光電傳感器在變電站通信控制系統上的應用探討

隨著(zhù)光電傳感器技術(shù)的不斷成熟，其在變電站自動(dòng)化系統中的實(shí)用化成為研究的重點(diǎn)。本文在分析了光電傳感器性能特點(diǎn)的基礎上，從通信方式和通信系統結構的影響兩個(gè)方面闡述了光電傳感器的應用對變電站通信控制系統的影響。并結合我國變電站自動(dòng)化系統的現狀，重點(diǎn)探討了光電傳感器在變電站自動(dòng)化系統中的應用方法和步驟：利用儀用傳感器單元實(shí)現光電傳感器與通信網(wǎng)絡(luò )的接口;根據通信技術(shù)的發(fā)展狀況和變電站的應用需求，光電傳感器的接入方式可以分為三種不同的形式。光電傳感器作為新型的電子式互感器，其應用將對變電站自動(dòng)化系統產(chǎn)生深遠的影響。

1前言

Ч獾绱感器作為一種新型的電壓電流測量裝置，與傳統電磁式互感器相比較，具有絕緣強度高、動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬、抗干擾能力強、不會(huì )產(chǎn)生磁飽和及鐵磁諧振、體積小、重量輕、造價(jià)低等一系列優(yōu)點(diǎn)。自20世紀60年代以來(lái)，光電傳感器經(jīng)歷了原理性研究、試驗樣機和現場(chǎng)掛網(wǎng)運行等階段。目前國外已經(jīng)有部分實(shí)用化產(chǎn)品投入市場(chǎng)，但真正得到大規模的應用還有一個(gè)過(guò)程，而且國內變電站自動(dòng)化系統的應用水平不一，如何讓光電傳感器在變電站自動(dòng)化系統中得到應用并提高變電站自動(dòng)化系統的水平，成為光電傳感器研究的重點(diǎn)。

變電站通信控制系統是變電站自動(dòng)化系統的重要組成部分，其技術(shù)水平直接關(guān)系到變電站自動(dòng)化系統的性能。隨著(zhù)電子技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，變電站通信系統也經(jīng)歷了集中式、功能分布式和分散分布式等階段。而通信系統的發(fā)展變化總是與變電站的測控、保護裝置的發(fā)展變化相適應的。隨著(zhù)光電傳感器在變電站中的應用，將對變電站通信控制系統產(chǎn)生深遠的影響，并提高其自動(dòng)化應用水平。

2光電傳感器的性能和特點(diǎn)

光電傳感器(OpticElectric Transducer,OET)根據傳感頭設計原理的不同可以分為有源型光電傳感器(Active OET，AOET)和無(wú)源型光電傳感器(Passive OET，POET)兩種。前者在高壓端采用新型傳感頭得到性能優(yōu)越的電信號，利用光電轉換為數字信號傳輸到低壓端;后者主要是利用Faraday磁光效應(電流傳感器)和Pockels電光效應(電壓傳感器)調制光信號，傳感過(guò)程中不涉及電信號。雖然AOET和POET的傳感原理差別很大，但傳感特性和輸出接口卻存在很多的共同性，主要體現在以下幾個(gè)方面[3，4，5]：

1)暫態(tài)響應范圍寬，諧波測量能力強

暫態(tài)特性的優(yōu)劣是判斷一種互感器能否在電力系統中獲得應用的一個(gè)重要參數，特別是與繼電保護動(dòng)作時(shí)間的配合。傳統電磁式互感器由于存在鐵芯，對高頻信號的響應特性較差，不能正確反映一次側的暫態(tài)過(guò)程。而光電互感器傳測量的頻率范圍主要由電子線(xiàn)路部分決定，沒(méi)有鐵芯飽和的問(wèn)題，因此能夠準確反映一次側的暫態(tài)過(guò)程。一般可設計到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可設計到200 MHz的帶通。光電傳感器的結構可以測量高壓電力線(xiàn)路上的諧波。而電磁感應互感器是難以達到的。

2)數字接口，通信能力強

由于光電傳感器下傳的就是光數字信號，與通信網(wǎng)絡(luò )容易接口，且傳輸過(guò)程中沒(méi)有測量誤差。同時(shí)隨著(zhù)微機化的保護控制設備的廣泛采用，光電互感器可以直接向二次設備提供數字量，這樣就能省去原來(lái)保護裝置中的變換器和A/D采樣部分，使二次設備得到大大的簡(jiǎn)化，推動(dòng)保護新原理的研究。

