DQZHAN技術(shù)訊：光纖電流互感器在配電網(wǎng)自動(dòng)化中的應(yīng)用
由智能配電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，引出了光纖電流互感器的研制背景，簡(jiǎn)要介紹了其設(shè)計(jì)原理、產(chǎn)品特性及功能實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合典型工程應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)例分析。
智能配電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題
國(guó)家電網(wǎng)公司從20 世紀(jì)90 年代初就開(kāi)展了配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的試點(diǎn)工作，先后進(jìn)行了一系列大量的科技試點(diǎn)和運(yùn)行實(shí)踐活動(dòng)。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)、產(chǎn)品不斷革新。與一次側(cè)電網(wǎng)相比，智能配電網(wǎng)發(fā)展相對(duì)不快，主要原因如下：
(1)配電網(wǎng)涉及范圍廣、投資大。配電網(wǎng)所測(cè)控的對(duì)象包括開(kāi)閉站、環(huán)網(wǎng)柜、分段開(kāi)關(guān)、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)等，需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的設(shè)備眾多，但由于經(jīng)濟(jì)等方面的限制，實(shí)際的測(cè)量設(shè)備安裝數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足需要。而且，由于設(shè)備性能、安裝環(huán)境等方面的原因，配網(wǎng)量測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)受外界干擾較大，數(shù)據(jù)可用性不高。
(2)已建配電網(wǎng)的配電網(wǎng)自動(dòng)化終端安裝、電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)改造等實(shí)施難度大。
(3)在試點(diǎn)過(guò)程中存在不少誤區(qū)。如存在認(rèn)識(shí)偏差，過(guò)分追求狹義的故障處理功能(DA)，沒(méi)有建立整體全局觀，導(dǎo)致配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)綜合效益無(wú)從顯現(xiàn)。
(4)中心主站系統(tǒng)沒(méi)能很好地融合到綜合信息系統(tǒng)，沒(méi)能很好地服務(wù)于配電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行、維護(hù);缺乏對(duì)整個(gè)配電調(diào)度管理系統(tǒng)的統(tǒng)籌考慮，大大限制了配電自動(dòng)化系統(tǒng)的易用性和實(shí)用性。在過(guò)去近20 年的配電網(wǎng)自動(dòng)化改造當(dāng)中，真正整體實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)自動(dòng)化的區(qū)域非常少見(jiàn)，這與智能電網(wǎng)所要達(dá)到的目標(biāo)，出現(xiàn)了非常大的差距。
國(guó)家電網(wǎng)公司提出了智能配電網(wǎng)步步推進(jìn)的技術(shù)路線圖。配電網(wǎng)自動(dòng)化作為智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)也備受重視。
在新一輪以智能電網(wǎng)為核心的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，給出新建項(xiàng)目技術(shù)方案的同時(shí)，應(yīng)充分考慮到已建項(xiàng)目正處于運(yùn)行之中的特點(diǎn)，必須考慮到因?qū)嵤┡潆娋W(wǎng)自動(dòng)化改造而帶來(lái)的對(duì)運(yùn)行可靠性的影響，及前述配電網(wǎng)自動(dòng)化已存在的缺陷。配電網(wǎng)自動(dòng)化所需要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)主要是電流和電壓，其他數(shù)據(jù)基本上都可以通過(guò)電流和電壓數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)獲取，為此希望在智能電網(wǎng)范疇內(nèi)的配電網(wǎng)自動(dòng)化改造過(guò)程中，能夠結(jié)合目前存在的缺陷，找到一個(gè)盡量降低缺陷影響的新辦法和新思路。
