電子式互感器數(shù)字輸出接口的研究

電子式互感器數(shù)字輸出接口的研究

1電子傳感技術(shù)在變電站的應(yīng)用隨著電氣系統(tǒng)電壓水平的增加，以及長距離、大型輸電線和互聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展，高壓和超高壓站在規(guī)模和能力上越來越大，在電氣系統(tǒng)中的地位越來越重要，對(duì)電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化水平提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電力互感器由于自身結(jié)構(gòu)上的局限性，越來越不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，也阻礙了變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。電子互感器以其突出的優(yōu)點(diǎn)將成為傳統(tǒng)電力互感器的理想替代品。國際上許多工業(yè)國家如美、英、日、韓、瑞典等國的電力系統(tǒng)已經(jīng)開始采用電子式電流、電壓互感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的互感器。電子互感器、數(shù)字計(jì)量和保護(hù)技術(shù)以及先進(jìn)的光纖通訊技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用將使變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生深刻的變革。2電子式電流傳感器sdpsIEC60044-8適用于以下光電式電流互感器：帶電子線路處理的光學(xué)電流互感器、空心線圈（帶或不帶積分電路）、帶積分電路的鐵心線圈和霍爾元件，標(biāo)準(zhǔn)中通稱為電子式電流互感器，又稱為光電電力互感器，又有有源和無源之分。標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)電子互感器的使用環(huán)境、數(shù)字輸出和模擬輸出的設(shè)計(jì)要求、測(cè)量精度、絕緣水平、電磁兼容、信噪比、耐熱性、過電壓能力、可靠性、裝置接地和機(jī)械特性等方面做出了明確的規(guī)定。對(duì)電流互感器的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法的規(guī)定也是標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。IEC60044-8所規(guī)定的電子式電流互感器通用結(jié)構(gòu)見圖1，輸出接口框圖見圖2。根據(jù)國內(nèi)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀，草案規(guī)定電子式互感器的模擬輸出接口可適當(dāng)保留，以適應(yīng)現(xiàn)有的儀器設(shè)備。數(shù)字信號(hào)輸出是其主要形式,所傳送的數(shù)字量可以是電的數(shù)字量也可以是光的數(shù)字量。下面主要討論草案中對(duì)數(shù)字輸出的規(guī)定。3數(shù)字視頻輸出實(shí)際上，在設(shè)計(jì)中并不是為每一相電流或電壓單獨(dú)配數(shù)字處理單元，而是將一個(gè)間隔內(nèi)的所有電壓和電流量經(jīng)模擬信號(hào)處理后送往同一個(gè)裝置作統(tǒng)一的信號(hào)處理，在標(biāo)準(zhǔn)中稱為合并單元（簡稱MU）。見圖2。對(duì)于數(shù)字輸出部分，IEC60044-8規(guī)定的典型做法是將7個(gè)電流5個(gè)電壓互感器的二次變換器組成一個(gè)合并單元，將所有的測(cè)量量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量串行輸出。數(shù)字輸出協(xié)議推薦采用單相的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)接。采用統(tǒng)一處理的方式不但可以減少投資，也可以充分發(fā)揮數(shù)字電路處理的能力和速度，更重要的是MU可向二次設(shè)備提供時(shí)間上一致的電壓、電流量。MU能夠同時(shí)處理一個(gè)間隔的12路電量：測(cè)量用三相電流、保護(hù)用三相電流、中性點(diǎn)電流、三相電壓、中性點(diǎn)電壓和母線電壓。MU單元將12路數(shù)字輸出信號(hào)打包成幀，最后傳送給二次設(shè)備。對(duì)保護(hù)幀和測(cè)量幀信號(hào)的輸出，標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，在下文中將詳細(xì)說明。3.1光纖傳輸系統(tǒng)的選擇合并單元到二次設(shè)備可以有數(shù)字電輸出和數(shù)字光輸出兩種。數(shù)字電輸出是以銅線為基礎(chǔ)的傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)必須與EIARS-485標(biāo)準(zhǔn)兼容。標(biāo)準(zhǔn)中建議使用D性9幀聯(lián)接器，屏蔽雙絞線電纜，長度為250m。也可以使用帶屏蔽的RJ-45聯(lián)接器代替。對(duì)于數(shù)字光輸出只需將數(shù)字輸出按一定要求進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換。數(shù)字光輸出和數(shù)字電輸出在鏈路層和應(yīng)用層的規(guī)定上是完全一致的，不同的只是物理層的傳輸介質(zhì)。光纖聯(lián)接器可采用BFOC/2.5，近距離傳輸可采用塑料光線，遠(yuǎn)距離可使用玻璃光纖。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定無論是電輸出還是光輸出都要采用曼徹斯特碼進(jìn)行編碼：高位先傳送，數(shù)據(jù)幀的速率都為2.5Mbit/s，即調(diào)制后的傳輸速率為5Mbit/s。(1）如果采用光纖通信，必須注意光驅(qū)動(dòng)器和光接收器的性能。對(duì)數(shù)字光驅(qū)動(dòng)器的規(guī)定為：(1)升降時(shí)間：信號(hào)幅值從10%變化到90%的時(shí)間應(yīng)小于20ns。