光电技术智能配电终端的应用

张开发， 尹 伟， 封晓梅， 李中凯， 田艳华， 穆晓东

(1.四川西昌月城供电公司， 西昌 615000；2.天津天大求实电力新技术股份有限公司， 天津 300384)

光电技术智能配电终端的应用

张开发1， 尹 伟1， 封晓梅1， 李中凯1， 田艳华2， 穆晓东2

(1.四川西昌月城供电公司， 西昌 615000；2.天津天大求实电力新技术股份有限公司， 天津 300384)

配电自动化建设中对于终端设备的智能化与精准度要求越来越高，鉴于光电测量技术在高压网的成功应用，设计一款基于法拉第光电效应的智能配电终端产品用于配电自动化建设。信号处理部分由光模块、低压模块、事件顺序记录模块、远动终端单元模块以及电源模块组成，各个模块都具有独立的事件处理与运算的微控制单元，并通过控制器局域网络总线传递数据。产品突出了体积小巧、支持带电安装，量程宽、精度高、全绝缘、耐高温等技术特点。可实现故障检测，具有较高的灵敏度和可靠性，能更好地替代传统的配电终端。

法拉第磁光效应； 光电技术； 智能配电终端

近年来，随着我国特高压电网建设和电力体制改革的不断深化，智能电网成为我国电网发展的一个新方向，智能电网分为智能输电网与智能配电网两部分，而在智能电网建设中，智能配电网的建设越来越受到关注。这就对配电终端提出了新要求，要求配电终端实现监测、控制、保护、维护、调度等复杂而全面的功能。因此，保证对一次侧高压网电能信息的有效准确采集则成为配电终端设计中的重点和难点，也是实现上述功能的前提与基础。

国内外在开发和研制各种电压等级的光电电流互感器和光电电压互感器方面投入了大量的人力、物力[1]。目前，对一次高压侧电能的采集多采用传统互感器或电子式互感器，而电子式互感器和传统的互感器相比具有明显的优点，克服了传统电流互感器由于其传感机理而呈现出的不可克服的问题[2]。因此，互感器数字化的主流趋势将会引导电子式互感器在智能电网的全面应用。而以法拉第效应为原理的磁光玻璃型无源光电互感器以其安装方便、精度高、动态范围宽和绝缘性能强等特点在一系列电子互感器中脱颖而出[3]。我国光电互感器多应用在高压输电网络，而对于配电网络，还未有涉及[4]，而使用光电技术实现电压的测量由于双折射等原因[5]在配电网络世界范围内尚属于研究阶段，在该背景下，本文应用法拉第光电效应设计了一款智能配电终端产品。产品集遥测、遥信、遥控、通信及电源管理等功能于一体，可完全取代传统电流互感器与配电终端的组合方式。除户外架空线路外，产品同时也可用于变电站、环网柜、公变、专变等场所，实现对设备状态、线路电压、电流以及故障等信息量的实时监测与开关量的远方控制。

1 光电检测原理

当一束线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度β与磁感应强度B和光穿越介质的长度d的乘积成正比，即

β=V×B×d

(1)

比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。

图1 法拉第效应示意图

光发射二极管发出的光源，经过光学镜头以后，形成平行光进入起偏器，经过起偏器以后转变为线偏振光，当线偏振光经过安装在导线上的磁光玻璃时，导线中的电流产生的磁场将使光的偏振方向发生偏转，偏转后的偏振光通过检偏器，检测出偏振面旋转的角度。如图2所示。

图2 光电感应原理图

强度为I0的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：

I=I0cos2α

(2)

其中α为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。即经过检偏器后，出射的光强会发生改变，其强度与出射光的偏振角与检偏器交角余弦值平方cos2α成正比。经过检偏器以后的变化了的光，经过第二光纤后由光处理模块上的光接收二极管接收，并把它转换成电信号，然后经过相关电路会检出其光强变化，此变化跟电流瞬时值相关，再经过信号处理、信息提取等智能过程，从而实现对导体内电流强度的检测。图3为光的发射、方向的偏转、检测等全过程的框图。

