摘 要 隨著光電傳感器技術(shù)的不斷成熟，其在變電站自動化系統(tǒng)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(chǔ)上，從通信方式和通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響兩個方面闡述了光電傳感器的應(yīng)用對變電站通信控制系統(tǒng)的影響。并結(jié)合我國變電站自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討了光電傳感器在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用方法和步驟：利用儀用傳感器單元實(shí)現(xiàn)光電傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)的接口；根據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和變電站的應(yīng)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(yīng)用將對變電站自動化系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
關(guān)鍵詞 光電傳感器 變電站自動化系統(tǒng) 光電接口 儀用傳感器單元 網(wǎng)絡(luò)通信
1前言
光電傳感器作為一種新型的電壓電流測量裝置，與傳統(tǒng)電磁式互感器相比較，具有絕緣強(qiáng)度高、動態(tài)范圍大、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、不會產(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(jì)60年代以來，光電傳感器經(jīng)歷了原理性研究、試驗(yàn)樣機(jī)和現(xiàn)場掛網(wǎng)運(yùn)行等階段［1］。目前國外已經(jīng)有部分實(shí)用化產(chǎn)品投入市場，但真正得到大規(guī)模的應(yīng)用還有一個過程，而且國內(nèi)變電站自動化系統(tǒng)的應(yīng)用水平不一，如何讓光電傳感器在變電站自動化系統(tǒng)中得到應(yīng)用并提高變電站自動化系統(tǒng)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(tǒng)是變電站自動化系統(tǒng)的重要組成部分，其技術(shù)水平直接關(guān)系到變電站自動化系統(tǒng)的性能。隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，變電站通信系統(tǒng)也經(jīng)歷了集中式、功能分布式和分散分布式等階段［2］。而通信系統(tǒng)的發(fā)展變化總是與變電站的測控、保護(hù)裝置的發(fā)展變化相適應(yīng)的。隨著光電傳感器在變電站中的應(yīng)用，將對變電站通信控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并提高其自動化應(yīng)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(jù)傳感頭設(shè)計(jì)原理的不同可以分為有源型光電傳感器（Active OET，AOET）和無源型光電傳感器（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(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸?shù)降蛪憾耍缓笳咧饕抢肍araday磁光效應(yīng)（電流傳感器）和Pockels電光效應(yīng)（電壓傳感器）調(diào)制光信號，傳感過程中不涉及電信號。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(xiàn)在以下幾個方面［3，4，5］：
1）暫態(tài)響應(yīng)范圍寬，諧波測量能力強(qiáng)
暫態(tài)特性的優(yōu)劣是判斷一種互感器能否在電力系統(tǒng)中獲得應(yīng)用的一個重要參數(shù)，特別是與繼電保護(hù)動作時間的配合。傳統(tǒng)電磁式互感器由于存在鐵芯，對高頻信號的響應(yīng)特性較差，不能正確反映一次側(cè)的暫態(tài)過程。而光電互感器傳測量的頻率范圍主要由電子線路部分決定，沒有鐵芯飽和的問題，因此能夠準(zhǔn)確反映一次側(cè)的暫態(tài)過程。一般可設(shè)計(jì)到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可設(shè)計(jì)到200 MHz的帶通。光電傳感器的結(jié)構(gòu)可以測量高壓電力線路上的諧波。而電磁感應(yīng)互感器是難以達(dá)到的。
2）數(shù)字接口，通信能力強(qiáng)
由于光電傳感器下傳的就是光數(shù)字信號，與通信網(wǎng)絡(luò)容易接口，且傳輸過程中沒有測量誤差。同時隨著微機(jī)化的保護(hù)控制設(shè)備的廣泛采用，光電互感器可以直接向二次設(shè)備提供數(shù)字量，這樣就能省去原來保護(hù)裝置中的變換器和A/D采樣部分，使二次設(shè)備得到大大的簡化，推動保護(hù)新原理的研究。
3）體積小，重量輕、易升級，滿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AIS或GIS中，這樣將大大減少變電站的占地面積，滿足變電站小型化和緊湊化的要求。同時光電互感器通過少量光纜與二次設(shè)備連接，可使電纜溝和電纜大為減少。如果間隔內(nèi)的控制和保護(hù)等設(shè)備下放開關(guān)柜，將使變電站布置更緊湊。提高安全運(yùn)行水平，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
