孙 玥
南京信息职业技术学院通信工程学院 225000
摘要：随着电力系统容量的日益扩大和电压运行等级的不断提高，传统的电磁式互感器暴露出越来越多的缺点，难以满足电网向自动化、数字化方向发展的需要。在这种情况下，新一代电子式互感器成为当前人们研究的热点。而电子式互感器与保护、测控设备的接口是需要重点研究、解决的问题，合并单元必须要很好的满足数据传输的实时性要求，是实现此接口的关键技术。 关键词：电子式互感器；合并单元；FPGA
1 引言
古拉米什维利 长期以来，传统电磁式电流、电压互感器在继电保护和电流、电压测量中一直占主导地位，其主要优点在于简单、可靠性高、输出容量大，同时性能比较稳定，适合长期运行。但 是，随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁感应式互感器暴露出一系列严重的问题：绝缘结构复杂，造价随着电压等级的升高而呈指数增加；动态测量范围小，频带窄；大都依赖绝缘油做主绝缘，易燃易爆。电压互感器存在铁磁谐振的可能性，容易引起过电压；电流互感器存在磁饱和问题，且在大容量系统中显得尤为突出。大容量、超高压系统的短路电流不仅数值很大，而且含有很大的非周期分量，过大的电流引起电流互感器铁芯过度饱和，造成励磁电流增大几十倍甚至几百倍，从而引起电流互感器二次电流数值和波形的严重失真，导致系统保护的误动作。
近年来，基于光学和电子学原理的电子式电流／电压互感器(ECT／EVT)的研究得到了国内外研究人员的广泛重视，成为具有革命性意义的研究方向。电子式互感器与传统的电磁式互感器相比，具有如下优点：
（1） 绝缘结构简单，体积小、重量轻。一般电子式互感器的重量只有电磁式互感器重量的1／10，便于运输和安装；
（2） 采用光纤或其它加强绝缘方式实现高电压回路与二次低压回路在电气上的完全隔离，消除这些网络不希望有的相互影响，保护了二次设备和工作人员的安全；
（3） 带负载能力强。对于接入任意输入阻抗，以模拟或数字形式输入形式的负载可具有任意需要的独立输出；
（4） 不存在磁饱和与铁磁振荡问题，能在很大的电流与电压变化范围内，以高速动作、准确、抗干扰的宽频带性能来测量电流、电压；
（5） 适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要。电子式互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护和电子式计量设备，而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化中具有明显的优势。
为了有效利用电子式互感器的优点，各数据信息必须统一处理，在时间不确定性小于几微秒的同一瞬间，所取电流和电压瞬时值应传输到测量和保护装置，因此，对同一个电站间隔的各电流、电压信号，即三相的电流、电压应按一个协议规程进行传输，而作为此电流／电压综合的物理单元称为合并单元。
2 合并单元的定义
合并单元(Merging Unit，简称MU)是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，连接了电
子式互感器二次转换器与变电站二次设备。采用一台合并单元(MU)汇集多达12个二次转换器数据通道。一个数据通道承载一台电子式互感器或一台电子式互感器采样测量值的单一数据流。在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个实体接口从二次转换器传输到合并单元。合并单元对二次设备提供一组时间相干的电流和电压样本。二次转换器也可从常规电压互感器或电流互感器获取信号，并可汇集到合并单元。合并单元的主要功能是同步采集三相电流电压输出的数字信息并汇总按照一定的格式输出给二次保护控制设备。
合并单元与二次设备的接口是串行单向多路点对点连接，它将7个(3个测量，3个保护，1个备用)以上的电流互感器和5个(3个测量、保护，1个母线，1个备用)以上的电压互感器合并为一个单元组，并将输出的瞬时数字信号填入到同一个数据帧中，如图1所示。图中EVTa是指电子式电压互感器a相；ECTa是指电子式电流互感器a相；sc是指二次转换器。合并单元以曼彻斯特编码格式将这些信息组帧发送给二次保护、控制设备，报文内主要包括了各路电流、电压量及其有效性标志，此外还添加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息。
图1 合并单元的数字接口框图
3 合并单元的设计
合并单元应具备以下三种功能：
（1）能够实时接收从高压侧数据采集系统传送的采样数据，并对其进行相应的处理；