2004 年IEC 60044-8 《互感器 電子式電流互感器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)，有的新建變電站采用了光纖電流互感器技術(shù)，光纖傳感技術(shù)已融入到智能變電站中。但是同時(shí)也必須認(rèn)識(shí)到，在高電壓等級(jí)所采用的光纖電流互感器技術(shù)，在穩(wěn)定性、抗干擾性能等多個(gè)方面，還存在很多問(wèn)題。目前尚不能做為成熟產(chǎn)品來(lái)應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)10kV 網(wǎng)架的配電終端所采集的數(shù)據(jù)，都是基于傳統(tǒng)電磁原理的互感器，主網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)遲遲不能應(yīng)用到配電網(wǎng)領(lǐng)域。在配電網(wǎng)自動(dòng)化改造過(guò)程中，對(duì)已存在的一次系統(tǒng)加裝電流互感器，也成為一項(xiàng)比較耗時(shí)費(fèi)力的工作。為了破解這個(gè)困擾業(yè)界的難題，將新型傳感技術(shù)運(yùn)用到配電網(wǎng)自動(dòng)化的電流互感器當(dāng)中，替代傳統(tǒng)電流互感器就變得非常必要和迫切。
光纖電流互感器的提出及研制
光纖技術(shù)測(cè)量電流始于20 世紀(jì)60 年代，1963 年美國(guó)就已經(jīng)在230kV 變電站中掛網(wǎng)運(yùn)行。1979 年英國(guó)掛網(wǎng)運(yùn)行了全光纖互感器，1993 年我國(guó)在廣東電網(wǎng)運(yùn)行了華中科技大學(xué)研制的光纖電流互感器;進(jìn)入2000 年后，許繼集團(tuán)聯(lián)合華北電力大學(xué)，南瑞集團(tuán)聯(lián)合航天科技，ABB、西安創(chuàng)維等都在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)上試運(yùn)行了光纖電流互感器;近幾年上海嘉定變電站等投運(yùn)了光傳感電流互感器。
以上的技術(shù)和產(chǎn)品主要集中在高電壓等級(jí)的主網(wǎng)，在中壓領(lǐng)域開(kāi)展光纖傳感技術(shù)研究，國(guó)內(nèi)尚未有實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品。
而在國(guó)外，擁有150 萬(wàn)客戶的丹麥*大電力公司 DONG Energy 在2002 年提出需求：“希望能有產(chǎn)品在不停電、不破壞現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備的條件下，具有檢測(cè)中壓電纜線路故障和電流的**測(cè)量功能?！苯?jīng)廣泛調(diào)查后發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上沒(méi)有符合條件的標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，為此，DONG Energy 發(fā)起并聯(lián)合丹麥大學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)機(jī)構(gòu)，組織了公司專攻技術(shù)與工程應(yīng)用。2004 年，光纖電流互感器在DONG Energy 實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，配電終端以光纖互感器為基礎(chǔ)，具有“技術(shù)先進(jìn)、功能實(shí)用、安裝便捷、適應(yīng)智能電網(wǎng)需求、可靠性高”等特點(diǎn)，目前在全世界20 多個(gè)國(guó)家的配電網(wǎng)領(lǐng)域得到實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用。
經(jīng)過(guò)了工程實(shí)踐和不斷完善，以光纖電流互感器為主體組成的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，已成為一個(gè)專業(yè)的、相對(duì)成熟的技術(shù)產(chǎn)品體系。