光電互感器還具有絕緣結(jié)構(gòu)簡單，絕緣性能好，造價(jià)低；不存在鐵磁諧振問題；不存在CT二次開路、PT二次短路問題，以及不存在易燃、易爆危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但上面介紹的3個主要方面直接影響著變電站通信控制系統(tǒng)的通訊方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將對變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展有著重要影響。
3光電傳感器的應(yīng)用對變電站通訊系統(tǒng)的影響
變電站自動化通訊系統(tǒng)包括系統(tǒng)內(nèi)部的現(xiàn)場級通信和自動化系統(tǒng)與上級調(diào)度通信兩部分。在這里我們主要討論光電傳感器的應(yīng)用對內(nèi)部的現(xiàn)場級通信系統(tǒng)的影響。現(xiàn)場級通信主要解決內(nèi)部子系統(tǒng)與上位機(jī)(監(jiān)控主站)以及各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和信息交換問題，它的通訊范圍是變電站內(nèi)部。對于集中組屏的自動化系統(tǒng)來說，實(shí)際是在主控室內(nèi)部；對于分散安裝的自動化系統(tǒng)來說，其通訊范圍擴(kuò)大到主控室與子系統(tǒng)的安裝地，通訊距離加長了。通訊方式有并行、串行、局域網(wǎng)和現(xiàn)場總線等多種方式。而目前國內(nèi)流行的是分散分布式變電站自動化系統(tǒng)，其簡單結(jié)構(gòu)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(tǒng)得到了一定的優(yōu)化。但也存在裝置間缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化；輸入信息不能共享，接線比較復(fù)雜；系統(tǒng)擴(kuò)展復(fù)雜等問題。而隨著光電互感器、智能化開關(guān)設(shè)備等面向一次的智能化設(shè)備日趨成熟，為改變變電站目前監(jiān)視、控制、保護(hù)和計(jì)量裝置及系統(tǒng)分隔的狀態(tài)提供了資源整合和系統(tǒng)集成的技術(shù)基礎(chǔ)。
光電傳感器的應(yīng)用對通信系統(tǒng)的影響和改進(jìn)主要體現(xiàn)在兩個方面：
1）由于光電傳感器具有數(shù)字輸出、接口方便、通信能力強(qiáng)的天然特性，其應(yīng)用將直接改變變電站通訊系統(tǒng)的通信方式，特別是一次設(shè)備與間隔層二次設(shè)備間的通信方式。傳統(tǒng)的信號都是以模擬量的形式傳送到間隔層，同一個CT/PT可能會連接到多個不同的設(shè)備，造成二次接線復(fù)雜，互感器負(fù)荷重等問題。利用光電傳感器輸出的數(shù)字信號，使用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)/多個點(diǎn)對點(diǎn)或過程總線通信方式。將完全取代大量的二次電纜線，徹底解決二次接線復(fù)雜的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的信息共享。
并且光電傳感器的接口設(shè)計(jì)方便，利用模塊化和面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)硬件、軟件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，滿足不同傳輸介質(zhì)和各種通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的需要，具有靈活的擴(kuò)展性和自適應(yīng)性。而這是傳統(tǒng)互感器所不可能具備的特性。
2）對通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響。由于通信方式的改變，加上數(shù)字?jǐn)嗦菲骺刂坪碗娮娱_關(guān)裝置等智能電子設(shè)備(IED)的采用，使得功能不斷下放，變電站自動化系統(tǒng)由兩層結(jié)構(gòu)變?yōu)槿龑咏Y(jié)構(gòu)：過程層、間隔層和變電站層。
其中過程層主要安放有光電傳感器、合并單元、開關(guān)電子裝置模塊、斷路器智能控制模塊等部件，過程層可以完成電力運(yùn)行的實(shí)時電氣量檢測；運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測；操作控制執(zhí)行與驅(qū)動等功能。間隔層安放保護(hù)、測量、和間隔控制單元，主要功能有匯總本間隔過程層實(shí)時數(shù)據(jù)信息；實(shí)施對一次設(shè)備保護(hù)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(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)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(jié)構(gòu)的改變和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，變電站通信系統(tǒng)最終將成為如圖2所示的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場過程總線和站級總線合二為一，最大程度地實(shí)現(xiàn)信息共享和系統(tǒng)集成。
