基于光纖以太網(wǎng)的光學(xué)電流傳感器接口設(shè)計(jì)

基于光纖以太網(wǎng)的光學(xué)電流傳感器接口設(shè)計(jì)

1光學(xué)電流進(jìn)行cur治理目前，通過電氣系統(tǒng)的能源效率損失，主要是基于電磁感應(yīng)原理形成的電磁性電流補(bǔ)償。隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)和傳輸容量的不斷增加,由于鐵心磁飽和及磁滯回線的影響,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器(CT)的暫態(tài)輸出電流嚴(yán)重畸變,為克服這一畸變所做的工作使繼電保護(hù)裝置的復(fù)雜性大為增加。此外,傳統(tǒng)CT還具有動(dòng)態(tài)范圍小、頻帶窄、易受電磁干擾、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、二次側(cè)開路會(huì)產(chǎn)生高電壓、鐵磁諧振、易燃易爆、占地面積大等缺陷。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),一次側(cè)暫態(tài)電流的非周期分量將引起常規(guī)電磁式CT的磁飽和,使CT的二次側(cè)電流波形發(fā)生畸變,從而影響繼電保護(hù)快速、準(zhǔn)確地判別故障,不能確保繼電保護(hù)的快速性、靈敏性、選擇性和可靠性?；诜ɡ?Faraday)磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器(OpticalCurrentTransducer,OCT)由于具有測(cè)量范圍寬、絕緣簡(jiǎn)單可靠、無(wú)磁飽和、無(wú)二次開路危險(xiǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、安裝運(yùn)輸方便、易于同微機(jī)保護(hù)接口等優(yōu)點(diǎn),解決了長(zhǎng)期困擾繼電保護(hù)工作者的電流互感器磁飽和以及暫態(tài)精度不高的難題。盡管近年來(lái)對(duì)OCT的研究已經(jīng)取得了可喜的成果,但制訂OCT與繼電保護(hù)裝置接口標(biāo)準(zhǔn)的問題日益突出,適用于OCT接口的繼電保護(hù)裝置還鮮見生產(chǎn)。本文根據(jù)IEC61850協(xié)議提出了OCT與現(xiàn)有微機(jī)保護(hù)接口的實(shí)現(xiàn)方案,并分析總結(jié)了OCT與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比對(duì)各種繼電保護(hù)裝置所產(chǎn)生的積極影響。2farawelld-pcr檢測(cè)原理OCT的測(cè)量原理可分為相位調(diào)制、光強(qiáng)調(diào)制和偏振態(tài)調(diào)制三種。相位調(diào)制通過電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使光敏材料中的光發(fā)生相位變化,如干涉式OCT;光強(qiáng)調(diào)制通過光強(qiáng)轉(zhuǎn)換使光強(qiáng)與電流大小成某種函數(shù)關(guān)系,如有源式OCT;偏振態(tài)調(diào)制利用磁場(chǎng)改變光的偏振性,通過檢測(cè)光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)檢測(cè)被測(cè)磁場(chǎng)從而檢測(cè)電流,如基于Faraday磁光效應(yīng)的OCT。基于Faraday磁光效應(yīng)的OCT測(cè)量環(huán)繞電流的磁場(chǎng)強(qiáng)度線積分,當(dāng)一束線偏振光以與磁場(chǎng)平行的方向通過某些光學(xué)材料時(shí),偏振面因磁場(chǎng)的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角θ與磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿偏振光通過材料的路徑的線積分成正比,即式中V為光學(xué)材料的Verdet常數(shù),rad/A;L為光在材料中通過的路程;l為線積分矢量。當(dāng)光路為閉合回路時(shí),由全電流定理得由式(2)可見,旋轉(zhuǎn)角θ與電流i成正比,測(cè)出旋轉(zhuǎn)角θ即可求出電流值。但目前還沒有精確測(cè)量θ的檢測(cè)器,通常通過檢偏器將線偏振光旋轉(zhuǎn)角度的變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的變化。根據(jù)Malus定律,通過檢偏器的光強(qiáng)為式中A0為起偏器的輸入光強(qiáng)。