3)體積小，重量輕、易升級，滿(mǎn)足變電站小型化與緊湊型的要求，由于光電傳感器是靠傳感頭和電子線(xiàn)路進(jìn)行信號的獲取和處理，體積小，重量一般在 1000 kg以下，便于集成在A(yíng)IS或GIS中，這樣將大大減少變電站的占地面積，滿(mǎn)足變電站小型化和緊湊化的要求。同時(shí)光電互感器通過(guò)少量光纜與二次設備連接，可使電纜溝和電纜大為減少。如果間隔內的控制和保護等設備下放開(kāi)關(guān)柜，將使變電站布置更緊湊。提高安全運行水平，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

光電互感器還具有絕緣結構簡(jiǎn)單，絕緣性能好，造價(jià)低;不存在鐵磁諧振問(wèn)題;不存在CT二次開(kāi)路、PT二次短路問(wèn)題，以及不存在易燃、易爆危險等優(yōu)點(diǎn)。但上面介紹的3個(gè)主要方面直接影響著(zhù)變電站通信控制系統的通訊方式和系統結構，將對變電站自動(dòng)化系統的發(fā)展有著(zhù)重要影響。

3光電傳感器的應用對變電站通訊系統的影響

變電站自動(dòng)化通訊系統包括系統內部的現場(chǎng)級通信和自動(dòng)化系統與上級調度通信兩部分。在這里我們主要討論光電傳感器的應用對內部的現場(chǎng)級通信系統的影響?，F場(chǎng)級通信主要解決內部子系統與上位機(監控主站)以及各子系統間的數據通信和信息交換問(wèn)題，它的通訊范圍是變電站內部。對于集中組屏的自動(dòng)化系統來(lái)說(shuō)，實(shí)際是在主控室內部;對于分散安裝的自動(dòng)化系統來(lái)說(shuō)，其通訊范圍擴大到主控室與子系統的安裝地，通訊距離加長(cháng)了。通訊方式有并行、串行、局域網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)等多種方式。而目前國內流行的是分散分布式變電站自動(dòng)化系統，其簡(jiǎn)單結構示意圖如圖1。

其優(yōu)點(diǎn)是變電站二次部分采用單元間隔的組織形式，功能分散，系統得到了一定的優(yōu)化。但也存在裝置間缺乏整體的協(xié)調和功能優(yōu)化;輸入信息不能共享，接線(xiàn)比較復雜;系統擴展復雜等問(wèn)題。而隨著(zhù)光電互感器、智能化開(kāi)關(guān)設備等面向一次的智能化設備日趨成熟，為改變變電站目前監視、控制、保護和計量裝置及系統分隔的狀態(tài)提供了資源整合和系統集成的技術(shù)基礎。

光電傳感器的應用對通信系統的影響和改進(jìn)主要體現在兩個(gè)方面：

1)由于光電傳感器具有數字輸出、接口方便、通信能力強的天然特性，其應用將直接改變變電站通訊系統的通信方式，特別是一次設備與間隔層二次設備間的通信方式。傳統的信號都是以模擬量的形式傳送到間隔層，同一個(gè)CT/PT可能會(huì )連接到多個(gè)不同的設備，造成二次接線(xiàn)復雜，互感器負荷重等問(wèn)題。利用光電傳感器輸出的數字信號，使用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)/多個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)或過(guò)程總線(xiàn)通信方式。將完全取代大量的二次電纜線(xiàn)，徹底解決二次接線(xiàn)復雜的現象，可實(shí)現真正意義上的信息共享。

并且光電傳感器的接口設計方便，利用模塊化和面向對象技術(shù)實(shí)現硬件、軟件的標準化設計，滿(mǎn)足不同傳輸介質(zhì)和各種通信協(xié)議和標準的需要，具有靈活的擴展性和自適應性。而這是傳統互感器所不可能具備的特性。

2)對通信系統結構的影響。由于通信方式的改變，加上數字斷路器控制和電子開(kāi)關(guān)裝置等智能電子設備(IED)的采用，使得功能不斷下放，變電站自動(dòng)化系統由兩層結構變?yōu)槿龑咏Y構：過(guò)程層、間隔層和變電站層。

其中過(guò)程層主要安放有光電傳感器、合并單元、開(kāi)關(guān)電子裝置模塊、斷路器智能控制模塊等部件，過(guò)程層可以完成電力運行的實(shí)時(shí)電氣量檢測;運行設備的狀態(tài)參數檢測;操作控制執行與驅動(dòng)等功能。間隔層安放保護、測量、和間隔控制單元，主要功能有匯總本間隔過(guò)程層實(shí)時(shí)數據信息;實(shí)施對一次設備保護控制功能;實(shí)施本間隔操作閉鎖功能;實(shí)施操作同期及其他控制功能;對數據采集、統計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制;承上啟下的通信功能等[6]。

而結構的改變和通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的進(jìn)步，變電站通信系統最終將成為如圖2所示的結構?，F場(chǎng)過(guò)程總線(xiàn)和站級總線(xiàn)合二為一，最大程度地實(shí)現信息共享和系統集成。

