光电传感器与保护的接口浅析

康晶晶

（辽河石油勘探局电力集团公司电网自动化所，辽宁 盘锦 124010）

1 引言。继电保护技术经历了电磁式、模拟式以及数字式等几代的发展，随着数字信号处理技术和微电子技术的发展，数字微机保护已经成为主流。数字微机式继电保护装置只是需要获取电流、电压信号的幅值和相角，而没有功率方面的要求。不过目前电流、电压信号的获取仍然是采用传统的电流、电压互感器，而由于传统的电磁式互感器本身固有的一些问题，常常会导致保护误动或拒动，造成不必要损失。

其中电流互感器饱和问题特别突出。以前在中压（110kV以下）系统中，电流互感器饱和问题并不严重，但是随着农网、城网改造，系统短路电流急剧增加和新型继电保护装置的大量采用，中低压系统中的电流互感器的饱和问题日益突出，也已影响到继电保护装置动作的正确性。在1996年召开的中国电机工程学会继电保护专委会学术年会的纪要中，已将电流互感器饱和问题列为今后继电保护研究的重点课题之一。而目前对电流互感器饱和问题的研究主要集中在饱和是否发生、发生的时刻、如何消除和补偿饱和对传变一次电流的影响、饱和后波形的深入分析以及研制抗饱和继电器等几个方面。小波变换原理、人工神经网络（ANN）、多项式拟合、间断角饱和判别法、计算谐波比确定饱和等各种方法和理论分析等方法都是在已经发生饱和情况下所进行的分析和计算，仍存在一定的局限和不足。

随着光电传感器的研究日趋成熟，基于光电传感器获取电压、电流信号已成为可能。由于光电传感器不存在饱和问题，从根本就避免了这一问题。而目前在应用光电传感器作为保护装置的信号获取环节这方面的研究和报道很少，所以我们希望在动态模拟试验室的环境里，将传统互感器和光电传感器串联起来，一起进行保护系统的动模试验，分析基于光电传感器下的保护系统的动作特性与传统互感器下的保护系统动作特性的不同，探讨采用新型传感器后对保护系统的影响和改进。

2 光电传感器与保护系统的接口技术分析

有源型光电传感器的传感头输出的是模拟量，但输送到低压端的时候一般都要经过模/数转换和光电转换，以光信号输送到地端。而目前的保护装置一般是将电压电流互感器的模拟量输出引入到装置里，然后进行信号的前置处理、模/数转换以及相应的算法运算。所以光电传感器和保护系统的接口如何实现是应用光电传感器到保护系统中首要解决的问题。本文简要分析了传统微机保护系统的硬件构成。然后结合现场工作的实际需要和信号特征，讨论两种基本的接口方式，以供参考。

2.1 传统微机保护装置的硬件构成

传统微机保护装置主要是由微处理器为基础的数字电路构成，并广泛采用插件式结构。典型的微机保护装置包括下述印制板插件：①模拟量输入变换及低通滤波插件；②开光量输入(DI)插件；③保护CPU插件(含A/D采样)；④管理CPU插件；⑤开光量输出(DO)及继电器插件；⑥电源插件。其示意框图见图1所示。

电力系统被保护对象的原始模拟量一般都是经过电磁式电流、电压互感器转变到5A、100V的范围内。但是这个数值仍然超过了微机保护要求的输入电压标度的数量级。通常保护的A/D转换器的输入电压范围为±2.5V、±5V或者±10V，所以必须经过入口变压器和变流器把互感器的输出变换到与保护需要电平相匹配的范围内。而模拟低通滤波插件是限制输入信号的最高频率，以使后面的A/D转换器在满足采样定理的采样频率下进行采样。保护CPU插件中含有A/D转换完成模拟量到数字量的转换。管理CPU插件负责从保护CPU插件中获取数据，通过外围设备实现数据的显示、打印等功能。DI、DO插件负责开关量的输入、输出处理以及与CPU插件的通信。

以上提到的3个插件直接和光电传感器的信号输入发生关系，如何同光电传感器接口，实际上就是这3个插件如何配置的问题。下面是两种主要接口方式的介绍和分析。

2.2 模拟电量接口

由于有源型光电传感器的原始输出是模拟量，所以在一定的工作要求和条件下可以直接将光电传感器的输出和保护进行接口。其接口示意图见图2。

从图中可以发现，由于光电传感器的输出都是小电压范围的模拟信号，并且经过电子线路处理后的电压范围与保护系统所需要的电平范围正好匹配，所以传统的微机保护系统的输入变换及低通滤波插件可以省略，而后续插件都可以保留。上述方案的好处是与保护系统的接口方法简单，对系统的改造成本低，保护系统的硬件几乎不需要任何改动，而软件算法也可以不加调整即可使用。不足之处是该方案的适用范围有限，一般在动态模拟实验室、低压或者对绝缘要求不高的工作环境中使用。

2.3 数字电量接口

在正常的工作环境下，有源光电传感器的输出是通过光纤以光数字信号传输到低压端的。在低压端利用信息合并单元(IMU)处理后的信号形式是数字电信号。而在微机保护系统中算法运算所需要的也是数字量。所以可以直接将光电传感器的低压端数字电量输出与保护的输入相接口，而且就地开关量也通过IMU实现与保护系统的通信。具体的连接方式将由现场的状况和系统的复杂程度决定，可以是直接的点对点通信，也可以是网络通信模式。通信网路的构成在论文的第4章进行过分析和探讨。其接口示意图见图3所示。

从图中可以看到，由于传输到保护系统的已经是数字电量了，所以传统保护系统的模拟量输入变换及低通滤波插件和A/D变换插件都可以省略掉。增加数字通信接口就可以实现电压、电流量的输入了。该方案大大简化了保护系统的硬件结构，增加了系统的可靠性。同时由于传送的是数字量，也消除了二次负荷对互感器测量误差的影响。

结束语

在光电数字化二次回路的基础上，智能二次设备将以数字网络形式获取其所需要的信息。论文首先探讨了保护系统与光电传感器的模拟和数字两种接口形式，指出其应用环境和特点，以供参考。

[1]陈德树.计算机继电保护原理及技术.第一版.北京:水利电力出版社，1992.

[2]滕林,刘万顺,李贵存等.光学电流传感器及其在继电保护中的应用.电网技术，2002,26(1):31~34.

[3]李芙英，朱小梅，纪昆等.一种应用于高电压侧测量系统中电源.高电压技术，2002，28(3):43~47.