光学电流互感器状态监测技术研究

2018-01-12王贵忠肖智宏于文斌张国庆

电气自动化 2017年5期

王贵忠，肖智宏，于文斌,，张国庆

(1.哈工大(张家口)电力科学技术研究所，河北张家口 075421；2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001； 3.国网北京经济技术研究院，北京 102209)

0 引言

电子式互感器作为智能变电站的重要一次设备，其智能的特征本身就要求设备具备状态可监测，但现有的规程和标准中并没有涉及电子式互感器的状态监测的要求。在目前的智能变电站建设中，主要是对主变压器、开关设备及氧化锌避雷器等设备装设状态监测系统，对电子式互感器的状态监测涉及较少[1-2]。目前国内对电子式互感器的监测还停留在定期停电维修的水平，无法满足智能变电站对设备智能化的要求。有源型电子式互感器已经大量应用于智能电网，其可靠性和稳定性一直无法令人满意，仍然是智能电网研究的重要课题之一[3]。近年来，人们开始关注电子式互感器的状态监测技术，已经有一些关于电子式互感器在线监测方面的研究[4-5]，以实现对运行中的电子式互感器内部的关键状态进行必要的监视，保证关键参数运行在安全范围内，减少设备发生不可弥补的故障。

基于光学原理的无源型电子式互感器光学电流互感器(Optical Current Transformer,简称OCT)与大多数有源型电子式互感器类似，具备一定的状态监测功能，当发现故障时能够向上发送告警信号以便及时维修。但是，这存在两个局限：其一，故障类告警信息过多，通常合并于一个总告警信号，从后台无法实时甄别；其二，只能传送位状态量，而无法传送采样值数据，如OCT的静态工作光强信息，它对于评价OCT的健康状况和使用寿命至关重要，但却无法实时获得。OCT光学器件的性能大部分是一个缓慢变化的过程，在实现OCT状态监测并实时记录表征运行状态的采样值数据后，不仅可以实现在其发生故障前给予报警提示、合理安排检修，而且可以利用记录的数据对OCT的健康状况和使用寿命进行评估。这样就能大大提高变电站的运行可靠性，避免故障停电而引起的经济损失。

1 关键运行状态参数的选择

借鉴输变电设备的状态评价思路，通过对设备自顶向下的状态参数分解来获取关键状态参数。图1为按照功能部件划分的OCT的状态参数分解层次模型，图1中列出了OCT的主要功能部件，按照相应的功能部件选择了主要的性能指标，最终分解得到影响性能指标的关键状态参数。

图1 OCT的状态参数分解层次模型

(1)振动水平。振动水平反映了OCT的抗振性能,OCT的光路系统是反映振动水平的关键。在运行过程中可以通过检测和分析输出波形来监测OCT振动水平的变化。

(2)耦合损耗。耦合损耗的变化会影响OCT的使用寿命、信噪比和准确度等关键性能指标。运行过程中可以通过采集光源驱动电流或采集光源输出功率来监测OCT的光源输出光功率变化，通过采集光学电流传感器静态工作光强来监测OCT的光学电流传感器耦合损耗(包括光路信号传输单元的耦合损耗)的变化。

(3)波长波动。波长波动会引起磁光玻璃材料Verdet常数的变化，从而影响OCT的准确度。光源波长变化与温度变化存在一定的关系，可以通过光源模块的温度控制来降低光源波长变化给OCT准确度带来的影响。

(4)测量误差。测量误差包括OCT计量和保护误差，是反映OCT性能的一个关键性综合参数，测量误差的变化会影响OCT的使用寿命、信噪比和准确度等性能指标。在运行过程中可以在设备检修时定期开展误差复测来监视OCT的测量误差变化情况。

(5)耐压水平。耐压水平包括一次高压部件和低压部件的耐压水平，是反映OCT绝缘性能的技术参数。OCT在绝缘性能上具有天然的优势，所以耐压水平不作为关注的关键运行参数。

综上所述，选择光源波动和光学电流传感器的耦合损耗作为OCT光路状态监测的关键运行参数。体现在运行状态监测参数上是通过信号处理单元的采集器实现对光源输出光功率和光学电流传感器静态工作光强的监测。通过对光源输出光功率和光学电流传感器静态工作光强的监测，实现对OCT的光源使用寿命、光学电流传感器使用寿命、互感器的抗振性能、信号比和准确度等关键性能指标进行综合评价，从而对OCT的整体运行性能进行评价。

2 运行状态监测方案设计

2.1 运行状态监测系统结构

图2为磁光玻璃型OCT的运行状态监视系统的结构示意图。监视系统的基本工作过程是：LED光源发出的光经过光纤分束器分成两束光，一路作为载波信号输入光学电流传感器，经过一次电流产生的磁场调制后接入采集器；另一路直接接入采集器。同时，一次光纤温度传感器和二次光纤温度传感器分别监测一次传感部分和二次处理部分的温度也输入采集器；采集器将接收到光学电流传感器的静态工作光强信息、LED光源信息以及一次光纤和二次光纤温度传感器测得的温度信息以串口通讯的方式输入合并单元，合并单元的数据通过交换机输出给运行状态数据记录装置、保护装置、测控装置和计量装置。运行状态数据记录装置对合并单元的数据信息进行解析，获得光学电流传感器的工作状态信息和LED光源工作状态信息。

在OCT的运行状态监测时，我们主要关心的是光学电流传感器的静态工作光强信号(载波信号)和LED光源的波动。并由此得到所关心的反映LED光源的工作状态的LED光源波动信息和反映光学电流传感器的工作状态的光学电流传感器耦合损耗(剔除LED光源的波动)的变化量信息。具体分析过程如下：

