电子式互感器对高精度采样装置的影响及对策分析

许玉香，刘小刚，马彦琴

（西北电力设计院，陕西 西安 710075）

国家电网公司现已提出建设具有“信息化、自动化、互动化”特征的坚强智能电网[1-2]，电力系统正在走向智能化，传统的互感器多为电磁式互感器，电磁式自身存在磁滞、磁饱和、动态响应慢、绝缘性能差等诸多问题，已经不能满足电网发展的要求[3]。而电子式互感器具有传感正确化、传输光纤化和输出数字化的特点，是变电站实现智能化的重要条件之一[4]。目前应用在工程中的电子式互感器大多采用有源电子式互感器，即采用罗氏线圈作为保护线圈、采用低功率线圈作为测量计量，采用电容分压环作为电压测量元件[5]。但电子式互感器在实际应用中也存在一些需要解决问题，如对站内的高精度采样装置PMU、故障测距、电能计量等的适应性及影响。本文重点讨论这3个方面的问题，并提出具体的解决方案[6-7]。

1 对PMU的影响及对策分析

PMU装置需要从合并单元处获得采样数据，采样频率一般为每个工频周期192点，而变电站保护测控采样值一般要求相对较低。这些二次设备的数据源相同，均从合并单元获取采样数据，因此需解决电子式互感器对多装置不同采样率的需求。

目前国内主要厂家生产的合并单元采样率可达到每周波256点，因此，对于PMU装置和保护测控装置要求不同采样率的问题，提出以下几种解决方案。

方案一：PMU等高精度采样装置配置独立的电子式互感器和合并单元，获取192点/周波的高采样率数据。

方案二：合并单元输出采样率按实际需求进行设定，对采样率要求较低的保护测控装置采用48点/周波输出，采样率要求较高的PMU等装置采用192 点/周波输出。不同采样率数据从合并单元的不同端口分别输出至不同需求的装置。

方案三：合并单元输出采样率按实际需求进行设定，对采样率要求较低场合采用48 点/周波输出，对采样率要求较高场合采用192 点/周波输出。不同采样率数据从合并单元的同一端口输出，利用组播注册协议（GMRP）技术实现不同采样率数据的自动寻址，供不同需求的装置使用。

以上几种方案的比较分析如下。

第一种方案：为PMU等采样率要求较高的装置单独配置电子式互感器和合并单元，会大大增加一次投资，经济性很差。

第二种方案：合并单元不同端口按不同采样率输出，可满足各装置的实际需求，但合并单元所需端口数较多，对合并单元的要求较高，而且端口的增加必然引起接线的增加，不能满足简化接线的要求。

第三种方案：合并单元相同端口可输出不同采样率的数据，输出数据利用GMRP技术自动寻找与之目的MAC 地址匹配的装置端口，在不增加硬件资源的前提下，能满足不同装置的实际使用需求，接线简单。

通过分析可知，前2种方案的经济性都比较差，第三种方案不增加任何硬件投资，经济性最佳，而且方案三中采用的GMRP技术目前国内主要合并单元厂家都已具备，因此实际工程中推荐采用第三种方案作为电子式互感器对多装置不同采样率的需求的实施方案。

此时，由于PMU装置的高采样率数据与保护测控等低采样率数据共用合并单元及传输网络，必然会导致数据流量的增大，因此必须对数据流量及带宽问题进行计算分析，交换机配置需满足流量要求。

2 对故障测距的影响及对策分析

现有罗氏线圈型电流互感器采样频率基本在10 kHz 以内，完全能够满足保护测控等设备的要求，但对于上兆赫兹的行波信号，罗氏线圈型电流互感器则无法采集到。因此，必须对现有罗氏线圈型电流互感器作适当改进，改进方案有如下3种。

方案一：在现有输出不变的前提下，罗氏线圈电流互感器另外增加一路光输出信号（采样应不小于1MHz）。具体做法是增加一块高速数据采集单元，用于高频行波信号，如图1所示。

方案二：将罗氏线圈电流互感器中原有的低频信号采集线路板更换为可同时采集低频信号和高频行波信号的通用高速数据采集单元，所有的信号经该采集单元采集后经由不同通道传输。如图2所示。