光纖傳感配電終端通過(guò)光纖電流互感器來(lái)采集運(yùn)行時(shí)的電流量，配合FTU/DTU所采集的電壓量，可以將有功功率、無(wú)功功率、頻率等信息進(jìn)行**計(jì)算，以及判斷短路故障電流、接地故障和故障距離等，采集精度高，計(jì)算量準(zhǔn)確;還有多路信號(hào)采集回路及控制輸出回路;通過(guò)通信模塊，以網(wǎng)絡(luò)RJ 45、無(wú)線GPRS 及串行RS 485/232為物理接口， 以IEC 60870-5-101/104 和CDT 協(xié)議和配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主站實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互。也可以通過(guò)IEC 61850 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)光纖電流互感器獨(dú)立發(fā)布數(shù)據(jù)。
光纖電流互感器的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)基本原理
當(dāng)一束線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度β 與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度d 的乘積成正比，即β=VBd ，比例系數(shù)V 稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)。
光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)
LED 發(fā)出的光源，經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直鏡頭以后，形成平行光進(jìn)入起偏器，經(jīng)過(guò)起偏器以后轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，當(dāng)線偏振光經(jīng)過(guò)安裝在導(dǎo)線上的磁光晶體時(shí)，導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將使光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的偏振光通過(guò)檢偏器，檢測(cè)出偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。
經(jīng)過(guò)檢偏器以后的變化了光強(qiáng)的光，經(jīng)過(guò)**光纖后由光處理模塊上的光電探測(cè)器接收，并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)相關(guān)電路檢出其光強(qiáng)變化，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、信息提取等智能過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體內(nèi)電流強(qiáng)度的檢測(cè)。圖1 為光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)示意圖
光纖電流互感器的實(shí)現(xiàn)方法
光電檢測(cè)原理主要通過(guò)以下幾部分實(shí)現(xiàn)：光學(xué)器件：包括光傳感頭、絕緣件、夾具、定制光纖等;
光電處理模塊：包括發(fā)光器件、光接收器件、光電轉(zhuǎn)換、計(jì)算及分析判斷。圖2 為光電檢測(cè)原理框圖。
光纖電流互感器的特點(diǎn)如下：
(1)量程寬、精度高、頻帶寬、響應(yīng)快，可同時(shí)滿足測(cè)量和保護(hù)需要。
(2)安裝維護(hù)便利，不損壞、不切割已有設(shè)備。
(3)全絕緣、耐高溫，無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)。
(4)短路故障測(cè)距，提高供電系統(tǒng)可靠性。
(5)節(jié)能環(huán)保，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。
硬件架構(gòu)模式
光纖電流互感器所運(yùn)行的硬件平臺(tái)，以高速雙CPU 架構(gòu)模式和16 位AD 作為核心元器件，包含大容量的程序FLASH、RAM、I/O 接口、SCI、SPI 等資源，大大地簡(jiǎn)化了硬件的復(fù)雜程度，提高了硬件的可靠性。主體硬件構(gòu)架模式如圖3 所示。
圖3 主體硬件構(gòu)架模式
支撐光纖電流互感器的硬件平臺(tái)功能
