DQZHAN技術訊：光纖電流互感器在配電網自動化中的應用
由智能配電網的發展現狀及存在問題，引出了光纖電流互感器的研制背景，簡要介紹了其設計原理、產品特性及功能實現，并結合典型工程應用進行了實例分析。
智能配電網發展的現狀及存在問題
國家電網公司從20 世紀90 年代初就開展了配電網自動化系統的試點工作，先后進行了一系列大量的科技試點和運行實踐活動。隨著智能電網技術的發展，技術、產品不斷革新。與一次側電網相比，智能配電網發展相對不快，主要原因如下：
(1)配電網涉及范圍廣、投資大。配電網所測控的對象包括開閉站、環網柜、分段開關、聯絡開關等，需要進行監測的設備眾多，但由于經濟等方面的限制，實際的測量設備安裝數量遠遠無法滿足需要。而且，由于設備性能、安裝環境等方面的原因，配網量測終端采集的數據受外界干擾較大，數據可用性不高。
(2)已建配電網的配電網自動化終端安裝、電動操動機構改造等實施難度大。
(3)在試點過程中存在不少誤區。如存在認識偏差，過分追求狹義的故障處理功能(DA)，沒有建立整體全局觀，導致配電網自動化系統綜合效益無從顯現。
(4)中心主站系統沒能很好地融合到綜合信息系統，沒能很好地服務于配電網的規劃、運行、維護;缺乏對整個配電調度管理系統的統籌考慮，大大限制了配電自動化系統的易用性和實用性。在過去近20 年的配電網自動化改造當中，真正整體實現了配電網自動化的區域非常少見，這與智能電網所要達到的目標，出現了非常大的差距。
國家電網公司提出了智能配電網步步推進的技術路線圖。配電網自動化作為智能電網發展的關鍵技術也備受重視。
在新一輪以智能電網為核心的配電網自動化系統建設過程中，給出新建項目技術方案的同時，應充分考慮到已建項目正處于運行之中的特點，必須考慮到因實施配電網自動化改造而帶來的對運行可靠性的影響，及前述配電網自動化已存在的缺陷。配電網自動化所需要的數據基礎主要是電流和電壓，其他數據基本上都可以通過電流和電壓數據計算來獲取，為此希望在智能電網范疇內的配電網自動化改造過程中，能夠結合目前存在的缺陷，找到一個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》技術標準頒布以來，有的新建變電站采用了光纖電流互感器技術，光纖傳感技術已融入到智能變電站中。但是同時也必須認識到，在高電壓等級所采用的光纖電流互感器技術，在穩定性、抗干擾性能等多個方面，還存在很多問題。目前尚不能做為成熟產品來應用。
國內10kV 網架的配電終端所采集的數據，都是基于傳統電磁原理的互感器，主網的先進技術遲遲不能應用到配電網領域。在配電網自動化改造過程中，對已存在的一次系統加裝電流互感器，也成為一項比較耗時費力的工作。為了破解這個困擾業界的難題，將新型傳感技術運用到配電網自動化的電流互感器當中，替代傳統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
光纖技術測量電流始于20 世紀60 年代，1963 年美國就已經在230kV 變電站中掛網運行。1979 年英國掛網運行了全光纖互感器，1993 年我國在廣東電網運行了華中科技大學研制的光纖電流互感器;進入2000 年后，許繼集團聯合華北電力大學，南瑞集團聯合航天科技，ABB、西安創維等都在國內電網上試運行了光纖電流互感器;近幾年上海嘉定變電站等投運了光傳感電流互感器。
以上的技術和產品主要集中在高電壓等級的主網，在中壓領域開展光纖傳感技術研究，國內尚未有實際應用產品。
而在國外，擁有150 萬客戶的丹麥*大電力公司 DONG Energy 在2002 年提出需求：“希望能有產品在不停電、不破壞現有運行設備的條件下，具有檢測中壓電纜線路故障和電流的**測量功能。”經廣泛調查后發現市場上沒有符合條件的標準定型產品，為此，DONG Energy 發起并聯合丹麥大學光學實驗室及相關機構，組織了公司專攻技術與工程應用。2004 年，光纖電流互感器在DONG Energy 實現了現場運行，配電終端以光纖互感器為基礎，具有“技術先進、功能實用、安裝便捷、適應智能電網需求、可靠性高”等特點，目前在全世界20 多個國家的配電網領域得到實際運行應用。
經過了工程實踐和不斷完善，以光纖電流互感器為主體組成的配電網自動化系統，已成為一個專業的、相對成熟的技術產品體系。
