光电传感数字化及其继电保护技术

2021-03-07刘伟浩

电子技术与软件工程 2021年19期

刘伟浩

（许继电气股份有限公司河南省许昌市 461000）

随着微电子技术、光电技术和通信技术的快速发展，智能化、网络化和数字化的测试控制技术已经被逐渐应用在电子系统中，改变了以往的电力系统运行、管理模式。光电技术的应用使传统电力系统产生了重大改变。想要让电力系统模式更加完善，需要对光电传感数字化及其继电保护技术拥有全面地了解。

1 光电量测系统的设计与分析

电力系统当中的电压电流信号会出现转变，当它们通过前端的有型传感头之后会变为低的电压信号。在这个环节中可能会影响信号特性，为了避免这种情况，需要在高端就使其向数字信号，并且能够通过光线传输的方式得以保存。在这个过程中，能够有效围护信号特性，降低其他因素造成的印象。在处理高端信号的时候，可以借助滤波环节来降低高频干扰的营销。在达到积分环节之后，将测试信号进行复原。然后通过模块转换将模拟信号转换成为数字信号，实现光信号的转变。在这个过程中，信号都可能会受到滤波、积分以及模块转变带来的影响。

通过光纤传输下来的数字光信号，通常只会因DA转变出现变换误差，其他情况下不会产生原理性误差。在这样的情况下，高端传输的数字信号便成为重点关注对象。信息合并单元需要对硬件结构设计给予重视，确保整体结构能够实现与光电传输传感器接口的对接，并且还能够满足传统互感器和二次设备的兼容。榆次同时，应当对高速处理其中的数字信号进行着重考虑，并和间隔层设备的通信。在系统当中，一个间隔内的光电传感系统配置需要根据相同标准，其标准配备一般为12个信号量。测量用三相电流、保护用三相电流、中性点电流、三相电压、中性点电压以及母线电压。为了确保性能和功效，需要使高压部分结构尽量简单简洁，为了达到这样的目的，每路信号都应当使用光线进行链接，并且将每一段的测量和保护电压电流传感头与同一个绝缘柱进行连接。

在光电传感系统配置架构当中，高压传感单元主要有传感器和高端信号处理两个部分，传感头，将被测电量的原始信号进行输出反应。在完成了高端信号的处理工作后，呈现出数次点脉冲量。系统中的光电电压传感器的主要高压传感单元主要有两个，为分压器和电子电路。在光传输环节当中，会涉及到电光转换、光纤和光电转换的。通过这些环节可以完成数字电脉冲量从高压端转向至第二段的传输。在系统当中，低压合并单元承担着电量信号汇集点的任务，可以对12路不同信号展现同步采集、分析和处理，将其进行整合分析进行发送。同时结合现场的实际环境需要，将需要使设备具备模拟电量输入与输出功能，以便于进行老设备接口以及日常调试和检验。

1.1 高端传感单元的设计与分析

由于高压传感单元位于高压侧，因此在安装过程中，通常会将安装位置选定在室外。为了提升它的安全性，使其更加便于进行维护保养。因此，需要使高端传感单元的整体结构更加简单，同时对高压端功能问题给予关注。在整体构造当中，需要确保高压端的电子路线具备低功耗的特征。如今，随着微电子技术的发展进步，合理利用这样技术则可以令设计方案满足以上需求。通常情况下，高端传感单元设计需要拥有较为完善的结构，需要具备以下环节，如图1所示。

图1：高端传感单元的组成

在此构造当中，信号跟随及放大电路通常会展开对增大信号电路的输入阻挡。在完成了原始信号的首次调整之后，需要确保传感头输出电压范围可以迎合后续电路的具体要求，这个数值范围一般情况下都会在5V以内。积分环节和模块转换环节都可能对信号特性造成一定影响，会直接决定信号的频谱范围和相应时间，因此着重关注积分环节和模块转换环节。目前，积分环节主要有两种类型，分别为模拟积分与数字积分。两者的主要区别在于积分器输入信号方式存在差别。在模拟积分器当中，主要是针对连续信号进行积分，可以在宽频率条件下呈现出良好的积分效果。而数字积分器通常是对采样技术上进行相应的运算，对低频信号拥有较好的效果，精度也具有保证，不会因模拟器分器的漂移而造成严重误差。