在监测初始时刻，光学电流传感器的静态工作光强输出和分光器输出分别用P10和P20表示为：

P10=α0K1P0

(1)

P20=K2P0

(2)

其中P0为LED光源发出的初始光功率，K1:K2为分光器的分光比，α0为光学电流传感器初始光路损耗系数。

图2 OCT的运行状态监测系统的结构示意图

在监视过程中，光学电流传感器的静态工作光强输出和分光器输出分别用P11和P21表示为：

P11=α1K1βP0

(3)

P21=K2βP0

(4)

其中α1为光学电流传感器运行过程中光路损耗系数，β为LED光源发光功率波动系数。

在光学电流互感器的可靠性分析过程中，一般选择耦合损耗的变化量作为光学电流传感器失效的判据[6]，则包含LED光源的波动的光学电流传感器输出光路耦合损耗的变化量可以表示为：

(5)

分光器输出光路耦合损耗，即LED光源波动的变化量可以表示为：

(6)

则，由式(5)和式(6)，可以得到剔除LED光源的波动影响的光学电流传感器耦合损耗的变化量：

(7)

2.2 运行状态监测系统通讯协议

OCT性能的变化是一个缓慢的过程，可以采用时分复用技术和标志位配合的方式对运行状态数据进行通讯。为不改变现有智能变电站的通讯体系，本文设计的OCT运行状态监测系统的采集器与合并单元之间的通讯采用软件同步时分复用技术，对现有采集器与合并单元之间的通讯协议进行升级。运行状态数据记录装置利用现有通讯协议中的备用位信息对合并单元传输来的数据信息进行解析，实现利用现有通讯资源对OCT现场运行状态的监视功能。

采集器与合并单元之间的数据采用异步串行方式传输，传输介质采用光纤传输，其数据通信参照GB/T 18657.1的FT3的固定长度帧格式，表1为单相电流互感器的数据传输帧格式。其中，状态字#1和状态字#2各个比特位表示的含义和说明具体可参见GB/T 20840.8电子式电流互感器标准[7]。状态字#1中的比特0位是要求维修状态位，用来综合表示互感器设备的状态，但众多告警或故障信息只用一个状态位标识，使得后台无法甄别；比特14和比特15位是供将来使用位。状态字#2中的比特5、比特6和比特15位也是供将来使用位。

电压等级和应用场合的不同，OCT的设计方案中一次传感部分光学电流传感器包含的光学电流传感单元的数量有所不同，但目前实际应用中最多包含4组光学电流传感单元。这样，OCT的运行状态监测系统最多需要传输4组LED光源输出光强信息数据和静态工作光强信息数据。对于单相光学电流互感器而言，我们可以将表1数据传输帧格式中的“温度”字节作为传输一次传感部分和二次处理部分的工作温度信息数据的字节；将“LED光源输出光强信息数据”作为传输不同LED光源输出光强信息数据的字节；将“静态工作光强信息数据”作为传输光学电流传感器不同传感单元的静态工作光强信息数据的字节。

选择状态字#1中的比特14和比特15位作为LED光源输出光强信息数据传输的标志位，用以解析数据传输帧中时分复用的不同的LED光源输出光强信息数据，表2为其标志位分配说明。

选择状态字#2中的比特5和比特6位作为光学电流传感单元静态工作光强信息数据传输的标志位，用以解析数据传输帧中时分复用的光学电流传感器不同传感单元静态工作光强信息数据，表3为其标志位分配说明。

表1 采集器和合并单元通讯协议的数据传输帧格式

表2 光源信息数据传输标志位说明

表3 静态工作光强信息数据传输标志位说明

选择状态字#2中的比特7位作为温度数据传输的标志位，用以解析数据传输帧中时分复用的一次传感部分和二次处理部分的温度信息数据，表4为其标志位分配说明。

表4 温度信息数据传输标志位说明

以上数据帧格式的设计不影响目前智能变电站既有的合并单元、计量装置、测控装置和保护装置等智能装置的通讯协议，实现利用现有通讯资源对OCT现场运行主要工作状态的监视功能，并实时记录表征运行状态的采样值数据，为后期OCT使用寿命评估提供第一手数据资料。

3 运行状态监测系统测试

依据图2的OCT的运行状态监测系统的结构示意图建立了图3所示的测试实验系统。实验系统主要包括环境试验箱、合并单元(许继电气DMU831)、二次处理装置和运行状态数据记录平台，光学电流传感器和一次部分温度传感器置于环境试验箱中以模拟环境温度变化，其它装置处于室温中，LED光源、光纤分束器、采集器和二次部分温度传感器均位于二次处理装置内。采集器采用时分复用技术和标志位配合的方式对采集的运行状态数据进行组帧，采用本文设计的升级后的通讯协议向合并单元进行数据传输，运行状态数据记录平台再利用本文设计的标志位进行数据解析、显示和保存。

运行状态数据记录平台每隔5分钟记录一次数据，实验总共进行了12小时。图4是程序控制的环境试验箱内的温度-40 ℃～+60 ℃，由于光学电流传感器置于环境试验箱内，该温度曲线即是一次传感部分温度数据曲线；图5是实验室环境温度曲线，也即二次处理部分温度数据曲线。试验中的光学电流传感器包含4组光学电流传感单元，分别由4组LED光源提供载波光强信号。图6是LED光源#1的波动曲线，由此曲线我们可以了解LED光源#1的工作状态。图7是光学电流传感单元#1耦合损耗的变化曲线，由此曲线我们可以了解光学电流传感单元#1的工作状态，并通过对光学电流传感单元的耦合损耗的长期监测，对OCT的使用寿命进行有效预测。