4光電傳感器在變電站自動(dòng)化系統中的應用

我國變電站自動(dòng)化系統發(fā)展水平不均衡，既有集中組屏的老式自動(dòng)化系統，又有分散分層先進(jìn)的自動(dòng)化系統。光電傳感器的應用必須滿(mǎn)足不同水平的變電站自動(dòng)化系統。為了與老系統兼容，將IEC定義的合并單元(Merging Unit，MU)擴展到儀用傳感器單元 (Instrument Transducer Unit，ITU)，使光電傳感器既具備將傳統互感器輸出模擬量數字化的功能，也具備輸出模擬量的功能。從而具有較高的靈活性，很容易與各種系統接口配合使用。ITU的功能結構圖如圖3所示。

ITU的設計應該遵循模塊組件化原則。ITU中含有合并單元、數據通信模塊、集成故障錄波儀、時(shí)鐘控制裝置等模塊。利用模塊化的通信組件，ITU 實(shí)現與間隔層設備的點(diǎn)對點(diǎn)和過(guò)程總線(xiàn)通信，并可方便地升級到IEC 61850-9-2標準通信協(xié)議。以ITU為底層基本處理單元，取代傳統互感器和二次電纜，實(shí)現光電傳感器在變電站自動(dòng)化系統中的應用。

在我國，為了更好地推動(dòng)變電站自動(dòng)化系統水平的提高，ITU在變電站自動(dòng)化系統的應用存在3個(gè)階段：

1)兼容傳統互感器，點(diǎn)對點(diǎn)通信和過(guò)程總線(xiàn)相結合階段

該階段中，光電傳感器的測量數據是通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)連接，直接傳送到保護裝置的，目前IEC定義了該連接的標準協(xié)議有IEC 61850-9-1和 IEC 60044-8。同時(shí)ITU還將RMS值通過(guò)過(guò)程總線(xiàn)傳送到間隔層處理單元，過(guò)程總線(xiàn)還負責監控開(kāi)關(guān)設備信息的傳送。過(guò)程總線(xiàn)標準有 IEC61850-9-2，實(shí)施中可以考慮10Mbit/s的以太網(wǎng)。其原理示意圖如圖4所示。

2)過(guò)程總線(xiàn)共享傳感器數據階段

該階段，原來(lái)分開(kāi)傳送的測量數據和控制數據將通過(guò)過(guò)程總線(xiàn)合二為一。該合并簡(jiǎn)化了間隔單元里復雜的接線(xiàn)狀況，但同時(shí)由于實(shí)時(shí)的ITU測量數據和保護設備的控制命令都是通過(guò)過(guò)程總線(xiàn)傳送的，過(guò)程總線(xiàn)的傳輸速度和響應能力比前一階段要求更高。過(guò)程總線(xiàn)標準IEC 61850-9-2依然適用，實(shí)施中可以考慮100Mbit/s的以太網(wǎng)。

3)過(guò)程總線(xiàn)和站級總線(xiàn)統一，全站共享數據階段

隨著(zhù)快速以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及現代網(wǎng)絡(luò )交換技術(shù)，使得連接站級總線(xiàn)和下面的過(guò)程層總線(xiàn)成為可能，在網(wǎng)絡(luò )通信應用層中統一使用MMS協(xié)議標準的基礎上，將保證通信系統的實(shí)時(shí)響應等性能指標不受影響?？偩€(xiàn)統一的好處首先是信息的完全共享，統一的訪(fǎng)問(wèn)和存儲方式，并且間隔層的設備只需要一個(gè)通信接口，將大大降低設備和變電站運行和維護費用。該階段的實(shí)現有賴(lài)于分等級的快速以太網(wǎng)技術(shù)的成熟和變電站通信協(xié)議的完善。其原理示意圖參見(jiàn)圖2所示。

5結論

由于光電傳感器自身的數字輸出特性和智能電子設備的特點(diǎn)，其應用對變電站自動(dòng)化通信系統的影響是全面和深遠的。利用光電傳感器的光電轉換和數據通信功能改造電磁式互感器，實(shí)現過(guò)程層和間隔層的點(diǎn)對點(diǎn)/多點(diǎn)對多點(diǎn)或現場(chǎng)總線(xiàn)通信，將會(huì )成為我國變電站自動(dòng)化系統改造升級的有效途徑。而建設以光電傳感器和其他智能電子設備為基礎的新型變電站自動(dòng)化系統，實(shí)現變電站站內各層間的無(wú)縫通信，最大限度的滿(mǎn)足信息共享和系統集成的要求，則是我國變電站自動(dòng)化系統的發(fā)展方向。