模块转换环节有直接AD转换以及VFC转换两种方法。在选择具体是方法的过程中，需要考虑到设计方案的具体性能需求，进而选择合适的技术方法。实际数方案的实施具有可行性。在得到了能够反映被测量模拟信号之后，想要实现光信号的传输以及对后续信号进行相应处理，需要将模拟量转换为数字量。在当前阶段主要的转换方法为电压频率转换即VFC以及直接AD转换器ADC。电压频率转换器VFC属于一种间接模数转换器，VCF转换方法可以将模拟电压电流转变为对应的输出频率以及输入模拟量，可以带来精准的现行比例关系脉冲串。在转换过程中，输出频率联系跟踪输出信号，对于输入信号会造成一定影响使其产生变化。VFC是不断进行积分的转变过程，所以在进行VFC转换的过程中需要拥有低通滤波降低串模干扰。另一种转换方法为直接AD转换器，这种转换方法是在确定量程和转换位数之后，使输入模拟量转变为相应的数字量。在进行转换之前，需要最好准备工作即确定转换位数和转换时间。在运用这种转换方法是实惠存在量化误差，不会因其他情况出现误差，进而避免信号存在失真转换的情况。而AD转换方法也会因转换原理的差别被分为三种，分别为逐次逼近式ADC、双积分式ADC以及并行式ADC。光电传感器对于数据采集拥有一定的要求，需要提供一个高分辨率、高采样率的系统，所以通常情况下会采取逐次逼近式ADC。分析转换器的组成部分可以了解到，它是由D/A转换器、逐次逼近式逻辑寄存器和高速电压比较器共同组成。在当前阶段，实用化的产品通常会把几个部分归纳到一个芯片当中，这样可以令其具备更高的独立性，有用更加优秀的功能。

1.2 信息合并单元的设计

经过光纤从高压端传输下来的光信号经过光电检测器和波形整形后会变成数字信号。光线好在通过光线从高压端传输下来之后，经过光电监测器和波形整形后会呈现为数字型号的行驶。与此同时，一个间隔内所有传感器的输出在经过以上环节之后，已经进入到低电位端的信息合并单元即IMU当中。IMU在架构当中承担着光电传感系统信息收集和处理的任务。因此它会对光电传感器在电力系统二次回路的应用手段和方式起到了决定性的作用。在当前阶段，IMU的设计工作仍然处在研究阶段，主要的研究内容是针对硬件体系结构、接口规定以及通信规约。在当前阶段，我国变电站的自动化水平不够均衡，使用IMU可以有效实现IEC规定要求的各类功能，并且兼容传统设备。IMU能够提供与传统CT、PT的接口，令以往传统的互感器的模拟量向光线数字化方向转变，这种优化传统二次电缆接线较为理想的方式。在将IMU安装至现场时候，应当提供相应的开光量接口。架构中的IMU可以应有其通信模块来完成开光量信息的输出与接收，并且还可以满足模拟量的输出需求，这样能为传统二次设备接口对设备测试以及波形对比给予便利。IMU的接口规定需要结合IE-C60044-7/8对电子式互感器接口的规定，并且考虑需要充分考虑我国当前的实际应用需求。IMU会选择光线或者铜线来与二次设备进行链接。标准的传输采用了通用帧格式，速度为2.5Mbit/s，使用了曼彻斯特码，最高有效位先送。在IMU的通信规约方面，需要根据IE-C60044-7/8的相关规定，对IMU的通信规约主要有数据链路层、物理层以及应用层三个方面。

2 二次回路光电数字化技术研究

在电力系统当中，二次回路系统承担着对一次系统的辅助作用，一般是由测量仪表、继电保护装置、监测反馈装置、自动控制装置等组合而成。系统中的二次回路主要是针对一次系统展开测控工作。如果系统中的一次系统在运行过程中出现了异常状况，二次系统会及时了解异常情况，发出相应的预警信号。传统的二次设备在运行过程中会从传感器中获得一次系统中的电压电流信号，并且二次设备的驱动也需要一定功率。在二次回路当中也会存在一些控制回路，所以传感器发出了电压电流会由此传输至二次设备中，呈现出信号回路。如今，随着科学技术的快速发展，光电传感器和智能化开关等设备也日渐完善，促进了二次设备的更新换代。广泛采用微机室设备，快速准确的获得相应数据，无需传送功率，提升运作效率。并且由于光线通信技术和网络技术的普及应用，为变电站系统化系统的升级改造提供了技术支撑。如此一来，变电站综合自动化系统有利更高的安全性和可靠性，能够带来理想的经济效益。

相比于光线数字通信技术，原来的金属电缆模拟量通信模式已经不能满足当前的实际需求。与数字通信技术相比，二次回路模拟通信方式还存在金属电缆二次接线复杂成本高、抗干扰能力差、模拟通讯方式信息共享程度低等缺点。想要更好的弥补这些缺点，便需要改变金属电缆模拟通讯方式。使用数字通信技术构建光线通信网络，使用网络来传递和控制信息。由于光电传感器可以与二次智能设备提供数字量输出，扩展通信接口，所以可以将二次设备当做过程层的通信节点。这样能够更好地解决二次电缆造成的营销，提升变电站自动化系统运行能力。由于过程层包含的设备信息量越来越多，间隔层和变电站层对过程层提出的相关要求逐渐提高。因此，如何优化过程层通信模式，为二次回路的光线数字化转变提供更多便利，已经成为了一项重要的研究内容，是光电传感器在变电站自动化控制系统的关键内容。