非常规互感器在数字化牵引变电所的应用

党晓勇，曹毅峰

0 引言

目前，国内牵引变电所大多采用传统互感器的分布式变电站自动化系统，存在的主要问题是二次系统采用单元间隔布置、装置相对独立、装置间缺乏整体的协调和功能优化、信息不能共享、装置接线及扩展复杂等，而基于IEC 61850标准的数字化变电所则很好解决了上述问题。数字化变电所采用数字化的新型非常规互感器，利用高速以太网技术构成变电所数据采集及传输系统，实现基于 IEC 61850标准的统一信息建模，并采用智能断路器等控制技术，实现设备之间信息的共享和互操作。其中，基于IEC 61850标准变电所过程层由非常规互感器、合并单元、智能断路器、光纤相连，代替传统互感器、电缆相连的系统，尽可能将二次保护设备的功能下放，简化系统设计。本文主要分析非常规互感器及合并单元的功能组成，并对其在数字化牵引变电所V/v变压器两侧的配置进行了研究[1]。

1 电子互感器

与传统互感器相比，电子互感器具有以下优点：

（1）高低压完全隔离，安全性好，具有优良的绝缘性能。

（2）无铁心，不存在磁饱和、铁磁谐振问题。

（3）测量精度高，频率响应宽，动态范围大。

（4）体积小，重量轻，环保性能好。

目前国内已有很多厂家推出非常规互感器的产品，但是由于数字化变电所的相关技术还不成熟，并未在实际工程中得到广泛的应用。根据高压侧传感头是否有电源，非常规互感器可以分为有源和无源2种[2]。

1.1 有源非常规互感器

有源非常规互感器即电子互感器是利用电磁感应原理感应电压、电流信号，主要采用罗科夫斯基线圈（下文简称罗氏线圈）和电容、电阻分压技术。

基于罗氏线圈的电子式电流互感器主体是一个将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈，待测的电流从线圈中心流过，在线圈中产生感应电势。

在电子式互感器中，传感头位于高压侧，如果将其输出信号直接送往低压侧处理，将会受到电磁干扰的严重影响，为此增加了高压侧的数据采集系统，如图1所示。

图1 电子互感器高压侧数据采集系统示意图

该系统由2部分构成：逻辑控制单元和信号采样及调整单元。逻辑控制单元接收合并单元的同步采样命令，通过信号采样和调整单元，对传感头输出的模拟信号进行高速同步采样，并将采样值进行组帧编码，通过光纤传输，以保证高压侧与低压侧的光电隔离，保证设备的安全，减小电磁干扰影响。

1.2 无源电子互感器

无源电子互感器主要是指采用光学测量原理的电子互感器，又称为光电电压/电流互感器，其特点是无须向传感头提供电源。

光电电流互感器主要利用法拉第磁光效应和塞格奈克效应感应被测信号，其中常用的法拉第效应的原理是线性偏振光通过磁场中的介质（光玻璃等）时，偏振的方向发生旋转，只要测量出法拉第旋转角，就可求出磁场强度，进而得出磁场电流的大小。光电电压互感器利用普克尔效应和逆压电效应感应被测信号，较常用的是普克尔效应。

1.3 有源与无源互感器工程应用分析

电子互感器需要对传感头进行供电，电源的可靠性非常重要，而且长期大功率的激光供能会影响光器件的使用寿命；罗氏线圈输出信号与其结构相关，温度变化会导致测量准确度降低。

光电互感器的关键技术在于光学传感材料，容易受到多种环境因素如温度、振动等的影响，因此也会影响光电互感器的研发和实用化进程。

在实际的工程应用中，电子互感器较适合于小绝缘距离的高电压系统，由电容分压和罗氏线圈构成的系统适合于全封闭气体绝缘装置（GIS），而光电互感器则比较适用于超高压系统。

2 合并单元

要推动数字化变电站的建设，非常规互感器的应用是基础，而解决非常规互感器与间隔层保护、测控设备的数字接口是关键。鉴于此，IEC 61850标准详细定义和描述了接口的重要组成部分—合并单元（下文简称MU），并严格规范了它与保护、测控设备的接口方式。

根据标准定义，合并单元作为非常规互感器的数字接口，其主要功能是产生同步采样信号传送到12路电子互感器，接收12路电子互感器的采样数据帧，汇总合并为1路符合IEC 61850-9-1/2标准的带 GPS时标的以太网帧，通过以太网传送到二次保护、测控设备。图2是合并单元的1个功能模型示意图。

图2 合并单元功能模型示意图

2.1 同步模块

MU接入的多路非常规互感器信号必须进行同步采样，以满足二次保护的需求。一般采样同步的方法有2种：依靠GPS秒脉冲信号同步和采用角度调整的线性插值法。在实际的工程应用中，可以将2种方法结合起来用。合并单元依靠GPS秒脉冲信号同步，而在二次保护、测控设备中实现角度调整的线性插值算法，二者互为备用。