將式(2)代入式(3)就可得到A與電流i的關(guān)系,根據(jù)式(3)可繪出光學(xué)傳感器的動(dòng)作特性如圖1所示。由圖1可見,當(dāng)θ很小時(shí),曲線接近于線性,當(dāng)θ增大時(shí),曲線不再是線性,存在非線性誤差(即線性雙折射效應(yīng)),此時(shí)應(yīng)采取補(bǔ)償糾正措施?？刹扇p小彎致雙折射、互易性補(bǔ)償法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、模糊傳感技術(shù)、自適應(yīng)濾波技術(shù)等處理方法。3浮點(diǎn)數(shù)字組成傳統(tǒng)電磁式繼電器正常的輸出為5A或1A,而微機(jī)保護(hù)只要求輸入弱電信號(hào),為滿足微機(jī)保護(hù)輸入電平的范圍,必須在裝置中增設(shè)電流變換器以對(duì)電磁式CT信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,這樣會(huì)增加保護(hù)裝置的復(fù)雜性。采用OCT可省略微機(jī)保護(hù)中的電壓形成回路、采樣保持(S/H)和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換,從而使OCT與微機(jī)保護(hù)裝置的接口變得更為簡(jiǎn)單,如圖2所示。圖2所示的繼電保護(hù)裝置包含以下內(nèi)容:(1)OCT數(shù)字信號(hào)處理單元。按照無(wú)縫通信系統(tǒng)協(xié)議IEC61850的規(guī)定,原應(yīng)由間隔層的繼電保護(hù)裝置完成的模擬輸入模塊、低通濾波模塊、數(shù)據(jù)采樣及A/D轉(zhuǎn)換等功能現(xiàn)下放到過程層中,由OCT數(shù)字信號(hào)處理單元來(lái)完成,其輸出為數(shù)字信號(hào)。利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)處理數(shù)據(jù)高速靈活的特點(diǎn),可采用具有浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C32CS的數(shù)字信號(hào)處理板。(2)信息合并單元。將OCT輸出的數(shù)字信號(hào)匯總并填入到同一數(shù)據(jù)幀中使其保持同步后再進(jìn)行打包校驗(yàn),通過光纖以太網(wǎng)按照IEC61850-9-1通信協(xié)議傳送至繼電保護(hù)裝置。采用這種接口方式的繼電保護(hù)裝置只需單向接收信息合并單元傳送過來(lái)的采樣數(shù)據(jù),從而避免了信道沖突的問題,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí),保護(hù)裝置獲取采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間也大為縮短,提高了繼電保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)性。(3)光接收模塊。用來(lái)完成光電轉(zhuǎn)換工作,將前端信息合并單元傳過來(lái)的光信號(hào)采樣值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)采樣值,可以處理6個(gè)獨(dú)立的通道,可直接向繼電保護(hù)的主CPU提供數(shù)字信號(hào)。(4)主、從CPU的選擇。繼電保護(hù)裝置采用雙CPU配置,兩個(gè)CPU之間通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。主CPU可選擇具有快速運(yùn)算能力的TMS320C32,它采用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu),芯片內(nèi)配置了一個(gè)或多個(gè)硬件乘法器和累加器,能實(shí)現(xiàn)單指令乘加運(yùn)算和變址運(yùn)算,并設(shè)置了功能很強(qiáng)的專用指令,可以實(shí)現(xiàn)指令的重疊運(yùn)行。TMS320C32芯片內(nèi)設(shè)置了多種功能很強(qiáng)的外圍器件及接口,并增加了硬件循環(huán)控制,當(dāng)完成循環(huán)初始化后,實(shí)際運(yùn)行中的循環(huán)不再消耗指令周期,從而顯著提高了數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算速度。TMS320C32芯片不具備與以太網(wǎng)接口的功能。由于保護(hù)裝置采用光纖以太網(wǎng)與信息合并單元連接,必須外配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口控制器來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)接口功能。