方案三：对原有的罗氏线圈及采集单元不作改动，新增一个罗氏线圈和一块高速数据采集单元。双线圈互不干扰，采集板互不影响，保证了低频率信号和高频行波信号完全经由各自的通道分别采集和处理，完成各自的任务。如图3所示。

图1 方案一原理图Fig. 1 Schematic diagram of Scheme One

图2 方案二原理图Fig. 2 Schematic diagram of Scheme Two

图3 方案三原理图Fig. 3 Schematic diagram of Scheme Three

3种方案比较分析如下。

方案一：在原有的罗氏线圈型电流互感器中仅增加一块高速数据采集单元，在做到2个采集模块互不影响的情况下，既能够保证低频率信号的输出，也可以满足行波信号的采集。该方案的经济性较高，但保护用远端模块与故障测距用远端模块共用一个罗氏线圈，独立性不强，任一模块故障均为相互影响。

方案二：用一块高速数据采集单元完成低频与高频行波信号的采集。对罗氏线圈型电流互感器的原有结构改动最小，制造成本最低，但目前可采集高频行波信号的采集线路板通常精度不高，不能满足保护的要求，而且此方案还处于研发阶段，暂无运用实例。

方案三：在原有的罗氏线圈型电流互感器中增加一个罗氏线圈和一块高速数据采集单元。从源头上做到了高频与低频的完全分离，信号的可靠性更高，但由于增加了一个罗氏线圈，制造成本会相应增加。

通过分析可知，方案三的可靠性和可行性较高，因此推荐采用第三种方案作为电子式互感器对行波测距的实施方案。具体实施方案为：在需要行波测距出线的罗氏线圈电流互感器中增加一个罗氏线圈和一块行波测距信号合并单元。1个罗氏线圈的价格约为5 000元，1台行波合并单元的价格约为2万元。对工程总体投资影响不大。

行波测距装置专用的行波信号合并单元可满足行波测距装置的高采样率要求，合并单元输出的数据直接送至行波测距装置中的行波信号处理单元，不需采用过程层网络进行传输，因此不会对站内网络造成影响。

3 对计量系统的影响及对策分析

电子式互感器的应用给计量系统带来了一些新的问题，主要体现在计量精度、高采样率要求和计量装置检定3个方面。

3.1 计量精度要求及解决方案

目前几乎所有采用有源电子式电流互感器的工程都采用LPCT（低功率铁心线圈）和罗氏线圈组合使用的方案，其中LPCT用于测量与计量，罗氏线圈用于继电保护[2]。

LPCT是传统电磁式电流互感器的一种发展，它与传统互感器的区别在于带固定二次小负载，根据电磁电流互感器的原理，误差来源主要在于功率的传输，传输功率越小，误差越小，理论上零功率的传输可使电磁互感器稳态误差接近于零，而且非周期分量也能大部分传输至二次侧，改善了互感器的暂态特性[3]。它在很高的一次电流下使出现饱和的基本特性得到改善，扩大了测量范围，但没有最终消除磁饱和问题，它在5%～120%额定电流下线性度很好，目前精度可达0.1/0.2 s级，非常适用于测量、计量仪表和远动装置。

因此，变电站计量点必须采用通过国家有关计量部门鉴定的罗氏线圈型电流互感器（含LPCT），其计量精度必须达到0.2 s级。但目前电子式互感器校验的技术管理规范等标准尚未制定，因此计量关口点可考虑采用如下解决方案：在关口计量点增加1个常规0.2 s级电流互感器和1个常规0.2级电压互感器，通过控制电缆将电流、电压量送入计量表计，以满足计量校验问题。

3.2 高采样率要求及解决方案

除计量关口点，其余的考核点和常规测量点，电能计量装置也需要192点/周波的高采样率，其解决方案可采用PMU装置的解决方案，即合并单元输出采样率按实际需求进行设定，输出数据利用组播注册协议自动寻找与之目的地址匹配的装置端口。