光纖傳感配電終端通過光纖電流互感器來采集運行時的電流量，配合FTU/DTU所采集的電壓量，可以將有功功率、無功功率、頻率等信息進行**計算，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，計算量準確;還有多路信號采集回路及控制輸出回路;通過通信模塊，以網絡RJ 45、無線GPRS 及串行RS 485/232為物理接口， 以IEC 60870-5-101/104 和CDT 協議和配電網自動化系統主站實現雙向數據交互。也可以通過IEC 61850 協議，實現光纖電流互感器獨立發布數據。
光纖電流互感器的設計原理及實現基本原理
當一束線偏振光在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度β 與磁感應強度B 和光穿越介質的長度d 的乘積成正比，即β=VBd ，比例系數V 稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第磁光效應。
光纖電流互感器基本結構
LED 發出的光源，經過光學準直鏡頭以后，形成平行光進入起偏器，經過起偏器以后轉變為線偏振光，當線偏振光經過安裝在導線上的磁光晶體時，導線中的電流產生的磁場將使光的偏振方向發生偏轉，偏轉后的偏振光通過檢偏器，檢測出偏振面旋轉的角度。
經過檢偏器以后的變化了光強的光，經過**光纖后由光處理模塊上的光電探測器接收，并把它轉換成電信號，然后經過相關電路檢出其光強變化，再經過信號處理、信息提取等智能過程，從而實現對導體內電流強度的檢測。圖1 為光纖電流互感器的結構示意圖。
圖1 光纖電流互感器基本結構示意圖
光纖電流互感器的實現方法
光電檢測原理主要通過以下幾部分實現：光學器件：包括光傳感頭、絕緣件、夾具、定制光纖等;
光電處理模塊：包括發光器件、光接收器件、光電轉換、計算及分析判斷。圖2 為光電檢測原理框圖。
光纖電流互感器的特點如下：
(1)量程寬、精度高、頻帶寬、響應快，可同時滿足測量和保護需要。
(2)安裝維護便利，不損壞、不切割已有設備。
(3)全絕緣、耐高溫，無二次開路危險。
(4)短路故障測距，提高供電系統可靠性。
(5)節能環保，促進可持續發展。
硬件架構模式
光纖電流互感器所運行的硬件平臺，以高速雙CPU 架構模式和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，大大地簡化了硬件的復雜程度，提高了硬件的可靠性。主體硬件構架模式如圖3 所示。
圖3 主體硬件構架模式
支撐光纖電流互感器的硬件平臺功能
(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 調試口、以太網口、RS 232/485 口、GPRS 模塊以及光纖通信接口，實現終端同主站之間的數據交換功能。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 板交換數據;芯片具有IEEE 1588 硬件支持功能，其時鐘**性能達到40ns，可滿足IEC 61850 協議所需的**對時要求。
(3)采集DSP 板功能。負責計算和分析FPGA 傳輸過來的采樣數據，同時通過雙口RAM 與通信ARM板進行數據交換，是整個設備的處理中心，*大容量可設計為40 路遙測、64 路遙信、10 路遙控，可滿足10 條線路開閉所的測量和遙控的技術要求;FPGA 芯片負責收集各采集板的采樣數據，同時也是命令下發的中間通道;DSP 板還擁有程序存儲空間NORFLASH、RAM 等接口;另外還具有CAN 通信口、RS 232 調試口、數字量輸入和輸出。
(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轉換功能，6 路交流電流是通過接收光纖電流互感器的光信號轉換為CPU 能接受的信號，2 路零序電流是通過接收傳統電流互感器的電流信號轉換為CPU 能接受的信號，一般采集兩條線路的三項交流電流量和零序電流量。交流電流可測*大一次側電流10000A，零序電流量程可通過電阻改變，一般為0~1A。
以光纖電流互感器為核心的配電網自動化終端(FTU/DTU)功能
(1)三遙功能。遙測、遙信、遙控。