（2）能够接收站端同步时钟输入信号，从而实现高压侧各路采样信号同步；
（3）接收并处理采样数据后，通过以太网卡接口向二次设备提供数据采集信号。
等爱根据IEC 60044-7／8对合并单元的定义以及其所需要实现的功能，我们可以于把它细化为三个部分，如图2所示：
董泽平（1） 基于现场可编程门阵列(FPGA)技术的数据还原模块。在合并单元将同时接收12通道的输入数据并对其有效性进行校验，之后发送给数据处理模块；
（2） bss数据处理模块的任务是将接收到的每路每周波200个点的数据经过插值运算合并为每路每周波80个点的数据，同时将有效数据经过正确排序后发送给CPU进行相应的处理。
（3） 数据输出模块用于将各路采样值数据进行组帧并发送给保护测控设备。数据分两种标准输出：一是IEC 60044-8中描述的通信技术，采用点对点链接方式，并按照IEC 60870-5-1规定的FT3数据格式封装，实现数据传输；二是IEC61850-9-1《变电站通讯网络和系统协议》中描述的以太网络，按照ISO／IEC 802.3协议规定的帧格式进行数据封装，并通过TCP／IP协议实现数据传输。
图2 合并单元结构框图
4 合并单元的技术难点
电子式互感器合并单元的研制是一项很有意义的科研开发工作，同时它的设计、研究和产业化存在很多技术难点，因此在合并单元的设计过程中应考虑以下几点技术问题：
（1硬脂酸钙）数据同步的问题
数据同步问题是指二次设备需要的采样数据是在同一时间点上采得的，即采样数据的时间同步，以避免相位和幅值产生误差。在电力系统中精确时间同步是十分重要的，它广泛应用于继电保护、故障测距、故障分析、自动控制以及电度采集等诸多方面。例如对于计量，要求时间同步精度控制在1us以内，一般的传输线路保护，时间同步精度应在4us以内。解决时间同步问题有插值计算和使用公共时钟脉冲同步两种方法。插值计算是由二次设备完成的，根据互感器提供的若干个时间点上的采样值，插值计算得到需要的时间点上的电压电流值。采用公共时钟脉冲同步的方法，互感器中接收模块接收全站公用的精确秒时钟脉冲，使自身的内部时钟与共用时钟同步。最后根据公共时钟的倍频信号向所连接互感器发送同步指令。本设计采用的是插值计算的方法来实现数据同步。
（2）数据的实时传输问题
通常变电站自动化系统各层之间有大量的数据需要交换，其中间隔层和过程层需要交换的数据有互感器的电流电压采样实对数据、对设备的控制命令、对设备的监测和诊断数据。这两层之间的数据通信特点是通信频繁，每次传送的报文短，但是通信量大，而且对实时性要求严格，现代变电站内的装置大多是数字装置，电子式互感器直接提供数字信号，简
化了数字装置的硬件结构；传送的是数字信号，不受负载的影响，系统误差仅存在于传感头自身，减小了系统误差；其输出的数字信号可以很方便的进行数据通信。
5 总 结
国际电工委员会关于电子式互感器标准的出台, 以及我国颁布的电子式互感器国家标准, 预示着电子式互感器的产品化应用已初步具备了行业规范, 为电子式互感器的市场化提供了基础平台。电子式互感器合并单元以数字量为输出, 完全适应电力计量与保护的数字化、微机化和自动化发展的潮流。合并单元的设计也很方便灵活,有很好的扩展性和自适应性, 将其应用于变电站自动化系统中可以实现信息的共享, 提高整个系统的稳定性和可靠性。因此, 电子式互感器合并单元的研究在电力系统中有着广阔的发展前景。
参考文献
[1] IEC 60044-8,2002. Instrument transformers-Part8: Electrical current transducers [S].
[2] IEC 61850- 9- 1.Communication Networks and System in Substations Part 9-1: Specific Communication Service Mapping (SCSM) – Sampled Analogue Calues over Seri
al Unidirectional Multidrop Point to Point Link [Z].2002.
[3] 余春雨, 李红斌, 叶国雄,等.电子式互感器输出特性与通讯技术[J].高电压技术, 2003, 29(6): 7- 9.
[4] 郭志忠.电子式电流互感器研究综述[J].继电器, 2005, 13(14): 11-14.
作者简介
孙玥（1982- ）女，汉族，江苏省南京市人，南京信息职业技术学院通信工程学院讲师，硕士生。研究方向：通信技术。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议