(1)板件組成。 光纖電流互感器由通信ARM 板、采集DSP 板、光纖電流互感器板、電流互感器板、PT 板、遙信板、遙控板、電源板組成。
(2)通信ARM 板功能。 ARM 板配置了RS 232 調(diào)試口、以太網(wǎng)口、RS 232/485 口、GPRS 模塊以及光纖通信接口，實(shí)現(xiàn)終端同主站之間的數(shù)據(jù)交換功能。ARM 板還擁有大容量的程序空間、SDRAM、I/O 口以及SCI、SPI、I2C、Ethernet 等接口，使用雙口RAM 與采樣DSP 板交換數(shù)據(jù);芯片具有IEEE 1588 硬件支持功能，其時(shí)鐘**性能達(dá)到40ns，可滿足IEC 61850 協(xié)議所需的**對(duì)時(shí)要求。
(3)采集DSP 板功能。負(fù)責(zé)計(jì)算和分析FPGA 傳輸過(guò)來(lái)的采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)雙口RAM 與通信ARM板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是整個(gè)設(shè)備的處理中心，*大容量可設(shè)計(jì)為40 路遙測(cè)、64 路遙信、10 路遙控，可滿足10 條線路開(kāi)閉所的測(cè)量和遙控的技術(shù)要求;FPGA 芯片負(fù)責(zé)收集各采集板的采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)也是命令下發(fā)的中間通道;DSP 板還擁有程序存儲(chǔ)空間NORFLASH、RAM 等接口;另外還具有CAN 通信口、RS 232 調(diào)試口、數(shù)字量輸入和輸出。
(4)光纖電流互感器板功能。每塊光纖電流互感器板完成6 路交流電流和2 路零序電流的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，6 路交流電流是通過(guò)接收光纖電流互感器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU 能接受的信號(hào)，2 路零序電流是通過(guò)接收傳統(tǒng)電流互感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU 能接受的信號(hào)，一般采集兩條線路的三項(xiàng)交流電流量和零序電流量。交流電流可測(cè)*大一次側(cè)電流10000A，零序電流量程可通過(guò)電阻改變，一般為0~1A。
以光纖電流互感器為核心的配電網(wǎng)自動(dòng)化終端(FTU/DTU)功能
(1)三遙功能。遙測(cè)、遙信、遙控。
(2)故障檢測(cè)功能。通過(guò)采集線路的電壓、電流量，提供零序過(guò)電壓、零序過(guò)電流、線路過(guò)負(fù)荷、線路三相過(guò)電流等檢測(cè)功能。根據(jù)采集到的電流大小及設(shè)置的定值，能夠自動(dòng)快速判別線路是否發(fā)生故障，區(qū)分故障電流方向、識(shí)別單相接地或相間短路故障，并將故障信息和性質(zhì)及時(shí)主動(dòng)上報(bào)給配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，以便進(jìn)行相應(yīng)故障處理。
(3)其他配電網(wǎng)自動(dòng)化必要的功能。包括通信功能，調(diào)試、維護(hù)、管理功能，統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可靠性設(shè)計(jì)等。
光纖電流互感器安裝及應(yīng)用
光纖電流互感器外觀
(1)戶內(nèi)型光纖電流互感器及DTU外觀見(jiàn)圖4。
(2)戶外型光纖電力傳感器及FTU外觀見(jiàn)圖5。
圖5 戶外型光纖電力傳感器及FTU外觀
安裝方法
安裝光纖電流互感器的具體方法如下：
(1)安裝前應(yīng)將傳感頭放置于所安裝的環(huán)境約2 小時(shí)，以使傳感頭充分適應(yīng)安裝地點(diǎn)的環(huán)境。
(2)清潔安裝點(diǎn)，擦拭掉塵土和油污等;若在電力電纜上進(jìn)行安裝，此安裝點(diǎn)處應(yīng)沒(méi)有鎧甲和屏蔽層，因?yàn)殒z甲會(huì)對(duì)磁場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響，而屏蔽層中可能存在的感應(yīng)電流，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。
(3)在所需安裝位置涂抹硅膠(指甲大小即可)，將傳感頭凹面貼緊硅膠并用扎帶扎緊。