隨著摩托羅拉推出最高集成度的第二代ColdFire微處理器產(chǎn)品,保護(hù)裝置的主CPU也可采用具有以太網(wǎng)接口的嵌入式微處理器MCF5272。MCF5272是32位微處理器,具有片內(nèi)32位地址、數(shù)據(jù)總線、16個(gè)通用32位數(shù)據(jù)地址寄存器、乘法及累計(jì)單元(MAC)和整數(shù)除法單元。此外,MCF5272集成了符合IEEE802.3通信協(xié)議的10/100Mbit/s快速以太網(wǎng)控制器和一個(gè)USB模塊,能支持100MHzMII、10MHzMII和10MHz7-Wire三種不同的網(wǎng)絡(luò)物理接口。MCF5272具有超高速的計(jì)算能力,完全可以實(shí)現(xiàn)采樣值接收、保護(hù)計(jì)算及判斷出口功能。從CPU則采用80C196KC微處理器,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口和實(shí)時(shí)通信等功能。4關(guān)于輔助電維護(hù)的影響4.1ct和ct復(fù)合膜病母線保護(hù)中存在至今尚未徹底解決的一個(gè)問題,即當(dāng)母線區(qū)外短路時(shí),連接母線故障支路的CT發(fā)生飽和從而造成母線保護(hù)誤動(dòng)。為解決這一問題,文獻(xiàn)提出利用母線在外部故障時(shí)滿足基爾霍夫第一定律(即其出線電流的瞬時(shí)值之和為零,內(nèi)部故障時(shí)則不為零)這一特性構(gòu)成瞬時(shí)值母線差動(dòng)保護(hù),用來(lái)提高保護(hù)的動(dòng)作速度,希望能夠在CT飽和之前正確判別出是否為區(qū)內(nèi)故障;但電磁型CT對(duì)各種頻率分量的傳變特性并不一致,特別是不能有效傳變非周期分量,而當(dāng)鐵心磁飽和時(shí),也不能有效地傳變周期分量,因此盡管一次系統(tǒng)能夠利用基爾霍夫第一定律來(lái)區(qū)分內(nèi)部、外部故障,但不能保證二次系統(tǒng)能夠有效地判定。全光學(xué)電流互感器的高保真?zhèn)髯兲匦詾樗矔r(shí)值母線差動(dòng)保護(hù)提供了基礎(chǔ),可有效提高保護(hù)的可靠性及快速性,同時(shí)也使差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)大為簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)提出了一種基于OCT的新型數(shù)字母線保護(hù)系統(tǒng),采用32位的DSP作為中央處理單元,通過接收到的隔離開關(guān)及斷路器的開斷信息來(lái)自動(dòng)識(shí)別母線的結(jié)構(gòu),并提出了適用于OCT的瞬時(shí)值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)。4.2勵(lì)磁涌流與故障電流的分離正確識(shí)別勵(lì)磁涌流與故障電流及防止外部短路時(shí)暫態(tài)不平衡電流造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)是保證變壓器差動(dòng)保護(hù)正確工作的兩個(gè)關(guān)鍵問題。利用OCT可使這兩個(gè)問題得到很好地解決:(1)防止變壓器差動(dòng)保護(hù)因勵(lì)磁涌流發(fā)生誤判變壓器差動(dòng)保護(hù)的一個(gè)難題就是正確區(qū)分勵(lì)磁涌流與故障電流。勵(lì)磁涌流中含有較大成分的非周期分量,而電磁式CT不能有效傳變非周期分量,從而使二次側(cè)電流所表現(xiàn)的涌流特性有所變化,可能造成保護(hù)的誤判。目前的變壓器差動(dòng)保護(hù)都是采用工頻分量將直流分量和高頻分量濾掉。利用全光學(xué)電流互感器的高保真?zhèn)髯冎绷骱透哳l分量的特性,根據(jù)勵(lì)磁涌流發(fā)生時(shí)電流的非周期分量大而故障時(shí)非周期分量小的特點(diǎn),可提出正確區(qū)分勵(lì)磁涌流與故障電流的新判據(jù),從而有效防止變壓器差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)。(2)提高了變壓器內(nèi)部匝間短路保護(hù)的靈敏度變壓器各側(cè)的電磁式CT的暫態(tài)特性誤差不一致,增大了變壓器差動(dòng)保護(hù)的暫態(tài)不平衡電流,目前的基本解決辦法是通過提高保護(hù)的動(dòng)作電流值(整定值)來(lái)防止誤動(dòng),這必然影響匝間短路時(shí)保護(hù)的靈敏度。采用全光學(xué)電流互感器后,各個(gè)互感器的暫態(tài)誤差僅為0.2%,這使得各側(cè)互感器的二次暫態(tài)電流高度一致,將匝間短路的靈敏度提高了10倍以上,顯著增加了變壓器差動(dòng)保護(hù)的有效性。