電流環(huán)接入式的誤差進(jìn)行校核。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行電流輸入示意圖

光學(xué)電流互感器實(shí)時(shí)誤差分析裝置掛網(wǎng)運(yùn)行的4個(gè)月期間，運(yùn)行安全，未發(fā)生任何設(shè)備、數(shù)據(jù)方面的問(wèn)題，為光學(xué)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)誤差評(píng)估積累了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的光學(xué)電流互感器實(shí)時(shí)誤差分析系統(tǒng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)光學(xué)互感器現(xiàn)場(chǎng)誤差比對(duì)的空白。該方案通過(guò)實(shí)際研制已形成成品，并通過(guò)了誤差校準(zhǔn)測(cè)試以及電磁兼容測(cè)試，均符合掛網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)條件。該裝置并在無(wú)錫西涇變掛網(wǎng)運(yùn)行4個(gè)多月時(shí)間，為光學(xué)電流互感器的運(yùn)行誤差分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)電流互感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行誤差，從而保證智能化變電站的電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

[1]王 巍，張志鑫，楊儀松.全光纖式光學(xué)電流互感器技術(shù)及工程應(yīng)用[J].供用電技術(shù)，2009，26(1)：46-48.

[2]劉延冰，李紅斌，葉國(guó)雄，等.電子式互感器原理技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3]肖 浩，劉博陽(yáng)，灣世偉，等.全光纖電流互感器的溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，35(21)：92-94.

[4]王夏霄，張春熹，張朝陽(yáng)，等.光纖電流互感器/4波片溫度特性及其影響研究[J].激光與紅外，2006，36(7)：597-599.

[5]賈 愷，姚壽銓.光纖λ/4波片的溫度特性[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，15(5)：457-460.

[6]王立輝，伍雪峰，孫 健，等.光纖電流互感器噪聲特征及建模方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(1)：62-66.

[7]陳文中，林 一，周 健.數(shù)字化變電站全光纖電流互感器準(zhǔn)確度校驗(yàn)[J].華東電力，2009，37(12)：2022-2024.

[8]劉 曄，王采堂，蘇彥民.光學(xué)電流互感器線(xiàn)性雙折射效應(yīng)的補(bǔ)償研究[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，1999（5）：25-27.

[9]童 悅.數(shù)字化輸出的電子式電流互感器在線(xiàn)校驗(yàn)系統(tǒng)研制[J].高電壓技術(shù)，2010，36(7)：1742-1746.