3.3 计量装置检定问题及解决方案

采用电子式互感器后，变电站计量装置检定就产生了以下问题。

1）传统的变电站计量装置二次回路中传输的是模拟信号，而智能变电站中的电子式互感器二次回路均为光纤传输的数字信号，因此无法直接使用传统的仪器对其进行误差检测。

解决方案：数字式电能表的工作方式，导致传统电能表校验台无法对数字式电能表进行检定工作，因此有必要重新设计一个校验装置。该装置必须具备以下几个功能。

莰具备光纤以太网接口；

莰具备电度计算功能；

莰 链路层可采用IEC61850-9 或FT3标准格式；

莰 可接收被校电表输出的脉冲信号，并进行比较；

莰保留历史数据功能。

2）由于电子式互感器及数字式电能表的计量标准无法向上级进行溯源，并缺少检定或检验所依据的规程，贸易结算用电子式互感器及数字式电能表也就无法进行合理、合法的溯源检定。

解决方案：数字式电能表的有功电能在理论上没有误差，但受字长、系统时钟等因素的影响，误差必然存在。因此，数字式电能表仍然要经过量值溯源，并只能采用非传统的检定方法。

若采用标准表和数字抽样的误差作为整体，由更高精度的模拟标准电能检定装置进行检定。校验装置的关键部分是模拟合并单元，将模拟信号采集后，按照IEC61850协议组成以太网帧，通过光纤网络发送给被检电能表。整个校验装置包含标准功率源、标准电能表和模拟合并单元3个部分。此量值传递模型结构既能向上溯源更高精度的电能标准装置，又能向下检定数字式电能表。具备这种溯源功能的检定装置已有一些厂家正在研发，一些产品即将投入使用。

4 结论

1）利用组播注册协议（GMRP）技术实现合并单元不同采样率数据的自动寻址，将保护测控采样值、PMU和考核计量采样值从合并单元的同一端口输出到对应装置，有效解决了多装置不同采样率需求的问题。

2）对于行波测距，目前的电子式互感器无法采集到上兆赫兹的高频行波信号，需对其作适当改进以满足行波测距的要求。因此，建议在行波测距处增加一个罗氏线圈和一块行波测距信号合并单元，以满足行波测距的高精度采用问题。

3）对于计量关口点，由于电子式互感器及数字式电能表的计量标准无法向上级进行溯源，缺少检定或检验所依据的规程。因此，建议在关口点增加一个常规电流互感器绕组和1个常规电压互感器，直接通过模拟量上传至计量表计。

[1] 王永干. 推进信息化领域的行业融合促进智能电网发展[J]. 电网与清洁能源，2010，26（3）: 1-2.WANG Yonggan. Promoting the integration of information industry to promote the development of the smart grid[J].Power System and Clean Energy，2010，26（3）: 1-2（in Chinese）.

[2] 刘振亚. 建设坚强智能电网支撑又好又快发展[J]. 电网与清洁能源，2009，25（9）: 1-3.LIU Zhenya. The construction of strong smart grid supporting the sound and rapid development[J]. Power System and Clean Energy，2009，25（9）: 1- 3（in Chinese）.

[3] 陈文升，顾立新. 电子式互感器的应用研究[J]. 华东电力，2009，25（8）：1327-1330.CHEN Wensheng，GU Lixin. Research on the application electronic transformer[J]. East China Electric Power，2009，25（8）：1327-1330（in Chinese）.

[4] 李九虎，郑玉平，古世东. 电子式互感器在智能变电站的应用[J]. 电力系统自动化，2010，31（7）：94-98.LI Jiuhu，ZHENG Yuping，GU Shidong，et al. Application of electronic instrument transformer in digital substation[J].Automation of Electric Power Systems，2010，31（7）：94-98（in Chinese）.

[5] NING Y N，WANG Z P，PALMER A W，et al. Recent progress in optical current sensing techniques[J]. Review of Science Instruments，1995，66（5）: 3097-3111.

[6] 劳日智，张守志，陈刚. 基于现场总线的电子互感器数字化接口研究与设计[J]. 高压电器，2013，49（3）: 18-22.LAO Rizhi，ZHANG Shouzhi，CHEN Gang. Design of digital interface of electronic transformer based on field bus[J]. High Voltage Apparatus，2013，49（3）: 18-22（in Chinese）.

[7] 李豹，张蔷，毛海鹏，等. 光电互感器及其测量系统在HVDC中的应用研究[J]. 高压电器，2013，49（5）: 101-103.LI Bao，ZHANG Qiang，MAO Haipeng，et al. Application research of optical transducer and its measurement system in HVDC[J]. High Voltage Apparatus，2013，49（5）: 101-103（in Chinese）.