全光纤型电子式电压互感器设计与应用

王永兴，刘 罡，汤 野，姜春阳

（1.大连理工大学，辽宁 大连 116024；2.国网辽宁省电力有限公司营销服务中心，辽宁 沈阳 110006；3.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074）

0 引言

电力电压互感器是电力系统的重要设备，其主要作用在于将电网中的高电压信号变为低电压信号，供计量装置或保护装置使用［1−5］。目前，国内各变电站普遍采用基于电磁感应原理的电磁式电压互感器或增加电容分压装置的电容式电压互感器［6−8］。随着系统电压等级的提高，传统电磁式电压互感器或电容式电压互感器因自身绝缘材料复杂、存在磁饱和现象等问题存在众多技术瓶颈［9−12］。

国内外许多学者已经对不同类型的电子式电压互感器开展了研究。文献［13］对电子式互感器合并单元进行了深入研究，为电磁式电压互感器向电子式互感器的转化奠定良好基础，但未对电子式互感器本体进行分析和设计；文献［14］提出一种电阻分压式的电子式电压互感器，该种互感器具有结构简单、成本低廉等优点，但受分压电阻影响较大，准确度等级较低；文献［15］提出一种电容分压式的电子式电压互感器，该种互感器亦具有结构简单、成本低廉等优点，但该类电子式互感器同样准确度较差，且稳定性不好，使用周期短；文献［16］提出一种基于可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）的电子式互感器数字接口实现方案，虽然未对电子式互感器本体提出设计，但对于电子式互感器的一次侧和二次侧的信号传输和转化方式提供了良好的借鉴。

提出一种基于全光纤技术的电子式电压互感器，对该装置进行了系统整体结构设计，并对二次侧机箱硬件部分和软件系统分别进行了设计。最后，通过与传统电磁式电压互感器进行比对试验以及测量重复性试验，证明该互感器性能可靠。该装置可广泛应用于各电压等级变电站。

1 系统整体设计

整体结构如图1 所示，主要由屏蔽装置、传感模块、保偏光纤和二次侧机箱组成，其中二次机箱包括光路系统和电路系统。屏蔽系统由金属材料制成，较好地屏蔽了外界电场对屏蔽装置的影响。其尺寸为40 cm×30 cm×30 cm，壁厚约1.5 cm。屏蔽系统的主要作用为接收来自电子式互感器一次侧的高压信号，将其转化为稳定的电场。由于电场强度等于电压的大小除以传感模块和屏蔽外壳的距离，在距离不变的条件下，电压和电场强度成正比。因此，通过对电场的间接测量即可完成一次侧高压信号的测量。传感模块由法拉第准直旋光器和电光晶体组成，悬浮于屏蔽装置空间内部，仅与保偏光纤相连。保偏光纤采用1 550 nm 型低衰减型保偏光纤，其与光路系统相连。光路系统内部配有稳定光源，光源由超辐射发光二极管产生，其中心波长为1 550 nm。光源在光路系统中分成2 束正交的线偏振光。2 束线偏振光经过保偏光纤后传输至传感模块，在稳定电场作用下产生相位差，相位差的大小与电场的大小即一次侧产生的高压电势成正比［17］。具有相位差的2 束偏振光经保偏光纤重新返回至光路系统，通过光电探测器将相位差信号转化模拟电信号传输至电路系统中。电路系统将模拟信号经一系列模数和数模转化，传输至电子式互感器的二次侧，完成测量或保护功能［18−20］。

图1 系统整体结构

2 二次侧机箱硬件设计

2.1 光路系统设计

光路系统结构如图2 所示，主要由光源、光电探测器、环形器、Y 波导调制器和保偏耦合器组成。光源为光路系统自带恒定发光系统，其内部主要发光器件为中心波长为1 550 nm 超辐射发光二极管，其作用为产生恒定光照强度，电源有电路系统提供；环形器与光源和Y 波导调制器相连，其作用为传输光源信号或来自Y 波导调制器的干涉光信号；Y 波导调制器与环形器和保偏耦合器相连，其作用为将来自环形器的光源信号分解成2 束正交偏振光或将来自保偏耦合器的偏振光信号转变为干涉光信号；保偏耦合器与Y 波导调制器和保偏光纤相连，其作用为传输偏振光信号；光电探测器为光路系统和电路系统的连接装置，其作为用为将干涉光信号转变为模拟电信号，供电路系统使用。

