以太網光纖通信在智能變電站數字化計量系統的應用研究

【摘 要】以太網光纖通信技術支撐智能變電站電能計量技術在模擬量采集上實現全數字量化后的數據傳輸，利用點對點或高速以太網方式傳輸至數字式電能表，為智能變電站內電能計量提供了準確的、可靠的數據來源，構成變電站數字化電能計量系統。本文針對這一變革，系統介紹了利用以太網光纖通信技術支撐智能變電站數字化計量系統的應用。

【關鍵詞】智能變電站；數字化；電能計量；電子式互感器；數據采集

概述：

智能變電站內電能計量技術在模擬量采集方式上有了巨大變化，相比于傳統的變電站內的電能表，其表計的采樣傳感器一般采用是高功率輸出的電流互感器和電壓互感器，而新型智能變電站內模擬量采樣實現全數字量化后通過光纖線路傳輸，并且一次側的傳感器采用了低功率輸出的電子式互感器，它具有測量準確度高，無飽和，動態范圍寬，無二次開路危險等優點，為智能變電站內電能計量提供了準確的、可靠的數據來源，系統的EMC性能得到了很大的提升；同時也將智能變電站內電能采集與管理融人了IEC61850標準體系，為整個智能變電站高度集成化奠定了基礎。

1 智能變電站數字化電能計量系統組成

智能變電站的電能計量系統主要包括一次側的傳感器，其中包含遵循IEC60044-7標準電子式電流互感器以及遵循IEC60044 -8標準的電子式電壓互感器、合并單元（Merging UmO。電子式互感器匯總到合并單元，合并單元經點對點或以太網方式發送采樣數據至位于間隔層的數字式計量設備。計量設備的交流輸入信號由電纜從傳統電壓、電流互感器輸入的模擬信號轉變為通信電纜或光纖輸入的數字信號。智能變電站的電能計量組成方框圖如圖1所示。

圖l可知，合并單元至表計模擬量采樣值傳輸服務遵循IEC61850-9—112通信規約，其中物理層及鏈路層推薦采用光纖以太網，須遵行IEEE802.3中100Base--FX的標準規范。根據變電站系統組成，可通過配置數據集中結構設置表計的計量模式，如設置三相三線系統，三相四線計量系統，這有別于傳統模擬量輸人表計外部電纜接線方式。

2 電子式互感器

電力系統中傳統TA、TV存在磁飽和問題，測量誤差較大；而且TA測得的模擬量在傳輸過程中易受干擾。隨著電力系統容量越來越大，電壓等級越來越高，導致cT體積龐大，絕緣難、造價高、可靠性差等問題日益突出。電子式互感器克服了這些缺點，它無需鐵心，無飽和問題，電氣絕緣性好，抗干擾能力強。此外，還有體積小、重量輕及安全可靠等一系列優點。電子式互感器可實現交直流高電壓大電流的傳變，并以數字信號形式通過光纖提供給保護、測量等相應裝置；合并單元還具有模擬量輸入接口，可以把來自其它模擬式互感器的信號量轉換成數字信號，以lOObase--FX或lOBase-FL接口輸出數據，簡化了保護、計量等功能裝置的接線。

電子式互感器通常由傳感模塊和合并單元兩部分構成，傳感模塊又稱遠端模塊，安裝在高壓一次側，負責采集、調理一次側電壓電流并轉換成數字信號。合并單元安裝在二次側，負責對各相遠端模塊傳來的信號做同步合并處理。