图3 光电检测示意图

2 智能配电终端设计与实现

如图4所示，为基于光电技术的智能配电终端总体硬件结构，结构分为传感器、信号处理以及通信系统3部分，系统与用户后台监控软件建立数据通信连接后，即可实现遥测、遥信、遥控等功能，其中硬件系统的设计主要集中在前两部分。

基于光电技术的智能配电终端采用全绝缘光电式互感器与高压一次连接，传输信号为光信号，采用非闭环设计，克服了传统配电终端设备互感器磁饱和现象与不可带电安装、体积随电压等级指数增长等缺陷，可实现配电自动化的高效开展。

2.1 传感器

光传感器由第一光纤、第一光学镜头、起偏器、磁光玻璃、检偏器、第二光学镜头、第二光纤等组成。该传感器可以实现对低压和中压系统电流幅值和相位角的检测。整个传感头直径约12 mm、长约55 mm，全部由绝缘材料构成(包括光纤、磁光玻璃及耐高温塑料外壳)，可直接装设在电缆及铜排表面。

图4 配电终端总体硬件结构

2.2 信号处理

信号处理部分由光模块、低压模块、事件顺序记录SOE(sequence of event)模块、远动终端单元RTU(remote terminal unit)模块以及电源模块组成，各个模块都具有独立的事件处理与运算的微控制单元MCU(micro control unit)，并通过控制器局域网络CAN(controller area network)总线传递数据。

图5为光模块电路原理图，其中由光传感器输出的光强信号经过光模块中光敏二极管转换为交直流电信号，该信号经过隔直电容分化为两路交流信号和一路直流信号，而后经过比例放大、分压以及滤波电路转换为纯净的取样信号输入到AD转换器中，供MCU分析计算出电压、电流、有功、无功以及相位差等电力系统参数[6]。采用了高速外围接口控制器PIC(peripheral interface controller)配合精密放大器完成上述功能，并在光电接收管外围设计了隔离罩，避免了板上其他电路对光强信号的干扰。该模块是为监测低压以及中压线路和变压器间隔而设计的，能测量电缆和架空线上5～20000 A的交流电量，精度优于1%。

图5 光模块电路原理图

电压接口模块是为监测中低压线路设计的，主要对线路3相电压监测，采用了传统电压采样PT将0～265 V交流电压转换为0～14 V交流电压并最终输入到光模块中参与功率的计算。

SOE模块主要采用Mega128单片机控制16路光耦与8路继电器完成16路遥信及8路遥控等功能，并配有实时时钟芯片DS1307及大容量存储芯片完成时间顺序记录，最多完成1600次事件存储，并通过RS485、RS232及CAN总线与外部通信。

RTU模块它承担着向下进行数据管理、参数设置、警报管理；向上与高端系统管理平台对接整合的复杂任务，例如数据采集与监视控制系统SCADA(supervisory control and data acquisition)。因此，该模块采用了基于Linux操作系统的先进精简指令集处理器ARM(advanced RISC machines)，并拥有COM，USB，LAN，SIM，SD Memory，Local 众多外部接口，支持IEC 61850、IEC 60870、CANBUS2.0、TCP/IP等协议。保证了支持多种通信、额外的第三方硬件集成与存储扩展[7，8]。

2.3 通信系统

通信系统配置如图6所示。基于RTU模块支持的多种通信协议以及硬件接口，系统物理层通信网络包括有线网络和无线网络。有线网络可使用光纤、网线或现场总线进行通信。无线网络可使用WiMAX，GPRS/3G，SMS等无线网络技术进行通信。在支持多种通信网络和通信方案的基础上，根据实际需求，可匹配产生多种不同的通信方案。

图6 通信系统配置图

3 系统特点

将光强信号转化为被测电流的信号有3种方法：①单光路交直流相除法。这种方法的噪声与光强有关，应用很少。②双光路检测法。可采用沃拉斯顿棱镜作为检偏器，也可用一种镀膜偏振器，将被调制的光分为两束，分别用两个探测器探测它们输出的光强，将两路光强相减除以两路光强相加。这种方法噪声虽比单光路交直流相除法少，但要求两路完全对称，而长期保持两路光强不变很难做到，因此这种方法基本不用。③双光路探测法。对两路检测信号中的每一路都先做去直流后再除以直流的处理，将上述差除和信号处理方案改进为