(2)脈沖特性：超調(diào)量應(yīng)低于光脈沖額定輸出的30%，而且在第2個(gè)半波的紋波應(yīng)限制在額定輸出的10%。(3)最大傳輸功率、最小傳輸功率分別為-15,-20dBm。對(duì)測(cè)量和保護(hù)裝置應(yīng)增添光接收單元電路，對(duì)光接收器的特性有以下規(guī)定：(1)升降時(shí)間：信號(hào)幅值從10%變化到90%的時(shí)間應(yīng)小于20ns。(2)脈沖畸變失真：小于25ns。(3)光傳輸?shù)臅r(shí)鐘偏差：在半電壓點(diǎn)測(cè)量,應(yīng)在標(biāo)稱時(shí)鐘周期的±10ns以內(nèi)。用于電力系統(tǒng)的傳輸光纜一般較長,為此應(yīng)選用玻璃光纖光纜,推薦光纖的尺寸為62.5μm/125μm2，波長為820～860nm，建議聯(lián)接器為BFOC/2.5。(2）對(duì)于銅導(dǎo)線傳輸系統(tǒng)接收器性能有以下要求：(1)接收器輸入阻抗：最小輸入阻抗為12kΩ。(2)最大輸入信號(hào)：當(dāng)接收器直接連到驅(qū)動(dòng)器上，而且是工作在峰峰值的極端情況下，輸入信號(hào)應(yīng)該能使接收器正確傳譯信號(hào)。(3)最小輸入信號(hào)：要求在1個(gè)隨機(jī)輸入信號(hào)產(chǎn)生了時(shí)間長達(dá)半個(gè)周期且幅值為200mV的干擾情況下，接收器應(yīng)能正確接收解譯信號(hào)。3.2采樣值的傳輸標(biāo)準(zhǔn)中的鏈路層幀格式采用的是FT3幀格式，該格式在IEC870-5-1中有所規(guī)定。這種幀格式的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)具有完整性，而且在高速數(shù)據(jù)處理中能進(jìn)行多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)的鏈接。鏈路層服務(wù)用語為發(fā)送/無應(yīng)答。這意味著傳感器連續(xù)不停的向二次設(shè)備發(fā)送采樣值，而不需要二次設(shè)備的任何應(yīng)答信號(hào)。這時(shí)如何保證一、二次設(shè)備間的數(shù)字化通訊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性成為首要的問題，所以標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定了下列傳輸規(guī)則：(1)兩幀之間的空閑線使用曼徹斯特碼傳輸二進(jìn)制數(shù)1，這使得接收站方便的恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)步，增加了通訊鏈路的可靠性。(2)每幀的前兩個(gè)8位字節(jié)代表起始字符。(3)16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)碼之后跟隨著一個(gè)16位的校驗(yàn)序列。如果所分的字節(jié)數(shù)有空余，必須用填充字節(jié)把幀填滿，填充字節(jié)為00000000。(4)校驗(yàn)序列的代碼由多項(xiàng)式所構(gòu)成，然后由這個(gè)生成多項(xiàng)式所產(chǎn)生的16bits的校驗(yàn)碼再進(jìn)行轉(zhuǎn)置。(5)接收端檢驗(yàn)起始字符、校驗(yàn)序列和幀長度。如果有誤，該幀將被拒收，否則傳給用戶。其表述的鏈路層的幀格式見表1。3.3數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在應(yīng)用層規(guī)定中對(duì)模塊數(shù)、模塊長度、數(shù)據(jù)組數(shù)目、數(shù)據(jù)集識(shí)別符、額定電流、額定電壓、額定延時(shí)、各相測(cè)量保護(hù)的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)值等各項(xiàng)參數(shù)都有明確規(guī)定，表2列出了數(shù)據(jù)幀內(nèi)容，即將FT3的楨格式中的用戶數(shù)據(jù)細(xì)化后所得到的，從表中還可以看到每楨數(shù)據(jù)都包含有兩個(gè)狀態(tài)字，每個(gè)狀態(tài)字占有兩個(gè)2個(gè)字節(jié)，表3分別注釋了狀態(tài)字的每一位的意義。在應(yīng)用層設(shè)計(jì)時(shí)必須按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將數(shù)據(jù)整理成規(guī)約所規(guī)定的幀格式，再經(jīng)過鏈路層設(shè)計(jì)最后通過物理層送給二次設(shè)備。4采樣通道和數(shù)據(jù)傳輸多路傳感器輸出的信號(hào)在合并單元MU中進(jìn)行統(tǒng)一處理，按標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定幀格式將采集的數(shù)據(jù)打包成幀，傳送給二次設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定打包之后的幀數(shù)據(jù)要以曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸，速率為5兆。此外，MU要有自檢功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題除了報(bào)警，還要通知二次設(shè)備，向二次設(shè)備告知那幾相為無效或者沒有投入的功能，因此MU是一個(gè)智能的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)?；谏鲜龉δ?，該設(shè)計(jì)采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），作為其處理器來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)包括一個(gè)12路數(shù)據(jù)采樣通道、DSP處理器和數(shù)據(jù)傳輸通道。見圖3。系統(tǒng)工作原理：12路信號(hào)分別為電子式互感器的A/D，采樣之后通過高壓端的光電轉(zhuǎn)換傳到地面上的數(shù)字信號(hào)。