姜雅飞，周　鉴，顾益民

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏 南通226010）

基于电子式互感器在数字化电站中差动保护的研究

姜雅飞，周鉴，顾益民

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏 南通226010）

电子互感器是数字化电站的重要组成部分，与传统互感器相比具有很大的优越性。介绍了电子互感器的构成、分类。电子互感器在采样值差动保护中，重采样方法，以及一些保护原理。电子互感器将成为数字化电站信号测量和互感器技术发展的必然趋势。

电子式互感器；采样值差动保护；数字化电站

随着微电子技术、信息技术和网络通信技术的不断发展与进步，以数字化为主要特征的信息革命已经深入到国民经济建设和人民生活的各个领域。随着国民经济的发展，电网规模不断扩大，电压等级越来越高，对电网的稳定性也提出了更高要求。

互感器是连接电力系统一次和二次之间电压或电流传感器的元器件，用以传输被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。互感器是电网中用来监测电网电流电压的设备，为电力系统进行电能计量、测量、控制、保护等二次设备提供电流电压信号的重要设备，其精度和可靠性直接与电力系统的安全、稳定和经济运行密切相关［1-3］。本文针对电子互感器在数字化电站中差动保护的应用进行研究，以期对老的互感器有新的突破。

1　电子互感器的分类及组成

1.1电子互感器的分类

电子式互感器是由传感元件和数据处理单元组成的互感器，用以测量和监控电流、电压等数据。电子式互感器根据功能分为电流互感器和电压互感器。从电流传感原理上看，电子式电流互感器可以分为：基于法拉第（Faraday）磁旋光效应原理或赛格耐克效应原理的电子式电流互感器（无源型）和基于法拉第电磁感应原理的电子式电流互感器（有源型）。同样，电子式电压互感器也可以分为两种：基于普克尔效应原理或逆压电效应原理的电子式电压互感器（无源型）和基于电容分压或电阻分压原理的电子式电压互感器（有源型）。

1.2电子互感器的构成

电子互感器各主要组成部分及功能定义如下［1］：

一次端子：被测控制电流通过的端子。

一次电流传感器：一次端子通过电流或电压相对应的信号，直接或经过一次转换器传送给二次变换器，一次电流传感器可能是Rogowski线圈或者磁光玻璃传感元件。

一次转换器：将一次电流/电压传感器的信号转换成适合传输系统的信号。

一次电源：指一次传感器和（或）电流传感器的电源。

传输系统：一次部件和两次部件之间既可以传输信号，也可以传送功率的装置，常见的有光纤或者光缆。

二次转换器：将来自传输系统的信号转换成正比于一次端子电流/电压的量，供给保护、测控等设备使用。

二次电源：指供给二次转换器的电源。

电子式互感器的二次输出与传统互感器不同，分为数字输出和模拟输出两种。模拟输出是为了适应现存的二次设备，以兼容现有的基于模拟量的保护装置，但也不是传统意义上的模拟输出，而是便于数字式二次设备连接的弱电信号。电子式互感器模拟输出的是低电压小信号，可直接与保护装置接口，而取消保护装置中的电流互感器，简化了保护装置。数字输出的电子式电流互感器可直接接入变电站以太网的通信网络，通过交换机以太网实现信息共享，电子式电流互感器必将成为数字化变电站的主要输出特性，电子式电流互感器能够简化系统结构，减少误差，有利于提高整个系统的准确度和稳定性。

2　电子式互感器环境下差动保护的新特点和技术要求

随着数字化变电站技术的普及，电子式互感器和网络通信技术将得到越来越为广泛的应用，研究电子式互感器环境下对差动保护的影响将具有非常重大的意义。

数字化变电站是基于IEC61850通信规约，智能化的一次设备和网络化的二次设备按照过程层、间隔层和监控层进行分层构建，以实现智能电气设备间的信息共享和互操作的智能化变电站。其主要内涵为：

（1）反映电网运行情况的电气量信息实现数字化输出和统一建模；

（2）IED（Intelligent Electronic Device，智能电子设备）对变电站信息实现统一建模；

（3）IED之间信息交互以网络通信方式实现；

（4）运行控制操作过程通过网络通信以报文方式实现。

数字化变电站的过程层较传统变电站发生了较大的变化，其采用新型的电子式互感器和智能终端以及光纤传输等设备。图1给出了数字化变电站对于传统变电站的区别。推动变电站二次系统信息应用模式发生根本性变化的重要原因之一是电子式互感器的发展和应用，实现了电气量数据采集环节的数字化应用。保护装置在全数字化运行环境下将有重大的变化，微机保护的模拟量、开关量的输入输出回路将被网络所替代，传统模拟电磁式互感器将被新型电子式互感器等数字源所取代，与之相适应的新的保护原理有深入研究的科学价值。基于基尔霍夫定律的差动保护装置面临着电子式互感器和网络通信的新特点，保护系统需要解决多数字源信号的混合输入，提高差动保护性能的课题。

图1　传统变电站和数字化变电站结构对比示意图

电子式互感器和网络通信技术的广泛应用可解决或部分解决为长期困扰差动保护中的互感器的饱和问题，但新型电子式互感器等数字源和网络技术的应用，从继电保护系统的角度来观察，属于系统级的重大变化。在多数字源采样信号混合输入环境下继电保护面临的新问题有不同特性的数字源采样信号带来的误差问题，多数字源信号混合输入的无缝连接问题以及新应用环境下如何提高差动保护快速性和可靠性等问题。