2.1 遠端模塊

電子式互感器的遠端模塊用來對模擬量輸入進行采樣、模數轉換并通過光纖傳送數據到合并單元，與合并單元僅通過兩根光纖進行能量和數據的傳遞。

2.2 合并單元

合并單元是低壓側數據處理系統，并且為高壓側遠端模塊提供能源。

主要包括以下三種功能：

2.2.1 接收多路遠端模塊的采樣光信號，匯總之后按照IEC一61850規約以光信號形式對外提供采集數據；

2.2.2 以光能量的形式，為遠端模塊提供工作能源；

2.2.3 接收來自站級或繼電保護裝置的同步光信號，實現遠端模塊間的采樣同步功能。

高壓側遠端模塊單元的工作電源同時由取能線圈和激光電源提供，兩者動態自檢，互為熱備用。取能線圈就地采集一次電能后經整流濾波提供直流電源；位于集控室的激光電源提供高能激光，經由光纜傳輸到遠端模塊單元后經光電轉換提供直流電源。合并單元還可以通過輔助CPU和擴展開入開出直接提供保護、測量等功能，同時通過光纖以太網接口給監控、測量等裝置提供數據。

3 數字化采樣數據的傳輸

智能變電站中數字化采樣數據的傳輸采取點對點及網絡兩種方式。出于對繼電保護可靠

性的考慮，智能變電站中保護應直接采樣，即采用點對點的方式傳輸數據，協議采用IEC60044—7/8或IEC61850—9—1/2標準。而對于測控裝置、故障錄波、計量等二次設備，其采用數據可通過搭建過程層網絡的方式傳輸，從而實現數據共享。過程層傳輸采樣值的網絡稱SMV采樣值網，其主要功能是實現電流、電壓交流量的上傳。SMV采樣值網絡協議采用IEC 61 850—9—1/2標準。對于保護雙重化要求的間隔，網絡按照雙重化配置，物理上做到相互獨立；對保護單重化要求的間隔，網絡按照單重化配置。

4 數字化電能表

數字式電能表是指用于智能變電站電能計量的電能表（以下簡稱數字輸入電能表）。數字化電能表的主要構成：主要由兩路工作電源，協議轉換器，點陣液晶顯示等有關部件組成。其中lOOBase—Fx接口完成信息的采集，協議接口芯片完成數據的轉換，數字信號處理器完成電參量的計算，如電壓，電流，功率的計算，同時指示當前的功率脈沖。后傳送至中央微處理器單元，由中央微處理器單元完成電參量的累加，同時通過點陣液晶顯示模塊顯示表計的信息。同時表計可以通過光纖以太網讀取數據，完成數據的抄讀，最終實現數據的共享。數字化電能表與傳統電能表相比，主要有以下優點：

4.1 智能變電站電能計量系統的誤差

優于傳統變電站數字輸入電能表接收通過光纖以太網傳送的電流電壓采樣點的數字流，基本避免了因二次電流電壓模擬信號傳輸損耗引起的計量系統附加誤差。

4.2 數字化電能表的高可靠性

數字輸入電能表與合并單元或電子式互感器物理問采用光纖通訊，實現完全電氣隔離，保證在各種復雜的電磁環境下都不會造成數字電流、電壓信號傳輸的改變。同時，該表已完全取消二次電流輸入，有效的消除了過流或二次電流開路等安全事故隱患。

4.3 數字化電能表的高穩定性

電表的采用數字信號輸入，無模擬采樣電路，長期運行中有效避免傳統電表因溫度、采樣電路的電阻電容變化、零漂、電磁干擾等可能對精度造成的影響。

4.4 數據可靠性

電流、電壓數字信號采用標準協議進行傳輸，接收端即電能表可對來自互感器或者合并單元的電流、電壓信號進行校驗，有效避免了誤碼可能對電能計量造成的影響。

5 總結

光纖以太網通信在數字化計量中的應用使電能計量采集方式發生了變化，從常規模擬量采集到網絡通信的數字量采集是技術發展的趨勢，支持DL/T860標準的數字式電能計量系統設備是未來智能變電站技術的發展方向。

作者簡介：

邱南陽（1976年-）、男，籍貫（廣東省、高州市）、在廣東電網公司佛山供電局工作，工程師、工學學士、主要研究方向是通信技術在電力計量、通信領域中的探索與應用。