传统互感器的就地数字化方法研究

魏凤霞，翟晓慧，张来福

（1.山西晋缘网络技术有限公司，山西 太原 030001；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

随着我国电力事业飞速发展，电力系统向大容量、高电压、智能化的方向发展，厂、站和系统数字化测量、保护、调度和控制已成为发展的趋势。根据国家电网公司提出的将控制、保护、测量、监测、安全、防误操作的功能结合，构成“机电一体化”新概念电力设备的发展需求，全数字化变电站是必然的发展趋势。

近年来，随着数字化技术的发展，电子式（电流/电压）互感器（也称为光电互感器） 的研究也不断取得进展。电子式互感器可以采用光纤输出数字信号，该信号在传输的过程中既不受外界电磁干扰、也不会发生明显的畸变和衰减，实现了低压设备与高压设备之间的无金属线缆连接，从而为变电站数字化提供了最基本的物质条件。

1 传统互感器就地数字化的必要性

电子式互感器分为有源式和无源式两种，其中有源式发展迅速，中国已经有产品在挂网运行。电子式电流互感器的优点为[1-2]：以Rogowski线圈为一次转换器实现的大电流转变，无磁饱和，频率响应范围宽、精度高，暂态特性好；无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故；高低压部分的光电隔离，使得电流互感器二次开路可能导致危及设备或人身安全等问题不复存在；绝缘结构简单，在高压和超高压中降低了光电互感器的综合使用成本。

现有的电子式互感器一次转换器工作在高压侧，对有源式来讲，其对一次电源要求很高，目前采用激光器的光供能方式为主，其寿命有待考验，产品可靠性经验仍在不断累积之中，处于产品运行试验阶段。另外，激光电源、光电池等成本很高。若将传统的互感器全部更换为电子式互感器，且不论更换费用昂贵，就电子式互感器运行稳定可靠的问题还有待进一步验证。综合各种情况来看，电子式互感器大量应用还需要一段时间。传统互感器以其运行可靠、稳定，运行过程免维护；具有大量、长期运行经验；寿命长，一般设计寿命为30 a；除高压和超高压等级，成本低廉等优点，现阶段依然是变电站主要使用的一次设备。

将传统互感器输出就地数字化，使之具有电子式互感器的功能。国内大多数变电站均装有电磁式互感器，可以利用就地数字化的方法将其改造为电子式的互感器，使得传统互感器能够适合数字化变电站建设的需要。采用互感器就地数字化系统实现变电站数字化，能够在很大程度上保证变电站的安全、可靠运行。另外，就地数字化系统还可减少互感器的负载，提高传统互感器的准确度。

2 就地数字化系统工作原理

就地数字化系统向上在传统互感器就近承接其输出，向后以数字光信号按照一定通信格式来传送采样数据。它将来自传统互感器的模拟信号就地数字化，转换成适合于光纤传输系统的信号。就地数字化系统在线工作示意图如图1所示。

图1 就地数字化系统在线工作示意图

传统互感器输出为模拟量，经过就地数字化装置处理，变成适合光纤传输的数字化的光脉冲信号，通过光纤传输给合并单元。就地数字化系统原理如图2所示。

图2 就地数字化系统原理图

图2中虚线框中的内容可以做成便携式结构，主要有N路（一般N为1～6）小型互感器，N个高精度采样电阻，N个一次转换器电路板和两个电源电路板构成。

3 就地数字化系统概述

就地数字化系统就是利用成熟的小型互感器技术、稳定可靠的数字信号处理DSP（Digital Signal Process）技术和光纤技术，把传统互感器采集的模拟量在传统互感器就近进行数字化处理，而非在后面控制室中的合并单元中进行。就地数字化系统适用于电力系统中需要进行数字化的场合。就地数字化系统是把传统的互感器技术、现代DSP技术和光纤传输技术深层次相结合的、具有很好发展前景的新一类信号处理装置。就地数字化技术是迅速发展的电力工业数字化进程的需要，就地数字化系统的出现是电力系统数字化进程中的一场革命，代表着电力数字化发展的最新方向，对电力事业的数字化发展将产生不可估量的影响。