(3)

式中：Uout是信号处理电路的输出信号；J是光电探测器的输出信号；角标s、p分别表示经过偏振器后输出两束线偏振光的两个信号分量；角标save与pave分别表示经平均处理后的两束线偏振光信号，即直流分量。此方案可抑制光电共模噪声，补偿光强漂移与法拉第漂移，其原理框图如图5所示，两个光电探测器的输出信号分别表示为

Js=J1cos2(φ+45°)+n1(t)=

sin(2φ)sin 90°)+n1(t)=

(4)

(5)

当n1(t)≈n2(t)=n(t)，且J1=J2时，有Uout=-4VI。

可知，双光路探测法信号输出最大，噪声最小，有利于提高系统对于光源输出光强涨落、振动导致光纤输出光强波动等不利因素的抵御能力，有利于提高系统的稳定性，具有抑制共模噪声的功能。

光电互感器与传统互感器在同样测量条件下的线性度对比如图7所示。

图7 测量值线性对比图

由图7可以看出，光电互感器在测量过程中的全量程都可以保持良好的线性值，而传统互感器在同样条件下则出现磁饱和现象，对于短路故障值无法进行测量。

精度方面，与传统配电智能配电终端相比，由于采用法拉第磁光效应原理设计，因此系统具有量程宽、不饱和的优点，这使得全量程的测量精度均优于0.5%，为故障的监测分析提供了详实的数据依据，不仅能测量正常负荷电流，更可测量高达20 kA的故障电流并捕捉线路故障时电流有可能达到几千甚至几万安。而传统设备由于受到磁饱和现象的影响，测量值具有局限性，不能够完全跟踪故障发生时电流信号的变化，甚至在达到磁饱和后无法测量到正确的故障值，故障数据缺失导致故障原因无法分析。

此外，测量精度也要考虑到线路瞬间雷击、电磁干扰造成的瞬时可消除故障等对设备测量精度的影响，要消除或减少该类干扰，需在硬件设备上加一定带宽的滤波器，在软件上也要增加负载程度高的滤波算法，这样不但增加了硬件设备成本，而且增加了算法响应时间，因此也要适当考虑提高精度所消耗成本对系统稳定性造成的影响。

可靠性方面，系统的传感器采用全绝缘材质制造、信号介质为光，完全解决了绝缘问题及二次开路问题，安装、运行无限制。并且其材料全部采用耐高温材质，可长时间稳定运行于70℃、短时间稳定运行温度可达120℃、瞬时高温250℃无损伤。另外，系统中所有模块均通过国标中对EMC以及安规性能最严苛等级要求的实验，可保证15年以上的使用寿命，不仅做到了自身的安全、可靠，并且可有效抵御外部设备故障的影响。

目前设备已经在天津、西昌等地成功挂网运行，挂网现场使用配有0.2%精度测量用600/5电流互感器的配电终端一台，用于标准值提供；使用配有0.5%精度测量用600/5电流互感器的配电终端一台，作为传统互感器配电终端使用；使用光电互感器配电终端一台用以与传统互感器配电终端测量值与标准值对比。其中，测量值一栏选择四组配电网较常见电流值进行测量，第一组(即25 A左右)区间代表较小的电流；第二、三组区间代表配网常见电流；第四组区间代表较大负荷用电电流。测量值对比如表1所示。

表1 挂网数据对比表

从挂网运行数据来看，设备发挥了光电互感器精度与量程的优势，在低电流情况下其精度优势并不太明显，但随着电流的增大，其精度优势越来越明显，并且在短路发生时也克服了传统互感器饱和后精度误差较大的缺点，成功予以捕捉。由于作为标准值的电流互感器也存在饱和后精度误差问题，因此，在更高的短路电流区间，光电式互感器将存在更大优势。

成本方面，由于光传感器采用了光纤与磁光玻璃等光学器件，但其他信号处理模块均采用传统的IC芯片，因此其成本略高于传统终端，但随着电压等级的提升，本系统完全避免了由于绝缘增强带来的成本大幅提升问题，比起传统终端，优势明显。另外，经过工艺改进以及产品化量产，系统成本必将会进一步降低，以获取市场的竞争力。

