全光纤电流互感器现场运行误差特性研究

秦 冉 ，王倩倩 ，杨世海 ，徐志峥 ，周 赣

(1.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.东南大学，江苏南京210096；3.无锡供电公司，江苏无锡214101)

近年来，随着变电站自动化和网络通信技术的飞速发展，特别是IEC 61850标准体系的颁布和推行，传统的变电站已逐步向智能化变电站过渡。电子式互感器作为智能化变电站的基础和重要组成部分，其发展和应用受到了广泛的关注。其中，全光纤电流互感器（FOCT）以其先进的技术优势成为新型电流互感器发展和应用的主流[1-3]。但是在运行环境变化时，FOCT仍然存在稳定性和可靠性的问题。

1 FOCT测试系统

文献[1-4]详细介绍了FOCT的原理。FOCT在线测试系统框图如图1所示。

图1 FOCT在线测试系统框图

该测试系统是福建亿榕信息有限公司在DST100电子式互感器校验仪和OMS在线测试系统的技术基础上，优化设计了采集装置和系统方案，使该系统专注于光学互感器角差、比差等反映其现场运行状态特征量的计算和采集，以及该类信息的收集、汇总、存储和远程推送等功能应用；用户可通过远端/现场的客户端，配置系统和获取目标误差数据。传统电磁式电流互感器和被测FOCT准确级均为0.2S。在线测试系统装置所采用的FOCT主要技术参数如表1所示。

表1 FOCT主要技术参数

FOCT在线测试系统原理如图2所示。

图2 FOCT在线测试系统原理图

FOCT误差在线测试装置主要由6个模块，共2条信号采集支路构成。

1.1 模块功能

（1）0.005级零磁通高精度电流互感器模块：将传统电磁式电流互感器的二次电流I转换为采样所需的小电流信号I'；

（2）具备可编程增益电路的电流/电压转换模块：将小电流信号I'调理成合适的电压信号V；

（3）差分输入输出的驱动模块：抑制信号的共模误差；

（4）ADS1278模块：电压模拟信号的采集；

（5）BF533 DSP模块：系统管理和应用计算等；

（6）以太网卡模块：IEC 61850 SMV数据报文的接收。

1.2 采样数据的同步

（1）外同步：站级外同步装置为本测试装置（和待测FOCT/MU）提供了同步信号（秒脉冲/IRIG-B码），确保被测信号和标准信号的秒同步采集；同时，本测试装置的AD采样率根据合并单元的采样率设置，确保被检信号和标准信号每帧同步，同时也便于准确快速地计算和分析。

（2）内同步：为获取同步采样值序列，该装置不使用在数据源同步获取数据的方法，而是采用异步采集、同步计算的方式，通过延迟补偿、线性插值等算法，在同步节点计算得出连续的“同步采样值”。

本测试装置主要完成光学电流互感器误差测试系统相关测试参数的在线采集、FOCT的角差/比差计算、本地存储和上报。同时具备测试的角差/比差越限时报警，并记录和上报该时刻的两路比较信号。本文采集了2012年6月至10月之间共72天的比差、角差及一次侧电流数据，采样周期为1 s。本文采用传统电磁式电流互感器的准确级为0.2S级，与FOCT的准确级相同，由文献[5，6]分析可知，不可避免会产生测量误差。以下所涉及数据分析均忽略传统电磁式电流互感器测量产生的误差。

2 FOCT误差特性分析

2.1 比差和角差

根据IEC 6004-8标准，比差定义为标准互感器二次侧输出电流的幅值为A1，FOCT二次侧输出电流的幅值为A2，比差F的表达式为[7]：

角差的定义为标准互感器二次侧输出电流的角度为α1，FOCT二次侧输出电流的幅值为α2，比差Q的表达式为：

其中，相位误差的单位是角度（'）。0.2S级电流互感器在1%，5%，20%，100%和120%额定电流下的误差限值如表2所示。

表2 0.2S级电流互感器的误差限值

2.2 数据分析

由于此次是工程应用下的实地测量，工程方考虑到该地区以后的发展等因素，为仪器留了足够多的裕量，所以FOCT不能在额定点附近运行。数据采集的过程中仅涉及到互感器额定电流30%以下的数据。对额定电流 5%，10%，15%，20%，25%（即 125 A，250 A，375 A，500 A，625 A）附近±1A范围内的测量数据进行提取分析，并计算比差、角差的均值和方差，并将比差和角差的均值作为实际的比差和角差，结果如下。