目前合并单元同步主要采用 GPS秒脉冲信号法。在接收到外部 GPS秒脉冲信号后，首先判断该秒脉冲的有效性，如果有效，则对其进行倍频处理，产生符合电子互感器采样频率的脉冲信号，并转换成16位数字序列0564 H，经过曼彻斯特编码后通过光纤传输到非常规互感器，否则应该发送秒脉冲异常标志，并将备用晶振投入使用。由于GPS秒脉冲信号的周期是1 s，因此不同的合并单元每隔1 s将会被强行同步一次，从而使得12路同步采样信号误差很小，实现了对数据的同步采集。

2.2 多路数据采集模块

该模块主要完成对12路非常规互感器传来的采样数据进行解码校验，并通过FIFO进行排序。电子互感器输出的数据帧进行了CRC校验，并在物理层进行曼彻斯特编码，因此合并单元接收到采样数据，应先进行曼彻斯特解码和CRC校验，确保接收到的采样数据正确后才能由数据处理模块进行处理。但实际上，由于各通道数据采集是相互独立的，其数据信息到达合并单元的时间各不相同，且前后关系也不固定，所以在将12路数据传输给数据处理模块前，可利用FPGA中的先进先出（FIFO）队列对12路数据进行正确排序，然后再传送到数据处理模块[4]。

2.3 数据处理模块

数据处理模块利用DSP处理器读取FIFO中的并行数据，并对接收的数据信号进行数字滤波、相位补偿，给数据包打上正确的时标，保证数据传输过程同步。在完成了上述工作后，该模块还要对处理后的数据按照IEC 61850-9-1/2标准进行组帧，通过以太网控制器，发送到以太网上进行传输。

3 工程实现

3.1 电力系统电子互感器与MU配置

数字化变电所过程层可根据一次设备发展的进程逐步实现。电子互感器需要解决的是绝缘、动态范围、饱和等问题，在低电压等级广泛应用经济价值较小。目前，电力系统应用电子互感器和MU的是接线简单的110 kV系统，该系统保护装置不需要双重化配置，电子互感器和MU除主要数据采集采用冗余配置外，其他一般不考虑冗余配置。对于220 kV及以上系统，保护一般要求双重化的2套保护，电子互感器和MU需考虑冗余配置。

3.2 牵引变电所电子互感器与MU配置

在电气化铁道牵引供电系统中，普遍采用工频、单相27.5 kV供电模式，接线相比电力系统的110 kV系统更简单，除了重要设备的保护外，其他保护一般不要求双重化。

以 V/v接线的牵引变压器保护和馈线保护为例，本文给出了一种电子互感器和MU的配置作为参考，见图3。

图3 牵引变电所电子互感器与MU配置示意图

目前，高速铁路客运专线牵引变电所进线一般设计为220 kV，牵引变压器采用V/v接线，而牵引变压器又是其中最重要设备，因此对于牵引变压器两侧的电子互感器和MU，应该采用双重化冗余配置，如图3 a所示，在一次侧A、B、C进线分别配置1台220 kV的ECVT，分别接入合并单元MU1和MU2用以测量高压侧的三相电压、电流，MU1与MU2之间实现了冗余。牵引变压器二次侧T1、F1两相分别配置了1台35 kV的ECT1和ECT2以测量其电流，T1、F1母线分别配置了 EVT1和EVT2用以测量低压侧电压，分别接入MU3、MU4实现冗余配置，T2、F2的配置与 T1、F1相同，通过MU5和MU6实现冗余配置。

在馈线侧，可以将T1、F1、T2、F2的电流数据送入MU7进行合并，同MU5中合并的母线电压数据一起供给馈线保护进行数据分析与逻辑判断。

对于V/v牵引变压器，如图3 b所示，要完成保护功能，必须通过MU1或MU2接入高压侧间隔的采样数据，还要通过MU3或MU4、MU5或MU6接入低压侧间隔的采样数据。合并单元的采样数据先通过光纤以太网送入交换机，保护装置再根据自己的需求从交换机获取完成保护功能所需的电压、电流数据进行数据的处理。从图3 b中可知，由于馈线电压等级低、保护所需数据较少，因此馈线的电子互感器与 MU并未进行冗余配置，只是将 4条馈线的电流通过MU7进行合并，并与MU5中的母线电压数据一起接入馈线保护装置进行数据的处理与判断，该配置是完全满足要求的。但是，由于母线电压要同时被变压器保护和馈线保护共用，保证EVT1和EVT2的可靠性将非常重要。

4 结束语

非常规互感器与传统互感器相比，在饱和性能、测量精度、动态范围、安全性等方面都有着巨大的优势，目前国内对于非常规互感器的应用还处于试点运行阶段，在电力系统尚未得到推广，在牵引供电系统中尚未应用。本文立足未来应用，提出了满足牵引变压器数据同步采样要求的电子互感器与MU的一种参考配置，具有一定的工程实用价值。

[1]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京：中国电力出版社.

[2]李九虎，郑玉平，古世东，等.电子式互感器在数字化变电站的应用.电力系统自动化[J].2007，7（31）：94-95.

[3]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理（增订版）.北京：中国电力出版社，2005.

[4]许明圣，钱政，罗承沐.电子式互感器中数据采集系统的设计与实现，HIGH VOLTAGE ENGINEERING，2003，29（3）：50.