4光電傳感器在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用
我國變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展水平不均衡，既有集中組屏的老式自動化系統(tǒng)，又有分散分層先進(jìn)的自動化系統(tǒng)。光電傳感器的應(yīng)用必須滿足不同水平的變電站自動化系統(tǒng)。為了與老系統(tǒng)兼容，將IEC定義的合并單元(Merging Unit，MU)擴(kuò)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(tǒng)互感器輸出模擬量數(shù)字化的功能，也具備輸出模擬量的功能［7］。從而具有較高的靈活性，很容易與各種系統(tǒng)接口配合使用。ITU的功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
ITU的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循模塊組件化原則。ITU中含有合并單元、數(shù)據(jù)通信模塊、集成故障錄波儀、時鐘控制裝置等模塊。利用模塊化的通信組件，ITU實(shí)現(xiàn)與間隔層設(shè)備的點(diǎn)對點(diǎn)和過程總線通信，并可方便地升級到IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。以ITU為底層基本處理單元，取代傳統(tǒng)互感器和二次電纜，實(shí)現(xiàn)光電傳感器在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。
在我國，為了更好地推動變電站自動化系統(tǒng)水平的提高，ITU在變電站自動化系統(tǒng)的應(yīng)用存在3個階段：
1）兼容傳統(tǒng)互感器，點(diǎn)對點(diǎn)通信和過程總線相結(jié)合階段
該階段中，光電傳感器的測量數(shù)據(jù)是通過點(diǎn)對點(diǎn)連接，直接傳送到保護(hù)裝置的，目前IEC定義了該連接的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有IEC 61850-9-1和IEC 60044-8。同時ITU還將RMS值通過過程總線傳送到間隔層處理單元，過程總線還負(fù)責(zé)監(jiān)控開關(guān)設(shè)備信息的傳送。過程總線標(biāo)準(zhǔn)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）過程總線共享傳感器數(shù)據(jù)階段
該階段，原來分開傳送的測量數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)將通過過程總線合二為一。該合并簡化了間隔單元里復(fù)雜的接線狀況，但同時由于實(shí)時的ITU測量數(shù)據(jù)和保護(hù)設(shè)備的控制命令都是通過過程總線傳送的，過程總線的傳輸速度和響應(yīng)能力比前一階段要求更高。過程總線標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850-9-2依然適用，實(shí)施中可以考慮100Mbit/s的以太網(wǎng)。
3）過程總線和站級總線統(tǒng)一，全站共享數(shù)據(jù)階段
隨著快速以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)，使得連接站級總線和下面的過程層總線成為可能，在網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層中統(tǒng)一使用MMS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將保證通信系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)等性能指標(biāo)不受影響。總線統(tǒng)一的好處首先是信息的完全共享，統(tǒng)一的訪問和存儲方式，并且間隔層的設(shè)備只需要一個通信接口，將大大降低設(shè)備和變電站運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。該階段的實(shí)現(xiàn)有賴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［8］。其原理示意圖參見圖2所示。
5結(jié)論
由于光電傳感器自身的數(shù)字輸出特性和智能電子設(shè)備的特點(diǎn)，其應(yīng)用對變電站自動化通信系統(tǒng)的影響是全面和深遠(yuǎn)的。利用光電傳感器的光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信功能改造電磁式互感器，實(shí)現(xiàn)過程層和間隔層的點(diǎn)對點(diǎn)/多點(diǎn)對多點(diǎn)或現(xiàn)場總線通信，將會成為我國變電站自動化系統(tǒng)改造升級的有效途徑。而建設(shè)以光電傳感器和其他智能電子設(shè)備為基礎(chǔ)的新型變電站自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站站內(nèi)各層間的無縫通信，最大限度的滿足信息共享和系統(tǒng)集成的要求，則是我國變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。
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