為了防止出現(xiàn)相位誤差，要對(duì)這12路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，即多路A/D轉(zhuǎn)換用同一個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)，同時(shí)要考慮到采樣保持及轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求，并給出了一定的裕度，這樣采樣時(shí)就不必判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成，可能會(huì)造成資源浪費(fèi)，解決的辦法是從地面低壓端向高壓端連續(xù)發(fā)送脈沖信號(hào)。在低壓側(cè)，由于從高壓端發(fā)送的信號(hào)使用光纖傳遞下來，數(shù)據(jù)為串行輸出，所以在接收時(shí)要將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)再經(jīng)過緩沖器進(jìn)行緩沖，這樣可以使DSP得到充分的利用，避免在接收數(shù)據(jù)時(shí)浪費(fèi)機(jī)器周期。當(dāng)串并轉(zhuǎn)換信號(hào)有效時(shí)，發(fā)出硬件中斷信號(hào)通知DSP去讀取多路采樣的數(shù)據(jù)。DSP響應(yīng)中斷后將數(shù)據(jù)取至內(nèi)存中，放入相應(yīng)的單元中。接下來就要在DSP處理器中對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，包括對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、規(guī)約打包、輸出編碼等，最后通過光纖傳送到變電站中的保護(hù)測(cè)量二次設(shè)備。DSP作為系統(tǒng)的核心具有體積小、功能強(qiáng)、功耗低、速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。將DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力和外圍接口電路應(yīng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信，提高了系統(tǒng)的通信速率，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。該系統(tǒng)適用于有源式和無源式電流電壓互感器輸出接口，還可方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展，對(duì)現(xiàn)有的程序進(jìn)行修改，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，滿足某些特定應(yīng)用場合的要求。5次設(shè)備間的通信電子互感器的應(yīng)用對(duì)通信系統(tǒng)的影響和改進(jìn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1）由于電子傳感器具有數(shù)字輸出、接口方便、通信能力強(qiáng)的天然特性，其應(yīng)用將直接改變變電站通訊系統(tǒng)的通信方式，特別是一次設(shè)備與間隔層二次設(shè)備間的通信方式。利用電子互感器輸出的數(shù)字信號(hào)，使用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)/多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或過程總線通信方式，將完全取代大量的二次電纜線，徹底解決二次接線復(fù)雜的現(xiàn)象，可以簡化測(cè)量或保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少誤差源，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)真正意義上的信息共享。(2）對(duì)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響。由于通信方式的改變，加上數(shù)字?jǐn)嗦菲骺刂坪碗娮娱_關(guān)裝置等智能電子設(shè)備的采用，使得功能不斷下放，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)由兩層結(jié)構(gòu)逐漸向3層結(jié)構(gòu)即過程層、間隔層、變電站層轉(zhuǎn)化。6電子式傳感在變電站的應(yīng)用目前，國內(nèi)對(duì)電子式互感器的研究普遍局限于實(shí)驗(yàn)室和試運(yùn)行階段，還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，此外研究主要集中在互感器本身的特性和計(jì)量應(yīng)用等方面，而對(duì)于如何將電子式互感器運(yùn)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，如何與二次設(shè)備接口及建立二次回路的光電數(shù)字化系統(tǒng)等問題研究的很少，只有解決了以上的問題，電子式互感器才能真正的應(yīng)用到變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中。而國外許多大公司已經(jīng)形成了成套產(chǎn)品，并已經(jīng)進(jìn)入了我國市場，所以對(duì)該項(xiàng)目的研究不但是重要的而且是緊迫的?？梢灶A(yù)見，隨著規(guī)約的正式推出，電子式互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將是電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，這將對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)生全面和深遠(yuǎn)的影響。電子互感器能否在電力系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用還有一個(gè)非常重要的條件，就是制定出適用于電子互感器運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。