4 结语

如今电力已成为保障人民日常生活的基础以及社会经济发展的基石，如何提高电力设备的安全性、可靠性则是人们不断研究的课题。基于光电技术的智能配电终端，采用了模块化设计、总线式结构，配置方便、维护简单，创新地应用了法拉第磁光效应，以其设备体积小巧、支持带电安装，量程宽、精度高、全绝缘、耐高温等特点完全解决了传统配电终端无能为力的问题；并具有完备的通信接口配置及协议支持，使得通信系统组网便利。该配电终端的设计适应了智能电网对电流互感器的要求。而这其中，基于法拉第磁光效应的无源电子式电流互感器将是电流互感器技术的最终发展方向。

[1] 平绍勋，于波，黄仁山(Ping Shaoxun，Yu Bo，Huang Renshan)．光电互感器的现状和发展(Recent progress and development in optical transformer) [J]．高压电技术(High Voltage Engineering)，2003,29(1):21-23．

[2] 李红斌，刘延冰，张明明(Li Hongbin，Liu Yanbing，Zhang Mingming)．电子式电流互感器中的关键技术(Key technology of electronic current transformer) [J]．高电压技术(High Voltage Engineering)，2004，30(10)：4-6．

[3] 吴晓锋(Wu Xiaofeng)．光电互感器的原理及在数字化变电站的应用(Principle of photoelectric transformer and the application in digital substation ) [J]．中国科技信息(China Science and Technology Information),2011，57(20):110-111．

[4] 李莉，张心天(Li Li，Zhang Xintian)．光纤电流传感器及其研究现状(Optic-fiber current sensor and its present research) [J]．光电子技术与信息(Optoelectronic Technology amp; Information)，2002，15(2):37-41．

[5] 李伟凯，郑绳楦(Li Weikai，Zheng Shengxuan)．新型光电式电压互感器研究(Study on a new type opti-electric transformer) [J]．电子测量与仪器学报(Journal of Electronic Measurement and Instrument)，2006，20(1) : 28-31．

[6] 张艳，冯凯，张明明，等(Zhang Yan，Feng Kai，Zhang Mingming，etal)．光电互感器二次侧计量输出接口的实现(Interface of metering output of optical CT and PT) [J]．高电压技术(High Voltage Engineering)，2003，29(4):11-12,26．

[7] IEC 60044-7, Electronic voltage transformer [S]．

[8] IEC 60044-8, Electronic current transformer [S]．

张开发(1975-)，男，专科，助理工程师，研究方向为输配电线路工程。Email:zkf01234@163.com

尹 凯(1983-)，男，本科，助理工程师，研究方向为电子式互感器及智能配电终端。Email:1983kaixuan@163.com

尹 伟(1986-)，男，本科，助理工程师，研究方向为智能电网、配电自动化技术、测控技术与仪器。Email:277537801@qq.com

ApplicationofOptoelectronicIntelligentPowerDistributionTerminal

ZHANG Kai-fa1， YIN Wei1， FENG Xiao-mei1， LI Zhong-kai1，TIAN Yan-hua2， MU Xiao-dong2

(Sichuan Xichang Moon City Power Company, Xichang 615000, China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384, China)

In the construction of distribution automation, the terminal equipments increasingly require higher intelligent and precision. Given the application of photoelectric measurement technology in high voltage network, an intelligent terminal product based on a Faraday's photoelectric is designed and applied in the distribution automation. Signal processing part comprises the optical module, low voltage module, sequence of event recording module, remote terminal unit module and power supply module. Each module has an independent event handling and operation of micro control unit, and then transfers the data through the controller area network bus. The product has advantages of the prominent small size, wide range, supporting electrified installation, high precision, complete insulation, high temperature,etal. This equipment can realize the fault detection, high sensitivity and reliability, which can be a better alternative to the traditional power distribution terminal.

Faraday magneto-optical effect； electro-optical technology； intelligent power distribution terminal.

TM715

A

1003-8930(2012)06-0138-05

2012-05-16；

2012-08-20