(4)將光纖沿電纜下引，用耐熱墊片將光纖和導(dǎo)體隔開(kāi)，并用扎帶扎緊。當(dāng)光纖進(jìn)入鎧甲或屏蔽層區(qū)域后即可不必使用墊片(即光纖表面和電纜絕緣表面直接接觸);此處還應(yīng)注意，傳感頭圓圈的直徑應(yīng)控制在8cm 左右。見(jiàn)圖6。
圖6 傳感頭安裝示意圖
(5)將光纖沿事先選擇好的路徑敷設(shè)好，并在適當(dāng)位置用扎帶固定;敷設(shè)過(guò)程中應(yīng)保證光纖保持自然曲度(彎曲半徑應(yīng)大于10cm)，以免影響光線傳播。
(6)對(duì)于三相電纜，傳感頭的安裝位置還應(yīng)考慮相間電磁場(chǎng)的影響;根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)原理，只有當(dāng)磁場(chǎng)方向平行于光的傳播方向時(shí)才會(huì)造成光的偏轉(zhuǎn)，因此多個(gè)傳感頭在多條電纜的環(huán)境中安裝時(shí)，安裝方式的選擇對(duì)測(cè)量精度的影響很大。如圖7 所示，L2 相產(chǎn)生的磁場(chǎng)B 垂直穿過(guò)L1、L3 相上的傳感頭，因此不會(huì)對(duì)其的測(cè)量精度產(chǎn)生影響，若按圖8的方式安裝，每個(gè)傳感頭均受到3 相磁場(chǎng)的影響，因此，測(cè)量的精度較低。
(7)將光纖引入箱體，并在箱體內(nèi)保留適宜的長(zhǎng)度以保證足夠的彎曲度。
(8)將光纖輕輕插入光纖接口的一端，另一根輕輕插入另一端;插入過(guò)程要注意確保光纖已插至底部但不可太過(guò)用力;將光纖連接端子輕輕向里推至底部固定光纖。如圖9 所示。
圖9 光纖連接示意圖
拆除光纖時(shí)，先將光纖連接端子輕輕向外拔出，隨后將光纖拔出，并用相應(yīng)的保護(hù)帽對(duì)連接端子以及光纖尾部進(jìn)行保護(hù)。光纖的尾部截面經(jīng)特殊工藝打磨處理，操作過(guò)程中必須保證光纖尾部截面的清潔，不可接觸泥土、油污等，也不要用手指觸碰截面，以免污物造成光的折射、反射，影響光的傳輸，造成測(cè)量誤差過(guò)大。
(9)系統(tǒng)安裝完成上電后首先要對(duì)系統(tǒng)光值進(jìn)行測(cè)量，光值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響測(cè)量精度，因此在光值不滿足要求時(shí)應(yīng)調(diào)整光纖插入長(zhǎng)度，直到光值滿足要求。
典型工程應(yīng)用
以本文原理研發(fā)的光纖電流互感器以及與之配套的FTU/DTU 已經(jīng)在多個(gè)環(huán)境下使用過(guò)。其中戶內(nèi)型的典型應(yīng)用如大慶油田等，見(jiàn)圖10;戶外型的典型應(yīng)用如山東濱州供電公司、山東淄博供電公司、天津供電公司等，見(jiàn)圖11。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的過(guò)程中，均體現(xiàn)了光纖電流互感器安裝方便快捷的特點(diǎn)。戶外型本身設(shè)計(jì)可以帶電安裝。戶內(nèi)型以大慶油田采油二廠35kV/6kV變電站為例，該變電站監(jiān)測(cè)線路包括14 條6kV 出線，僅用了兩天時(shí)間即全部完成自動(dòng)化改造，其中*少停電時(shí)間的線路僅僅為20分鐘，大大縮短了工期，減少了停電時(shí)間。
圖10 戶內(nèi)光纖電流互感器安裝圖
圖11 戶外光纖電流互感器安裝圖
存在的問(wèn)題及解決方法
雖然光纖電流互感器具有較多的優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也具有一定的缺點(diǎn)，如：
(1)對(duì)安裝的要求比較高。為了避免鄰相的電磁干擾影響，對(duì)于光纖電流互感器的安裝要求比較高，必須嚴(yán)格與所檢測(cè)相的電纜保持垂直。
(2)需要進(jìn)行二次校準(zhǔn)。由于各種電纜參數(shù)、溫度參數(shù)等的不同，安裝戶內(nèi)的光纖電流互感器以后，需要進(jìn)行校準(zhǔn)后再運(yùn)行。
(3)小電流下誤差比較大。在20~80A的環(huán)境下，測(cè)量誤差為±1A。安裝位置與二次校準(zhǔn)的缺陷，可以用海量電纜參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，或者直接將光纖電流互感器固化到開(kāi)關(guān)內(nèi)部的辦法來(lái)解決。
小電流誤差比較大的原因，主要是因?yàn)樾‰娏魉a(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度比較弱，相對(duì)于周圍環(huán)境的磁場(chǎng)強(qiáng)度，更容易受到影響。需要通過(guò)加強(qiáng)屏蔽等抗干擾措施，或者應(yīng)用于大電流區(qū)域等方法來(lái)解決。