（1）72日总数据分析结果如表3所示。

表3 总数据结果

由表3可知，实际比差与标准比差限制值相差较大，不能满足电流互感器0.2S级要求；而角差可以满足0.2S级要求。数据分析如图3所示。

图3 F平均值-额定电流百分比

由图3可知，随着测量电流的逐渐增大，比差F的平均值逐渐变小。由此可以得出：在允许测量范围内，一次侧电流越大，FOCT受到的干扰程度越小，测量精度越高。F方差-额定电流百分比如图4所示。

图4 F方差-额定电流百分比

图4中，随着测量电流的逐渐增大，比差F的方差逐渐变小，并且从5%到10%一段变化趋势十分明显。可以得出如下结论：一次侧电流越大，FOCT测量稳定性越高，且当一次侧电流值超过额定电流的10%时，FOCT的测量精度较之前有显著改善。Q平均值-额定电流百分比如图5所示。

由图5可知，角差 Q并无明显规律，仅呈现波动下降的趋势，但是由于角差的范围已满足0.2S级的测量精度，所以角差的波动对FOCT性能的测量精度并无影响。Q方差-额定电流百分比如图6所示。

图5 Q平均值-额定电流百分比

图6 Q方差-额定电流百分比

由图6可知，Q的方差随着一次侧电流的增大而减小并趋于稳定。由此进一步说明FOCT在允许测量范围内，一次侧电流越大，测量越精确。

（2）对不同月份测量数据结果进行分析。不同月份用电量存在明显的差别，即一次侧电流大小不同，因此，有必要对6月至10月不同月份采集的数据分别进行分析计算。6月至10月的数据结果如表4—8所示。

表4 6月数据结果

表5 7月数据结果

表6 8月数据结果

表7 9月数据结果

表8 10月数据结果

由表4—8可知，实际测量到的角差除个别超出标准角差限制，其他均满足0.2S级电流互感器的要求。由于测量到的电流仅限制在30%范围以内，不能连续变化，不能排除当月其他原因对测量精度的影响。而实际比差远超出标准比差限制，达到标准比差的2倍以上，远不能满足0.2S级电流互感器的要求。

此外，研究中对数据进行了回归拟合方程的分析，建立比差/角差和一次侧电流的非线性回归拟合方程，进而对比差和角差进行补偿。现场FOCT与SF6气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）配套封装，基本不受外界气温的变化，所以本文不考虑气温的变化对FOCT误差特性的影响。由于测量条件的局限性，暂且不能对FOCT的误差特性进行全面的分析。但是，国内对FOCT运行现场的数据采集与误差分析尚缺乏大量相关实践数据，本文科学评估FOCT运行误差特性，可以为相关应用分析提供关键技术支持和第一手资料。

3 结束语

FOCT比差随一次侧电流的变化具有规律性，即在允许测量范围内，一次侧电流越大，比差F的平均值越小，测量精度越高；角差Q随一次侧电流的变化并无明显规律。综上所述，FOCT在现场运行中，角差能够满足0.2S级的测量精度，而比差远不能满足精度要求。数据测量过程中不可避免存在误差，比如所选传统电磁式电流互感器引入的误差、软件设计和有限字长效应引入的误差、A/D转换器的转换精度引入的误差、零磁通高精度电流互感器引入的误差及数据采集和转换过程中引入的误差等。在后续工作中，研究人员会对此做深入的分析。在今后相关的研究分析中，希望能够扩大一次侧电流的测量范围，考虑到温度、振动等因素的影响，以便对FOCT特性进行更深入和全面的研究。

[1]王政平，康 崇，张雪原，等.全光纤光学电流互感器研究进展[J].激光与光电子学进展，2005，42(3)：36-39.

[2]刘延冰，李红斌，叶国雄，等.电子式互感器原理、技术及应用[M].北京：科学出版社，2009.

[3]王 巍，张志鑫，杨仪松.全光纤式光学电流互感器技术及工程应用[J].供用电，2009，26(1)：46-48.

[4]陈文中，林 一，周 健.数字化变电站全光纤电流互感器准确度校验[J].华东电力，2009，37(12)：2022-2024.

[5]郭 伟，张红超，于朝辉.电子式互感器模拟输出校准系统[J].电力系统保护与控制，2010，38(6)：49-51.

[6]尚秋峰.光电电流互感器测试与校验方法[J].电力系统自动化，2005，29(9)：77-81.