(2)故障檢測功能。通過采集線路的電壓、電流量，提供零序過電壓、零序過電流、線路過負荷、線路三相過電流等檢測功能。根據采集到的電流大小及設置的定值，能夠自動快速判別線路是否發生故障，區分故障電流方向、識別單相接地或相間短路故障，并將故障信息和性質及時主動上報給配電網自動化系統，以便進行相應故障處理。
(3)其他配電網自動化必要的功能。包括通信功能，調試、維護、管理功能，統計及數據存儲功能，可靠性設計等。
光纖電流互感器安裝及應用
光纖電流互感器外觀
(1)戶內型光纖電流互感器及DTU外觀見圖4。
(2)戶外型光纖電力傳感器及FTU外觀見圖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)安裝前應將傳感頭放置于所安裝的環境約2 小時，以使傳感頭充分適應安裝地點的環境。
(2)清潔安裝點，擦拭掉塵土和油污等;若在電力電纜上進行安裝，此安裝點處應沒有鎧甲和屏蔽層，因為鎧甲會對磁場的分布產生影響，而屏蔽層中可能存在的感應電流，都會對測量結果產生影響。
(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體隔開，并用扎帶扎緊。當光纖進入鎧甲或屏蔽層區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);此處還應注意，傳感頭圓圈的直徑應控制在8cm 左右。見圖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好，并在適當位置用扎帶固定;敷設過程中應保證光纖保持自然曲度(彎曲半徑應大于10cm)，以免影響光線傳播。
(6)對于三相電纜，傳感頭的安裝位置還應考慮相間電磁場的影響;根據法拉第磁光效應原理，只有當磁場方向平行于光的傳播方向時才會造成光的偏轉，因此多個傳感頭在多條電纜的環境中安裝時，安裝方式的選擇對測量精度的影響很大。如圖7 所示，L2 相產生的磁場B 垂直穿過L1、L3 相上的傳感頭，因此不會對其的測量精度產生影響，若按圖8的方式安裝，每個傳感頭均受到3 相磁場的影響，因此，測量的精度較低。
(7)將光纖引入箱體，并在箱體內保留適宜的長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;插入過程要注意確保光纖已插至底部但不可太過用力;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，先將光纖連接端子輕輕向外拔出，隨后將光纖拔出，并用相應的保護帽對連接端子以及光纖尾部進行保護。光纖的尾部截面經特殊工藝打磨處理，操作過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，造成測量誤差過大。
(9)系統安裝完成上電后首先要對系統光值進行測量，光值過大或過小都會影響測量精度，因此在光值不滿足要求時應調整光纖插入長度，直到光值滿足要求。
典型工程應用
以本文原理研發的光纖電流互感器以及與之配套的FTU/DTU 已經在多個環境下使用過。其中戶內型的典型應用如大慶油田等，見圖10;戶外型的典型應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，見圖11。在現場實施的過程中，均體現了光纖電流互感器安裝方便快捷的特點。戶外型本身設計可以帶電安裝。戶內型以大慶油田采油二廠35kV/6kV變電站為例，該變電站監測線路包括14 條6kV 出線，僅用了兩天時間即全部完成自動化改造，其中*少停電時間的線路僅僅為20分鐘，大大縮短了工期，減少了停電時間。
圖10 戶內光纖電流互感器安裝圖
圖11 戶外光纖電流互感器安裝圖
存在的問題及解決方法
雖然光纖電流互感器具有較多的優點，但是同時也具有一定的缺點，如：
(1)對安裝的要求比較高。為了避免鄰相的電磁干擾影響，對于光纖電流互感器的安裝要求比較高，必須嚴格與所檢測相的電纜保持垂直。
(2)需要進行二次校準。由于各種電纜參數、溫度參數等的不同，安裝戶內的光纖電流互感器以后，需要進行校準后再運行。
(3)小電流下誤差比較大。在20~80A的環境下，測量誤差為±1A。安裝位置與二次校準的缺陷，可以用海量電纜參數數據庫的方法，或者直接將光纖電流互感器固化到開關內部的辦法來解決。
小電流誤差比較大的原因，主要是因為小電流所產生的磁場強度比較弱，相對于周圍環境的磁場強度，更容易受到影響。需要通過加強屏蔽等抗干擾措施，或者應用于大電流區域等方法來解決。