传统由电磁式互感器组成的电气测量系统将模拟量送入保护装置，采样在内部进行。全数字化微机保护系统过程层采用非常规互感器，间隔层二次保护装置与过程层的连接通过网络接口实现。新应用环境下保护装置从通信接口中接收由不同数字源A/ D采样后的数字量，输入信号由传统的单一模拟信号变成了多数字源采样信号的混合输入。不同数字源采样频率不尽相同，前置模拟低通抗混叠滤波器幅频特性和相频特性也存在差异。这些来自不同采样平台的信号无法直接被保护使用，需要寻找有效的信号处理方案实现不同数字源混合输入信号的无缝连接。电子式互感器的传感器输出的模拟信号微弱，通常由IEC60044-7/8标准中所称的二次转换器进行A/D转换后数字化输出。各相的二次转换器汇接到合并单元，再由合并单元输出电气量数字信号到保护设备。各二次转换器的采样受合并单元的控制在单时钟源系统中合并单元的时钟与全站统一时钟源同步。图2显示了电子互感器单时钟源系统。

图2　电子式互感器单时钟源系统

由图2可以看出，电子式互感器的采样受全站统一的单时钟源控制时，采样频率固定，继电保护设备无法控制调整电子式互感器的采样时钟，只能被动地接收其输出的采样数据。IEC 60044-8标准规定ECT数字化输出数据的额定采样频率可取1 000 Hz，2 400 Hz和4 000 Hz（50 Hz工频系统）中的任意一种［4］。在数字化变电站的兴建以及传统变电站的改造升级过程中，可能会遇到传统CT和ECT同时接入差动保护装置的情况，而二者的采用频率通常不相等，也可能会面临着两侧ECT同时接入保护装置而二者的采样频率不一致的情况，因此须采取某种方式将采样频率转换成一致［5-6］。电子式互感器单时钟源系统的特点和采样频率的不一致引出了保护采样数据处理的重采样算法的新问题，这时采样时钟属于同一时钟域，采样频率和相位虽然有差异，但存在恒定的关系，可以称为定抽样率重采样处理。

传统变电站的IED通过电力电缆输入电压、电流信号，然后经隔离保护、A/D转换后进行数据分析以实现各自功能，这种方式的采样延时特性相对稳定。而数字化变电站中，智能电子装置（Intelligent Electronic Device，IED）IED以通信方式获得采样值，取消了传统IED的采样回路［6］。根据IEC 60044-7/ 8IEC61850-9-1的规定，过程层的电子式互感器经过合并单元将采样的数字信号传送给间隔层的IED.

在数字化变电站中，电子式互感器、合并单元、网络等环节由于各个厂家处理不一和采样频率的不同等因素，导致时序特性不一致，因此，站内IED得到的各个通道采样数据时序上会出现较大差别。不同数字源信号的延时存在差异，网络数据传输延时也存在不确定性，这些制约了差动保护的动作快速性。图3给出了电子式互感器接入合并单元模式下采样数据的延迟示意图。

图3　电子式互感器接入合并单元模式下采样数据时序

3　结束语

随着电力工业的不断发展，电子式互感器的推广和应用已是大势所趋，电子式互感器的应用一方面从根本上解决了传统电磁式互感器在故障发生的暂态期间容易饱和问题，但另一方面又给保护系统面临着新的问题，主要集中在如何处理在多数字源混合输入情况下各信号源之间的无缝连接问题，本论文通过重采样算法建立统一的数据平台，实现多采样率信号的无缝连接，另外，在数字化变电站中，差动保护接收到电子式电流互感器的采样数据的延迟受传输网络的影响较大，网络延迟的不确定性是差动保护面临的又一个新问题，保护的速动性面临着新的挑战，因此在实现多数字源信号之间无缝连接的同时必须尽可能的减少算法的执行时间，以提高保护的速动性。

［1］刘延冰，李红斌.电气式互感器原理、技术及应用［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］王廷云，罗承沐，田玉鑫.电力系统中光电电流互感器研究［J］.电力系统自动化，2000，（1）：38-41.

［3］曾庆禹.电力系统数字光电量测系统的原理及技术［J］.电网技术，2001，2（4）：1-5.

［4］IEC instrument Transformers-Part 8:Electronic Current Transformers.2002.

［5］李晓华，尹项根，陈德树.三相同时刻采样值电流差动保护［J］.中国电机工程学报，2007，27（31）：64-70.

［6］徐光福，陆于平，吴崇昊，等.多样率信号处理在数字化变电站差动保护中的应用［J］.电力系统自动化，2007，31（21）：44-48.

Electronic Transformers in Digital Power Station

JIANG Ya-fei，ZHOU Jian，GU Yi-min
（Marine Engineering Department，Nantong Shipping College，Nantong Jiangsu 226010，China）

Electronic current transformer is an important part of digital power plant，compared with the traditional transformer has great superiority.This paper introduces the composition，classification of electronic transformer. Electronic current transformer in the sampling value differential protection，the resampling method，and some protection principle.Electronic transformer will be digitized power plant signal measurement and transformer.

electronic transformer；sample differential；digital power station

TM452

B

1672-545X（2016）07-0209-03

2016-04-19

姜雅飞（1983－），男，江苏南通人，本科，实验师，研究方向：船舶电气。