4.3對(duì)機(jī)械設(shè)備的保護(hù)基于OCT的瞬時(shí)值差動(dòng)原理也適用于發(fā)電機(jī),可顯著提高保護(hù)的動(dòng)作速度。4.4犯罪的誤差(1)輸電線分相瞬時(shí)值縱差保護(hù)電磁式CT的飽和問題一直是引起輸電線分相瞬時(shí)值縱差保護(hù)誤動(dòng)的根本原因,OCT的無(wú)飽和特性將從根本上解決這一難題。(2)微機(jī)距離保護(hù)微機(jī)距離保護(hù)判據(jù)中電流含有非周期分量,而電磁式CT不能有效地傳變非周期分量,這將使故障測(cè)距產(chǎn)生較大的誤差,現(xiàn)有的解決方法是通過增大數(shù)據(jù)窗來(lái)減小誤差,而這必然影響距離保護(hù)的快速性。OCT的應(yīng)用可使基于微分方程原理的阻抗算法縮短數(shù)據(jù)窗,從而提高距離保護(hù)的動(dòng)作速度。(3)故障測(cè)距電磁式電壓互感器(PT)、CT的測(cè)量誤差是造成故障測(cè)距不準(zhǔn)確的一個(gè)重要原因,OCT的穩(wěn)態(tài)精度和暫態(tài)精度都能達(dá)到0.2級(jí),可明顯提高故障測(cè)距的精度。(4)行波保護(hù)OCT的寬頻帶特別適用于行波保護(hù)。(5)過電流保護(hù)電磁式CT的飽和對(duì)過電流保護(hù),特別是對(duì)反時(shí)限過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間有較大影響,使保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間延遲。方向過電流保護(hù)的選擇性取決于相角的精確測(cè)定。電磁式CT的飽和使二次電流波形畸變,難以精確測(cè)定相角。過電流保護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但由于電磁式CT飽和的影響,其不正確動(dòng)作率也較高,采用無(wú)飽和特性的OCT可從根本上解決該問題。4.5數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置的失誤嚴(yán)重失(1)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)OCT的應(yīng)用可使變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的測(cè)量和保護(hù)部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完全共享,從而簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)接線,降低了成本。(2)故障錄波OCT的應(yīng)用使故障錄波更加有效。故障錄波中普遍存在的問題是非周期分量電流使錄波器內(nèi)部的小CT飽和,從而使錄波器記錄的數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。OCT本身是不飽和的,輸出數(shù)字信號(hào)可省略小CT,從而能夠很容易地實(shí)現(xiàn)高保真的故障錄波。(3)光纖局域網(wǎng)變電站中的測(cè)量、控制和繼電保護(hù)單元一般是通過同軸電纜將電氣傳感器測(cè)量的電信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖?然后通過載波、微波等方式傳到上一級(jí)的管理系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)會(huì)受到電磁干擾,電站與上一級(jí)管理層之間的聯(lián)系也缺乏快速性、實(shí)時(shí)性和靈活性。當(dāng)系統(tǒng)容量增大、信號(hào)增多時(shí),設(shè)備與設(shè)備之間以及設(shè)備與控制室之間的通信結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。隨著光纖傳感技術(shù)和光纖網(wǎng)的快速發(fā)展,將光纖傳感、光纖監(jiān)控、光纖通信及光纖繼電保護(hù)聯(lián)合起來(lái)形成光纖局域網(wǎng),由測(cè)量單元、線路保護(hù)單元、變壓器保護(hù)單元等分別通過各自的光纖星形耦合器與總線管理單元及控制室相連接,形成各自的光纖局域網(wǎng),各部分相互獨(dú)立,不相互影響,從而不會(huì)發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)。5系統(tǒng)的特色特性(1)OCT的穩(wěn)態(tài)精度和暫態(tài)精度都可達(dá)到0.2級(jí),使繼電保護(hù)的靈敏度、選擇性和快速性得到顯著提高,從而提高故障測(cè)距的精度