就地数字化系统通过编程语言将功能强大的可编程逻辑器件和其他硬件融为一体，利用具有强大处理能力的逻辑器来控制硬件的信号采集和处理，完成复杂的信息处理，并且大大缩小了就地数字化装置的硬件成本和体积。

就地数字化系统把处理的信息通过光纤传输到控制室，从而实现了一次和二次之间完全的电气隔离，大大提高了变电站运行的可靠性。

4 就地数字化系统的组成

就地数字化系统由三部分组成：进行传统互感器模拟量变换的高精度小型互感器，进行信号变换和处理的一次转换器，为信号变换和处理电路能正常工作提供稳定能量供应的电源电路。

4.1 高精度小型互感器

高精度的小型互感器原理与传统的互感器原理一样，有几十年的运行经验，技术非常成熟。通过选用特殊的磁芯和特殊的绕制工艺，小型互感器在额定电流范围内精度可达万分之五，保证了小型互感器传变信息的准确性；通过采用特殊的屏蔽技术，很好地隔离了外界干扰对小型互感器工作的影响。高精度采样电阻的选用，保证了输入一次转换器信号的精确性。小型互感器的负载较低，从另一方面也减小了一次互感器的负载，提高了一次互感器的准确度。

4.2 一次转换器

一次转换器是对输入的模拟信号进行数字化，最后以光脉冲信号的形式通过光纤传送给位于控制室的合并单元。图3是就地数字化装置结构电路图，其中虚线框内电路构成一次转换器。

信号调理电路对输入的两路电压信号进行一系列处理，转变成数字信号。控制电路通过特定的算法，对两路信号进行比较处理，选取一路精度较高的信号输出。电光转换电路把控制电路输出的数字信号转变成光脉冲信号，通过光纤传送给合并单元。

图3 就地化数字系统结构电路图

4.3 电源电路

一次转换器要正常工作，需要有稳定的±15 V、+5 V、+3.3 V和+1.2 V电源供应。电源电路如图4所示。

电源输入采用变电站提供的48 V直流电源，电源转换模块将48 V直流电源转换为5 V直流电源，5 V输入再通过电源转换模块为一次转换器提供±15 V、+5 V、+3.3 V和+1.2 V电源输出。其中电源转换电路均采用了较为成熟的电压转换芯片构成，能够长期可靠稳定运行。为了保证电源可靠稳定，采用了两个标准电源转换和两个电源控制模块构成热备份的双电源转换模块，可确保就地数字化系统能够进行稳定可靠的运行。

5 结束语

变电站数字化是电力系统发展的必然趋势，随着大批电站和电网项目建成投产，对互感器需求巨大。据不精确推算，目前市场上1台110 kV的电子式电流互感器，不算与二次接口所需的合并单元等辅助设备，售价大约为5万元/台，若采用就地数字化进行改造，在保证效果相同的前提下，仅就110 kV等级而言，与电子式电流互感器售价相比，各项综合改造成本最多为其50%，220 kV等以上等级的改造成本，较其还会成倍数降低，而且采用就地数字化系统后，几乎不会给变电站维护带来额外的维护支出。采用就地数字化系统对电力系统的经济效益有不可估量的作用。就地数字化系统实现了一次传感器模拟信号的数字化，适应了变电站数字化发展的需求。对传统互感器按照电子式互感器标准进行改造，并具有正规电子式互感器所有的功能，使传统互感器继续发挥作用，降低了变电站的更新成本。就地数字化系统的开发成功，会更进一步推动变电站的数字化发展，提高变电站运行的安全性。就地数字化系统从硬件平台、系统功能、网络结构等各个部分均采用了先进的技术手段，确保了系统的先进性，也保证了系统的准确度和稳定性。就地数字化系统以设备为主线建立，在满足模拟量就地数字化的同时，该系统的输出满足相关标准的要求，确保了系统在变电站数字化过程中的通用性。

图4 电源电路

［1］ 王鹏，张贵新，朱小梅，等.电子式电流互感器温度特性分析［J］.电工技术学报，2007（10）：60-64.

［2］ 王鹏，罗承沐，张贵新.基于低功率电流互感器的电子式电流互感器［J］.电力系统自动化，2006（4）：98-100.