图2 光路系统结构

2.2 电路系统设计

电路系统结构如图3 所示，主要由光电探测器、A/D转换器、DSP、FPGA、D/A转换器、驱动电路组成。光电探测器接收来自光路系统的干涉光信号，转化为模拟电压信号，通过A/D 转换器转换为数字量信号。数字量信号经过数字信号处理器DSP 处理后完成数字信号输出，得到电子式互感器的二次电压值。同时，该数字量信号经可编程门阵列FPGA编辑为可供Y 波导调制器使用的阶梯波信号（数字信号），经D/A转换器转换为模拟量阶梯波信号，传输至Y波导调制器的驱动电路中，最终完成对Y 波导调制器的闭环控制。

图3 电路系统结构

3 电路系统软件设计

电路系统软件环境采用TI公司集成开发环境代码编写器平台（Code Composer Studio，CCS），运用C语言编辑。软件流程如图4 所示，主要包括干涉光检测、A/D 转换、数字信号处理、输出二次电压值、D/A转换、调制器驱动、干涉光转换等流程。系统完成初始化之后开始进行干涉光检测，若未发现干涉光则重新进行检测，若发现干涉光则将其进行A/D 转换。当转变成数字量信号后通过DSP 进行数字信号处理，完成二次电压的输出。同时将数字量信号通过可编程门阵列FPGA进行数字量阶梯波信号编辑，经过D/A转换生成模拟量阶梯波信号，完成Y波调制器的驱动。通过Y 波调制器将光路系统的偏振光信号转变为干涉光，进行重新进行干涉光检测，实现软件系统的闭环控制。

图4 软件流程

4 应用试验比对

为验证该全光纤型电子式电压互感器（0.2 级）计量性能，依据JJF 314—2010《测量用电压互感器检定规程》［21］和JJF 1021—2007《电力互感器检定规程》［22］，将其与某0.2 级220 kV 电磁式电压互感器进行比对。依据检定规程要求在20%UN（UN为额定电压）、50%UN、80%UN、100%UN、120%UN条件下分别对其比值误差和相位误差进行比对，比对结果如表1和表2所示。依据检定规程要求，0.2级电压互感器在20%UN条件下比值误差不大于0.4%，相位误差不大于20′；50%UN条件下比值误差不大于0.3%，相位误差不大于15′；80%UN、100%UN、120%UN条件下比值误差不大于0.2%，相位误差不大于10′。由表1和表2可得，电子式电压互感器和电磁式电压互感器误差结果均满足0.2 级电压互感器要求。同时，电子式电压互感器在不同测量点误差变化远小于电磁式电压互感器，体现出电子式电压互感器在误差平滑性方面的良好性能。

表1 比值误差比对表 单位：%

表2 相位误差比对表 单位：（′）

5 测量重复性试验

采用实验标准偏差方法验证该全光纤型电子式电压互感器测量重复性，依据JJF 314—2010《测量用电压互感器检定规程》，在100%UN条件将其在相同的试验人员、相同的标准器条件下，一天之内对其进行10 次独立重复性测量（每次测量均重新接线），得到该电子式电压互感器的比值误差、相位误差如表3所示。

表3 100%UN比值误差和相位误差的测量数据

采用贝塞尔公式计算测量数据实验标准偏差为

式中：s为实验标准偏差；n为测量次数；xi为第i次测量中电子式电压互感器的测量结果；xˉ为被电子式电压互感器的n次测量平均值。

经计算，比值误差实验标准偏差s比=0，相位误差实验标准偏差s相≈0.441′。依据JJF 314—2010《测量用电压互感器检定规程》要求，0.2 级电压互感器在100%UN条件下测量重复性（实验标准偏差）不大于最大允许误差的三分之一，即比值误差测量重复性不大于0.067%，相位误差不大于3.4′。因此，该被电子式电压互感器的测量重复性符合要求。

6 结语

提出一种基于全光纤技术的电子式电压互感器，对该装置从一次侧和二次侧分别进行了结构设计。将一次侧分解为屏蔽装置、传感模块、保偏光纤3部分并进行了功能介绍。将二次侧分解为光路系统和电路系统并分别给出了原理结构图，同时对电路系统给出软件流程图。最后与传统220 kV 电磁式电压互感器进行了误差比对试验和测量重复性试验，证明该互感器性能可靠。电子式互感器由于其内部电子元器件较多，如何保证其长期运行仍具有良好的电磁兼容性和计量误差稳定性将是今后研究的重点方向，相关成果将在未来研究工作中给出。